автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Повышение эффективности буровых коронок из синтетических алмазов на основе изучения их контактного взаимодействия с горной породой

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ'

Г Б Ой

На правах рукописи

ОПОЛЬСКИЙ ВИКТОР ИВАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРОВЫХ КОРОНОК ИЗ'СИНТЕТИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ НА ОСНОВЕ,ИЗУЧЕНИЯ ИХ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ* С ГОРНОЙ ПОРОДОЙ

Специальность 05.15.14 - " Технология-и техника геологоразведочных работ"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации'на соискание ученой степени кандидата технических наук

Диссертация является рукописной работой Работа выполнена в Институте сверхтвердых материалов Национальной академии наук Украины

Научный руководитель - кандидат технических наук,заведующий отделом проблем сверхтвердых материалов в бурении Богданов Роберт Константинович

Официальные оппоненты - доктор технических наук.профессбр Горшков Лев Капитонович кандидат технических наук,доцент Пахомов Игорь Николаевич

Ведущее предприятие - ГГП "Севукргеология"

Защита состоится 1994 г. в час. на

заседании специализированного совета К 068. 08. 02 при

Государственной горной академии Украины по адресу:

320027 г.Днепропетровск - 27, пр. К.Маркса 19.

" С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии

Автореферат разослан " " 1994 г.

Ученый секретарь специали-зированого совета,доцент

.¡^ь^—ТСм.Бражененко

РЕШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Основной задауей геологоразведочных организаций является увеличение запасов месторождений полезных ископаемых и сокращение сроков их разведки.Решение этой задачи возможно при использовании новых эффективных'конструкций породоразрушающего инструмента с высокопрочными монокристаллическими синтетическими алмазами (СА) и сверхтвердыми композиционными алмазосодержащими материалами (СКАМ).-

В Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) Национальной академии наук Украины (НАНУ) Еедутся работы по совершенствованию конструкции коронок,оснащенных СА и вставками СКАМ,с целью повышения Их износостойкости и механической скорости бурения.

Работа инструмента.в объемном слое которого используются мелкие фракции СА,происходит при малых зазорах между поверхностями матрицы коронки и забоя.Поэтому,на работоспособность и износостойкость такого инструмента существенное влияние оказывает концентрация в межконтактном пространстве частиц шлама горной породы.При концентраций,превышающей критическое значение,Начинается процесс избыточного накопления шлама под рабочей поверхностью'коронки.Это затрудняет разрушение породы и увеличивает интенсивность абразивного износа частицами шлама материала матрицы буровой коронки. Явление зашамования межконтактного пространства появляется при повышении нагрузки я стремлении добиться при этом более высокой механической скорости бурения .'Избежать зашламо-вания рабочей поверхности коронки возможно или путем уменьшения осевой нагрузки, что однако не Является оптимальным решением, Так как снимает эффективность процесса бурения,или путем создания новой конструкции коронки .которая не вызывая повышенного абразивного износа матрицы инструмента позволяла бы интенсифицировать процесс разрушения породы.

Дель работы.Целью настоящей диссертационной работы является определение параметров:коптактной зоны бурового инструмента с горной породой, установление степени их влияния на концентрацию шлама тв межконтактном пространстве и разработка на этой основе конструкции инструмента, обладающего .повышенной производительностью и износостойкостью.

Основные задачи исследований.Для Достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- теоретически установить функциональную связь концентрации шлама горной породы 'в межконтактном пространстве в зависимости' от макропараметров конструкции инструмента,параметре?-его рлбочен поверхности.режимов бурения и физию - механических сг-пств горней породи;

- определить количественное знткш;^ кепдепрэдоя ¡ьтзмд в межзл-мазном пространстве контактной .-срч Сурзыгэ инст?у«--::та.при ¡г.тсрсм

- 4 -

начинается критический режим бурения;

- определить допустимые значения осевого усилия и механической скорости бурения в зависимости от прочности используемых алмазов и критической концентрации шлама в межконтактноы пространстве;

- экспериментально исследовать влияние конструктивных параметров коронок на показатели процесса бурения и определить для каждой конструкции коронки оптимальные значения параметров режима бурения;

- разработать оптимальную конструкцию буровой коронки и определить . ее работоспособность в зависимости от концентрации,зернистости и прочности используемых алмазов;

- в промышленных условиях провести испытания буровых коронок оптимальной конструкции и определить показатели их эффективности.

Методика исследований.Для решения поставленных задач была разработана методика,включающая в себя:

- анализ и обобщение литературных источников по изучаемому вопросу:

- определение минимальной углубки,после достижения которой регистрируемая информация о процессе бурения является наиболее объективной;

- теоретические и экспериментальные исследования по установлению зависимости между концентрацией шлама в межконтактном пространстве и износостойкостью инструмента с использованием натурных образцов алмазного бурового инструмента;

- экспериментальные исследования с целью разработки оптимальной конструкции инструмента по выбранным критериям оценки эффективности процесса алмазного бурения.

