CC BY
69
УДК 622.243
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ АЛМАЗНЫМ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ
П.С. Пушмин1, Г.Р. Романов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разрушение горных пород при алмазном бурении представляет собой совокупность деформационных процессов, возникающих в горной породе при приложении к ней разрушающих усилий. Современные требования к технологии и экономической целесообразности буровых работ предполагают постоянное совершенствование в области механизма разрушения горных пород на забое.
Одним из факторов, влияющих на эффективность данного процесса, является конструктивное исполнение алмазного породоразрушающего инструмента, в частности расположение торцевых и подрезных резцов относительно оси вращения долота. Это приводит к неодинаковой линейной скорости перемещения резцов, расположенных на концентрических окружностях торца инструмента, удаленных от центра на различное расстояние. Вследствие этого резцы работают с разной степенью эффективности, определяемой глубиной положения забоя скважины.
Таким образом, для оптимизации процесса разрушения горных пород необходимо выравнивать эффективную скорость разрушения горной породы алмазными резцами без уменьшения глубины поражения забоя, что позволит говорить о повышении углубки за один оборот инструмента и снижении нерациональных затрат на разрушение горной породы.
Ключевые слова: алмазное бурение; углубка за один оборот; скорость резания; линейная скорость резца.
FEATURES OF THE MECHANISM OF SOLID ROCK BREAKING BY A DIAMOND ROCK-CUTTING TOOL
P.S. Pushmin, G.R. Romanov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Destruction of rocks under diamond drilling is represented by a set of deformation processes arising in rocks when destroying efforts are applied. Modern requirements to the technology and economic feasibility of drilling operations suggest continuous improvement in the field of the mechanism of bottom rock breaking.
One of the factors affecting this process efficiency is the design of a diamond rock-cutting tool, in particular, the arrangement of face and side-facing cutters at different distance from the rotation axis. It leads to the unequal linear speed of the cutters located on the concentric circles of the tool end face at various distances from the center. This implies that cutters operate with different degree of efficiency determined by the depth of the borehole bottom.
Therefore, to optimize the process of rock breaking it is necessary to level the effective speed of rock destruction by diamond cutters without the reduction in the effective drilled depth. This will allow to speak about the increased deepening per tool revolution and the cutout of irrational costs of rock destruction.
Keywords: diamond drilling; deepening per one revolution; cutting speed; linear speed of a cutter.
1Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии геологической разведки, тел.: (3952) 405737, e-mail: [email protected]
Pushmin Pavel, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Technology of Geological Prospecting Department, tel.: (3952) 405737, e-mail: [email protected]
2Романов Григорий Радионович, аспирант кафедры технологии геологической разведки, тел.: 89501466493, e-mail: [email protected]
Romanov Grigory, Postgraduate of the Technology of Geological Prospecting Department, tel.: 89501466493, e-mail: [email protected]
Разрушение горной породы является совокупностью деформационных процессов, происходящих в твердом теле в результате приложения к нему разрушающих усилий и возникающих в породе напряжений. Очевидно существование прямой связи между скоростью происходящих в породе деформационных процессов и скоростью углуб-ки породоразрушающего инструмента (механической скоростью бурения), которая находится в прямой зависимости от угловой скорости вращения породо-разрушающего инструмента а, глубины формируемой алмазными резцами борозды разрушения Иб и числа одновременно работающих резцов в линии резания Пр [4].
Конструктивное исполнение алмазного породоразрушающего инструмента предполагает размещение резцов по условным концентрическим окружностям на торце в соответствии с определенными схемами раскладки. Таким образом, торцевые и подрезные алмазные резцы располагаются на разных расстояниях ¡1 и ¡2 от оси вращения по-родоразрушающего инструмента, что приводит к неодинаковой эффективности их разрушающего воздействия на твердую горную породу из-за разной линейной скорости перемещения резцов (скорости резания Ур) (рис. 1).Особенно остро это отражается при бурении сплошным забоем, так как присутствуют резцы, находящиеся на окружности с расстоянием I от оси до 5 мм.
Рассмотрим работу единичного алмазного резца породоразрушающего
Рис. 1. Схема расположения алмазных резцов в конструкции буровой коронки
инструмента, расположенного на одной из концентрических окружностей.
