автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка основных положений процесса алмазного бурения с целью создания высокоэффективного алмазного породоразрушающего инструмента

7/ Ой^ С / с л с Г

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ «ТВЕСАЛ»

На правах рукописи

Чихоткин Виктор Федорович

РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ПРОЦЕССА АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО АЛМАЗНОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.15.14. Технология и техника геологоразведочных

работ.

Диссерщаг^^^тде^^^рг^оклада нд% <жисцшиё-у ейЬи степени -'•-'•'"" '"" ^ -0. редактора техт^ку(х_наук ^ <

/

I

Москва 1998

\

Официальные оппоненты-

д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Д.Н. Башкатов

д.т.н., профессор Л.К. Горшков

д.т.н., профессор О.В. Ршкордин.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИЬЛИОТЬКА

Ведущее предприятие - СКБ НПО «Геотехника^

Защита состоится б час. «/$ » / 9 1998 г. на

заседании диссертационного совета Д 063.55.01 /в 4 Московское государственной геологоразведочной академии по адресу : 117873 ГСП Москва, Миклухо-Маклая, 23 ауд. 415-А.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Диссертация в виде научного доклада разослана 1

« » (И^-Э-^Ь 1998 г.

■ - <?

Ученый секретарь диссертационного /? А.М.Лимитовски

Совета, профессор '

ОБЩАЯ ХАШШИСША РАБОШ

Актуальноеть работы. В настоящее время основным способом разведки месторождений полезных ископаемых является бурение скважин. Наиболее прогрессивным способом бурения скважин в твердое, различной степени абразивности горных породах является ал« мазное бурение. Однако в последние года произошло закономерное снижение объемов алмазного бурения из«за реальной потребности геологоразведочных организаций в бурении скважин, а также значительного удорожания производственных, материальных и энергети«* ческих ресурсов. Особенно сильно повысилась стоимость техничес*» кого алмазного сырья, матричных композиций, составных элементов технологического процесса изготовления алмазного породоразрушаю-щего инструмента. Основной причиной такого положения является несоответствие базовых технологий производства алмазного породо-разрушающего инструмента и его применения в выполнении техноло« гических процессов бурения скважин в условиях формирования рыноч« ных отношений.

Несомненная актуальность направления исследований еще более подчеркивается принятой в 1991 г. "Комплексной программой научно-исследовательских, опытно«конструкторских работ и организации промышленного производства синтетических алмазов и инструмента на их основе » "Синтетические алмазы России", в которой дается обоснование разработок по насыщению рынка России высококачественными алмазами, технологическим процессом изготовления алмазного породоразрушающего инструмента и выбору их перспективных высокоэффективных типов применительно к конкретным условиям бурения.

Диссертационная работа выполнялась в рамках договора между „Московской государственной геологоразведочной академией и Мин«« комприроды Р® (разработка ресурсосберегающих технологий буре» ния и восстановления скважин) госреестр 1996«*97 гг.) ив со от« щзтетвии с комплексным планом выполнения важнейших научно-исследовательских работ Краснодарского регионального отделения РАШН на 1995-98 гг., тема "Разработка высокоэффективного алмазного инструмента для нужд народного хозяйства Краснодарского края". Наиболее значительный вклад в развитие теории и практики ал« назного бурения геологоразведочных скважин внесли следующие

ученые: Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И., Шамшев i.A., Эпштейн Е.Ф., Волков С.А,, Володченко К.Г., Марамзин A.B., Царицын В.В., Сулакшин С.С., Козловский Е.А., Еашкатов Д.Н., Кудряшов Б.В., Магурдумов А.М., Исаев М.И., Пономарев П.А., Питерский В.М., Калинин А.Г., Кардыш В.Г., Киселев А.Т., Лачинян Л.А., Яковлев А.М., Горшков Д.К., Голиков С.Й., Ошкордин О.В., Блинов Г.А., Афанасьев И.О., Онщин В.П., Корнилов Н.И., Васильев В.И., Пономарев П.П., Головин O.G., Глазов М.Г., Богданов Р.К., Володченко В.К., Секула Ф., Gaxapos A.B., Яипатников В.Л., Шерсток О.И., Гореликов В.Г., Осецкий А.Й., Быченков I.B., Курочкин П.Н. , С.А.Вареца и др.