Научная новизна заключается в том.что автором впервые:

- аналитически установлена зависимость концентрации шлама в межконтактном .пространстве алмазной буровой коронки от конструктивных параметров инструмента,параметров его рабочей поверхности,технологических режимов бурения и физико-механических сеойств горной породы;

- аналитически установлена зависимость оптимально-допустимого значения механической скорости бурения от конструктивных параметров инструмента, физико-механических свойств горной породы и критической концентрации шлама в межконтактном пространстве;

- установлена зависимость интенсивности изнашивания матрицы коронки от соотношения длин линий резания алмазами,расположенными по наружному и внутреннему диаметрам.Для обеспечения одинаковой износостойкости по всей поверхности торца инструмента это отношение должно приближаться к единице;

- с учетом гиперболического характера зависимости концентрации шлама в ма-.гк.онтактном пространстве импрегнироьанной коронки от количества секторов,аналитической оценки коэффициента запаса их прочности

- Б -

на изгиб и геометрическим размеров подрезных элементов предложена методика определения оптимального количества секторов в буровом инстру--менте,оснащенном мелкими фракциями синтетических алмазов;

- предложена методика определения динамического равновесия между поверхностями коронки и забоя,при'котором имеют место нормируемые во времени процессы разрушения горной породы и изнашивания инструмента.

Достоверность научных положений подтверждается удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований и положительными результатами внедрения разработанной Суров'ой коронки в производственных условиях.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в том,что в результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны многосекторные буровые коронки диаметром 59 мм типа БС 20 и определены для них оптимальные режимы бурения.

Личный вклад автора состоит в общей постановке задачи и ,выборе подхода к ее решению;в установлении аналитической зависимости для концентрации шлама в межконтактном пространстве и создании программы оценки влияния на ее значение параметров конструкции бурового инструмента; в разработке критерия оценки работоспособности инструмента и выборе путей повышения его эффективности;в разработке методики и проведении комплекса экспериментальных исследований определения работоспособности бурового инструмента^ разработке оптимальной конструкции инструмента,обладающего наибольшей износостойкостью.

Реализация работы.Разработан технологический процесс изготовления и освоено серийное производство указанных коронок на Опытном заводе ЯСМ НАНУ.Производственные испытания,связанные с реализацией разработок и рекомендаций автора и проведенные на протяжении 1987-1993 г.г. в организациях ПТУ "Укрчерметгеология",ПГО "Севукргеология",ПГО "Севзапге-ология",ПГО "Красноярскгеология",Иртышского полиметаллического комбината (Казахстан),НПО Восточный ГОК (г.Желтые Воды) и АП "Кварцсамоцве-ты" показали перспективность элективного использования коронок типа БС 20 при бурении скважин в горных породах Х-ХП категорий бурпмости.

Апробация работы.Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научной конференции профессорско - преподавательского состава, научных работников и аспирантов '.ТРИ,Москва. 1933 г;

- научных семинарах отдела проблем сверхтверлих мзтериплгв в бурении, Киев.ИСМ НАНУ,1990 - 1993 г.Г.:

- заседании кгфедон т^янют ра—?дгл '.С'Л ГсоудчрзтЕс-гшой госнсй академии Украины.Днепропетровск.1933.г.:

- заседании секш:и"Ст:'-рхтперп;'? у-с I я уг.<—-:т?га к гг^лсрзя-

рушащем инструменте и узлах трения" ученого совета ИСМ НАНУ,Киев, 1994г.

Публикации.Основные положения диссертации опубликованы в И печатных работах и защищены авторским свидетельством.

Объем и структура работы.Диссертационная работа состоит из введения,пяти глав,обидах выводов и рекомендаций,списка использованной литературы, включающего 77 наименований и 16 приложений;изложена на 152 страницах машинописного текста,содержащих 15 таблиц и 50 рисунков.

В первой главе дается обобщение,систематизация и анализ литературных источников по изучаемой проблеме.На основе проведенного анализа обосновываются основные задачи и направления дальнейших исследований.

Во второй главе изложены методики и техника экспериментальных исследований и представлен комплекс, показателей процесса бурения. .

Третья глава посвящена аналитическим исследованиям контактного взаимодействия коронки с поверхностью горной породы.В данной главе:

- установлена зависимость концентрации шлама горной породы в межконтактном пространстве от макропараметров конструкции инструмента,параметров его рабочей поверхности,режимов бурения и фивико - механических свойств горной породы;

- определена степень влияния конструктивных параметров бурового инструмента на концентрацию илама в межконтактном пространстве;

- определено значение концентрации шлама в межконтактном пространстве инструмента при котором начинается критический режим бурения-,

- установлены оптимальные значения осевого усилия и механической скорости бурения в зависимости от прочности используемых алмазов и критической концентрации шлама в межконтактном пространстве;

- проведена оценка напряжений изгиба в секторах буровых коронок;

- предложена конструкция промывочного канала, обеспечивающая равно-износостойкость секторов алмазных буровых коронок.

