автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Научно-практические основы термомеханического колонкового бурения

На правах рукописи

БРОДОВ Герман Сергеевич РГ£ ОД

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО КОЛОНКОВОГО БУРЕНИЯ

Специальность 05.15.14 - Технология и техника

геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки" (ВИТР)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лев Канитонович Горшков,

доктор технических наук, профессор Андрей Тимофеевич Киселев,

доктор технических наук, профессор Рудольф Михайлович Эйгелес

Ведущее предприятие: Государственное геологическое унитарное предприятие «Невскгеология»

Защита диссертации состоится 25 мая 2000г. в 14 ч15 мин на заседании диссертационного Совета Д 063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) по адресу 199026, г.Санкт-Петербург, В.О., 21линия, д.2, ауд.1203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета)

Автореферат разослан 25 апреля 2000г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ | диссертационного Совета, д.т.и., профессор

И.П. ТИМОФЕЕВ

U131.111.U0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Геологоразведочное колонковое бурение характеризуется разнообразием горногеологических условий. Это требует постоянного совершенствования традиционных, разработки новых прогрессивных технологий бурения скважин и конструкций бурового породоразрушающего инструмента (ПРИ).

Анализ современного состояния изученности колонкового бурения позволяет утверждать, что развитие техники и технологии сдерживается недостаточностью планомерных исследований процессов, происходящих при бурении с учетом теплового фактора и изменения физико-механических свойств горных пород.

При разрушении горных пород, неоднородных по составу, структуре и текстуре, происходят упругие и релаксационные процессы, возникают структурные напряжения, ассоциации дефектов и другие изменения, значение которых весьма существенно при генерировании тепловой энергии породоразрушающим инструментом в процессе бурения.

Дальнейшее развитие и создание новых технологий колонкового бурения зависит от разработки научных основ, аналитического описания процессов, основанных на законах термодинамики и механики твердых тел, с учетом тепловых, прочностных и упругих свойств горных пород. При выполнении этих условий могут получить развитие новые идеи, новые научно обоснованные разработки, направленные на повышение эффективности процесса колонкового бурения.

Традиционные технологии колонкового бурения, в основном, исчерпали возможности дальнейшего прогресса по ряду причин:

1 .Энерговооруженность породоразрушающего инструмента достигла предела из-за недостатка конструктивной прочности рабочих элементов.

2. Применяемые в буровых коронках режущие и истирающие материалы ограничивают использование новых способов разрушения горных пород и повышения КПД бурового

инструмента.

3. Непроизводительные затраты мощности буровой коронки составляют более 90%.

4. Увеличение механической нагрузки на коронку уменьшает ресурс ее работы.

Анализ путей совершенствования процесса колонкового бурения показал, что повышение эффективности механизма разрушения горных пород буровой коронкой за счет использования теплоты, вырабатываемой буровой коронкой при трении по горной породе, является наиболее рациональным способом увеличения ее энерговооруженности и эффективности работы.

Воздействие на горную породу теплоты, генерируемой трением буровой коронки, изменяет физико-механические свойства контактного разрушаемого пограничного слоя горных пород, что позволяет более эффективно использовать реальную мощность на забое скважины. Для этого конструктивные параметры бурового инструмента должны удовлетворять требованиям повышенной термо-износостойкости, обеспечивать в процессе бурения уменьшение энергоемкости разрушения горных пород. Процесс бурения, при котором тепловое воздействие изменяет внутреннюю энергию горных пород, вызывает снижение энергоемкости разрушения за счет снижения их прочности, является термомеханическим бурением.

Термомеханический (ТМ) способ бурения, с механическим разрушением горной породы и одновременным использованием теплоты трения, в реализации не требует принципиальных изменений технологии бурения и применения дополнительных внешних источников энергии. Новая технология обеспечивается совершенствованием конструкции традиционного

породоразрушающего инструмента. При этом значительно увеличивается энерговооруженность, повышается КПД буровой коронки (до 50%) за счет снижения энергоемкости разрушения прогреваемого слоя горной породы и увеличивается механическая скорость бурения. Механическая скорость термомеханического бурения горных пород средних категорий по буримости (VII- VIII)

в 2-3 раза превышает механическую скорость при традиционном способе бурения.

Научное обоснование эффекта термомеханического способа колонкового бурения, исследование механизма разрушения горных пород представляется целесообразным с позиций термодинамики.

Вопросы термодинамики горных пород достаточно хорошо изучены, установлены также закономерности изменения свойств горных пород при тепловом воздействии, В то же время эффективность тепловых факторов и их использование в колонковом бурении изучены недостаточно.

Вышеизложенное позволяет считать разработку нового способа колонкового бурения с воздействием на горную породу высокотемпературным потоком тепловой энергии актуальной проблемой, практическое решение которой значительно снизит расход дорогостоящих истирающих материалов, в том числе природных алмазов, уменьшит затраты средств и времени на бурение скважин, повысит технико-экономические показатели геологоразведочного бурения.

Вопросы теории, технологии и техники бурения в условиях теплового изменения состояния горных пород исследовались и разрабатывались в трудах отечественных и зарубежных ученых. Основоположниками этого направления являлись Б.И.Воздвиженский (1935г), П.Ф.Рощин (1945г). Из авторов, внесших значительный вклад в решение проблемы необходимо, назвать М.Т. Аубакирова, Д.Н.Башкатова, МЛ. Берковича, К.И.Вдовина, В.С.Владиславлева, П.П.Вырвинского, А.А.Галяса, Л.К.Горшкова, С.А.Гончарова, А.П.Дмитриева, Л.С.Дербенева, Н.А.Клочко, Е.А.Козловского, Б.Б.Кудряшова,

A.А.Кожевникова, А.Т.Киселева, В.С.Литвиненко, Г.Я.Новика, С.А.Полуянского, Ю.М.Парийского, П.А.Ребиндера,

B.В.Ржевского, А.В.Сахарова, Н.В.Соловьева, С.С.Сулакшина, В.К.Чистякова, Л.А.Шрейнера, Р.М.Эйгелеса, Е.А.Эпштейна и других, а среди зарубежных ученых: T.Aciva, T.Saburo, D.L.Sims, S.Souhey, Y.Suzuki, O.Yosichiro и других. Основные практические положения термомеханического колонкового бурения впервые

сформулировал Е.Ф.Эпштейн.

Исследования, проводимые для решения вышеизложенной проблемы, были начаты автором в 1985г. в лаборатории новых методов бурения во Всесоюзном НИИ методики и техники разведки (ВИТР) и выполнялись на основе госбюджетных тематических работ и договоров о творческом содружестве с ВУЗами, НИИ и проектно-технологическими организациями. Среди них: СПбГГИ им.Г.В.Плеханова, ДГИ им.Артема, Криворожский горнорудный институт, ВНИИ твердых сплавов, ЦНИИ КМ «Прометей», БелРНПО порошковой металлургии, ИГД им. A.A. Скочинского.

Актуальность темы диссертации подтверждена тем фактом, что научные исследования и разработки выполнялись в соответствии с Федеральной программой развития минерально-сырьевой базы на 1994-2000 г.г., одобренной приказом Комитета РФ по геологии и использованию недр №147 от 16.08.94. и другими государственными и ведомственными программами.

Наиболее значимой завершенной научно-технической продукцией (НТПр), выполненной в ВИТРе, является: Д 119-1/472 «Исследование возможности и эффективности применения для бурения скважин механического способа разрушения горных пород в сочетании с генераторами тепла» (1986г.). Д.401 «Провести поиск технических решений создания породоразрушающих средств термомеханического бурения» (1988г.). Д.32/250 «Исследовать и разработать колонковые наборы и породоразрушающий инструмент термомеханического бурения» (1995г.). НТПр 80 «Исследовать и разработать породоразрушающий инструмент с термомеханическим эффектом для бурения в осложненных условиях» (1998г.). НТПр 96 «Исследовать и разработать новые технические средства и технологию колонкового бурения с нетрадиционным разрушением горных пород и понижением их прочности физическими полями» (2000г.).

Цель исследований - разработка научных основ, методических положений, технологических регламентов и

породоразрушающего инструмента для механического вращательного колонкового бурения с дополнительным воздействием на горные породы высокотемпературной тепловой энергией.

Основная идея работы заключается в повышении эффективности использования забойной мощности (КПД породоразрушающего инструмента) за счет целенаправленного воздействия теплоты трения буровой коронки о забой скважины на физико-механические свойства горных пород (изменение внутренней энергии, ослабление межкристаллических связей, образование дефектов и снижение прочности) в прогретом слое, приводящего к существенному уменьшению энергоемкости их разрушения.

Основные задачи исследований. Достижение намеченной цели потребовало решения следующих задач:

- уточнить закономерность изменения физико-механических свойств горных пород при нагреве и сделать критический анализ ранее проведенных исследований;

- определить рациональные области применения термомеханического способа бурения по его избирательности к буримости горных пород;

- исследовать метод и разработать технологию создания специальных жаропрочных и износостойких материалов для бурения горных пород в условиях высоких температур;

разработать математическую модель процесса термомеханического способа бурения, основываясь на общих принципах термодинамики и законах тепломассопереноса в горных породах;

теоретически и экспериментально обосновать и разработать технологический регламент нового способа бурения;

разработать конструкцию и создать колонковый термомеханический буровой снаряд на основе теоретических и изобретательских решений и освоить его в реальных условиях бурения скважин;

Методика исследований. Для решения поставленных научных и практических задач был определен комплексный метод исследований, сочетающий математическое моделирование продесса бурения с экспериментами в лабораторных и полевых условиях. Общая методика исследований при выполнении диссертационной работы осуществлялась по следующей схеме:

- обзор, критический анализ и обобщение материалов научных исследований и производственных данных по проблеме, постановка конкретных задач и определение эффективных направлений исследований;

- математическое моделирование процесса бурения в условиях разупрочнения горных пород теплотой трения, обобщение опытных данных, реализация моделей на основе численных методов и математического эксперимента с применением компьютерного анализа;

- создание базы и обоснование методики проведения экспериментальных исследований, техническое оснащение эксперимента и статистическая обработка результатов;

- экспериментальные исследования процесса бурения в условиях изменения прочности горной породы воздействием теплоты трения; испытания нового породоразрушающего инструмента и новых технологий в лабораторных и полевых условиях;

-опытно-производственные исследования по оптимизации разрабатываемых технологий и технических средств с целью оценки эффективности промышленного внедрения в практику геологоразведочного бурения.

