АЛМАЗНОЕ БУРЕНИЕ
Алмазное бурение — наиболее эффективный способ проходки разведочных скважин благодаря его особым физико-механическим свойствам. Алмаз является наиболее твердым минералом, поэтому его используют при бурении пород средней твердости и весьма крепких различной абразивности. Для армирования алмазных коронок применяют технические алмазы небольших размеров и самой разнообразной формы — в виде конуса, клина, полусферы, сферы и т. п. В соответствии с этим процесс разрушения пород алмазными коронками является достаточно сложным, зависящим от большого числа факторов. В зависимости от механических свойств горных пород и геометрической формы алмаза процессы разрушения протекают по-разному. При бурении твердых, хрупких пород разрушение будет происходить за счет их скалывания, смятия и раздавливания, в пластичных породах будут преобладать процессы резания.
Если рассматривать упругохрупкие породы, то процесс разрушения алмазным зерном можно представить в следующем виде (рис. 4.5).
На алмазную коронку действует осевая нагрузка Р, обеспечивающая внедрение алмаза в породу на глубину Л, и тангенциальная составляющая Рх, обеспечивающая перемещение алмаза по забою. Эти нагрузки распределяются между алмазами, разрушающими породу. Отсюда средние значения осевой Ра и тангенциальной составляющих нагрузки Рш на один
Рис. 4.5. Схема разрушения гор ной породы алмазным микро резцом
работающий алмаз зависят от их общего числа на торце коронки:
Ра = Р/т; (4.18)
Р„ = Р,/т. (4.19)
Углубление алмаза за один оборот будет зависеть от механической скорости бурения и числа оборотов коронки и определяется выражением
Л = , (4.20)
пт
где к — коэффициент, учитывающий число алмазов, находящихся в контакте с породой; ум — механическая скорость бурения, мм/мин; п — частота вращения коронки, об/мин; т — число торцевых алмазов; Л — углубление за один оборот, мм.
Внедрению алмаза в породу будут препятствовать силы сопротивления внедрению алмаза в породу Ыь и силы лобового сопротивления перемещения резца АГР.
Сопротивление породы внедрению резца будет определяться выражением:
Кь = 5СМЯЬ, (4.21)
где 5СМ — площадка смятия породы внедрившимся резцом; Нь — твердость породы на вдавливание.
Сопротивление породы перемещению резца будет равно:
Мр = 5скор, (4.22)
где Яск — площадь скалывания элемента породы передней гранью алмаза; стр — сопротивление породы разрушению (сжатию или скалыванию).
Внедрение алмаза в породу будет происходить под действием равнодействующей силы
Д = ЛГЬ + А/р. (4.23)
Подставив вместо и ]УР их значения, получим:
Л = ЯС? ЛЯЬ + 71С? Л стск, или
Я = % с? ЩНЬ + стск). (4.24)
Обозначим Нь + стск == апр, где апр — предел прочности
горной породы.
Тогда получим
Л = ——. (4.25)
яш я<2аПр Отсюда
ум=-^~. (4.26)
клЖтпр
Ввиду малых размеров алмазного зерна можно принять, что Шп = Р, где Р — осевая нагрузка на коронку.
Тогда
Таким образом, эффективность разрушения горных пород при алмазном бурении зависит от параметров режима бурения, геометрических размеров алмаза и прочности горной породы.