В четвертой главе приводятся сведения о работоспособности буровых коронок с различным количеством секторов и их технические характеристики. Установлено влияние на работоспособность инструмента режимов бурения* и определены их оптимальные значения. Приведены результаты исследований влияния концентрации,прочности и зернистости алмазов на показатели процесса бурения.

Пятая глава посвящена результатам промышленных испытаний буровых коронок типа БС 20 в сравнении с серийными коронками типа 02ИЗГ.

В заключении приведены основные выводы по работе.

Приложения содержат данные экспериментальных исследований,чертеж Суровой коронки ЕС 20,расчеты экономической эффективности,акт о государственных приемочных испытаниях и описание алгоритма программы для

'- 7 - . '

оценки влияния конструктивных параметров коронок на концентрацию шлама горной породы в межконтактном пространстве.

Работа выполнялась по постановлению ГКНТ от 30.10.85 г.М 555 и от 31.12.86 г.й 535 по программе 050.04.01.02.И."Создать и освоить производство буровых коронок,оснащенных новыми синтетическими монокристаллическими алмазами,для бурения крепких пород IX - XII категорий по бу-римости" и в соответствии с тематическим планом ИСМ НАНУ.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю,кандидату технических наук Р.К.Богданову за постоянное научное и методическое руководство в процессе выполнения работы.

Автор глубоко признателен преподавательскому составу кафедры техники разведки МПИ Государственной горной аглдемии Украины за критические замечания и полезные советы,а также бл.^годарен сотрудникам отдела N 8 ИСМ НАНУ 8а благожелательное отношение и всестороннюю' помощь в процессе выполнения и оформления диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Краткие сведения по изучаемому вопросу.

Исследованиями работоспособности и износа алмазных буровых коронок занимались: В. И. Воздвиженский ,Е. А. Козловский, Л. К. Горшков; Ф.'А. Шамшев ,С. А. Волков,С.С.Сулакшин,Д.Н.Баякатов, В.П.Онищин, А.В.Сахаров;Н: И.Корнилов, Г.А.Блинов, Р.К.Богданов, А.А.Бугаев.В.Н.Лйтаиц и'другие'авторы.

Анализ процесса бурения и механизма изнашивания-,изложенный в этих работах и выполненный с учетом современных- представлений о характере контактного взаимодействия буровых коронок"- с~ горной " породой, ¡юга-зал.что преобладающим видом износа для алмазного Охрового инструмента является абразивный.

Интенсивность этого износа"существенно зависит от физико-механических свойств горной'породи;абразинностя частиц шлама,их размеров и формы,а т'акже концентрации частиц*горной породы в пространстве между рабочей поверхностью инструмента и забоем скважины.

Важным моментом- контактного взаимодействия бурового инструмента из синтетических алмазов является.то,что износ алмазов и материала матрицы, который рассматривается как взаимосвязанный процесс, протекает при весьма малых зазорах между поверхностью матрицы коронки и забоем.Поэтому, чрезмерное скопление шлама в межконтактном пространстве отрицательно сказывается на работоспособности буровой коронки,так как способствует прекращению циркуляции жидкости под ее рабочей поверхностью и интенсификации теплофизических процессов,приводящих к терморазупр:: I-непию матрицы и алмазов и значительному повышению их 1-гноса.

В алмазном геологоразведочном батник !,г,"1<пг.!>; процесса згшзмова-ния забоя скважинн посгокзии работа П.Н.Курсчкгаз.В.И.Спкрказ.Ю.Е. Ву-

дюкова и др.Они оценивали влияние на этот процесс величины выпуска алмазов, формы промывочных каналов и концентрации алмазов в объеме матрицы. При это»* делают акцент на том,что для достижения высоких механических скоростей бурения необходимо увеличивать выступание алмазов из ца-териада матривдработы Ю.А.Пешалова.Н.В.Цыпина.И.П.Ганина включают в себя разработку теоретических основ зашламования забоя скважины;работы Н.В.Соловьева.В.П.Липатникова посвящены исследованиям режиму промывки и его влияния на эффективность алмазного бурения.Однако,в. настоящее время четких рекомендаций по разработке принципов конструирования и" эксплуатации бурового инструмента,объемный слой которого оснащается синтетическими монокристамшческими алмазами,не установлено.

В работах В.Г.Кардыша,В.И.Васильева,В.Н.Зорина приводятся результаты исследований по выбору величины углубки за один оборот.В этих работах даны рекомендации по поддержанию постоянного 'значения величины углубки ва один оборот с помощью осевой нагрузки.Однако.данные технологические рекомендации не учитывают различные факторы имеющие место в зоне контакта бурового инструмента с горной породой.Так,в процессе бурения происходит изменение состояния рабочей поверхности коронки,которое включает в себя изменение не только величины выпуска алмазов,но и количество алмазов участвующих в разрушении горной породы.