Цель^работы « комплексные исследования процесса алмазного бурения и разработка на их основе параметрической характеристики алмазных коронок нового поколения, позволяющих повысить технико-экономические показатели бурения.

Е£т£ДЦ исследований^ Анализ, обобщение и уточнение теоретических подходов к решению задач по взаимодействию рабочего торца алмазного породоразрушающего инструмента с горной породой, их решение с помощью математического и физического моделирования с последующей экспериментальной проверкой в стендовых и производи ственных условиях, конструкторские разработки с созданием мате« матических вариантов и натурных образцов и g проверкой их рабо» тоспособности в производственных условиях.

Достоверность и обосновашость^научных положений, выводов

и рекомендаций обеспечиваются подтверждением теоретических положений результатами экспериментальных исследований, сопоставимостью расчетных параметров и показателей с результатами исследований в стендовых и производственных условиях, апробацией предложенных методов расчета и выбора параметрических характеристик алмазного породоразрушающего инструмента в технологических процессах его изготовления и применения в производственных организациях.

Назрщац новизна. Автором диссертации впервые получены следующие научные результаты:

I. В результате комплексных экспериментально-теоретических исследований забойных процессов при бурении алмазным породораз*» рушающим инструментом разработаны методические основы выбора и обоснования конструктивных параметров алмазных коронок нового

поколения, позволяющих значительно повысить эффективность про«« цесса алмазного бурения.

2. Теоретически установлено и экспериментально исследовано . явление кавитации для случая взаимодействия алмазного породораз-рушающего инструмента с горной породой на забое. Получены основные закономерности процесса кавитации при прокачивании промывочной жидкости через промывочные каналы алмазных коронок. Разработана и апробирована методика исследования основных закономерное-. тей процесса кавитации путем сопоставления и анализа покадровых разверток этого процесса, позволяющая установить фазовые превращения в потоке промывочной жидкости при возникновении разрыва сплошности потока и захлопывания воздушных пузырьков.

3. Установлены условия существования явления кавитации в призабойной зоне алмазных коронок и выработаны рекомендации по влиянию различных конструктивных и технологических параметров на возникновение и захлопывание кавитационных пузырьков. Эти реко» мендации подтверждены экспериментально с использованием специально разработанного забойного устройства.

4. Разработаны основные параметры имитационного моделирования, позволяющего оценить влияние комплекса конструктивных и технологических параметров на показатели алмазного бурения, а также выработать рекомендации по совершенствованию конструктивных элементов рабочего торца алмазных коронок для повышения эффектив« ности процесса алмазного бурения.

5. Предложена и апробирована методика оценки эффективности взаимодействия рабочего тоща алмазной коронки с горной породой на забое на основе исследования шероховатости забоя и размера частиц бурового шлама, позволяющая оперативно для конкретного сочетания алмазная коронка « горная порода выбирать наиболее рациональные режимы бурения и достоверно оценивать достигаемые показатели процесса бурения.

6. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено влияние дополнительного гидродинамического воздействия на забой за счет изменения формы набегающей части рабочих секторов, которые позволяют повысить эффективность и снизить энергоемкость процесса разрушения горной породы. Дано обоснование угла накло«* на набегающей части сектора в пределах 22**32°, позволяющего по*

току промывочной жидкости, с частицами бурового шлама, с наибольшей интенсивностью воздействовать на горную породу, а так«же сни« зить изнашивание объемного слоя матрицы.

7. Разработаны характерные признаки параметрического ряда алмазных коронок нового поколения, позволяющих рассматривать взаимосвязь конструктивно«технологических параметров и прогноз» ных технико«экономических показателей бурения, с учетом взаимодействия рабочих элементов торца алмазных коронок с горной породой на забое, определяющих закономерности изнашивания контактируй юирх поверхностей, движение и удаление частиц бурового шлама, а также закономерности течения потока промывочной жидкости в при« забойной зоне. Характерные признаки параметрического ряда поз® воляют дать обоснование конструктивным параметрам рабочего торца алмазных коронок применительно к конкретным условиям бурения.