Как известно, при работе алмазного инструмента в условиях объемного разрушения твердой горной породы на передней грани каждого работающего резца формируется область максимальных касательных напряжений (ядро сжатия породы) [2, 4]. В процессе работы единичного алмазного резца ядро сжатия породы смещается на его переднюю грань на угол а, определяемый вектором результирующего усилия Я, величина и направление которого определяются геометрическим сложением двух векторов сил: осевого усилия, действующего перпендикулярно плоскости забоя, и тангенциального усилия, действующего по направлению движения резца (рис. 2)
Рис. 2. Схема, показывающая процесс разрушения породы единичным резцом
Форма и размеры ядра сжатия в зависимости от упругих характеристик горной породы обуславливают глубину формируемой борозды разрушения Иб за счет образования и роста трещины отрыва, направленной к поверхности под углом уск из точки максимального касательного напряжения на вершине ядра сжатия породы (см. рис. 2). Глубина борозды разрушения Иб всегда имеет большее значение, чем глубина внедрения резца в породу И, и уменьшается по мере роста угла смещения ядра сжатия а в направлении приложения на резец усилия резания Fp [1, 4]:
hE = 0,25 cos a(2h + ^[dh) . (1)
Согласно теории механики разрушения твердых горных пород, увеличение угловой скорости породоразруша-ющего инструмента а приводит к возрастанию силы резания Fp каждого работающего алмазного резца. Тем самым повышается сила сопротивления горной породы разрушению, а ядро сжатия породы не успевает сформироваться для эффективного отрыва объема породы перед передней гранью алмаза. Это приводит к снижению нормальной составляющей результирующего усилия R и, соответственно, уменьшению глубины борозды разрушения Иб и углубки за один оборот.
Таким образом, для создания эффективной углубки за один оборот по-родоразрушающего инструмента в породе под алмазными резцами, расположенными на каждой концентрической окружности торца, напряжения должны быть достаточными для разрушения породы на заданную глубину. В противном случае возникает необходимость в снижении линейной скорости перемещения резца (скорости резания Vp, м/мин), что приведет к снижению механической скорости бурения, повышенному сопротивлению породы перемещению резца и более интенсивному износу инструмента.
Механизм разрушения твердой горной породы значительно усложняется расположением алмазных резцов на разном расстоянии от оси вращения инструмента. Линейные скорости перемещения алмазных резцов, расположенных на разных концентрических окружностях торца инструмента, неодинаковы. Зависимость линейной скорости перемещения резца от радиуса l концентрической окружности может быть выражена следующей формулой:
Vp = &• I. (2)
Из зависимости (2) следует, например, что для алмазной коронки наружным диаметром 59 мм (внутренний диаметр 42 мм) при постоянной частоте вращения 1200 мин1 и осевой нагрузке Рос = 1200 даН скорость резания Vp составит (рис. 3):
- для торцевых алмазов, располагающихся на дальней от оси вращения концентрической окружности, и подрезных внешних алмазов - 3,7 м/с;
- для торцевых алмазов, располагающихся на ближней к оси вращения концентрической окружности, и подрезных внутренних алмазов - 2,6 м/с.
Согласно расчетам, увеличение расстояния от оси вращения инструмента l на 1 мм приводит к повышению скорости резания Vp на 0,13 м/с. Тогда для алмазного долота линейные скорости резцов, расположенных на расстоянии l = 5 мм от оси вращения, будут достигать значений 0,6 м/с.
Воспользуемся зависимостью для расчета скорости резания горной породы Vp единичным алмазным резцом [4]:
V = ып/сУА р 0,25 • (2h + 4dh ) • sin«' (3) где Vt - скорость образования трещины отрыва длиной 1д, м/с; d - диаметр алмазного резца (поперечный размер), м.