Различие в рекомендациях по повышенйю эффективности алмазного бурового инструмента и их в основном технологическая направленность, обуславливает необходимость дальнейших исследований по изучению . механизма контактного взаимодействия пары "буровая коронка-горная порода" с целью установления основных параметров этого взаимодействия и определения степени их влияния на величину концентрации шлама горной , породы в межконтактном пространстве.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

1.Износ матрицы алмазной импрегнированной коронки в значительной мере зависит от концентрации в межконтактном пространстве дезинтегрированных в процессе бурения частиц шлама горной породы, которая опре-. деляется конструкцией инструмента,параметрами его рабочей поверхности, режимами бурения и физико-механическими свойствами горной породы.

На основании многочисленных аналитических и экспериментальных исследований установлено,что,для обеспечения процесса нормального взаимодействия алмазной коронки с горной породой концентрация продуктов разрушения горной породы под рабочей поверхностью алмазной коронки не должна превышать критического значения.

В процессе бурения частицы шлама распределяются в межконтактном пространстве,объем которого,при вероятностном характере распределения алмавоь на поверхности коронки,может бить представлен в виде выражения:

Vp - SK ( hB - h<= ) f 1 - JL1IM. 1 (1) ■

1 800 J

где Sk - плоиддъ поверхности коронки; hB - среднее значение выпуска алмазов; hc - среднее значение толщины срезаемого слоя горной породы; К - относительная концентрация алмазов в объеме матрицы; В - коэффициент,определяющий содержание работоспособных алмазов на поверхности инструмента; P(ti) - вероятность появления алмазов, в интервале их выпуска,определяемом внедрением йлмазов в породу. Считаем,что все частицы шлама горной породы,попадающие йз-под'секторов в промывочные каналы, число которых равно числу секторов', эффективно и своевременно удаляются -промывочной жидкостью.Это обеспечивается расходом промывочной жидкости.определяемым из выражения:

1,57-Ю-3 mD(D-d)IkhnKi

Q > -- , дм /мин (2)

lk + ( D - d ) sin (т/2) где и - количество секторов (промывочных каналов); D,d соответственно наружный и внутренний диаметры коронки,см; - ширина промывочного канала по внутреннему диаметру, см; •- h - высота сектора, см; п - частота вращения,мин"1; г - угол между соседними секторами в коронке;К1-коз1Йициент,учитывающий-гидродинамическое сопротивление движению частицы шлама в потоке-.»-жидкости (Ki-0,4-0,6). При таком расходе промывочной жидкости, количество шлама- в межконтактном пространстве постоянное во времени и практически равняется объему горной породы,разрушаемому - одним сектором за один оборот.

Vi"!- Н Hp.Sc . (3)

где Н - углубка.коронки 33-один оборот; Кр - коэффициент разрыхления шлама; Se площадь поверхжэсти: сектора.

Концентрации--шлама в -межконтактном" пространстве-представим как отношение объемов шлама и межконтактного пространства: Полученное отношение- не-учитывает фявико-механические свойства горной породы.Для устранения- ■этого недостатка воспользуемся формулой Н.И.Корнилова для механической скорости бурения- и проделав преобразования получим оконча-тельное.-выражение для определения концентрации шлама:

100 Ymm.;- 31850 Р Rp Кр

Оз'---- - --——г ,Z (4)

Vp г КО P(ti) ,

m ( ha - hc í--Ршт e dc.n.

L 800 J где P - осевая нагрузка; - Rp - коэффициент разрушения горней породи, зависящий от упруго-пластлпных свойств горней породы; е - количество контактных зерен алмазов; dc.n.- средневзвешенный куСэтес-кий размер алмзга; Ршт - ТЕерлссгь пороги пэ Шрейнеру. Предложенная зависимость (4) послужила ссч:р-н для создания прог-

раммы аналитической оценки на ЭВМ степени влияния конструктивных параМетров буровой коронки на концентрацию шлама в межконтактном пространстве, результаты которой представлены на рис.1.

Анализ полученных аналитических зависимостей показывает,что из конструктивных параметров коронки " наибольшее влияние на уменьшение концентрации шлама в объеме межконтактного пространства оказывает количество промывсчных каналов (количество секторов).Поэтому,при оптимизации конструкции буровых коронок из синтетических алмазов,с целью повышения их эффективности,необходимо стремиться к созданию коронок, содержащих повышенное количество промывочных каналов.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить корреляционную связь между количеством секторов в инструменте,концентрацией шлама и интенсивностью изнашивания матрицы (рис.2).

Условия отработки коронок при экспериментальных исследованиях' определялись методом акустической эмиссии по соотношению амплитуд акустических сигналов на характерных для коронок из синтетических алмазов частотах 13,2 и 14,8 кГц и дополнительно контролировались по характеру изменения в процессе бурения забойной мощности.

В результате экспериментальных исследований было установлено,что при концентрации шлама горной породы в межконтактном пространстве, превышающей значение 70 X, начинается критический режим бурения, который характеризуется резким .повышением интенсивности изнашивания.

Таким образом,снижение абразивного воздействия частиц шлама горней породы,за счет использования в инструменте большого количества промывочных каналов,приводит к повышению износостойкости буровых коронок,в объемном сдое которых используются мелкие синтетические алмазы.