Научная новизна выполненной работы состоит:

- в теоретическом и экспериментальном обосновании математических моделей основных показателей процесса термомеханического бурения при высокотемпературном воздействии на горную породу с учетом изменения тепловых, прочностных и других физико-механических свойств горных пород;

в установлении на основе теоретических и

экспериментальных исследований связи между основными горногеологическими, конструктивными и технологическими параметрами, определяющими эффективность процесса термомеханического бурения;

- в обосновании метода расчета показателей эффективности процесса термомеханического колонкового бурения.

Защищаемые научные положения:

1. Бурение твердых горных пород термомеханическим способом реализуется при условии стабилизации температурного режима на забое скважины, обеспечивающего снижение прочности и эффективное разрушение горных пород при сохранении их агрегатного состояния.

2. Установленные аналитические зависимости между механическими и тепловыми параметрами позволяют с достаточной степенью точности использовать их для анализа и оптимизации процесса термомеханического колонкового бурения.

3. Функциональное распределение нагрузки на термофрикционные элементы и на резцы обеспечивает эффективную работоспособность термомеханического породоразрушающего инструмента в широком диапазоне свойств горных пород.

4. Практическая реализация термомеханического колонкового способа бурения возможна на основе применения для породоразрушающих элементов высокотемпературных жаропрочных износостойких композиционных материалов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигается: использованием современных методов теоретических и экспериментальных исследований термомеханических процессов при бурении горных пород, адекватностью физических моделей и объектов исследований, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; положительными результатами многократных испытаний экспериментальных термомеханических коронок при бурении

различных по свойствам горных пород на стендах и в скважинах на объектах геологоразведочной отрасли.

Практическая значимость и реализация работы.

результаты исследований позволили обосновать, разработать и внедрить новый способ, технологию и технические средства колонкового бурения с термомеханическим эффектом разрушения горных пород.

- разработана и внедрена методика инженерного расчета: температурного режима забоя при бурении скважин термомеханическим породоразрушающим инструментом; коэффициента ослабления прочности пород при бурении термомеханической коронкой; основных технологических параметров процесса бурения с одновременным нагревом горной породы; технологических и конструктивных параметров при исследовании и разработке термомеханического способа бурения.

- разработаны и применены в практике колонкового бурения следующие технологии: бурение твердых скальных пород термомеханическим способом; создание жаропрочных износостойких композиционных материалов для оснащения термомеханических коронок; изготовление термомеханических коронок на основе термостойких металлокерамических композиций; бурение рыхлых несвязных пород с включением твердых фракций.

- разработаны и освоены новые технические средства: термомеханические безалмазные коронки с нагревательным элементом трения и автономными сменными резцовыми элементами (КТМ-59, КТМ-76, КТМ-93, КТМ-112); колонковые наборы к термомеханической коронке с керноприемной трубой и устройством автономного гидравлического регулирования нагрузки на резцы; термомеханические долота со съемными резцовыми элементами для бурения сплошным забоем в сложных геологических условиях (ДТМ-76, ДТМ-114, ДТМ-132).

Вышеперечисленные разработки выполнены на уровне изобретений.

Термомеханические коронки и долота в качестве экспонатов

демонстрировались на выставке V Международного горногеологического форума (Санкт-Петербург, 1998г.) и на промышленной ярмарке (Нижний Новгород, 1997г.)

Результаты исследований осваивались в производстве непосредственно при участии автора на объектах Мурманской ГРЭ ПРО «Севзапгеология», карьерах ГОК «Апатитстрой», «Доломит» Гатчинского КУ, Ленинградской геологической экспедиции в п. Кузнечное, экспедиции №32 ГГП «Невскгеология» г.Медвежьегорск.

Термомеханической коронкой КТМ-59 впервые в мировой практике была пробурена скважина глубиной 300м в п.Стеклянный на научно-производственном полигоне ВИТР в породах IX - XI категории по буримости.

Экспериментальные работы с целью промышленного освоения термомеханического бурения были проведены в Китае в провинции Дзилинь на базе Чанчуньского научно-технического университета.

Личный вклад автора:

- основная идея работы, постановка задач исследований, разработка методов и программ их решения;

- геологотехническое обоснование нового способа бурения;

- обоснование и разработка математических моделей и общего решения (целевого алгоритма) термомеханического процесса бурения горных пород;

- разработка методик и экспериментальные исследования процесса разупрочнения горных пород при нагреве;

- разработка метода создания специального термоизносостойкого материала для нагревательного элемента термомеханической коронки, экспериментальные исследования свойств и изготовление опытной партии;

- конструктивное решение по использованию теплоты трения при работе буровой коронки для снижения энергоемкости разрушения горной породы;

- разработка технологического регламента процесса термомеханического колонкового бурения и освоение опытных

образцов термомеханических коронок и технологии бурения в производственных полевых условиях

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных слушаниях Ученого совета ВИТР, на 1-ом, 2-ом, 3-ем и 4-ом Международных симпозиумах по бурению скважин в осложненных условиях (Ленинград - Санкт-Петербург, 1989, 1992, 1995, 1998г.г); на научных семинарах кафедры техники разведки Чанчуньского научно-технического университета и Научном совете Чанчуньского геологического института (Чанчунь, 1997г., 1998г.); на Всекитайской научно-технической конференции геологических организаций (Пекин, 1997г.); в, Министерстве науки и технической политики РФ на Научном совете по государственной научно-технической программе «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России» (Москва, 1992г.).

Публикации. Основное содержание • диссертации опубликовано в 25 научных работах, в том числе 6 авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов и рекомендаций. Содержание диссертации изложено на 1,72 страницах машинописного текста, сопровождено 28 рисунками, 33 таблицами, списком литературы из 102 наименований и 6 приложениями,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, формулируется основная идея, цель, задачи и общая методика исследований, определяются основные защищаемые положения, научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, приводятся данные по ее обсуждению и структуре.

В главе 1 изложены результаты анализа современного состояния исследований термомеханических способов бурения скважин, обоснование целесообразности исследований в области колонкового бурения, горно-геологические предпосылки развития термомеханического колонкового бурения.

Глава 2 представлена результатами исследований прочностных свойств горных пород при нагреве.

Глава 3 содержит результаты исследований и разработки жаропрочных и износостойких материалов для термомеханического породоразрушающего инструмента.

В главе 4 рассмотрены результаты экспериментальных исследований и конструкторских разработок технических средств и технологий термомеханического колонкового бурения.

Глава 5 посвящена аналитическим исследованиям, разработке теоретических основ термомеханического колонкового бурения, методам построения математических моделей процесса термомеханического способа разрушения горных пород.

Глава б посвящена практическим результатам и оценке технико-экономических показателей и перспектив термомеханического бурения.

Основные выводы отражают обобщенные результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение автором целей диссертационной работы.

Автор выражает искреннюю благодарность директору ВИТР академику РИА И.С.Афанасьеву за помощь и содействие, во многом предопределившими появление этой работы, за консультации в области теплофизики процесса бурения заведующему кафедрой ТТБС СПбГГИ, заслуженному деятелю науки и техники, профессору Б.Б.Кудряшову, а также признательность за помощь в проведении исследований коллегам лаборатории новых способов бурения и ОМЭИ ВИТР, профессорам и преподавателям факультета и кафедры «Техника разведки» Чанчуньского научно-технического университета.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Бурение твердых горных пород термомеханическим способом реализуется при условии стабилизации температурного режима на забое скважины, обеспечивающего снижение прочности и эффективное разрушение горных пород при сохранении их агрегатного состояния.

Главными технологическими параметрами процесса термомеханического бурения являются активная тепловая мощность коронки или количество энергии, вносимой на прогрев пограничного слоя горных пород и поддержание температурного режима, осевая нагрузка на термофрикционный элемент буровой коронки и нагрузка на резцовый элемент коронки.

Теплота, вносимая в горную породу, вырабатывается за счет трения буровой коронки о забой скважины. Генератором тепловой энергии трения является термофрикционный элемент коронки, изготовленный на основе термостойкого композиционного материала. Функция термофрикционного элемента заключается в выработке тепловой энергии, прогреве пограничного слоя горной породы и теплового ослабления его прочности.

Прогретый слой горной породы разрушается резцовым элементом буровой коронки. В диапазоне установившихся температур цикл нагрев-резание повторяется с частотой за один оборот буровой коронки равной числу фрикционных элементов.

Решение задачи о прогреве пород в процессе бурения сводится к отысканию условий, при которых можно создать и поддерживать в течение определенного периода углубки скважины опережающий забой слой, ослабленный теплотой трения коронки.

Распределение температуры в прогретом слое горной породы впереди забоя в установившемся режиме можно оценить по аналитической зависимости, полученной Б.Б.Кудряшовым на основании теории движущегося теплового источника, для условий мерзлых горных пород:

I = ¡о + 0Н +( яагД„ум)*ехр[- (ум/а„) Ь], (1)

л

где ^ - температура горной породы на устье скважины, С; а -геотермический градиент, °С/м; Н - глубина скважины, м; я -удельный тепловой поток, Вт/м2; ап - коэффициент температуропроводности горной породы, м2/с; Яп - коэффициент теплопроводности горной породы, Вт/(м* °С ); ум - механическая скорость бурения, м/с; И - глубина прогрева горной породы, м.

В табл.1 приведены экспериментальные и расчетные значения квазистационарного температурного поля впереди забоя, рассчитанные по формуле (1).

Таблица 1

Распределение температуры породы впереди забоя_

Ь, мм 0 0,1 0,5 1,0 2,0 3,0

1 иС 627 - - 337 177 87

1 ис 1рас> 609 567 425 298 152 82

Экспериментальные исследования работы ТМ-коронки в условиях высокотемпературного режима, выполненные автором, позволили, уточнить характер распределения температуры впереди движущегося забоя при установившейся температуре 900-1000К.

Глубина прогрева слоя породы при механической скорости 2,0 м/ч составила около 4 мм. Температурное поле в полупространстве, ограниченном плоскостью забоя, по форме можно представить как усеченный несимметричный тороид. Ось симметрии в сечении температурного поля смещена к оси скважины в результате взаимодействия температур внутри коронки. Время прогрева породы до установившейся температуры в забое не превышало 1,2-1,3 с.

Температурное поле впереди забоя, генерируемое движущейся термомеханической коронкой, полученное в результате экспериментальных исследований, представлено на рис.1.

Анализ результатов эксперимента показал, что решение температурной задачи для поверхности нагрева при интенси-

Номера термоиЪр

. 3 . 4

мм

Рис. I. Температурное поле под торцом движущейся ТМ -коронки.

вном тепловом потоке можно получить из теоремы Дюамеля, полагая расстояние от источника теплоты 7,-0. При этих условиях зависимость температуры на поверхности нагрева примет вид

Т = (2Ч/>,) д/ап'Тн /п> (2)

где тн - время нагрева, с.