8. Основные положения изложенные в диссертационной работе защищены авторскими свидетельствами и патентами Ш и др. стран.

Практическая^ценкость |вботыв заключается в том, что даны рекомендаций по совершенствованию конструктивных параметров и созданию высокоэффективных буровых коронок нового поколения.

На основе синтетических алмазов решены следующие практические задачи:

1. Разработаны рекомендации по совершенствованию промывоч« ной системы алмазных коронок, предложены и апробированы рациональные профили рабочего торца алмазных коронок.

2. Даны рекомендации по изменению параметров технологичес» кого процесса изготовления алмазного породеразрушающего инстру» мента, позволяющие при снижении материальных и энергетических ресурсов получить высокопрочный алмазный инструмент.

3. Отдельные характерные признаки параметрического ряда алмазных буровых коронок нового поколения внедрены в технологи» ческий процесс их изготовления.

4. Внедрен в производство метод неразрушаемого ремонта ал» мазных коронок в полевых условиях..

Реализация^аботы. Разработанные автором или при его участии технологические процессы изготовления алмазных коронок внедрены в серийное производство на Кабардино-Балкарском заводе ал« мазного инструмента и Опытном заводе ИСЖ ШШ Украины (г.Киев),

на заводе ООО "Твесал" (г.Краснодар), на Крамском заводе про« мышленных инструментов, на заводе "Юбех-а^чт" (г.АлмааАты),

Производственные исследования проводились автором в течение 1990*95 гг. в Кокчетавской ГРЭ (Казахстан), ГГП "Кировгеология" (Украина), ГГП "Центргеология'ЧР®).

Ап|»баци|| gagojbi^ Основные положения диссертационной работы докладавались и обсуждались на научных конференциях Московской государственной геологоразведочной академии (1995«96 гг. Москва), на международном симпозиуме, посвященном 25-летию Донецкого. государственного технического Университета (1995г.,г.Донецк), на научных семинарах отдела проблем сверхтвердых материалов в бурении И(М HAH Украины (199б-*97 гг. г.Киев), на научных семи» нарах кафедры "Технология и техника разведки месторождений полез*» шх ископаемых" Государственной горной академии Украины (1996, 97 гг. г.Днепропетровск) и Краснодарском отделении РАЕН в 1997г.

Публикации^ По теме диссертации опубликовано печатных работ, в том числе 3 монографии, ': " статей, получено 28 авторских свидетельств и патентов.

Соат£яр| вопроса и направления исследований^

Значительный вклад в развитие технологии алмазного бурения внесли ШТР, ИШ ШН Украины, МГРИ, ЛГИ, СГИ, ДГЙ, ЦНИГРЙ, На-учновтехнологические группы Мингео СССР и др.

За период1987*69 гг. ГПО "Геологоразведка" добилось наивысших в отрасли результатов по использованию достижений научно« технического прогресса в части разработки, совершенствования и внедрению технических средств и высокоэффективных технологичес** ких процессов. Так на период 1967г. производительность труда воз« росла в 3,5 раза и достигла 2050 м/месяц. Повышение эффективности алмазного бурения основывалось на новых данных о. механизме износа алмазных коронок. Были проведены исследования причин аномального износа алмазов и матрицы в пределах каждого сектора алмазной коронки, установлен механический износ лидирующих алмазов сектора алмазной коронки,обусловливаемый более высокой глубиной их внедрения в породу. На сбегающей части матриц наблюдается ухудшение удаления частиц шлама из-под торца коронки, что пред«