2. Величина оптимального количества породоразрушамих секторов в импрегнированной коронке ограничена критической концентрацией шлама в• межконтактном пространстве и геометрическими размерами подрезных вставок из сверхтвердого композиционного материала твесал.

Эффективность буровых коронок из мелких синтетических алмазов повышается при увеличении количества секторов.Поэтому,в таких коронках сект'бра должны иметь достаточное значение коэффициента запаса прочности на изгиб,т.е. с учетом данного коэффициента напряжения изгиба в секторах буровых коронок должны удовлетворять условию;

12 Р fTP h О

бр - --— С бэ (5)

« г ( D ■ d )

где Р - осевая нагрузка; fTp- коэффициент трения коронки; b - высота сектора; 1 - длина сектора; ба - экспериментальное значение предела прочности матрицы на изгиб.

Прочности и зервиоюсга алиазоа

(К=125%, Pflíti)=Q,20)

15 £5

Концэн»радид алмазов

(WitiHÄi, hb=3QMKM, Кр=1.5) 09,% EG,О

160 200 К,%

труктизшшс

Коэффициента из пользование алмазов

Í К=125%, ha=30«KH,Kp=\5, ДО 83 Û3.1

Ш ОД 0,6 0,8 ßPiii) Количоогва секгоров и их разиароа

(К=125Г»,Ьв=35мкм, PWttf=ß.8Q, Оз,% fiOEO МС0,И=Г0ти)

Ри0.1.8лиш/Я<;!_1ср, . ра кйт ubi. 1£

Г '11Г J ^ Г1

ç-lOOril''ii;iia* пиоинвочиого канал 12-50; l5-'¡0; Í'í -50.

ауока" эз"' оОй

т=1б

■ ' '_о.

ToÇm

uKn:-I-30;2-50;5-60;4-80:5-90: -3;8-5-, 9-Ю;10-15;П-20;

количества секторов (а) и концентрации шлама в межконтактном пространстве (б).

Осевая нагрузка,даН:1-800,2-1100,3-1400,4-1700,5-2000. Горная порода-гранит.Режимы бурения: ©-"нормальный", (^"критический" Расчетные значения напряжений при изгибе,для коронок диаметром 69 мм,представленные в табл. 1, показывают,что они,для случая учитывающего прочность алмазов на разрушение в 3 - 8,а для случая учитывающего критическую концентрацию шлама в межконтактном пространстве в 10 - 22 раза меньше значения предела прочности на изгиб матрицы,полученного в результате экспериментальных измерений/ й свидетельствуют о большом вапасе прочности на изгиб секторов/буровых коронок.

■ •■ Таблица 1

Изгибающие напряжения в секторах буровых коронок диаметром 59 мм

пг 1, ММ ь, ММ .. Р, даН~- мВа бр(|расчет), Л

10 16 16 24 10,0 7,5 5,5 4,0 6,0 6,0 6,0 5,0 4030/1450 550 68/25 76/27 141/61 146/53 8,0/22,0 7,2/20,0 3,9/10,8 3,7/10,3

Примечанием числителе-значения показателей, определяемых прочностью . алмазов,в знаменателе-концентрацией шлама горной породы Зависимость (4), определяющую концентрацию шлама в межконтактном

пространстве, представим ё виде выражения:

Р "

Чз--К2 (6)

ш

где Кг - коэффициент,учитывающий конструктивные параметры коронки и физико-механические свойства горной породы (Кг - 0,7-0,9) Данное выражение отражает гиперболический характер распределения в межконтактном пространстве концентрации шлама горной породы в зависимости от количества используемых в инструменте секторов (рис.3).

2 4 8 (О 16 20 24 30 Ш

Рис.3 Зйвисимость концентрации шлама от количества секторов Осевая нагрузка,даН:1-1100,2-1400,3-1700,4-2000.' Режимы бурения: (Ц-"нормальный", (0-"критический" Гориая порода - гранит (• Ко - 0,8 ).

Исходя из реальных значений осеищ нагрузок,используемых ь произ-' водственных условиях.а также размеров подрезных вставок из сверхтвердого композиционного материала твесал формы 0128 (диаметр 5 мм,высота 3,6 мм), критерия перехода нормального режима бурения в критический (Оэ > 70 X), значения коэффициента запаса прочности секторов на изгиб, а также гиперболического характера зависимости концентрации шлама от количества секторов (небольшое снижение 03 при значительном увеличении ш) было определено оптимальное, количество секторов в инструменте в зависимости от его диаметра.Так,при длине сектора равного 5,5 мм,оптимальное количество секторов в коронках диаметром 59 , 76 и 93 мм должно соответственно равняться 16 ,20 и 24.

