Підвищення роботоздатності алмазних бурових коронок в твердих породах

Abstract

Дисертація присвячена питанням підвищення роботоздатності алмазних бурових коронок з комбінованою матрицею при бурінні геологорозвідувальних свердловин у твердих породах за допомогою нового надтвердого матеріалу - гібридайт. Проведений аналіз літературних джерел показав, що найбільш ефективним інструментом для буріння твердих гірських порід на даний час є інструмент з комбінованою матрицею, оснащеною як синтетичними монокристалами алмазу так і полікристалічними матеріалами водночас. Охарактеризовано існуючі надтверді матеріали, які використовуються при оснащенні бурових коронок з комбінованою матрицею. Уперше створена математична модель процесу еволюції робочого профілю та з використанням розрахунку контактного тиску на поверхні алмазної коронки з комбінованою матрицею в процесі буріння геологорозвідувальних свердловин. Проведено в лабораторних умовах, за допомогою розроблених та удосконалених методик, порівняльні дослідження з взаємодії породоруйнівних вставок з гірською породою, та їх вплив на характер руйнування твердих гірських порід, а також досліджено вплив схеми оснащення робочого торця бурової коронки поро-доруйнівними вставками з гібридайту на роботоздатність алмазної бурової коронки з комбінованою матрицею. Вперше встановлено, що при руйнуванні твердих гірських порід вставками з гібридайту очевидний характер руйнування породи, притаманний сколюванню. Розроблені та передані до впровадження підприємству ДП «Центрукргеологія» для буріння геологорозвідувальних свердловин у твердих породах, комбіновані бурові коронки типу БТ-22, які оснащені синтетичними алмазами та породоруй-нівними вставками з гібридайту й мають високу механічну швидкість буріння і підвищену проходку в порівнянні із серійними коронками.

Диссертация посвящена вопросам повышения работоспособности алмазных буровых коронок с комбинированной матрицей при бурении геологоразведочных скважин в твердых породах с помощью нового сверхтвердого материала - гибридайт. Проведенный анализ литературных источников показал, что наиболее эффективным инструментом для бурения твердых горных пород в настоящее время является инструмент с комбинированной матрицей, оснащенной как синтетическими монокристаллами алмаза, так и поликристаллическими материалами одновременно. Обзор существующих сверхтвердых материалов, которые используются при оснащении буровых коронок с комбинированной матрицей, показал, что наиболее перспективным поликристаллическим сверхтвердым материалом является гибридайт. Разработана методика испытаний породоразрушающих вставок на износостойкость при разрушении различных горных пород, и усовершенствована методика изучения шероховатости поверхности забоя, сформированного при алмазном бурении, с помощью аналого-цифрового преобразователя и специально разработанной программы расчета параметров микропрофиля поверхности. Предложен новый подход к оценке распределения контактного давления по рабочей поверхности буровой коронки, основанный на численном анализе модельной контактной краевой задачи механики деформируемого твердого тела и учитывающий не только кинематику процесса бурения, но и специфику контактного взаимодействия инструмента с породой. С помощью численного моделирования рассчитаны значения интенсивности износа рабочей поверхности буровой коронки, достаточно близкие к наблюдаемым на практике результатам, что является убедительным аргументом в пользу адекватности предложенной математической модели и надежности представленных числовых данных. Проведена оценка износостойкости буровой коронки с армирующими породоразрушающего вставками, исследовано влияние их расположения на рабочий поверхности коронки. Получено уравнение для определения эффективного коэффициента износа рабочей поверхности коронки в зависимости от способа его армирования породоразрушающими вставками. Впервые предложена математическая модель эволюции рабочего профиля буровой коронки, которую можно использовать для оптимизации конструкции комбинированной матрицы, включая выбор профиля, оснащенность и применение породоразрушающих вставок с разной износостойкостью. Проведены в лабораторных условиях сравнительные исследования по взаимодействию породоразрушающих вставок с горными породами, и их влияние на характер разрушения твердых горных пород, а также исследовано влияние схемы оснащения рабочего торца буровой коронки породоразрушающими вставками из гибридайта на износостойкость и механическую скорость бурения. Впервые установлено, что использование породоразрушающих вставок из гибридайта в комбинированной матрице буровой коронки приводит к повышению износостойкости инструмента и увеличению механической скорости в процессе бурения твердых горных пород. Также было установлено, что в процессе работы вставок из гибридайта наблюдается эффект «самозатачивания», вследствие чего при бурении геологоразведочных скважин такой вставкой очевиден характер разрушения породы, присущий скалыванию, а именно с отделением от массива более крупных частиц шлама. Приведены результаты исследования влияния схемы оснащения рабочего торца вставками гибридайта на эффективность бурения твердых горных пород импрегни-рованными коронками. Установлено, что оснащение калибрующей части импрегни-рованной коронки вставками гибридайта способствует устранению ее аномального износа, а также приводит к повышению эффективности и механической скорости бурения крепких горных пород. Разработаны и переданы к внедрению на предприятии ГП «Центрукргеология» для бурения геологоразведочных скважин в твердых породах комбинированные буровые коронки типа БТ-22, которые оснащены синтетическими алмазами и породоразрушающими вставками из гибридайта и имеют повышенную работоспособность в сравнении с серийными коронками типа БС-06.

Thesis is devoted to improve efficiency of diamond drilling bits with a combined matrix while drilling exploration wells in hard rock with the help of the new superhard material - gibridayt. The analysis of the literature has shown that the most effective tool for drilling hard rock is now a tool with a combined matrix, equipped with both a synthetic diamond single crystal and polycrystalline materials at the same time. We characterize the existing superhard materials, which are used for equipping the drill bits with a combined matrix. For the first time a mathematical model of the process of evolution of the working surface of the combined drilling bit with using the calculation of contact pressure on the surface of the combined drilling bit has been created, which is based on the numerical analysis of the model of contact boundary value problem of solid and provides account for not only the kinematics of the drilling process, but also particularities of the contact interaction tool with rock. The comparative studies, having been conducted in lab environment, on the interaction of rock-breaking inserts with subsurface rocks, and their influence on the character of destruction of solid rocks, and also the influence of the circuit equipping the working end of the drilling bit of rock-breaking inserts gibridayt on resistance to abrasion and ROP has been explored. It has also been found out that the inserts from gibridayt an effect of «self-sharpening» is being observed during the operation, as a result of drilling exploration wells by using such insert the character of rock destruction is obvious, in particular the separation of larger solid particles of the slurry. Combined drilling bits such as BT-22 which are equipped with synthetic diamonds and rock-breaking inserts from gibridayt and have increasing efficiency comparing with serial bits has been developed and transferred for implementation at the enterprise «Centrukrgeologiya».