РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН
Процесс разрушения горных пород при бурении является сложным диффузным процессом, в котором задействовано большое число факторов технического характера. Подавляющее число факторов имеет стохастическую природу,— это относится как к показателям механических и технических свойств горных пород, так и к режимным параметрам. Многие факторы коррелированы между собой и с различной степенью воздействуют на выходные критерии: механическую скорость бурения, скорость износа рабочих органов, удаление продуктов разрушения пород и др.
Указанные обстоятельства существенно затрудняют всестороннюю оценку процесса разрушения горных пород при бурении, требуют оптимального сочетания использования аналитических, экспериментальных и модельных методов. В последние годы в зону практического рассмотрения и решения поставленной проблемы помимо традиционных методов теории упругости и пластичности, физики твердого тела, технической термодинамики, гидравлики внедряются новые методы, основанные на рассмотрении процессов с позиции системного подхода и системного анализа, триботехники и энтропийного подхода.
Весомый вклад в развитие отдельных разделов теории и практики разрушения горных пород при бурении внесли отечественные исследователи Н. И. Глушков, Н. С. Успенский, Л. А. Шрейнер, В. С. Федоров, Н. Н. Шацев, Е. Ф. Эпштейн, В. В. Царицын, И. А. Остроушко,
А. И. Спивак, Е. В. Александров, Р. Н. Шищенко, Б. И. Воздвиженский, В. С. Владиславлев, А. Ф. Алимов, С. С. Сулакшин, А. Ф. Егоров, В. В. Симонов, Р. М. Эйгелес, Д. Н. Башкатов, Б. Н. Кутузов, Б. А. Катанов, В. Б. Соколинский, Л. К. Горшков, Б. В. Байдюк, В. Ф. Чи — хоткин, Г. А. Блинов и др. Из зарубежных исследователей — X. Вутс, Е. Гале, X. Фулертон, Д. Ламус, В. Мауэр и др. Зарубежные исследования в отличие от отечественных характеризуются большей практической направленностью; ведущие зарубежные фирмы основное внимание уделяют качеству и более широкой номенклатуре выпускаемой продукции.
В настоящее время в практике бурения главным образом используют механические способы разрушения в комбинации с гидродинамическим воздействием струи бурового раствора на породу. В относительно небольших объемах применяют огневое бурение для сооружения взрывных скважин в крепких породах на карьерах. Физические способы разрушения горных пород при бурении по существу не используются. Взрывное, эрозионное, кавитационное, ультразвуковое, гидродинамическое и другие способы в свое время прошли широкую апробацию как у нас в стране, так и за рубежом. Однако они оказались неконкурентоспособными с механическим способом и поэтому не получили практического использования.
Разрушение горных пород тесно связано с двумя другими технологическими процессами: удалением продуктов разрушения породы из призабойной зоны и охлаждением рабочих элементов породоразрушающего инструмента. Несвоевременное удаление продуктов разрушения породы с забоя не только затрудняет взаимодействие породоразрушающего инструмента со свежей породой, снижая скорость бурения, но и приводит к дополнительному износу инструмента.
Не менее важно охлаждать рабочие органы инструмента, не допуская их перегрева. При температурах более 500—600 °С возможно ослабление металла пайки твердого сплава и снижение прочностных характеристик твердого сплава.
Особенно важно поддерживать оптимальный температурный режим при алмазном бурении. Нагрев алмаза до 400—600 °С снижает износостойкость алмаза примерно в два раза. При температуре более 1000—1100 °С возможен переход алмаза в графит и так называемый прижог алмазной коронки.
Основной вклад в создание эффективных породоразрушающих инструментов и технологии их использования в различных условиях внесли отраслевые НИИ и заводы-изготовители: Институт горного дела им. А. А. Скочинского, Всероссийский институт буровой техники, Специальное конструкторское бюро Министерства природных ресурсов, Всероссийский научно-исследовательский институт техники разведки, Государственное научно-исследовательское геологическое предприятие (ТулНИГП), Терекский завод алмазного инструмента, Институт сверхтвердых материалов Национальной академии наук (Киев), Верхне-Сер — гинский, Волжский, Саратовский и другие долотные заводы.