Расчетное значение температуры поверхности нагрева составило 943К.

Формула (2) позволяет более точно определить температуру поверхности нагрева при высокотемпературном термомеханическом бурении.

Стабилизация необходимого температурного режима на забое скважины достигается установлением заданного соотношения технологических параметров процесса термомеханического бурения.

В установившемся температурном режиме активная тепловая энергия, вырабатываемая ТМ-коронкой, превышает тепловую энергию коронки при традиционном способе бурения. В термомеханическом бурении за каждый оборот коронки диаметром 59 мм к горной породе подводится 125-483 Дж теплоты, в алмазном бурении - только 60 Дж. Распределение температур по глубине поля отражено на рис.2.

Измерение температур производилось термопарами, установленными параллельно плоскости забоя в стенке скважины

(№1), по оси скважины (№2) и по образующей керна (№3). 1000 -г "Г,К

I., мм

Рис. 2. Изменение температуры горной породы по глубине нагрева (Ь) под торцом коронки.

Тепловая энергия, генерируемая термофрикционным элементом ТМ-коронки, прогревает пограничный слой горной породы и уменьшает ее первоначальную прочность. При уменьшении прочности горной породы снижается энергоемкость ее разрушения, что является главным фактором повышения эффективности бурения.

Реальную прочность горной породы и соответствующую ей энергоемкость разрушения в зависимости от температуры нагре-ва в процессе бурения оценить количественно достаточно сложно.

Проведенные автором в лабораторных условиях исследования позволили получить уточненные данные по изменению свойств некоторых горных пород при нагреве. Исследования показали, что изменение прочности происходит аномально в диапазоне от 423-473К до 853-873К. Упругие и прочностные свойства большинства скальных горных пород с ростом температуры уменьшаются.

Для управления процессом бурения в термомеханическом режиме необходима количественная оценка зависимости прочности горных пород от температуры. Экспериментально такие зависимости получены.

Эти зависимости использованы в отработке экспериментальной технологии бурения и теоретических расчетах. При этом учтено, что при нагреве до 700-1000К большинство

горных пород теряет 50-70% первоначальной прочности.

Регулируемыми параметрами для установления температурного режима в забое в процессе термомеханического бурения являются осевая нагрузка на коронку Б, частота вращения коронки (окружная скорость) п, и расход промывочной жидкости V. На рис.3, показана зависимость температуры пограничного слоя горной породы от показателей технологических параметров процесса термомеханического колонкового бурения.

Зависимость температуры пограничного слоя от осевой нагрузки выражена экспоненциальной зависимостью при постоянных значениях частоты вращения и расхода промывочной жидкости. При достижении температуры значений 1200-1300К

т. к

800 600

0.8 1.0

1.2

1.4

0.25 0.50 0.75

1.00

КРул) при п=450мин'1 \/уд=0.75 дм3/мин

^мР)при Р=1500даН, \/>д=0.75 дм3/мин

при п=450 мин'1; Р=1500даН 1 Руд,даН/см2

Уир.М/С

1.6

\/уд,дм3/мин

1.25

Рис. 3. Зависимость температуры пограничного слоя от значений управляющих параметров режима ТМ бурения

на буровой коронке появляются припеки мелкоизмельченного шлама. Указанная температура является предельной для термомеха-нического колонкового бурения.

Для сохранности агрегатного состояния керна удельная осевая нагрузка не должна превышать 140 даН на 1см' площади термофрикционного элемента.

Частота вращения (окружная скорость) коронки и расход промывочной жидкости имеют более узкий диапазон регулируемых значений.

При окружной скорости менее 1.0 м/с термомеханический эффект проявляется недостаточно, а при 1.6 м/с ТМ-коронка входит в режим подплавления горной породы. Оптимальной для регулирования температуры является окружная скорость в диапазоне: 1.0-1.4 м/с.

Охлаждающая промывочная жидкость при удельном расходе 0.5-0.9 дм3/мин на 1см2 площади забоя обеспечивает органичное взаимодействие с термомеханическими параметрами, поддерживающими установившийся температурный режим. Минимальный расход промывочной жидкости равен 0.35 дм3/мин. При дальнейшем уменьшении расхода вынос шлама с забоя ухудшается, и температурный режим становится неуправляемым.

В установившемся температурном режиме шлам кристаллических пород представляет собой кристаллические чешуйки размером 1-4мм. Получаемый при бурении керн имеет вид дисков или столбиков по высоте от 10 до 80 мм.

600 700 800 900 1000 1100 1200 у

Рис.4 Зависимость механической скорости от температуры разрушаемого пограничного слоя горной породы.

На рис. 4 приведена зависимость механической скорости бурения от температуры пограничного слоя горной породы, полученная с учетом изменения ее прочности по результатам экспериментальных данных.

В результате обработки экспериментальных данных

о

получено выражение механической скорости термомеханического бурения в виде

VM = Мб Fp П -60 -К, , (3)

где Ki=5,2 • 105, м/даН - коэффициент пропорциональности; = Кг • (M-q - 0,03) /п0,5 - коэффициент разрушения горных пород при термомеханическом бурении; К2= 5,6 • 10, мин'1 - коэффициент пропорциональности; p.Q - коэффициент теплового воздействия коронки:

ц0 = Nq 60/ (2 я г n F), (4)

где Nq -мощность на нагрев пограничного слоя горной породы, Вт.

Погрешность расчета величины механической скорости бурения по формуле (3) составляет 5% относительно полученных экспериментальных значений на всех испытанных режимах.

После достижения установившегося температурного режима в пограничном прогретом слое горных пород за один оборот коронки изменение температуры от минимальной до максимальной происходит m число раз, равное количеству термофрикционных или резцовых элементов с промывочными каналами.

Частота изменения температуры, fT, Гц может быть выражена зависимостью:

fT = m-n (5)

Как установлено экспериментально, градиент температуры за один цикл «нагрев-резание» составляет практически незначительную величину - менее 200°С .

Сопоставление времени нагрева и разрушения горной породы термофрикционным элементом термомеханической коронки позволяет определить глубину равномерно прогретого пограничного слоя за один цикл «нагрев-резание» в установившемся (квазистационарном) температурном режиме и выразить ее зависимостью:

2т Ь

ш-п

где 10 - путь охлаждения поверхности трения, м.

1

Одним из факторов, определяющих эффективность термомеханического колонкового бурения, является показатель ослабления прочности разрушаемого пограничного слоя горной породы. Показатель ослабления прочности можно выразить зависимостью:

Коп = 1 - ам/а„м , (7)

где ам - удельная объемная энергоемкость механического разрушения горной породы; агм - удельная объемная энергоемкость термомеханического разрушения горной породы, Дж/м3.

Показатель Ко„ рассчитан по пяти экспериментальным режимам, на основании чего получена зависимость изменения его значения от температуры. На рис.5 приведены зависимости КоП, коэффициента трения р и от температуры.

Коп, Р, Рб

Рис.5. Зависимость коэффициентов ослабления прочности горных пород, трения и разрушения от температуры породы на контакте с ТМ-коронкой

Эффективность термомеханического колонкового способа бурения характеризует отношение механических скоростей термомеханического Ум и механического у'м , полученных по зависимости (3) для одинаковых условий бурения.

Тогда, показатель эффективности термомеханического

колонкового бурения может быть определен выражением

V.,/

Численно Пэ показывает относительный прирост механической скорости бурения за счет снижения энергоемкости разрушения горной породы.

Таким образом, решена задача определения эффективности бурения в условиях равномерно прогретого пограничного слоя горной породы, определены параметры и условия стабилизации квазистационарного температурного режима.

2. Установленные аналитические зависимости между механическими и тепловыми параметрами позволяют с достаточной степенью точности использовать их для анализа и оптимизации процесса термомеханического колонкового бурения.

Термодинамические процессы, происходящие в забое скважины при термомеханическом бурении, зависят от многочисленных и различных по действию факторов. Их анализ, регулирование и нормализация являются весьма сложной задачей, решение которой невозможно без привлечения для этих целей методов математического моделирования.

Взаимодействие буровой коронки и горной породы в забое скважины в процессе термомеханического бурения рассматривается как теплообменная система с изменяющимися условиями и параметрами. Дня построения математических моделей этой системы и изучения происходящих в ней термодинамических процессов в. работе исследуется механизм распределения генерируемой теплоты в источнике нагрева и в окружающей среде, рассматриваются тепловые и механические факторы влияния на процесс термомеханического бурения.

Отличительной особенностью термомеханической коронки является наличие 2-х или более термофрикционных секторов и такое же количество резцовых элементов, встроенных в

охлаждающие промывочные каналы.

Термомеханическая коронка имеет сектор нагрева с центральным углом ан и охлаждающий канал с центральным углом ао. За один оборот коронка совершает ш циклов нагрев-резание (с охлаждением).

Тогда, соответствующие длины пути нагрева породы 1„ и охлаждения Ь будут выражены:

1„=[л: (с!, + с!2)/2 - т 10]/т , (9)

10=[я (с!| +а2)/2-т 1„]/т (10)

Время нагрева можно определить из выражения

Т., = ^Лскр (И)

или

т„ = 120 [1С (а I + а2)/2 - ш 1о]/[ш ж (с), + ё2)п] (12) Если ввести понятие «коэффициента нагрева породы»

к„=1-к, (13)

где к - «коэффициент нагрева коронки» (по формуле Б.Б.Кудряшова), то коэффициент нагрева коронки можно выр!азить зависимостью:

к„=1/(1+^р) (14)

Хп V ак

Количество теплоты, Дж, вводимой в породу, можно выразить зависимостью:

Он=кнд, (15)

где 0=Р-р-пт1К - общее количество теплоты, генерируемой термомеханической коронкой, Дж.

С учетом количества генерируемой теплоты, времени нагрева и геометрических параметров ТМ-коронки удельный тепловой поток, Вт/м2, будет выражен зависимостью:

4= 12к„Р|лпп/[(11гсЬ)-ан ] (16)

Результаты анализа формул (12) и (16) показывают, что зависимость я от Р и ц. выражена однозначно - с ростом I7 и р. увеличивается ц; при этом т„ от этих параметров не зависит.

Иной характер имеет зависимость я и т„ от п и а„. С увеличением п растет я, но одновременно уменьшается тн; с

увеличением а„ растет т„, но одновременно уменьшается я. Установленные и сопоставленные с результатами экспериментальных данных зависимости подчеркивают вывод о том, что главным регулируемым параметром термомеханического колонкового бурения является осевая нагрузка, т.е. нагрузка на термофрикционный элемент.