^ Использование большого количества секторов позволяет интенсифицировать процесс разрушения горной породы,повысить механическую скорость бурения и избежать в процессе бурения явления зашламования межконтактного пространства.Интенсификация процесса бурения коронками с оптимальным количеством секторов ограничивается не прочностью используемых алмазов,а критической концентрацией шлама.При интенсификации процесса бурения,т.е.повышении осевой нагрузки, механическая скорость бурения Должна ограничиваться значением определяемым из выражения:

Чз п ( Из - Ьс ) ш

умз <------(7)

100 К„

где п-частота вращения;( - Ьс )-величина межконтактного зазора. \ В табл.2 представлены,рассчитанные по формуле (7).допустимые значения механической скорости бурения для коронок с различным количедт-

вом секторов.Стендовые испытания показали их удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.

3.Равномерность износа рабочей поверхности буровой коронки.обеспечивается путем .выполнения промывочных каналов расширяющимися в направлении к скванинообразующей поверхности.При этом отношение длин линий резания соответственно на наружном и внутреннем диаметрах коронки должно иметь значение близкое к единице.

Анализ результатов отработки алмазных коронок с прямыми в радиальном направлении промывочными каналами,в том числе коронок с повышенным количеством секторов,свидетельствует о более интенсивном износе матрицы коронки, расположенной вблизи внутреннего диаметра.Это вызвано различным йначением давления на поверхности коронки в результате чего возникает неравномерность выпуска алмазов иэ тела матрицы.Это согласуется с результатами исследований выполненными В.С.Владиславлевым и получившим гиперболический характер распределения осевой нагрузки на рабочей поверхности инструмента,который был экспериментально подтвержден

Таблица 2

Значения критической механической скорости бурения (м/ч)

• Кол-во секторов Частота вращения,мин-1

400 600 800

Зернистость алмазов,мкм

200 160 250 315 250 200 160 250 315 250 200 160 250 315 250

200 200 200

10 1.4 1,5 1,6 2,1 2,2 2,4 2,8 3,0 2,82 3,2

1,52 2,46

16 2,2 2,4 2,5 3,3 3,6 3,7 4,4 4,8 5.0

2,17 3,75 4,30

24 3,4 3,6 3,8 5,1 5,4 5,7 6,8 7,2 7,6

3,14 4,72 5,48

Примечание: В знаменателе - экспериментальные данные

И.В.Вовчановским при бурении алмазными кольцевыми коронками с различной шириной кольца и различным диаметром.Им же был получен закон распределения удельных нагрузок на площадке контакта заключающийся в том,что величина удельной нагрузки на элементарном кольце нагружения обратно пропорциональна среднему радиусу данного кольца.В связи с этим алмазы вблизи внутренней поверхности коронок обнажаются и внедряются в горн/ю породу болысе.при этом они чаще скальшаются и выкрашиьаются в

. процессе бурения.Степень воздействия частиц шлама на данном участке матрицы повышается.Это приводит к опережающему износу матрицы коронки по внутреннему диаметру.В этом случае критерием оценки условий работы алмазов на поверхности коронки может быть отношение Lo/Ld>представляющее собой частное от деления значений длин линий резания соответственно на наружном и внутреннем диаметрам и показывающее во сколько раз алмазы,находящиеся на внутреннем диаметре нагружены или внедрены в горную породу больше,чем алмазы,расположенные на наружном диаметре.

Значение отношения Lo/La зависит от диаметра инструмента.Так,с увеличением диаметра инструмента,например,с 36 до 151 мм значение данного показателя уменьшается с 3,0 до 1,15.

Экспериментальные исследования коронок с различными значениями отношения Lo/Ld показали,что коронки диаметром 59 мм имели заметный опережающий износ алмазоносного слоя расположенного вблизи внутреннего диаметра при количестве секторов равным 10.Это объясняется максимальным значением показателя Lo/Ld,указывающего на различные условия работы алмазных зерен в зависимости от диаметра линии, резания на котором они расположены.Так,для коронки с данным количеством секторов,этот показатель равняется 1,74.Это значит,что алмазы,которые расположены в линии резания у внутреннего диаметра углубляются в горную породу в 1,74 раза больше,чем алмазы,которые расположены в линии резания у наружного диаметра.Поэтому,при разработке алмазного бурового инструмента необходимо стремиться,чтобы отношение Lo/Ld имело значение близкое к единице.Это возможно в том случае,если угол между соседними секторами в коронке будет соответствовать значению определяемому из выражения:

jrD-rtd + mlk

Г - 2 arc tg

D sin

m D

(8)

D-d

где Ik - длина промывочного канала по внутреннему диаметру коронки. При выполнении промывочных каналов с углом расширения равном г, площадь элементарных колец нагружения не будет зависеть от их радиуса. Это обеспечит постоянство давлений на всей поверхности торца коронки , одинаковую глубину внедрения алмазов в горную породу и интенсивность изнашивания элементарных колец на инструменте,независимо от их радиуса на его рабочей поверхности.

0 Наиболее удовлетворяющий этим требованиям оказались коронки с 16-ю секторами,у которых отношение Lo/La имеет минимальное значение (Lo/Ld - 1,29).Данные коронки в процессе экспериментальных исследований практически изнашивались равномерно.

