Бурение твёрдых пород не «застрянет»! Три основных совета по настройке параметров
Скальные породы (типичные для гранита, базальта и др.) обладают высокой твёрдостью и прочностью, что предъявляет строгие требования к подбору параметров бурения. Правильная регулировка частоты вращения, давления бурения (осевой нагрузки/давления долота) и удаления шлама (промывки) играет ключевую роль в повышении скорости проходки и снижении износа оборудования. Ниже поясняется логика регулировки и практические правила бурения в крепких породах с учётом этих трёх основных параметров.
Скорость вращения: низкая скорость для эффективного разрушения. Из-за высокой твёрдости твёрдой породы бурение обычно ведётся на низких скоростях вращения, чтобы зубья долота имели достаточно времени контакта для разрушения породы. Твёрдая порода плотная и имеет мало естественных трещин; шарошечные долота с зубьями должны со временем вдавливаться и заклиниваться в породе. При слишком высокой скорости время контакта зубьев резко сокращается, и они соскальзывают с забоя, прежде чем происходит эффективное разрушение. Такое «воздушное фрезерование» не только не улучшает проникновение, но и ускоряет износ долота.
На практике частота вращения при бурении твёрдых пород обычно регулируется в диапазоне 30–60 об/мин. Например, при бурении гранита увеличение частоты вращения до 100 об/мин приводит к быстрому скольжению зубьев по поверхности, оставляя лишь неглубокие царапины, не проникая в породу. Снижение частоты вращения примерно до 40 об/мин позволяет зубьям оставаться в контакте с забоем и оказывать постоянное давление; клиновидное действие и твёрдость зубьев постепенно раскалывают породу, повышая эффективность дробления более чем на 30% и значительно снижая износ долота.
Давление при бурении: необходимо прилагать достаточное давление для преодоления сопротивления породы. Твёрдые породы часто обладают высокой прочностью на сжатие (обычно менее 100 МПа), поэтому для преодоления сопротивления и внедрения зубьев долота в пласт требуется достаточное давление при бурении. Недостаточное давление приводит к проскальзыванию зубьев по поверхности и образованию эффекта «проскальзывания»; более высокое давление позволяет зубьям проникать сквозь поверхностные напряжения, достигать внутренних трещин или межкристаллитных промежутков и разрушать породу путём комбинированного выдавливания и сдвига.
В инженерной практике давление бурения при бурении твёрдых пород обычно устанавливается на уровне 3–5 МПа. Например, при добыче твёрдых руд, если давление на долото составляет всего 2 МПа, зубья не могут эффективно разрушаться, и скорость проходки может быть ниже 0,5 м/ч. Повышение давления до 4 МПа обеспечивает более глубокое зацепление зубьев, периодические циклы напряжения для увеличения трещин и скорость проходки 1,2–1,5 м/ч, что обеспечивает лучшую сохранность отбитой породы для последующей обработки.
Удаление шлама (промывка): достаточная промывка для поддержания чистоты забоя. Несмотря на то, что шлам, образующийся при бурении твёрдых пород, относительно мелкий, медленное бурение способствует его накоплению на забое, создавая замкнутый цикл «повторного дробления»: скопления шлама блокируют контакт долота со свежей породой, увеличивают износ и приводят к потерям энергии на повторное дробление шлама, снижая общую эффективность. Основная цель регулировки системы удаления шлама — обеспечить достаточный расход промывочной жидкости для его быстрого удаления.
При бурении в крепких породах расход промывочной жидкости обычно поддерживается на уровне 40–80 л/мин. Например, при прокладке подземного туннеля в крепких породах начальный расход промывочной жидкости 30 л/мин приводил к накоплению шлама толщиной 5–8 см на забое; коронки требовали замены каждые 2 часа, а суточная проходка составляла менее 8 м. После увеличения расхода до 60 л/мин остаток на забое удерживался менее 1 см, срок службы коронок увеличился более чем на 8 часов, суточная проходка увеличилась до 15–18 м, а расходы на закупку коронок снизились примерно на 40% благодаря уменьшению износа.
Координация параметров: основная логика всех трех вместе. Регулировка параметров для бурения твердых пород — это не изолированная оптимизация отдельных значений, а скоординированное согласование всех трех:
Скорость вращения и давление бурения: при увеличении давления бурения поддерживайте низкую скорость, чтобы избежать мгновенной перегрузки и внезапного выхода из строя долота в условиях высокой скорости/высокого давления.
Давление промывки и бурения: при увеличении расхода промывки координируйте его с давлением бурения, чтобы предотвратить ухудшение устойчивости стенок скважины из-за чрезмерного воздействия промывки.
Только путем создания согласованного сочетания скорости, давления и промывки можно добиться высокоэффективного и экономичного бурения твердых пород.