В формуле (16) Р ц /(<¿1 - сЬ)/2 не что иное, как удельная сила трения, т.е. сила трения, приходящаяся на единицу ширины кольца трения коронки

й-сЬ

Тогда, выражение удельного теплового потока примет вид

•пУд , I тр

ч= к»—- (18)

ь

Таким образом, удельный тепловой поток прямо пропорционален коэффициенту нагрева породы, удельной силе трения и обратно пропорционален времени нагрева породы.

При трении термофрикционного элемента по горной породе в квазистационарном температурном режиме при максимальном нагреве, для определения коэффициента трения можно использовать зависимость коэффициента трения от скорости движения поверхности трения:

Цп = А/у\ (19)

где А=0.3, к=1.7 - постоянные; V - линейная скорость на цилиндрической поверхности трения.

В итоге, с учетом (14), (16) и (18) тепловой поток в прогретом пограничном слое горной породы можно представить в виде

Ч=2РА/[Ук-(с1гс12) -тд н1л. и (2°)

Количество энергии на прогрев пограничного слоя горной породы Е определяется зависимостью от основных параметров режима бурения и времени прогрева тн до установления постоянного (квазистационарного) температурного режима.

Е = Р |ЛП 71 <1ср п т„/60, где тн=1,2 с по экспериментальным данным.

Ум, м/ч 3

Ы,, Ы0, КВт

673

773

873

973

V« N3

Nf

1073

Т, К

Рис.6. Зависимость общей и тепловой составляющей забойной мощности бурения, механической скорости от температуры на контакте породы с ТМ-коронкой.

На рис. 6 приведена зависимость расчетных значений N3, N(3 , ум от температуры пограничного слоя горной породы, полученная по нескольким экспериментальным режимам.

Приведенная зависимость показывает значительный рост тепловой составляющей мощности развиваемой буровой коронкой на забое.

На основании анализа баланса генерируемой термомеханической коронкой теплоты за время прогрева пограничного слоя горной породы получено выражение для критерия Кт термомеханического бурения, характеризующего становление процесса при температуре в равномерно прогретом слое более 900К:

Кт = 2к„цРг/8к((1,-сЬ), (22)

где -площадь поверхности трения коронки, м2.

Критерий термомеханического бурения Кт пропорционален количеству теплоты, генерируемой трением термофрикционного

элемента коронки и вводимой в породу за 1 секунду, или активной тепловой мощности, приходящейся на единицу объема нагреваемого слоя, Дж/(с м3). Произведение критерия Кт на время прогрева породы характеризует общее количество теплоты, которое должно быть накоплено в пограничном слое горной породы, чтобы в нем начал протекать процесс термомеханического бурения. С помощью критерия Кт определяется раздел между механическим и термомеханическим бурением.

Аналитические зависимости, описывающие процесс термомеханического бурения, позволяют в полной мере использовать возможности информационной технологии для оптимизации процесса термомеханического колонкового бурения, полностью контролировать все параметры процесса в зависимости от температуры на забое скважины, а также количественно оценивать показатели термомеханического бурения в зависимости от изменения условий бурения (технологических, геологических, конструктивных).

3. Функциональное распределение нагрузки на термофрикционные элементы и породоразрушающие резцы обеспечивает эффективную работоспособность

термомеханического бурового инструмента в широком диапазоне свойств горных пород.

Главными регулируемыми параметрами технологии термомеханического бурения являются нагрузка на термофрикционные и резцовые элементы термомеханической коронки. Их взаимодействие возможно при условии самостоятельного функционирования термофрикционного и резцового элементов. Функцией термофрикционного элемента является генерирование теплового потока в горную породу. Резцовые элементы разрушают разупрочненную теплом горную породу.

Характер взаимосвязи нагрузки на термофрикционный элемент Р и нагрузки на резцовый элемент Рр определяется

термодинамическим состоянием пограничного слоя горной породы.

Толщина прогретого слоя горной породы регулируется осевой нагрузкой. Толщина среза этого слоя регулируется нагрузкой на резцовый элемент.

Опережение забоя тепловым полем при скорости бурения 2.4 м/ч составляет около 4мм. Слой породы, прогретой в установившемся температурном режиме, не превышает толщины 70-120мкм. Срезаемый слой горной породы за один оборот коронки, т.е. за один термодинамический цикл, может достигать 55-125мкм. и не должен превышать толщины прогретого слоя породы.

В результате проведенных автором исследований, получены характеристики изменения механической скорости бурения от резцовой нагрузки, рис.7.

4 т>'м,м/ч

3 -2 -1 -О--

■1 Р=1500даН •2 Р=1700даН '3 Р=2000даН

н

О 100 200 300 400 Р„,даН

Рис.7. Характер изменения механической скорости от нагрузки на резцы, при п =450мин"', У=8-10дм3/мин.

Установлено, что при постоянной осевой нагрузке механическая скорость возрастает до определенного предела при увеличении нагрузки на резцы. Снижение механической скорости после достижения максимума связано с углубкой резцовых элементов за пределы равномерно прогретого слоя горной породы. Это влияет на результативность термомеханического бурения.

Режим взаимодействия термофрикционного и резцового элементов устанавливается в зависимости от конкретных

горногеологических условий. Отношение показателей нагрузки выражено общей зависимостью: Р < Рр - для горных пород рыхлых и слабосвязных; Р > Рр - для скальных монолитных горных пород.

Проведены расчетный и графический анализы для обоснования технологических и конструктивных параметров термофрикционного и резцового элементов. Результаты исследований показали, что наибольший термомеханический эффект достигается при соотношении активной тепловой забойной мощности к общей забойной мощности коронки 1:2.

На основе вариантных расчетов и экспериментальных исследований автором была разработана принципиальная конструкция термомеханического колонкового породоразрушающего инструмента с возможностью реализации установленных условий.

Основной особенностью конструкции термомеханической коронки, обусловливающей оптимальное взаимодействие термофрикционного и резцового элементов, является автономность резцовых элементов. Свободное расположение вставных сменных резцовых элементов в корпусе коронки создает для них возможность самостоятельного взаимодействия с горной породой. В зависимости от состояния упругих свойств горных пород резцовые элементы в автоматическом режиме настраиваются на величину углубки в забой скважины. В состоянии ослабления прочности горных пород резцовый элемент термомеханической коронки под действием автономной нагрузки наиболее эффективно взаимодействует с горной породой. За один оборот коронки увеличение углубки резца в забой и объем выбуренной породы пропорциональны уменьшению прочности горной породы.

Многочисленные эксперименты подтвердили, что оптимальное соотношение рабочих площадей, контактирующих с горной породой, для термофрикционного и резцового элементов составляет 5 к 1, при длине термофрикционного элемента 60-70мм. Такое соотношение позволяет оснастить коронку диаметром 5976мм двумя резцовыми элементами, коронку диаметром 93-112мм - тремя резцовыми элементами.

Эффективная удельная резцовая нагрузка при бурении разупрочненной теплом трения горной породы в пограничном слое составляет 5-7даН/мм2. Таким образом, оптимальная суммарная нагрузка на резцовые элементы составляет 250-350 даН в зависимости от диаметра коронки и свойств горных пород, что в 45 раз меньше нагрузки на резцовые элементы при традиционных механических способах бурения.

Этот эффект достигнут за счет снижения энергоемкости разрушения при воздействия термофрикционного элемента.

Установлена взаимосвязь осевой нагрузки на термофрикционный элемент и нагрузки на резцовые элементы:

Рр = Кн • Р, (23)

где Кн - коэффициент нагрузки. Кн = 0,12 - 0,15 для пород высоких категорий по буримости; Кн = 0,18 - 0,22 для пород средних категорий.

Технологическое и конструктивное разделение функций термофрикционного и резцового элементов термомеханической коронки решает одну из принципиальных задач термомеханического бурения - последовательное выполнение операций нагрев-резание горной породы. Такое сочетание последовательности операций по разрушению горной породы дает возможность эффективно использовать термомеханическую коронку в широком диапазоне разновидностей горных пород. Этот тезис подтвержден практическим применением

термомеханических коронок в четвертичных отложениях с перемежающейся твердостью пород, в породах средних категорий по буримости (алевролиты, песчаники) и породах высоких категорий по буримости - мелкозернистых гранитах. Везде достигнут положительный эффект.

4. Практическая реализация термомеханического колонкового способа бурения возможна на основе применения для термофрикционных элементов высокотемпературных жаропрочных износостойких композиционных материалов.

При разработке и конструировании нового породоразрушающего инструмента большое внимание уделено повышению надежности рабочих элементов и эффективности его работы в условиях высоких положительных температур. Для термофрикционного элемента с участием автора разработаны и применены специальный композиционный материал на основе сплава МНЖКТ с рэлитовым наполнителем и армирующие его жаропрочные пластины «Сиалон» в составе кремния, алюминия, кислорода и азота. Применение этих конструктивных элементов удовлетворяет разработанной технологии бурения с разделением тепловой и механической резцовой нагрузок на забой скважины и позволяет обеспечить требуемый ресурс термомеханических коронок.

С целью реализации технологии термомеханического колонкового бурения разработаны требования к материалам исполнительных рабочих элементов ТМ-коронок. Основными критериями технической пригодности являются устойчивость материала к высоким температурам (жаропрочность) и абразивная износостойкость.

Сравнение с требуемыми значениями показателей таких современных суперсплавов как ЖС6, ЖС6Л, ЭП-741, ВК и др., показывает, что их использование в качестве термофрикционных элементов коронок возможно в диапазоне температур до 600°С. Однако, низкая коррозийная стойкость сплавов к расплавам типа: БЮз , А1203, Ре304 ,РеО, М§0, СаО, Ыа20, К20 является препятствием к их использованию в ТМ бурении.

С учетом эксплуатационных требований возможно использование для ТМ-коронок некоторых оксидов. Наиболее перспективной из оксидных композиций является экспериментальная композиция, состоящая из А12Оз- Ъх02 - У203

Другим перспективным материалом являются керметы. Эти материалы разработаны и продолжают разрабатываться как альтернативные оксидным композициям. Среди них выделяются композиции из глинозема, хрома и молибдена, а также на основе карбида титана с металлической связкой. Керметы имеют достаточную жаропрочность и термостойкость. Спеченый

материал состава: 80% "ПС и 20% Со при 870°С имеет прочность на разрыв 700-750 МПа, а при 1375° С - 110-140МПа. Недостатком керметов по сравнению с оксидными композициями является высокая окисляемость, что ограничивает срок их службы до 10-15 ч в диапазоне температур 1100-1400°С. Однако окалиностойкость керметов на основе карбида титана с никель-молибденовой связкой может быть существенно повышена введением в их состав более термодинамически прочных и устойчивых к окислению веществ, таких как нитрид титана и карбид ниобия.