В табл.3 приведены значения конструктивных параметров коро-нок,рассчитанных с использованием выражении (8).

Таблица 3

Конструктивные параметры буровых коронок

D, мм п lk,мм т° Lo/Ld

46 12 2 29

59 16 2 22 1,0

76 20 3 18

93 24 3 15

Буровые коронки,созданные согласно приведенным в табл.3 данным,характеризуются одинаковой по торцу интенсивностью изнашивания и обеспе-

чивают полную отработку алмазосодержащей матрицы бурового инструмента.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований послужили основой для разработки конструкции многосекторной буровой коронки с равноизносостойкой матрицей типа БС 20 диаметром 59 мм. Коронка БС 20 содержит 16 секторов,угол у нее между соседними секторами примерно соответствует углу г,а отношение Lo/Ld имеет значение близкое к едини-•це.В качестве подрезных элементов в коронке используются вставки формы 0128 из сверхтвердого композиционного материала твесал.

Коронки БС 20 прошли промышленные и государственные приемочные испытания, результаты которых представлены в табл.4.

Таблица 4

Результаты промышленных испытаний коронок типа БС 20 диаметром 59 мм

Райсш испытаний. Категория горных пород по буримости. Кол-во, шт Ресурс, м VM. м/ч Удельный расход алмазов, кар/м

Центрально - Криворожская ГРП 1111'У "Укрчерметгеология") Средневзвешенная категория-10,6 Ловозерская ГРП (ИГО "Севзапгеология") 3015 13,27 2,40 .1,22

2500 20 6,50 14,9 1,60 2,91 1,80' 1,02

Средневзвешенная категория для ьи 20--10,6,для 02ИЗГ-9,9 -Саянская ГРП (ПГО "Красноярскгеология") Средневзвешенная категория-11,5 26 20 8,7 10,8 2,18 2,14 1,32 1,49

20 7,0 1,31 1,96

Примечиния:В числителе-данные по коронкам БС 20,в знаменателе по 02ИЗГ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы диссертационной работы сводятся к следующему.

1.В процессе алмазного бурения происходит непрерывное изнашивание материала матрицы-буровой коронки.Преобладающий видом износа является абразивный.интенсивность которого определяется концентрацией шлама .горной породы г меяконтактном пространстве. . .

Г.Нп основами;! пп'1*-еденных теоретических исследований установлена

аавЬстость■ -концентрации шлама горной породы в межконтактном пространстве алмазного бурового инструмента от параметров конструкции инструмента, параметров его рабочей поверхности,режимов бурения и физико-механических свойств горной породы.

3.Получено математическое выражение для определения концентрации клама горной породы в межконтактном пространстве и установлена степень влияния на ее значение различных конструктивных параметров инструмента,

4.Получено выражение для оптимальной механической скорости бурения, учитывающее критическую концентрацию шлама горной породы в»межконтактном пространстве.

5.Определены изгибающие напряжения в секторах буровых коронок из синтетических алмазов,которые при нагрузках на инструмент соответствующих критическому режиму бурения меньше от 10 до 2" раз предела прочности на изгиб матричного материала.Количество секторов в таких коронках ограничивается только геометрическими размерами вставок из сверхтвердого композиционного материала твесал,используемых в конструкции инструмента в качестве подрезных элементов.

6.Установлено,что форма сектора оказывает существенное влияние на величину внедрения алмазов в горную породуЛак,в буровых коронках с прямыми промывочными каналами внедрение в горную породу алмазов, расположенных в линии резания ближе к внутреннему диаметру,в зависимости от размера инструмента,может превышать до 3 раз глубину внедрения алмазов расположенных в линии резания ближе к наружному диаметру.Поэтому, для обеспечения одинаковой по торцу интенсивности изнашивания,промывочные каналы в коронках необходимо выполнять расширяющимися в направлении к скважинообразущей поверхности таким образом,чтобы отношения длин линий резания соответственно на наружном и внутреннем диаметрах имело значение близкое к единице.

7.Предложена методика определения состояния динамического равновесия между поверхностью коронки и поверхностью забоя,при котором имеют место нормируемые во времени процессы разрушения как горной породы так и износа инструмента. Суть методики заключается в определении по стабилизации уровня акустического сигнала минимальной углубки,после достижения которой регистрируемая о процессе бурения информация является наиболее объективной и может быть использована не только для изучения контактного взаимодействия коронки с горной породой,но и для сравнительной оценки эффективности бурения коронками различных типов.

8.Научно обоснована и разработана конструкция буровых коронок типа БС 20 для бурения монолитных и елаботрещиноватых горных псрод Х-Х1I категорий по буримости,которые прошли государственные приемочные испытания и реьгмендовпни приемочной комиссией к серийному производству.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Бугаев A.A..Опольский В.И.,Кацай М.Я.Применение высокопрочных термостойких синтетических алмазов в буровых коронках.//Сверхтвердые материалы,1984,N 6.с.50-53.

