Стремительные тенденции оптимизации технико-экономических показателей мировых и всероссийских геологоразведочных и строительных производств, стали неотъемлемой концепцией совершенствования техники и технологии бурения скважин в современном веке.
Промышленные организации, чьи работы тесно связаны с бурением скважин по различным горно-геологическим условиям первую очередь, остро нуждаются в высокопроизводительных породоразрушающих инструментах. В этом плане, не совершенство десятилетиями конструкций традиционных буровых долот вынуждает местных организаций обратится к зарубежным производителям.
Ведущими мировыми производителями предлагаются широкий спектр различных породоразрушающих инструментов. Ими активно ведутся работы по совершенствованию буровых долот, которые работали бы по различным горно-геологическим условиям. При этом основной проблемой, с которой сталкиваются заказчики, являются малая эффективность, быстрое изнашивание резцов, а также дороговизна обслуживания предлагаемых зарубежными исполнителями инструментов.
Весьма характерно проявляются вышеизложенные проблемы при сооружении буровых скважин различного назначение в условиях распространения многолетнемерзлых пород (криолиотзоны), к тому же, одновременно интенсифицируется основное отрицательное явление мерзлых горных пород – тепловой фактор, оттайка забоя скважины, который осложняет вес процесс буровых работ.
Основными определяющими компонентами многолетнемерзлых пород являются — лед, вода незамерзшая и (или) прочносвязанная, твердые минеральные частицы, а также пары и газы, которые в зависимости от формы и размеров оказывают существенное влияние на физико-механические свойства многолетнемерзлых пород.
Решение обозначенной актуальной научно-технической проблемы связана с разработкой инновационного высокопроизводительного долота, который обеспечил бы эффективное разрушение с минимизацией теплового воздействия на забой скважины.
Особенностью бурения скважин в мерзлых породах является их чувствительность к изменению теплового режима. Даже малые колебания температуры в скважине значительно меняют прочностные свойства мерзлых пород. Это обусловлено возникновением в порах мерзлых пород переходных процессов, в котором с понижением температуры часть содержащейся воды переходит из твердого состояния в жидкое. Дальнейшее изменение температуры приводит к смене состава воды в мерзлой породе и увеличению количества льда за счет воссоединения молекул чистой воды к кристаллам льда. Такое явление повышает концентрацию солей, содержащихся в незамерзшей воде мерзлого грунта и снижает температуру ее замерзания. Понижение температуры незамерзшей воды приводит к изменению физико-механических свойств горных пород: увеличивается их вязкость, а при дальнейшем повышении повышается пластичность и появляется склонность к оползанию, которые при достижении положительной температуры в скважине полностью теряют связность пород.
Данные исследования по воздействию физико-механических свойств мерзлых пород с точки зрения бурения различных скважин получены многолетними трудами разных научно-исследовательских институтов. И многие исследователи в своих работах делают заключение о том, что «при сохранении естественного температурного режима многолетнемерзлых пород, по своей прочности они не отличаются от обычных пород средней крепости». В практике сооружения скважин в условиях криолитозоны, изменение температуры невозможно избежать. Растепление мерзлых пород, является основной причиной снижения представительности пробы и сопутствует возникновению различных осложнений и аварий в процессе бурения.
При бурении скважин большого диаметра (шурфоскважин) в условиях криолитозоны, в основном исследовалось ударно-канатное бурение. В этом направлении выявлены принципы работы бурового инструмента, разработаны технологии бурения и даны рекомендации по их применению в определенных горно-геологических условиях [4, 5]. Вращательный же способ бурения шурфоскважин при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в условиях криолитозоны недостаточно изучен и требует дальнейшего усовершенствования существующей техники и технологии.
В настоящее время, современными производителями разрабатываются различные высокотехнологические буровые породоразрушающие инструменты нового поколения, такие как: лазерное, ультразвуковое, гидравлическое бурение (струя воды), гидравлическое – абразивное бурение, электрогидравлическое, электроимпульсное, плазменное, разрушение горной породы в электромагнитном поле высокой частоты и др.
Ультразвуковое бурение основано на использовании мощности, создаваемой ультразвуковыми колебаниями, которые вызывают огромные изменения давления в окружающей среде. Ультразвуковые колебания в жидкости создают пустоты или так называемые кавитационные пузырьки. Огромное давление, возникающее при заполнении образовавшихся пустот, используется для разрушения, дробления и размельчения твердых пород грунта
Звук — это упругие колебания среды. Увеличение частоты колебаний обусловливает рост мощности звуковой волны. При частоте около 1 000 000 000 ГЦ ультразвуковые колебания проходят на границе с тепловыми колебаниями. При распространении ультразвуковых колебаний в жидкости в ней возникают давления и разрежения, сопровождающиеся возникновением растягивающих усилий. В местах разрывов образуются многочисленные малые пустоты — кавитационные пузырьки, которые при смене разрежения давлением захлопываются, создавая гидравлический удар и развивая давление до нескольких тысяч атмосфер. При этом материал, подверженный кавитации, разрушается.