Материалы на основе керамометаллических композиций были исследованы в работе на истирание в условиях трения скольжения.

Наименее изученными, но имеющими большую перспективу материалами, являются тугоплавкие безкислородные соединения, такие как карбиды, бориды, силициды и нитриды. Композиции, полученные для ТМ-коронок, были исследованы в лабораторных условиях с участием автора.

Карбиды - материалы с высокой температурой плавления (около 4000° С), высокой твердостью и механической прочностью.

Сравнение физических свойств карбида кремния со свойствами других карбидов показывает, что он обладает высокой теплопроводностью и низким коэффициентом термического расширения, а также высокими значениями твердости и температуры плавления. Карбид кремния химически инертен по отношению к большому числу разных веществ, что определяет перспективность его применения в качестве материала для термомеханических буровых коронок. Из неметаллических карбидов также привлекает внимание карбид бора, имеющий высокую удельную прочность. Однако он обладает недостаточной термостойкостью с низким сопротивлением окислению. В этот же ряд можно поставить карбид титана, более термостойкий, чем карбид бора, но также недостаточно жаростойкий.

Проведенные исследования композиций показали, что нитрид алюминия имеет температуру плавления 2200° С, высокую твердость (около 9 по шкале Мооса) и механическую прочность (стсж =900-1200МПа). Скорость коррозии сильно зависит от

плотности композиции: пористые изделия (>20%) интенсивно окисляются при температуре 1200С. Существенным недостатком является высокая усадка изделий в процессе спекания (20-30%), затрудняющая их изготовление с необходимой точностью.

Наиболее перспективен из всего класса нитридов - нитрид кремния. Несмотря на относительно невысокую его огнеупорность (температура активной диссоциации 1900°С), материалы на основе нитрида кремния могут устойчиво работать в заданных условиях эксплуатации до температуры 1400С. Благодаря низкому коэффициенту термического расширения, нитрид кремния очень термостойкий к окислению и инертен по отношению к большинству химически активных веществ при температуре 1200-1300°С, имеет высокую механическую прочность до 1300°С. По стойкости к окислению уступает оксидам, а из бескислородных тугоплавких соединений - незначительно карбиду кремния.

Однако особый интерес, в результате проведенных с участием автора исследований материалов на основе нитрида кремния, вызвали (3-сиалоны. Сиалоны - сокращенное название от компонентов 81-А1-0-Ы - группа материалов, получаемая введением в Б^Ид оксидов алюминия или иттрия. Сравнительные эксперименты показали, что резцы, сделанные из сиалона, превосходят резцы из карбида вольфрама и окиси алюминия при трении по горным породам.

Достоинством сиалонов, наравне с присущими всем нитридкремниевым материалам свойствами, как показали стендовые исследования, является высокая стойкость к истиранию.

Полученные результаты показывают, что сиалоновые керамические резцы в 4 раза более износостойки, чем твердосплавные.

Таким образом, сиалоновые материалы обладают наиболее оптимальным набором свойств, которые позволяют рекомендовать их в качестве материала рабочей части термомеханических буровых коронок.

Граничной температурой работоспособности сиалонов является 1200-1400°С. В целях повышения жаропрочности

материала «сиалона» в композицию необходимо введение химически совместимых добавок, которые способствуют улучшению его работоспособности в термомеханических коронках.

Аналитические исследования, проведенные в рамках настоящей работы, а также экспериментальные исследования позволили рекомендовать в качестве таких добавок карбид кремния и нитрид бора.

В результате было установлено, что наиболее перспективными для решения поставленных задач являются композиции на основе 813 N4.

На основании аналитических и экспериментальных исследований различных составов нитридкремниевых материалов и анализа их свойств, проведенных при непосредственном участии автора, предложена базовая композиция для разработки материала рабочей части термофрикционных буровых коронок состава: 813 ^-АНЧ-УзОз-БЮ-ВМ.

Изготовлена опытная партия сиалоновых штабиков диаметром 7-12мм в количестве 700 штук.

В результате экспериментальных исследований износостойкости в объеме 62776м пути трения скольжения установлено, что ресурс при абразивном износе сиалоновых породоразрушающих элементов в 3.95 раза больше, чем у базового образца ВК-6. Этот показатель достаточен для технической реализации термомеханических режимов бурения с созданием высокотемпературного поля в пограничном слое горной породы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ОСВОЕНИЯ

Экспериментальное бурение термомеханическим способом в реальных условиях было осуществлено в опытно-методической экспедиции ВИТР в п.Стеклянном, где впервые в мировой практике в 1995г. была пробурена скважина глубиной 300м.в гранитах 1Х-Х1 категории по буримости. На Карельском перешейке в Ленинградской экспедиции при бурении разведочной скважины в сложных горногеологических условиях показатели

бурения ТМ- коронкой превысили показатели алмазного бурения.

Опытное промышленное освоение термомеханического бурения выполнено в 1997-1998г.г. в Карелии в экспедиции ПГО «Невскгеология». При бурении четвертичных песчано-валунных отложений механическая скорость бурения ТМ-коронками превысила в 30 раз скорость бурения твердосплавными коронками и долотами. При бурении коренных осадочных пород скорость бурения ТМ-коронками превысила скорость твердосплавного бурения в 2 раза.

Сравнительные результаты термомеханического и механического бурения приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты бурения различными способами_

Категория пород по буримости Механическая скорость бурения коронками диам.59мм, м/ч

Алмазное Твердосплавн. Термомехан.

V - 2,7 10,4

VI - 2,4 7,6

VII - 1,8 5,4

VIII 3,5 1,5 3,6

IX 1,4 1,1 2,2

X 1,0 - 1,6

XI 0,6 - 0,9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, на основе выявленных закономерностей взаимосвязи механических и тепловых параметров процесса термомеханического колонкового бурения, даны научно обоснованные технические и технологические решения, включающие разработку эффективного породоразрушающего инструмента термомеханического колонкового бурения, технологии бурения с разупрочнением прочности твердых горных пород теплотой трения. Решены также прикладные технические и технологические задачи, обеспечивающих реализацию

термомеханического колонкового бурения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие научно-технического прогресса в геологоразведочной отрасли.

Наиболее важные научные и практические результаты выполненных исследований сформулированы в следующих выводах:

1. Термомеханическое колонковое бурение является одним из перспективных направлений повышения эффективности геологоразведочных работ.

2. Стабилизация температурного режима при нагреве горной породы теплотой трения в диапазоне 600-900°С на контакте «коронка-забой скважины» является главным фактором реализации процесса термомеханического колонкового бурения.

3. Тепловой поток, генерируемый термомеханической коронкой, реально снижает прочность горной породы в прогреваемом слое впереди движущегося забоя и энергоемкость ее разрушения. КПД теплового генератора достигает 50%.

4. Температура поверхности прогретого слоя горной породы пропорциональна тепловому потоку, генерируемому ТМ-коронкой, и зависит от термодинамического состояния разбуриваемых горных пород.

5. Термодинамические характеристики прогреваемого слоя горной породы, определенные на основе детерминированных математических моделей, позволяют провести анализ температурного фактора и установить его влияние на эффективность процесса термомеханического бурения.

6. Нагрев горной породы при термомеханическом колонковом бурении характеризуется удельной мощностью тепловыделения, которая является определяющим фактором эффективности процесса и эквивалентна удельной мощности трения.

7. Осевая нагрузка является главным технологическим параметром термомеханического колонкового бурения, регулирующим температуру в пограничном слое, изменение которой происходит по экспоненциальной зависимости.

8. Частота вращения и расход промывочной жидкости

являются параметрами технологического режима термомеханического бурения, влияющими на температуру прогреваемой горной породы. Изменение данной температуры происходит по сложным кривым с достижением максимума.

9. Достижение установившегося (предельного) температурного состояния на контакте буровой коронки и горной породы является необходимым условием эффективности процесса термомеханического колонкового бурения.

10. Разработанные математические модели основных параметров процесса термомеханического колонкового бурения и полученный целевой алгоритм (общее решение) позволяют расчетным методом определять эффективные значения показателей режима бурения для конкретных геологотехнических условий, оптимизировать технологию бурения и конструкции термо-механического породоразрушающего инструмента, осуществлять управляющий мониторинг процесса бурения в производственных условиях.

11. Конструктивное разделение технологических функций термофрикционных и резцовых элементов ТМ- коронки является необходимым условием реализации процесса ТМ бурения.

12. В результате расчетного анализа, экспериментальных работ, практического применения современных достижений порошковой металлургии разработан жаропрочный износостойкий материал для фрикционных элементов на основе композитов Си,

Ре, К, Т1 и армирующих вставок на основе Б!, А1, О, N. Эти материалы применены для оснащения термомеханических коронок.

13. Экспериментально установлено, что износостойкость сиалоновых породоразрушающих элементов в 4 раза выше по сравнению с резцами из твердого сплава.

14. Достигнутые механические скорости проходки в породах высоких категорий по буримости сравнимы со скоростями алмазного бурения, а по породам средних категорий -в 3-4раза превышают показатели твердосплавного бурения.

15. Обоснованы горно-геологические предпосылки применения термомеханического колонкового бурения.

16. Термомеханический породоразрушающий инструмент имеет преимущество при бурении твердых пластичных горных пород, малоабразивных упруго-пластичных пород, мягких и твердых перемежающихся пород, где алмазный инструмент мало эффективен.

17. Результаты исследования термомеханического способа бурения, технические и технологические решения направлены на развитие научно-технического прогресса в геологоразведочной отрасли.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Обоснование методики экспериментальных исследований электротеплового способа бурения. Зап.ЛГИ, т. 105, Л.,: ЛГИ, 1985. -с.94-97, (Соавторы: Чистяков В.К., Литвиненко B.C.).

2. Исследование процесса бурения плавлением пород с помощью высокотемпературных генераторов. В сб.: «Методика и техника разведки» -№5(143). СПб.: ВИТР, 1995. -с.17-25. (Соавторы: Архипов А.Г., Петров C.B.).

3. Геолого-технические предпосылки районирования нетрадиционных способов бурения. В сб.: «Методика и техника разведки» №6(144). СПб.: ВИТР, 1995. -с. 104-108. (Соавторы: Заколдаев Ю.А., Самоварова С.Н.).

4. Результаты исследований в области нетрадиционных методов бурения. Тез. докл. 1-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб.: 1989. -с.50.

5. Научные предпосылки исследований комбинированного электрофизического способа бурения. Тез. докл. 2-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осло-жненных условиях. СПб.: 1992. -с. 7. (Соавтор Цыганенко С.М.)

6. Исследование новых технических средств и нетрадиционной технологии бурения скважин. В сб.: «Методика и техника разведки» -№2(140). СПб.: ВИТР, 1993. -с.99-102.