2.0польский В.И..Бугаев А.А.Параметры контактной зоны импрегниро-ванного слоя бурового инструмента с горной породой.//Создание и совершенствование съемного инструмента для геологоразведочного бурения.Л. ,ВИТР,1986.с.90-98.

3.Опольский В.И..Бугаев А.А.Определение усилий резания на импрег-нированные коронки в зависимости от параметров их рабочей поверхности. //Совершенствование технических средств ССК и повышение эффективности их внедрения.Л. ,ВИТР,19Э7.с.86-93.

4.Исонкин А.М..Опольский В.И..Богданов Р.К. и др.Алмазная буровая коронка.Авторское свидетельство CCCP.N 1441056, Б.И.,1988,N 44.

б.Богданов Р.К.,Девин Л.Н..Опольский В.И.и др.Контроль за процессом бурения скважин алмазными импрегнированными коронками с помощью метода акустической эмиссии.//Передовой научн.-произв.опыт,рекомендуемый для внедрения в геол.-развед. отрасли;научн.техн.информ.сб.М.,ВИ-ШС, 1989, вып. 2.с. 55-60.

6.Опольский В.И..Богданов Р.К.Расчет предельных нагрузок на имп-регнированные буровые коронки с вольфрамосодержащей матрицей.//Породо-разрушающий инструмент, армированный природными алмаза-

ми.Л. ,ВИТР,1989.с.97 -108.

7.0польский В.И..Богданов Р.К..Бугаев А.А.Принципы разработки и результаты испытаний алмазных коронок типа БС 20 и БС 36./Разведка и охрана недр,1992,N 4.с.29-30. *

■ 8.Опольский В.И.Разработка и результаты испытаний алмазных коронок с одинаковой в радиальном направлении интенсивностью износа.//Новый породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов.Киев,ИМ АН Украины им.В.Н.Бакуля,1992.0.52-56.

9.Опольский В.И..Богданов Р.К.Исследования по оптимизации конструкции буровой коронки,оснащенной синтетическими монокристаллическими алмазами.//Совершенствование техп:;гл и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые.Екатеринбург,1992.с.8-16.

10.Осецкий-А.И..Опольский В.И.Буровые коронки БС 20 оснащенные высокопрочными и термостойкими синтетическими алмазами.//Применение синтетических алмазов В бурении.Санкт-Петербург,ВИТР,1992.с.73-75.

Ii;Опольский В.И..Богданов Р.К.Определение напряжений изгиба в секторам буревых коронок,оснащенных синтетическими алмазами.//Научн.-техн.догтижения и- передов.опыт в обл.геол.и разведки недр.МГП •Toohhíop'Win;".М. .вил. 11-, 199Я1.с.49-52.

12.0польский В.И..Закора А.П.Влияние количества секторов в алмазны;: коронках на показатели процесса бурения.//Совершенствование техники и технологии бурения скважин.Киев,ИСМ АН Украины им.В.Н.Баку-ля, 1393.с.27-34.

Опольский В.И. Повышение эффективности буровых коронок из синтетических алмазов на основе изучения их контактного взаимодействия с гор-'ной породой.

Диссертация претендента на ученую степень кандидата технических наук по специальности 05.15.14. Технология и техника геологоразведочных работ. Государственная горная академия Украины, Днепропетровск, 1994.

Защищаются исследования работоспособности алмазного бурового инструмента в зависимости от концентрации шлама горной породы в- межконтактном пространстве. Определена степень влияния конструкции бурового инструмента на величину концентрации шлама. Установлено, что из всех параметров конструкции инструмента наибольшее влияние на уменьшение концентрации шлама в межконтактном пространстве оказывает количество секторов. Разработаны многосекторные алмазные буровые коронки типа БС20. Осуществлено внедрение данных коронок в промышленности, приводятся данные об их эффективности в процессе эксплуатации.

Opolskiy V.I. The increase of efficiency drill bits froln synthetic diamonds on the basis of study of their contact interaction with rocks.

The dissertation of claimant on scientist degree of candidate of technical sciences on specialities of 05.15.14. Technologies and engineering geological exploratorion of work, The state mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1994.

The researches durability of diamond drill tools in dependence on concentration of sludge rocks in intercontact space are protected. Installed the degree of influence of design of drill tools on size of concentration of sludge., Is installed, that from all parameters of design of tool the heaviest influence on reduction of concentration of sludge in intercontact space renders the quantity of sectors. Are developed талу-sectors diamond drill bits of type BS20. The introduction given bits in industry is carried out, present given about their efficiency while in service.

Ключов! слова: буров! коронки а синтетичних алмаа1в,г1рська порода, ¡внцентращя шламу в м1жконтактному npocTopi,штенсивюсть яношувания.

Подл, в печ. 21.1/.Формат 60x90/16. Буи. писч. Я I. Печ. офс. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1.0. Уч.-изд. л. 0,9.-Тярах 100 экз. Заказ Бесплатно.

ШиЬориационно-издательский отдел о полиграфический участком ИСМ км. В.Н.Бакулл АН Украины

254153 Киев-153, ул. Автозаводская, 2 .