Разрушение материалов ультразвуком широко используется в промышленности при резании, сверлении и долблении. Для нужд металлообработки серийно выпускаются универсальные ультразвуковые станки. Эксперименты подтвердили возможность использования ультразвука для разрушения горных пород в бурении
Плазменный способ разрушения материалов находит применение в промышленности. Принцип действия плазменного бурения: струя холодной плазмы с температурой от 5000 до 50000 °C используется для получения отверстий, резки, расплавления, сварки и др. Плазма индуцируется плазмотроном, его также называют электродуговой плазменной головкой.
На рис. 1 показана принципиальная схема плазмотрона.
Получаемая струя плазмы имеет большой диапазон технологических свойств, зависящих от температуры и скорости истечения плазменной струи, параметров электрического тока, материала электродов, свойств подаваемого газа, а также от физических качеств обрабатываемого объекта.
Струя плазмы создается электрическим дуговым разрядом между изолированными электродами. Первый электрод изготавливается в виде стержня, второй — в виде диска с отверстием, являющимся — соплом. Диаметр канала соответствует диаметру дуги. Через канал вдоль электрической дуги, со стороны первого электрода, подается газ по направлению к соплу. Проходя через столб электродуги, газ ионизируется, образуя струю плазмы выходящую из сопла в виде факела. Газ с меньшей степенью ионизации имеющий меньшую температур обволакивает столб электродуги, изолируя стенки канала и сопла от теплового воздействия плазмы.
Плазменными генераторами создается температура до 16650 °C, при такой температуре струей плазмы могут разрушаться любые породы. Плазма образуется при прохождении электрического тока через поток гелия или аргона, пропускаемого между электродами со скоростью 180-7330 м/с. Для получения плазмы достаточно напряжение используемого тока равное 10-500 В, при силе тока 100-1000 А. В дугу поступает от 60 до 80% подводимой энергии. Породе передается около 50% энергии плазмы, часть энергии уносится охлаждающей жидкостью. Таким образом, КПД плазменного бура составляет 30-40%.
Испытания плазменного бурового оборудования показали преимущество энергетических показателей плазмобура над термобуром, работающим на химическом топливе. Энергоемкость плазменного разрушения в 2—3 раза ниже, поскольку параметры плазменных струй регулируются в широких пределах.
Плазменный способ бурения хотя и расширяет область термического бурения, но требует для стабилизации дуги подачи в скважину газа, т. е. применения дорогостоящего компрессора, который в свою очередь ограничивает глубину бурения скважин.
Бурение горных пород способом размыва струей жидкости (гидробурение), при помощи гидромонитора под давлением до 15 МПа применяется при разработке месторождений открытым и подземным способами. При давлениях около 20 МПа возможно успешное разрушение некоторых групп песчаников, известняков и других пород небольшой крепости.
При вскрытии грунта гидроструйным способом себестоимость одного кубометра извлеченной породы обходится значительно дешевле, чем при работе экскаваторами. В большей степени гидроструйное бурение применимо в ходе горных работ, на шахтах.
Была доказана эффективность разрушения крепких пород струей воды напором 70-100 МПа при сверхзвуковой скорости выбрасывания из сопла. При этом наиболее производительными показали себя четырехсопловые насадки, которыми в мраморе и граните выбуривались круглые углубления, ширина реза была до 5 мм, глубина до 50 мм. В ходе теоретических построений и практических исследований было выявлено, что наиболее интенсивное разрушение породы наблюдалось при диаметре струи 0,8-1 мм и расстоянии до породы 40-50 мм. Было обнаруженно также, что глубина реза растет в соответствии с ростом давления по линейному закону.
Кроме непрерывной гидроструи, применяется прерывистая, импульсная струя, выбрасываемая из сопла порциями.
Термическое бурение — способ бурения, выполняемый с помощью специальной огнеструйной горелки. На забое скважины с помощью высокотемпературных газовых струй выходящих со сверхзвуковой скоростью из сопел горелки, в результате сложного взаимодействия раскалённых струй и воды с разрушаемой породой происходит бурение.
В отличие от механического способа разрушения при бурении, когда увеличение прочности пород приводит к снижению скорости внедрения, для термического бурения эффективность повышается.
Одним из вариантов термического бурения является термомеханический, когда, нагрев породы совмещается с обычным механическим бурением, однако сам комплекс разрушающих инструментов достаточно сложен. Задача сводится к наложению на термические напряжения механических, в результате чего интенсифицируется разрушение. Как правило, тепловое нагружение осуществляется газовой или плазменной горелками, а механическое -шарошечным долотом.
Установки термического бурения бывают с вращающимся рабочим органом, применяемые при бурении крепких, трещиноватых пород, и станки с невращающимся рабочим органом, применяемые при бурении монолитных пород.
Для бурения мелких шпуров до 2м. создано несколько конструкций ручных термобуров, термоотбойников, терморезаков и другого инструмента.
Термическое бурение основано на тепловых свойствах горных пород, их теплопроводности, коэффициенте линейного и объемного расширения и теплоотдаче, характеристики которых в краткой форме представлены ранее. Там же отмечено, что породы хрупкие с низким коэффициентом Пуассона разрушаются быстрее, с меньшими удельными энергозатратами, чем породы в которых превалируют пластические деформации.
