Работа резцов при алмазном бурении.

Выступающая часть алмазного зерна может иметь как острогранную, так и овальную или даже округлую форму. Уникально высокая твердость алмаза позволяет ему независимо от формы резца легко внедряться в любую породу и при вращательном движении коронки разрушать породу резаньем, скалыванием, сдвигом, раздавливанием. В разных породах преобладают разные формы разрушения, в слабых преобладает резанье и скол, в твердых – сдвиг и раздавливание, но во всех случаях во всех породах имеют место все формы разрушения только в разных пропорциях. В твердых и хрупких породах происходит как бы двухслойное разрушение породы на забое – передняя грань резца сдвигает, скалывает слой породы, одновременно под торцом резца, за счет сжатия породы и возникновении при этом касательных напряжений, возникают микротрещины, что ослабляет слой породы под резцом. Происходит «предразрушение» слоя породы на забое. Следующий резец сдвигает, скалывает уже предразрушенный слой породы, что значительно облегчает ее разрушение и позволяет увеличить глубину внедрения резца - h_р. Предразрушение усиливается, если в микротрещины попадает промывочная жидкость с поверхностно-активными веществами - ПАВ.

Характер разрушения породы алмазным резцом и основные размеры, определяющие процесс разрушения породы, приведены на рис. 40.

Рис. 40

Характерный линейный размер алмазного зерна обычно условно называют диаметром и обозначают – D_а. Величина выступающей из матрицы части алмаза называется «выпуск алмаза» (резца) - h_а.. Имеются однослойные алмазные коронки с заданным выпуском, то есть заданный выпуск резцов обеспечивается при изготовлении коронки. В других однослойных и во всех импрегнированных коронках алмазы не выступают и обнажаются при приработке коронки за счет опережающего истирания матрицы. Рациональным считается для однослойных коронок выпуск алмаза h_а. = (0,1 – 0,3) D_а. Тем больше, чем слабее порода. В импрегнированных коронках выпуск алмазов образуется автоматически по принципу самозатачивания и может достигать 0,6D_а.(после чего остаток алмаза обычно разрушается или выпадает из матрицы). Увеличение выпуска алмазов в однослойных коронках могло бы увеличить углубление резца и, соответственно, скорость бурения, но при этом ослабляется связь алмаза с матрицей и возникает опасность выпадения алмаза из матрицы, что приведет к разрушению коронки.

Величину внедрения резца в породу называют «глубина резанья» - h_р. Величина h_р. имеет наиболее важное значение и может быть оптимальной для каждого случая «коронка – порода». Оптимальность процесса зависит от оптимального соотношения размеров D_а , h_а.. иh_р. и от величины зазора между забоем и торцом матрицы (для выноса шлама) - h_ш . Сама величина h_р зависит еще и от прочности породы – [σ]_пр., Тогда углубка за один оборот коронки - hоб_. = ƒ(D_а. , h_а. , h_р. , h_ш. , [σ]_пр.). Рекомендуемая величина h_а. » (0,1 – 0,3)D_{а ,} а величина h_р » (0,1 – 0,3)h_а . При этом h_р »(0,01 – 0,09) D_а.

В конкретных случаях глубина резанья зависит от многих факторов, но максимальное значение h_р, главным образом, зависит от двух факторов:

- опасность скалывания выступающей части резца, поскольку прочность алмаза на сдвиг (скалывание) на порядок меньше чем на сжатие, и еще меньше при ударных нагрузках в трещиноватых породах.

- большое значение имеет величина зазора между забоем и торцом матрицы - h_ш. При малой величине этого зазора сдвигаемая передней стороной резца порода поднимается вверх (эффект бульдозера) и может касаться торца матрицы, что будет затруднять ее удаление потоком очистного агента. Поскольку объем породы (шлама) будет нарастать, порода под торцом будет уплотняться и начнет мешать резцам внедряться в породу. Под торцом коронки образуется шламовая подушка, произойдет «зашламование» забоя, бурение замедлиться или вообще остановится.

Поскольку размер алмазных резцов много меньше ширины торца коронки разрушение породы по всей площади забоя осуществляется группой резцов, как по ширине торца, так и по линиям резанья вдоль торца матрицы. За один оборот коронки порода на забое будет разрушена на глубину равную сумме глубин резанья всех резцов расположенных на одной линии резанья в матрице коронки - m. Величину этой углубки называют «углубка за оборот» - h_об. = m · h_р. Величины h_об. при алмазном бурении в различных породах, обычно h_об. = (0,02 – 0,3) мм/об.

В последние годы в нашей стране начинает преобладать бурение импортными буровыми снарядами, главным образом снарядами со съемным керноприемником фирмы Longyear c алмазными коронками. В рекомендациях по выбору режима бурения этими снарядами четко и однозначно предлагается устанавливать и поддерживать заданную скорость углубки, выраженную индексом об/см. Для получения этого индекса надо частоту вращения разделить на заданную скорость углубки, например, при заданном индексе 100 об/см и при частоте вращения 1500 об/мин скорость углубки будет – 1500об/мин /100 об/см =15 см/мин (или 0,1 мм/об.)

Если обозначить число оборотов на 1 см углубки – n_1см , то h_об = 10/n_1см