7. Термомеханическое колонковое бурение горных пород.

Тез. докл. 3-го Международного симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях. СПб.: 1995. -с. 9.

8. Новые способы и средства разрушения горных пород при бурении скважин. Тез. докл. 1У Международного форума: «Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология». СПб.: 1996.-с.39.

9. Прогрессивные способы разрушения горных пород при бурении скважин. «Разведка и охрана недр». №2, 1997 - с.24-26. (Соавтор Афанасьев И.С.)

10.Новая технология бурения скважин термомеханическим способом. Тез. докл. V Международного форума: "Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология». СПб,: 1997. -с.41-42. (Соавтор Сахаров A.B.)

11.Рациональное использование энергии тепла на забое скважины. Тез. докл. 4-го Международного симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях. СПб.: 1998. -с.90. (Соавтор Афанасьев И.С.)

12. Определение термодинамических характеристик пограничного слоя горной породы. Тез. докл. 4-го Международного симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях. СПб.: 1998. -с.115. (Соавтор Сахаров A.B.).

13.Термомеханическое бурение - научные и практические результаты исследования. Тез. докл. 4-го Международного симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях. СПб.: 1998. -с. 94. (Соавтор Сахаров A.B.).

14.Нетрадиционные технологии бурения. Тез. докл. IV Международного форума «Природные ресурсы стран СНГ». СПб.: 1998, -с.40 (Соавторы: Афанасьев И.С., Сахаров A.B.).

15.Экспериментальные исследования термомеханического способа бурения. В сб..'«Методика и техника разведки». №8 (146). СПб.: ВИТР, 1998. -с.89-95 (Соавтор Алексеев В.Н.). 40

16.Предпосылки термомеханического бурения в Китае. В сб.: «Методика и техника разведки. №9-10 (147-148), СПб.: ВИТР, 1998. -с. 219-224. (Соавтор Чжан Цзу-пэй).

17.Термодинамические основы колонкового термомеханического бурения. В сб.: «Методика и техника разведки, №9-10 (147), СПб.: ВИТР, 1998.-с. 214-219. (Соавтор Сахаров A.B.).

18.Термомеханическое колонковое бурение. Тез. докл. «Международный форум стран СНГ к 100-летию геологической службы». СПб.: 1999, -с.57.

19. Научно-практические основы колонкового термомеханического бурения. " Наука в СПбГГИ". №4. СПб.: СПГГИ (ТУ), 1999, -с.36-54.

Авторские свидетельства на изобретения:

20.Устройство для электротермомеханического бурения горных пород. A.C. №1277663, Б.И. №46, 1986г. (Соавторы: Вызов В.Ф., Ицхакин В.Д., Захарова Л.А., Непокрытая И.В., Вартыкян

B.Г., Дербенко И.Г.).

21.Колонковый снаряд. A.C. №1478710, Б.И. №17, 1989. (Соавторы: Михайлов Г.В., Манякина О.Я.).

22.Термомеханический породоразрушающий инструмент. А.С.№1541364, Б.И. №5. 1990г. (Соавтор: Манякина О.Я.)

23. Устройство для электротермомеханического бурения скважин. А.С.№1554451 Б.И. №12 1990. (Соавторы: Цыганенко

C.М., Ильина Л.П.)

24.Устройство для электротермического бурения скважин. A.C. №1608340, Б.И. № 13, 1990. (Соавторы: Цыганенко С.М., Кравцов Б.Ф., Крот О.И.).

25. Породоразрушающий инструмент. A.C. №1377363, Б.И. №16, 1988. (Соавторы: Михайлов Г.В., Манякина О.Я.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Термомеханическое колонковое бурение является одним из перспективных направлений повышения эффективности геологоразведочных работ.

2. Стабилизация температурного режима при нагреве горной породы теплотой трения в диапазоне 600-900°С на контакте «коронка-забой скважины» является главным фактором реализации процесса термомеханического колонкового бурения.

3. Тепловой поток, генерируемый термомеханической коронкой, реально снижает прочность горной породы в прогреваемом слое впереди движущегося забоя и энергоемкость ее разрушения - КПД теплового генератора достигает 50%.

4. Закономерность распределения температуры в прогретом слое горной породы впереди движущегося забоя при термомеханическом колонковом бурении удовлетворительно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью от основных механических и теплофизических параметров процесса.

5. Термодинамические характеристики прогреваемого слоя горной породы, определенные на основе детерминированных математических моделей, позволяют провести анализ температурного фактора и установить его влияние на эффективность процесса термомеханического бурения.

6. Нагрев горной породы при термомеханическом колонковом бурении характеризуется удельной мощностью тепловыделения, которая является определяющим фактором эффективности процесса и эквивалентна удельной мощности трения.

7. Осевая нагрузка является главным параметром термомеханического колонкового бурения, регулирующим температуру в пограничном слое, изменение которой происходит по кривой, близкой к экспоненте.

8. Частота вращения и расход промывочной жидкости являются параметрами технологического режима термомеханического бурения, влияющими на распределение температуры впереди забоя, изменение которой происходит по сложным кривым с достижением максимума.

9. Достижение установившегося (предельного) температурного состояния на контакте буровой коронки и горной породы является необходимым условием эффективности процесса термомеханического колонкового бурения.

10. Разработанные математические модели основных параметров процесса термомеханического колонкового бурения и полученный целевой алгоритм (общее решение) позволяют расчетным методом определять эффективные значения показателей режима бурения для конкретных геологотехнических условий, оптимизировать технологию бурения и конструкции термомеханического породоразрушающего инструмента, осуществлять управляющий мониторинг процесса бурения в практической деятельности

11. Конструктивное разделение технологических функций термофрикционных и резцовых элементов ТМ- коронки является необходимым условием реализации процесса ТМ-бурения.

12. В результате расчетного анализа, экспериментальных работ, практического применения современных достижений порошковой металлургии разработан жаропрочный износостойкий материал для фрикционных элементов на основе композитов Си, Ре, К, Л и армирующих вставок на основе 81, А1, О, N. Эти материалы применены для оснащения термомеханических коронок.

13. Экспериментально установлено, что износостойкость сиалоновых породоразрушающих элементов в 4 раза выше, по сравнению с резцами из твердого сплава.

14. Достигнутые механические скорости по породам высоких категорий буримости сравнимы со скоростями алмазного бурения, а по породам средних категорий - в 3-4раза превышают показатели твердосплавного бурения.

15. Обоснованы горногеологические предпосылки применения термомеханического колонкового бурения.

16. Термомеханический породоразрушающий инструмент имеет преимущество при бурении твердых пластичных горных пород, малоабразивных упруго-пластичных пород, мягких и твердых перемежающихся пород, где алмазный инструмент имеет более низкую эффективность.

17. Теоретические и практические результаты исследований и освоения способа колонкового ТМ-бурения в производственных условиях создали основу дальнейшего развития и совершенствования геологоразведочного бурения.

18. Первоочередными задачами дальнейших исследований являются: -разработка более высокожаростойких и износостойких материалов для совершенствования породоразрушающих элементов термомеханического бурового инструмента;

-оптимизация существующего и разработка нового более эффективного породоразрушающего инструмента термомеханического бурения;

- освоение термофрикционного бурения плавлением горных пород;

- совершенствование детерминированных моделей, описывающих термодинамические процессы в пограничном слое горных пород при термомеханическом бурении и разработка компьютерных программ исследования технологии и технических средств термомеханического бурения.

В целом, в результате проведенных исследований, впервые создан принципиально новый породоразрущающий инструмент и технология бурения, установлены основные зависимости параметров процесса термомеханического колонкового бурения в условиях изменения физико-механических свойств горных пород, осуществлены целенаправленные научные исследования процесса термомеханического бурения, достигнуты эффективные решения прикладных технических и технологических задач для дальнейшего практического совершенствования геологоразведочных работ и создания прогрессивных способов колонкового бурения.

1. Аубакиров М.Т., Федоров Б.В. К определению термических напряжений в керне. Труды КазПИ им.Ленина, Сб.№33, Алма-Ата, 1971.

2. Афанасьев И.С., Бродов Г.С. Прогрессивные способы разрушения горных пород при бурении скважин. «Разведка и охрана недр». №2, -Недра, М., 1997. С.24-26.

3. Афанасьев И.С., Бродов Г.С. Сахаров A.B. Нетрадиционные технологии бурения Тез. докл. 1У Международного форума.: «Природные ресурсы стран СНГ». СПб. 1998.

4. Афанасьев И.С., Жданович Г.М., Роман О.В. Прессование на гидродинамических установках с помощью металлических взрывчатых веществ (порохов). В кн.: Прогрессивные способы изготовления металлических конструкций. - Минск: Полымя, №1, 1971, С.40-42.

5. Башкатов Д.Н. Разрушение горных пород при бурении алмазными коронками. У симпозиум «Теоретические и технологические аспекты разрушения и механической активации полезных ископаемых». TATARAMAN 88-1, dorn tecnicy TECNICY GSVTS Kosice, 1988,s 62-64

6. Беркович М.Я., Спивак А.Н., Карноногов А.Л. и др. Исследование энергетического баланса процесса разрушения горных пород при бурении шарошечными долотами. Известия ВУЗов «Нефть и газ», №8, 1962.

7. Бражненко A.M., Кожевников A.A. Аналитические исследования термоциклического разрушения горных пород с генерированием теплоты трения при колонковом бурении . 3-й международный симп. По бурению скважин в осложненных условиях. Доклады СПб. 1997. С.14-18

8. Бродов Г.С. Результаты исследований в области нетрадиционных методов бурения. Тезисы докл. 1-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. 1989. СПб. С.50

9. Бродов Г.С., Манякина О.Я. Термомеханический породоразруша-ющий инструмент. А.С.№1541364 Б.И. 1990г. №5.

10. Бродов Г.С. Исследование новых технических средств и нетрадиционной технологии бурения скважин. «Методика и техника разведки» -№2(140). 1993. С.99-102

11. Бродов Г.С., Архипов А.Г., Петров C.B. Исследование процесса бурения плавлением пород с помощью высокотемпературных генераторов. «Методика и техника разведки» -№5(143). 1995. С. 17-25.

12. Бродов Г.С., Заколдаев Ю.А., Самоварова С.Н. Геолого-технические предпосылки районирования нетрадиционных способов бурения. «Методика и техника разведки» -№6(144). 1995. С. 104-108.

13. Бродов Г.С., Термомеханическое колонковое бурение горных пород. Тезисы докл. 3-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб. 1995. С.