При термическом разрушении в горных породах протекают следующие процессы: тепловое расширение; нарушение кристаллической решетки; полиморфные превращения в окварцованных породах; химические превращения; изменение агрегатного состояния вплоть до плавления; изменение тепловых свойств породы; изменение прочностных характеристик.
Прочностные свойства пород с изменением температуры вначале увеличиваются, а затем — снижаются, что определяется величиной температурного градиента.
Наиболее простым в пользовании и недорогим способом, к тому же эффективным при бурении скважин остается шнековый способ (рис.2). Наивысшие скорости можно достичь только при достижении между интенсивностью разрушения (резания) горных пород на забое и транспортирования выбуренной породы на поверхность. Эффективность разрушения мерзлых пород на забое скважины и очистка забоя скважины от бурового шлама прямо зависят от типа и конструкции породоразрушающего инструмента [2, 3].
На эффективность разрушения и очистки забоя скважины существенное влияние оказывают форма и размеры резцов породоразрушающего инструмента [3, 4, 5]. Рациональный выбор формы режущей части бурового инструмента, обеспечивающей эффективное разрушение, особенно необходимо учитывать при создании новых типов буровых режущих инструментов.
На основании проведенного анализа литературных данных и практики бурения скважин, обзора проведенных научно-исследовательских работ, отечественных и зарубежных конструкций буров, а также учитывая физико-механические свойства многолетнемерзлых пород рекомендована концепция разработки инновационного породоразрушающего инструмента (долота) для бурения скважин большого диаметра в условиях криолитозоны:
- Центральный опережающий резец (забурник) в процессе бурения обеспечивает центрирование породоразрушающего инструмента в скважине. Но как показывает практика бурения скважин по мерзлым песчано-галечниковым отложениям, чем больше диаметр породоразрушающего инструмента, тем малоэффективна функция забурника. Это связано с тем, что при резании резцами, расположенными по концентрическим кругам с разной окружной скоростью v, понижающейся от периферии к центру забоя скважины достигая по оси центрального опережающего резца (забурника) v=0 разрушение породы забурником происходит только за счет раздавливания под осевой нагрузкой Со без резания. Таким образом, центральная опережающая часть (забурник) превращается в своего рода опорный элемент вращающегося породоразрушающего инструмента и замедляет механическую скорость бурения Vмех. Исходя из этого, необходимо видоизменить конструкцию породоразрушающего инструмента, устранив опережающий центральный резец (забурник).
- Резцы в породоразрушающем инструменте должны быть сменными и удобными для быстрой замены при износе или поломках.
- Рациональная форма, размеры и геометрия режущих элементов породоразрушающего инструмента должны обеспечивать минимальные энергозатраты при разрушении мерзлых горных пород. Этим требованиям наиболее отвечает цилиндрическая остроконечная форма резца [3].
- Основные показатели бурения во многом зависят от правильного выбора оптимального угла резания γ резцов.
Вопросами влияния оптимального угла резания γ при бурении скважин в мерзлых породах занималось не малое количество исследователей [1, 2, 3]. В настоящее время не даны четкие рекомендации по выбору оптимального угла резания и с учетом заключений авторов, оптимальным считается угол от 30° до 40°. Однако, учитывая существенное повышение прочностных свойств мерзлых песчано-глинистых пород, считаем возможным увеличение угла резания γ до 50-60°.
- Для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях должен применяться породоразрушающий инструмент со специальными резцами. Расположение резцов по высоте должно обеспечивать эффективное разрушение горной породы на забое. При этом, резцы должны иметь минимальную и достаточную площадь контакта с горным массивом: минимальную — для уменьшения выделяемой теплоты и достаточную — для обеспечения объемного разрушения мерзлых пород на забое скважины.
Литература:
- Бугаев В. Г. Исследование процесса, разработка конструкции режущего инструмента и обоснование режимов вращательного бурения скважин: дис. … канд. техн. наук. – Красноярск, 2004. – 307 с.
- Грабчак Л. Г. Горноразведочные работы / Л. Г. Грабчак. – М.: Высш. шк., 2003. – 661 с.
- Линьков С.А. Разработка конструкции и обоснование параметров рабочего органа для бурения скважин в мерзлых грунтах: дис. … канд. техн. наук. – Омск: Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, 2007. – 185 с.
- Скрябин Р. М. Технология и техника вращательного бурения скважин большого диаметра в многолетнемерзлых породах / Р. М. Скрябин, Н. Г. Тимофеев // Отечественная геология. – 2011. – № 6. – С. 77-82.
- Скрябин Р. М. Разработка бурового снаряда для бурения скважин большого диаметра (Ø500 мм. и более) на разведке россыпных месторождений Севера / Р. М. Скрябин, Н. Г. Тимофеев // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. – 2012. – Т. 9, №1. – С. 85-90.[schema type=»book» name=»КОНЦЕПЦИЯ РАЗРАБОТКИ ИННОВАЦИОННОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ » author=»Тимофеев Николай Гаврильевич, Жирков Афанасий Николаевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)» ebook=»yes» ]