Выбор рациональной частоты вращения

В отличие от твердого сплава алмаз обладает хорошей теплопроводностью и поэтому алмазные резцы в коронке успевают охлаждаться потоком очистного агента (жидкость или пена) даже при весьма высоких скоростях вращения. Известны примеры, когда бурение в гранитном блоке успешно проводилось алмазной коронкой при частоте вращения 12.000 об/мин, и экспериментальное бурение (на токарном станке) с частотой 40.000 об/мин.

Из выражения V _м. = h_об. ·n следует, что при неизменной величине hоб. механическая скорость бурения прямо пропорциональна частоте вращения – отсюда общий вывод – чем больше частота вращения, тем больше скорость бурения. Однако, в реальных условиях бурения необходимо учитывать влияние и на забойные процессы и на работу бурового снаряда различных дополнительных обстоятельств. На забойные процессы, то есть на характер разрушения резцами породы, оказывает влияние скорость движения резцов, в результате чего величина углубки за оборот при больших скоростях вращения может уменьшаться. Существуют две гипотезы, объясняющие эту зависимость:

1. Лыжный эффект - при движении резца со стороны сдвигаемой породы действует сила реакции под углом к горизонтали, которая раскладывается на горизонтальную и на вертикальную составляющие. (Рис. 42 а). При увеличении скорости движения вертикальная составляющая возрастает, и резец как бы наезжает на породу, напоминая движение на водных лыжах. Чем быстрее движется резец, тем больше поднимающая сила и тем меньше глубина внедрения резца в породу (такая зависимость была подтверждена опытным путем). Зная это явление, можно сохранить оптимальную скорость углубки, если по мере увеличения частоты вращения соответственно увеличивать осевую нагрузку, компенсируя выталкивающую силу, (но это не всегда возможно из-за негативных последствий излишнего увеличения осевой нагрузки).

2. Скорость деформации. Под действием осевой нагрузки резец не только внедряется в породу, но сжимает слой породы под резцом. В результате сжатия под действием тангенциальных напряжений и деформаций в породе под резцом образуются трещины, ослабляющие слой породы и облегчающие последующим резцам разрушать породу, то есть происходит предразрушение породы на забое (рис. 42 а). Однако для того, чтобы образовались трещины предразрушения надо время, а если коронка вращается слишком быстро, трещины могут не успевать возникать, предразрушения не будет и следующему резцу будет труднее внедряться в породу, уменьшится глубина резанья и, следовательно, углубка за оборот (рис. 42б).

а. б

Рис. 42

В некоторых случаях при бурении с большими скоростями углубки в слабых породах при слишком больших частотах вращения очистной агент может не успевать очищать забой от частиц разрушенной породы и это тоже может послужить причиной уменьшения углубки за оборот.

Ряд исследований подтверждает убывающую зависимость углубки за оборот при росте частоты вращения. Рис. 43.

Рис. 43

Обычно в справочной и учебной литературе выбирать частоту вращения рекомендуют в зависимости от буримости, трещиноватости и абразивности пород и от диаметра коронки - от 300 до 2000 об/мин. Или по окружной скорости вращения коронки от 0,6 до 3,5 и даже до 5,0 м/с. В трещиноватых породах рекомендуется снижать частоту вращения на 30 – 50% по сравнению с бурением в монолитных породах.

Кроме забойных факторов при выборе частоты вращения приходится учитывать внешние факторы, главными из которых являются возникновение вибрации, недостаточная мощностьдвигателя бурового станка, возможность обрыва бурильных труб. При бурении по трещиноватым перемежающимся и слабым породам повышенная частота вращения может привести к разрушению керна.

Максимальный эффект будет получен при максимально возможной частоте вращения коронки.

Выбор расхода очистного агента.

В качестве очистного агента для алмазного бурения чаще всего используется промывочная жидкость со смазывающими и понижающими прочность породы свойствами, обычно эмульсии и полимерные жидкости. В определенных условиях рационально использовать при алмазном бурении пену. Попытки алмазного бурения с продувкой показали, что использование продувки для алмазного бурения в принципе возможно, но для обеспечения достаточного охлаждения алмазов нужно делать специальные коронки поэтому продувка в алмазном бурении не получила широкого применения (лучше использовать пену).

Расход очистного агента подаваемого на забой скважины должен обеспечивать охлаждение алмазов и своевременную очистку забоя. Практика показывает, что при хорошей очистке забоя охлаждение алмазных резцов вполне достаточно. Исследования показали, что существует минимальный расход очистного агента, после которого увеличение расхода не улучшает показатели бурения для однослойных коронок (рис. 44 а). Для импрегнированных коронок излишний расход приведет к незначительному снижению скорости бурения, поскольку для процесса самозатачивания импрегнированной коронки надо, чтобы немного шлама оставалось на забое. (рис. 44 б) Слишком большой расход промывочной жидкости может ухудшить показатели бурения (независимо от типа коронки) за счет создания гидроподпора и увеличения самозаклиниваний керна.

Рис. 44

Конкретная величина расхода очистного агента выбирается кроме обеспечения охлаждения резцов из условия выполнения двух основных задач – своевременная очистка забоя и вынос шлама по стволу скважины. Для алмазного бурения на первом месте стоит задача очистки забоя, поскольку бурение ведется в твердых породах коронками малых диаметров шлама сравнительно немного, он мелкий и площадь кольцевого сечения тоже мала, следовательно, даже при малых расходах скорость восходящего потока будет достаточной для выноса всего шлама. Обычно рекомендуется удельный расход промывочной жидкости в л/мин на 1 см диаметра коронки. Для алмазного бурения он равен от 2,5 л/мин/1 см, в самых твердых монолитных малоабразивных породах и до 8 л/мин/см в слабых зернистых, абразивных породах. Проверить достаточность расхода для выноса породы по стволу скважины можно по рекомендуемой скорости восходящего потока V_вп.» (0,15 - 0.3) м/сек.