14. Бродов Г.С. Новые способы и средства разрушения горных пород при бурении скважин. Тез. докл. 1У Международного форума: »Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология». СПб. 1996. С.39

15. Бродов Г.С., Сахаров A.B. Новая технология бурения скважин термомеханическим способом. Тез. докл. У Международного форума:»Горное оборудование, переработка минерального сырья, новые технологии, экология». СПб 1997.С.41-42.

16. Бродов Г.С., Афанасьев И.С. Рациональное использование энергии тепла на забое скважины. Тезисы докл. 4-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб. 1998. С.90.

17. Бродов Г.С., Сахаров A.B. Определение термодинамических характеристик пограничного слоя горной породы. Тезисы докл. 4-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб. 1998. С. 115.

18. Бродов Г.С., Сахаров A.B. Термомеханическое бурение научные и практические результаты исследования. Тезисы докл. 4-го

19. Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб. 1998. С. 94.

20. Бродов Г.С., Алексеев В.Н. Экспериментальные исследования термомеханического способа бурения. «Методика и техника разведки». №8(146). 1998. С.89-95.

21. Бродов Г.С. Чжан Цзу-Пэй. Предпосылки термомеханического бурения в Китае. «Методика и техника разведки», №9(147). 1999. С.20-23.

22. Бродов Г.С. Научно-практические основы колонкового термомеханического бурения. Наука в СПбГИ. Научные сообщения. Вып.4, СПб. 1999. С.132-167.

23. Вдовин К.И. Баланс энергии и КПД процесса разрушения горных пород при бурении. Изв. ВУЗов. «Нефть и газ», №2, 1966.

24. Воздвиженский Б.И., Кузнецов А.К. Горний комбайн для огневых работ. A.C. Кл. 5в, 21/00 №46859. Б.И. №7.1935.

25. Вырвинский П.П., Шепель А.И. Исследование теплового режима на забое при бурении колонковых скважин. УкрНИИ, №1456, УК-84, Деп. от 13.08.84.

26. Витязь П.А., Кипчакбаев АД, Колесников A.A. Физико-химические методы получения тонкодисперсных порошков тугоплавких соединений. Рига; Тез.докладов «Физико-химия ультрадисперсных систем», 1989, С. 189

27. Голдаев И.П. и др. Исследование термомеханического бурения скважин в мерзлых грунтах станком АБУ. В кн.; Термомеханические методы разрушения горных пород. К., «Наукова думка», 1969

28. Галяс A.A., Полуянский С.А. Основы термомеханического разрушения горных пород. Киев, «Наукова думка», 1972

29. Гашичев Н И., Каклит А.К., Перельман В.Е. Гидродинамическое формирование огнеупорных изделий. Огнеупоры, т.№1, 1973, С.40-42.

30. Гончаров С.А., Дмитриев А.П. и др. Термическое и комбинированное разрушение горных пород. М., Недра, 1978.

31. Горчакова Л.И., Русанова Л.Н., Ромашин А.Г. Исследование влияния технологических режимов на свойства реакционноспеченногонитрида бора. В сб.: Технология неметаллических конструкций., М., Металлургия, 1980, С.90-91.

32. Геологические формации осадочного чехла Русской платформы. Л., Недра, 1981.

33. Грабис Я.П. Синтез и свойства тонкодисперсных порошков на основе оксидов. Рига: Тез.докладов «Физико-химия ультрадисперсных систем», 1989. С. 183.

34. Горшков Л.К. Определение коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене алмазной коронки с очистным агентом. -В кн.: Разработка и совершенствование алмазного породоразрушающего инструмента. Л., ВИТР, 1982.

35. Горшков Л.К. Удельная забойная мощность как теплоэнергетическая характеристика алмазного породоразрушающего инструмента. -Изв.ВУЗов Геология и разведка. №5, 1982.

36. Горшков Л.К., Медведев О.П. Рекомендации по технологии алмазного бурения с учетом действия температурного фактора. М., Мингео РСФСР, 1983.

37. Горшков Л.К. Роль температурного фактора в алмазном бурении. -В кн.: Исследование, разработка и внедрение технологии алмазного бурения на твердые полезные ископаемые. Л., ВИТР, 1984.

38. Горшков Л.К., Гореликов В.Г. Температурные режимы алмазного бурения. М., Недра, 1992.

39. Дмитриев А.П., Дербенев Л.С., Горяев В.Е. Способ термодинамического разрушения горных пород. A.C. кл. а, 19/10 №188407 Б.И., №22. 1966.

40. Дмитриев А.П., Гончаров С.А. Термодинамические процессы в горных породах. М., Недра, 1983.

41. Жолнач В.И. и др. Экспериментальные исследования электромеханического способа разрушения горных пород. В кн.: Термомеханические методы разрушения горных пород. К., «Наукова думка», 1969.

42. Жданович Г.М., Киселев Л.И., Шелегов В.И. Некоторые вопросы теории уплотнения порошковых материалов на гидродинамическихустановках. В сб.: Теория и практика прессования порошков, Киев, 1975, С.41-45.

43. Зеленский Н.М. К вопросу о повышении эффективности работы горных породоразрушающих машин. В кн.: Изв. ДГИ, 43, М., "Недра", 1964.

44. Зеленский Н.М. и др. О применении термомеханического способа разрушения горных пород для рабочих органов проходческих машин. Изв. ДГИ, 47, М., Недра, 1965.

45. Зяткевич Н.М., Косолапова Т.Я., Макаренко Г.Н. Продукты взаимодействия алюминия и азота в низкотемпераьурной плазме. -Порошковая металлургия. №7, 1978. С.70-73.

46. Иосихиро Огата, Акира Таката, Каору Фудзимото. Исследование физических свойств горных пород при высокой температуре. «Сайко то хоан, Mining and Safety", 1978, 24, N1. С. 6-12.

47. Козловский Е.А. Оптимизация разведочного бурения. М., Недра, 1975, С.303

48. Кузнецов В.Д. Наросты при резании и трении. М., Гос. Изд. Технико-теоретической лит, 1956.

49. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения. М., Машиностроение, 1962.

50. Клочко Н.И., Шрейнер Л.А. Термомеханическое бурение пород зерновыми коронками. Изв. ВУЗов, Геология и разведка, №3, 1963.

51. Корнилов НИ., Блинов Г.А., Курочкин П.Н. Технология бурения алмазным инструментом при высоких скоростях вращения. М., Недра, 1978.

52. Кожевников A.A., Киселев А.Г. Анализ режимов вращательно-ударного бурения и технические средства для реализации базовых технологий геологоразведочного бурения. П., ВИТР, 1988, С. 47-49.

53. Кожевников A.A. Температурный эквивалент забойной мощности при бурении. Геотехническая механика, №8, Днепропетровск, 1998. С. 79-81.

54. Кожевников A.A. Уточнение формулы Кудряшова-Оношко для определения температуры торца буровой коронки. Геотехническая механика, Днепропетровск, №8, 1998. С. 82-86.

55. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Анализ и расчет температурного поля в теле алмазной коронки. Бурение разведочных скважин в сложных условиях. Л., Тр. ЛГИ. 1985, т. 105.

56. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Новая технология бурения скважин в мерзлых породах. М., Недра, 1973, С. 168.

57. Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Литвиненко B.C. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. Л., Недра, 1991.

58. Лукомский Я.М. Теория корреляции и ее применение к анализу производства. М., Госстатиздат, 1958.

59. Лобышев В.П. Гидродинамическое прессование порошковых материалов. М., Металлургия, сборник трудов ЦНИИЧМ, вып. 43,1965. С.45-58.

60. Лебедев В.К., Черненко И.А., Вилль В.И. Сварка трением. Справ., Л., Машиностроение, 1987.

61. Maurer. 14 New Drill Concepts "Engineering" and "Mining Journal", N6,1966, v. 167.

62. Макашов Л.Н. и др. Термомеханический способ бурения скважин для свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах. Механизация строительства, 1968, 6.

63. Мисник Ю.М., Некрасов Л.Б. Термомеханические разрушения некоторых горных пород при создании в них внутренних источниковтепла. В кн.: Термомеханические методы разрушения горных пород. К., «Наукова думка», 1969.

64. Москалев А.Н., Сологуб С.Я., Евтушенко Новые и усовершенствованные способы бурения шпуров и скважин. . К., «Наукова думка», 1972.

65. Михин Н.М. Температура контактирующих тел. Трение, износ и смазка. Справ. Т.1. М., Машиностроение, 1978.

66. Новикова H.A., Власов Е.Г., Непомнящий Л.Б. Некоторые свойства пиролитического нитрида бора. Огнеупоры, №10, 1971. С. 54-58.

67. Новик Г.Я. Комплексные исследования физических свойств горных пород применительно к задачам горного производства. Автореферат докт. Дисс. Московский горный институт, 1970.

68. Основы региональной геологии СССР. М., Недра, 1980.

69. Плазмохимия 71. Институт нефтехимического синтеза АН СССР, 1971. С. 142.

70. Ржевский В В., Новик Г Я. Основы физики горных пород. М., Недра, 1978.

71. Пономарев П.П. Алмазное бурение в трещиноватых породах. Л., Недра, 1985.

72. Роман О. В. Импульсное прессование металлических порошков. -диссерт. док. техн. наук. Минск, 1971. С. 309.

73. Рощин П.Ф. Новый принцип разрушения горных пород при вращательном бурении. «Народное хозяйство». №10. М., 1945.

74. Синдеев П. Р. и др. Термомеханический способ бурения скважин. В сб. тр. ВНИИЦВЕТМЕТа.: Горное дело, 11, Усть-Каменогорск, 1967.

75. Смирнова М.И. Основы геологии СССР. М., «Выс.школа», 1971.

76. Самсонов Г.В., Приходько Л.И. Состояние и перспективы развития работ по теории и технологии прессования порошков. В кн.: Теория и практика прессования порошков, К., 1975. С. 13-14.

77. Смородинский Я.А. Температура. Изд. 2-е, М., «Наука», 1987.

78. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. М., Недра, 1984.

79. Сахаров A.B. Энергетические критерии идентификации горных пород при бурении. Тез.докл. Всесоюзной научно-техн. конф. «Разрушение горных пород при бурении скважин», Уфа, 1986. С. 37-40.

80. Сахаров A.B., Горшков Л.К. Коэффициент полезного действия процесса разрушения при бурении алмазными коронками. Изв. ВУЗов. Технология и разведка. №5, 1990. С. 129-132.