и
Расстояние I до концентрической: окружности, мм
Рис. 3. Зависимости скорости резания горной породы Ур от радиуса I концентрической окружности при разных значениях частоты вращения и постоянной осевой нагрузке Рос = 1200 даН
Как следует из зависимости (3), с увеличением линейной скорости перемещения резца (скорости резания Ур), происходит уменьшение глубины внедрения алмаза в горную породу И, угла смещения ядра сжатия а и соответствующее снижение эффективной осевой нагрузки на резец Рос (см. рис. 2). Тем самым, согласно формуле (1), глубина формируемой борозды разрушения Иб и, соответственно, углубка за один оборот инструмента также снижаются. В свою очередь, инициирование процесса развития трещин отрыва ¡д и скорости тре-щинообразования Ут будут способствовать созданию эффективной скорости резания УР горной породы алмазным резцом.
Преобразуя зависимость (3) с учетом зависимостей, приведенных ранее, получим формулу для расчета глубины борозды разрушения, формируемой алмазным резцом за один оборот породо-разрушающего инструмента:
НГ =
60 • бШ уск • Ут • 1д
п-п-Я• Бт 2а
(4)
Теоретически, согласно зависимости (4), глубина поражения забоя алмазными резцами, находящимися на разных концентрических окружностях торца инструмента, будет неодинаковой. Следовательно, на практике, по нашему мнению, породоразрушающий инструмент реализует углубку за один оборот, соответствующую глубине борозды разрушения породы Иб, формируемой резцами, находящимися на ближайшей к оси вращения инструмента окружности (рис. 4).
Механизм формирования борозды разрушения в этом случае выглядит следующим образом. Рост осевого усилия Рос на породоразрушающий инструмент приводит к повышению суммарного коэффициента сопротивления перемещению работающих алмазных резцов, поскольку увеличиваются площадки контакта резцов с породой и глубины их внедрения И (рис. 5). В связи с этим, одновременно работающим алмазным резцам на каждой концентрической окружности требуется соответствующее усилие и интервал времени
т?
Иб4 ЬБЗ
¡1
Рис. 4. Схема для анализа работы алмазных резцов, расположенных на разных концентрических
окружностях инструмента
Рис. 5. Теоретические зависимости глубины борозды разрушения Нб от осевой нагрузки Рос и радиуса концентрической окружности алмазной коронки при постоянном значении частоты вращения п = 1200 мин-1
для эффективного разрушения породы передней гранью. Таким образом, резцы, реализующие минимальную из возможных скоростей резания УР, замедляют эффективный процесс углубки инструмента в целом.
Отсюда следует, что теоретическое (расчетное) значение эффективной частоты вращения алмазного породо-разрушающего инструмента на самом деле не способствует 100%-й реализации углубки за один оборот инструмента, а ориентировочный резерв для повышения углубки за один оборот составляет 30%.
Резерв для повышения эффективной скорости резания без уменьшения глубины поражения забоя может быть связан со следующими параметрами
[1, 3, 4]:
- с действующим осевым усилием Рос, которое, обеспечивая необходимые напряжения в породе, должно повышаться пропорционально росту скорости резания УР, увеличивая глубину внедрения резца в породу И (при этом темп прироста осевого усилия РОС в сравнении с ростом скорости резания УР должен быть ниже и определяться с учетом прочностных свойств породы);
- с углом а, который, согласно работе [4], может быть выражен через соотношение в степени У глубины внедрения резца И и его диаметра ё либо через соотношение действующих усилий резания Ер и осевого усилия Рос, то есть рост угла а приводит к необходимости повышения эффективной скорости Ур;
- с параметрами прочностных свойств горной породы;
- с размером алмазного резца;
- с наложением на область торца, оснащенную резцами, имеющими резерв производительности, дополнительных разрушающих нагрузок, например ударных.
Библиографический список
1. Нескоромных В.В., Пушмин П.С. Аналитическое исследование влияния технических и технологических факторов на механическую скорость бурения алмазным породоразрушаю-щим инструментом // Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований: сб. науч. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. Вып. 4. С. 40-45.
2. Нескоромных В.В., Пушмин П.С. Бурение скважин: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. 396 с.
3. Пушмин П.С. Возможные направления интенсификации процесса разрушения твердых горных пород // Вестник ИрГТУ. 2004. № 4 (20). С. 182-183.
4. Пушмин П.С. Обоснование модели алмазной коронки на основе исследования механики разрушения твердых анизотропных пород: дис. ... канд. техн. наук: 25.00.14. Иркутск, 2006. 131 с.
Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета А.В. Карпиков