определяем образование шламовой прослойки и повышение темпера« турного режима. Для каждого вида износа установлены критические значения механической скорости бурения, превышение которых приводит к интенсивному износу коронки. Ведущей группой специалистов ВИТР (Блинов Г.А., Васильев В.И., М.Г.Глазов и до.) проведены исследования по разработке совершеннных технологий, обусловли* ващих снижение расхода основных материалов и энергоёмкости процесса бурения геологоразведочных скважин. В этом направлении сделан значительный научный задел, впервые представив возмож« ность иссле,пуемую пару алмазная коронка л горная порода как пару трения, применив известное в триботехнике положение о переходе от внешнего трения к микрорезакию (объемному разрушению). В этом случае это условие описывается формулой Крагельского<чДруянова:

JL + 3L > ± m

z г (1)

где: k - глубина внедрения;

Z « радиус шарового индентора;

Î » сдвиговая прочность фрикционной связи;

<5р « предел текучести горной порода. Аналитическое выражение граничных условий ддя единичного контакта алмазного зерна с горной породой имеет вид:

Т ~ V Ж - тЕЩГ<п<~ (Ю

где: _Д,« коэффициент сопротивления, Рннормальная нагрузка; Полученное выражение позволило выделить основные характе» ристики взаимодействия, исследуемой пары. Использование зависимости (25 определяет условия перехода от поверхностного режима разрушения горной порода к объемному ("внутреннему трению"). Использование известных аналитических зависимостей, определяю* щих взаимодействие алмазов с горной породой, затрудняется за счет невозможности учета характера контакта различных алмазных зерен с забоем, насыщенности торца коронки алмазами, состояния

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕН*. БИБЛИОТЕКА

рабочего торца матрицы, тегаюфизических превращений в рабочих органах, триботехнических свойствах очистного агента, характе» ра его движения, режимов удаления частиц шлама, вида движения буровой коронки и т.д.

Значительный вклад в развитие технологии алмазного бурения внес проф. С.А.Волков, который начиная с 1953 г. провел первые исследования технологии бурения алмазным инструментом. В даль« нейшем им теоретически обосновано влияние шламового режима на эффективность алмазного бурения, разработаны впервые в мировой практике алмазные порошковые коронки, армированные алмазными шлифопорописами зернистостью до 20000 шт./карат.

Следует отметить, что в трудах проф. Е.А.Козловского были отражены основополагающие принципы исследований процесса алмаз» ного бурения с позиций его регулирования и оптимизации при решении задач по выбору наиболее эффективных методов их решения. Это послужило базой для дальнейших исследований процесса алмаз« ного бурения в геологоразведочной отрасли и значительным успе« хом по повышению его эффективности.

Значительный вклад в разработку алмазосберегакяцей техноло« гии бурения в горных породах вызывающих заполирование объемных алмазов внее Глазов М.Г. Им в частности, в качестве критерия оптимизации процесса бурения выбрана величина текущего значения

механической скорости бурения, соизмеряемая с величиной углубки за один оборот алмазной коронки и с величиной выпуска алмазов

из тела матрицы. При атом принято, что рациональной является механическая скорость бурения при такой углубке за один оборот, которая является частью величины выпуска алмазов из матрицы. Из этого положения следует, что интенсивность разрушения породы импрегнированными коронками может быть повышена за счет использования коронок, образующих при бурении забой с концентрическими гребнями. При этом обращается внимание на усиление внутрен-

•»lo«*

ней кромки торца матрицы за счет размещения в ней в один слой более крупных алмазов повышенного качества, что, очевидно, поз<-волит исключить аномальный износ по внутренней (боковой) поверхности матрицы.

Наиболее высокие успехи в области разработок по созданию алмазного породоразрушающего инструмента достигнуты в ЭДТР ШО "Геотехника" (г.Санкт-Петербург) Так еще в 1962^65 гг. ВИТРом (по данным Г.А.Блинова, О.В.Йванова и П.П.Пономарева) была раз» работана технология изготовления алмазных коронок с использование ем графитовых пресс-форм, в том числе новые конструкции алмазного породоразрушающего инструмента:

алмазные коронки 07АЗ для бурения мало® и средне абра» зивных, плотных, твердых пород УШ*Х категорий по буримости, ко» ронки имели заданный выпуск объемных и подрезных алмазов;

«* импрегнированные коронки типа ЙМВ*4 и ИМВ*«5 для бурения перем