81. Сахаров A.B. Зависимость коэффициента трения от геометрических размеров торца коронки. Применение синтетических алмазов в бурении. Сб. науч.трудов ВИТР, СПб., 1992

82. Сахаров A.B., Щепетова О.В. Сравнительная оценка методов определения буримости горных пород. Исследование технологий и внедрение новых технических средств для бурения геологоразведочных скважин. Сб. науч. трудов ВИТР, СПб., 1992

83. Сахаров A.B., Осецкий А.И., Щепетова О.В. Влияние термодинамических процессов на эффективность резания дисковыми алмазными пилами. В сб. «Методика и техника разведки», №5 (143) СПб., 1995.

84. Сахаров A.B. Структурная модель коэффициента трения при бурении горных пород. В сб. «Методика и техника разведки», №7 (145) СПб., 1996. С. 43-47.

85. Сахаров A.B. Показатель буримости горной породы. В сб. «Методика и техника разведки», №7 (145) СПб., 1996.

86. Сахаров A.B., Бродов Г.С. Определение термодинамических характеристик пограничного слоя горной породы. Тез. докл. 4-го Международный симпозиум по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. СПб. 1998.С.115.

87. Clark J.B. Rock Disintegration The Key to Mining Progress. «Mining Engineering", 1971, "Marz", p. 47-51.

88. Sims D.L. Petroleum Engineer (Journal Article) Melting Glass-Lined Holes: "New Drilling Technology", 1974, July.

89. Трефилов В.И., Мильман Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. К., «Наукова думка», 1975. С.315.

90. Федоров B.C. Проектирование режимов бурения. М., Гостоптехиздат, 1958.

91. Физические сврйства горных пород и полезных ископаемых (Петрофизика), Справочник геофизика (под ред. Н.Б.Дортман, 2-е издание, перераб. и доп.), М., Недра, 1984.

92. Физические свойства минералов при высоких термодинамических параметрах. Справочник, М., Недра, 1988.

93. Циелен У.А., Миллер Т.Н. Низкотемпературная плазма в технологии неорганических веществ. Новосибирск, Наука, 1971. С. 298.

94. Царев В.Ф., Иткин С.М., Русанова Л.Н. О шликерном литье из суспензий нитрида бора. Технология неметаллических конструкций. М., 1980. С. 61-63.

95. Чистяков В.К., Литвиненко B.C., Бродов Г.С. Обоснование методики экспериментальных исследований электротеплового способа бурения, (зап. ЛГИ), 1985, т. 105. С.94-97.

96. Шамшев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б., Парийский Ю.М., Яковлев A.M. Технология и техника разведочного бурения. Учебник для ВУЗов. М., Недра, 1983.

97. Шрейнер Л.А. и др. Механические и абразивные свойства горных пород. Гостехиздат. М., 1958.

98. Шпат A.A., Циелен У.А., Крот О.И. Получение и свойства фракций высокодисперсных порошков плазмохимического синтеза. Рига: Тез.докладов «Физико-химия ультрадисперсных систем», 1989, С. 194.

99. Эпштейн Е.Ф. Износ твердых сплавов при трении по горным породам при колонковом разведочном бурении. Гостопиздат, М., 1952.

100. Эйгелес P.M. Разрушение горных пород при бурении. М.,: Недра, 1971. С. 231.

101. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. 2-е изд, М., Наука, гл.ред.физ.-мат. лит., 1985, -512с.

102. Тектонич. элемент Структурные элементы и регионы Состав горных пород, %

103. Граниты —і і а> О сг Кр. сланцы Диабазы (базальт) Лавы (андез) Туфы Песчани ки Глины Гл. сланцы Аргилли -ты Алевролиты Известняки Доломиты Мергели Пески Конгломераты

104. Сине-клизы 8. Московская Э.Печерская 10. Прикаспийская 11. Причерноморская ^.Польско-Литовская 13. Балтийская 14. Тунгусская 15.Вилюйская 15 15 40 10 30 35 65 35 20 10 70 50 10 15 5 30 40 35 30 10 25 40 10 10 10 35 15 20 5 5 5 10 5

105. Плиты 16.3ападно-Сибирская 17.Туранская 17.1 .Закаспийск. 18. Скифская - - - - - 40 40 10 30 10 20 - 20 40 30 20 20 20 40 20 - - -

106. Прогибы 19. Б.Донбасс 20.Тургайская 20.1 .К Зап.Сиб. плите 20.2. К Тургай-ской плите 20 10 30 10 - - - 25 20 40 - - 35 15 20 35 15 20 - - - -

107. Тектонич. элемент Структурные элементы и регионы Состав горных пород, %

108. Граниты Гнейсы Кр. сланцы Диабазы (базальт) Лавы (андез) н -а (Г Песчани ки Глины Гл. сланцы Аргилли -ты > ь ^ X Ф Ч 00 Е "О 0 1 Известняки Доломиты Мергели Пески Конгломераты

109. Тектонич. элемент Структурные элементы и регионы Состав горных пород, %

110. Граниты Гнейсы Кр. сланцы Диабазы (базальт) Лавы (андез) Туфы Песчани ки Глины Гл. сланцы Аргилли -ты Алевролиты Известняки Доломиты Мергели Пески Конгломераты

111. Поднятия 30.Катангское 30.1.Зап.часть 30.2. Южная 30.2. Северная 30.4. Вблизи Анабарского щита 30.5. Вблизи Алдан, щита 30.6. Вост. часть 31.Енисейское 32.Туруханское 20 25 25 40 25 25 40 30 10 10 25 15 - 25 - 100 50 25 100 15 50 100 25 - -

112. Краевые поднятия 33. Вост. Саянское 20 20 20 - 20 - - - 20 - - - -

113. Массивы 34. Колымский 35.0молонский 36. Охотский ООО - - ООО - 30 30 30 - - 20 20 20 20 20 20 5 5 5 5 5 5 - -

114. Структурные Состав горных пород, %

115. Южный 25 25 - 15 15 - - - - 20 - - -

116. Кузн. Алатау 15 15 10 10 20 - 5 - - 25 - - -491 Зап.-Вост.

117. Саяны 15 15 15 20 20 - - - - 10 10 - -

118. Томь-Колыв. - - - - 15 20 - - 20 25 20 - - -51 .Алтай - 40 50 - - - - 10 - - - -

119. Карпаты - - 40 30 10 - - - - - - - 10

120. Крым - - - ■ - - - - - 40 - 10 10 40 -

121. Кавказ 10 - - - - 30 - - 30 - 20 10 10 -

122. Копет-Даг - - - - - 40 30 - - - 10 - 10 - 1056. Монголо-

123. Охотское - - - - - 30 - - 30 30 - - - 10561. Вост.

124. Забайкалье 10 15 25 20 10 10 - - - - - - - -57. Герциниды

125. Забайкалья 20 20 20 - - 15 - - - 15 - - - -58. Герциниды

126. Приамурья — — 35 35 30 - -

127. Структурные Состав горных пород, %

128. Сев и центр - - 20 30 15 20 - 15592. Южное приморье - - 10 10 5 55 - 10 60. Верхояно-

129. Чукотское - - - - 80 50 - 20 5061.Окраинное 1. Охотско-

130. Чукотское) 10 - 20 20 20 - - 30 -62.Корякско-

131. Камчатская зона - - - 50 - 15 15 1563. Сахалин - - - - -

132. Восточный - - - - 40 60632.Центральн - - - - - - - бЗ.З.Западный - - 10 10 10 30 - 20 20 64. Курильские острова - - 30 20 10 30 - - 10 10 - - - -

133. Результаты исследования эффективности термофрикционных элементов ТМ коронок (стенд СКБ-6)

134. Тип №№ Значения показателей при Р, даН, п, мин"1фрик. фрик цион элем Показатели 500 1000 1500 2000 Средэлем 300 450 450 450 нее

135. А1203 1 Время рейса, 9.5 3.25 - 12.75мин 1. Проходка, см 15 20 - 35

136. Мех.скор, м/ч 0.95 3.69 - 1.653 Время рейса, 5 8.5 13.5мин 1. Проходка, см 14 30 44

137. Мех.скор, м/ч 1.68 2.12 1.967 Время рейса, 5 5 30 40мин 1. Проходка, см 5 11 85 101

138. Мех.скор, м/ч 0.6 1.32 1.7 1.528 Время рейса, 5 13 18мин

139. Проходка, см 8.5 58.5 67

140. Мех.скор, м/ч 1.02 2.7 2.23

141. Время рейса, 9 14.5 23.5мин 1. Проходка, см 22 39 61

142. Мех. скор, м/ч 1.47 1.63 1.5614 Время рейса, 5 16 14 35мин 1. Проходка, см 8 42 41 91

143. Мех.скор, м/ч 0.96 1.57 1.76 1.5623 Время рейса, 5 5 5 15мин

144. Проходка, см 11.5 19 18 48.5

145. Мех.скор, м/ч 1.38 2.28 2 16 1.94

146. Итог Время рейса, 29 68 60.75 157.75мин

147. Проходка, см 55 200.5 194 449.5

148. Мех.скор, м/ч 1.14 1.77 1.92 1.71

149. Ко- 40 Время рейса, 5 5 14 24рунд мин

150. Проходка, см 3 5.5 43.5 62

151. Мех.скор, м/ч 0.36 0.66 2.29 1.55

152. Ко- 47 Время рейса, 6 3 21 30рунд мин

153. Проходка, см 7.5 4 5.5 64

154. Мех.скор, м/ч 0.75 0.8 1.47 1.28

155. Тип №№ Значения показателей при Р, даН, п, мин"1фрик. фрик цион элем Показатели 500 1000 1500 2000 Средэлем 300 450 450 450 нее

156. Время рейса, 5 10 21.5 36.5мин

157. Проходка, см 6.5 22.5 82.5 111.5

158. Мех.скор, м/ч 1.78 1.35 2.3 1.8549 Время рейса, 5 10 15мин

159. Проходка, см 8.5 47 55.5

160. Мех.скор, м/ч 1.02 2.82 2.2254 Время рейса, 5 23 28мин

161. Проходка, см 11 68.5 79.5

162. Мех. скор, м/ч 1.32 1.79 1.7157 Время рейса, 5 15 20мин 1. Проходка, см 6 35 41

163. Мех.скор, м/ч 0.72 1.4 1.23

164. Итого Время рейса, 31 51.0 71.5 153.5мин

165. Проходка, см 42.5 147.5 222.5 412.5

166. Мех.скор, м/ч 0.82 1.74 1.87 1.62

167. Всего Время рейса, 60 119 132.25 311.25мин

168. Проходка, см 97.5 348 416.5 862

169. Мех.скор, м/ч 0.98 1.76 1.89 1.66

170. СВБК 22 Время рейса, 8 10 25 23.5 66.5мин

171. Проходка, см 7 11 44.5 71.5 136

172. Мех.скор, м/ч 0.53 0.66 1.07 1.82 1.23