Бурение твёрдых пород без заклинивания: три основных секрета настройки параметров
Твёрдые породы (типичные примеры: гранит, базальт) обладают высокой твёрдостью и прочностью, что предъявляет строгие требования к подбору параметров бурения. Правильная регулировка частоты вращения, осевого давления (давления на долото) и параметров удаления шлама (промывки) является ключом к повышению скорости бурения и снижению износа инструмента. Ниже представлено подробное практическое руководство по настройке параметров по этим трём основным параметрам.
Скорость вращения: используйте низкую скорость для эффективного разрушения. Высокая твёрдость твёрдой породы требует работы на низкой скорости, поскольку штыревым резцам (штыревым вставкам) требуется достаточное время контакта для разрушения породы. Плотная структура и небольшое количество естественных трещин означают, что резцы должны вклиниваться в породу под постоянным давлением; при слишком высокой скорости вращения время контакта значительно сокращается, и резец выходит из зацепления до того, как произойдёт эффективное разрушение. Это не только не повышает эффективность, но и приводит к сухому шлифованию, что ускоряет износ долота.
На практике частота вращения при бурении твёрдых пород обычно контролируется в диапазоне 30–60 об/мин. Например, при бурении гранита увеличение частоты вращения до 100 об/мин приводит к скольжению штыревых резцов по поверхности, оставляя лишь неглубокие царапины, не проникая в толщу породы. Снижение частоты вращения примерно до 40 об/мин позволяет резцам оставаться в контакте, оказывать постоянное давление и расклинивать/раскалывать породу благодаря своей твёрдости и геометрии клина, что повышает эффективность разрушения более чем на 30% и значительно снижает износ долота.
Давление на долото (осевое давление): применение высокого давления для преодоления сопротивления породы. Высокая прочность на сжатие твёрдых пород (часто менее 100 МПа) требует достаточного давления на долото для преодоления сопротивления породы и обеспечения проникновения резцов. Недостаточное давление приводит к проскальзыванию резцов по поверхности (проскальзыванию), а не к внедрению; соответствующее высокое давление позволяет резцам преодолевать поверхностные напряжения, проникать во внутренние трещины или границы кристаллов и разрушать породу посредством комбинированного сдавливающе-сдвигового воздействия.
Типичное давление бурения при работе с крепкими породами составляет 3–5 МПа. На примере добычи твердых пород это очевидно: при давлении бурения всего 2 МПа резцам сложно создавать эффективные точки разрушения, и скорость проникновения может быть менее 0,5 м/ч. Повышение давления до 4 МПа обеспечивает более глубокое проникновение резцов, периодические циклы давления расширяют трещины и увеличивают скорость проникновения примерно до 1,2–1,5 м/ч; разрушенная порода также имеет тенденцию лучше сохранять целостность блоков для последующей обработки.
Удаление шлама (промывка): обеспечьте достаточный расход промывочной жидкости для поддержания чистоты забоя. Несмотря на то, что шлам, образующийся при бурении твёрдых пород, мелкий, медленное бурение приводит к его накоплению на забое скважины, создавая замкнутый цикл повторного разрушения: накопленный шлам блокирует свежий контакт резцов с нетронутой породой, увеличивая износ и тратя энергию. Поэтому основной целью регулировки удаления шлама является обеспечение достаточного расхода промывочной жидкости для быстрого удаления шлама из забоя.
При бурении в крепких породах расход промывочной жидкости должен поддерживаться на уровне около 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 дне; коронки требовали замены каждые 2 часа, а суточная проходка составляла менее 8 м. После увеличения расхода до 60 л/мин остаточный шлам снизился до менее 1 см, срок службы коронок увеличился более чем на 8 часов, суточная проходка увеличилась до 15–18 м, а затраты на закупку коронок снизились примерно на 40% благодаря уменьшению износа.
Координация параметров: логика трёхстороннего взаимодействия. Корректировка параметров для бурения в крепких породах — это не оптимизация одного фактора, а согласованное согласование трёх параметров. Ключевые моменты координации:
Скорость и давление сверла: при увеличении давления сверла поддерживайте низкую скорость вращения, чтобы избежать мгновенной перегрузки и повреждения долота в условиях высокой скорости/высокого давления.
Промывка и давление бурения: при увеличении расхода промывки соответствующим образом отрегулируйте давление бурения, чтобы предотвратить дестабилизацию стенки скважины под воздействием промывочной жидкости.
Только путем согласования скорости вращения, давления бурения и промывки/удаления шлама в совместимый комплект можно добиться высокой эффективности бурения твердых пород при низком расходе топлива.
