Колонковое и керновое бурение - Процесс взаимодействия алмазов и породы

Процесс взаимодействия алмазов и породы

 

При передаче на алмазную коронку нормальной осевой нагрузки и крутящего момента, вследствие волнистости и шероховатости каждого из элементов пары, соприкосновение их происходит на отдельных «пятнах», сосредоточенных на вершинах выступов. При этом более жесткие выступы (алмазы) внедряются в горную породу, образуя пятна реального контакта. При вращении коронки они разрушаются и образуются вновь. Глубина внедрения отдельных алмазов зависит от разновысотного их расположения на торце матрицы, свойств горной породы, параметров режима бурения, конструкции алмазной коронки.

В общем случае можно представить следующую картину взаимодействия алмазов с породой. Часть из них работает в режиме внешнего трения, т. е. деформирует горную породу упруго, без хрупкого разрушения; часть алмазов деформирует породу с хрупким разрушением, при этом сначала образуется растягивающая трещина, затем ядро уплотнения, после этого трещина скола и скол породы; часть алмазов скользит по разрушенному предыдущим алмазом слою породы; часть алмазов скалывает ослабленную в результате растягивающих напряжений горную породу.

 

Износ алмазной коронки

Алмазная коронка, испытывающая сопротивление своему перемещению по породе, также подвергается износу, интенсивность которого связана с характером деформирования горной породы и имеет либо усталостный, либо абразивный или эрозионный износ.

Образующиеся продукты износа (шлам) горной породы в виде частиц различной формы (от лепестков до микрообломков породы) частично выносятся через промывочные каналы очистным агентом, частично увлекаются выступающими алмазами в направлении вращения коронки, образуя каналы шлакоудаления в теле матрицы.

При скольжении коронки по породе в зоне пятен касания, размеры которых могут достигать нескольких десятков микрометров, в результате работы сил трения выделяется определенное количество тепла. Тепло во фрикционном контакте, благодаря двойственной природе трения, генерируется в двух зонах: непосредственно на поверхности трения в результате преодоления молекулярных связей; на некоторой глубине за счет деформации поверхностного слоя.

Контактная температура(на пятне контакта) может достигать очень высоких значений, а объемная, как в массиве породы, так и в теле матрицы при нормальных режимах бурения достигает 100 - 200 °С. При этом характерно ее быстрое убывание от пятна контакта в глубь породы. Выделяющееся тепло отводится от алмаза за счет генерирования его в горную породу и матрицу. Матрица, в свою очередь, охлаждается промывочной жидкостью. Таким образом, для эффективного отвода тепла необходимо обеспечить алмазу возможность постоянно контактировать с новыми слоями породы (при постоянном охлаждении коронки). В целом это и происходит при нормальном процессе бурения. Если же в силу различных обстоятельств (высокая твердость горных пород, недостаточная осевая нагрузка) невозможно обеспечить достаточное внедрение алмазов в породу, то температура на пятне касания резко повышается, число микронеровностей на поверхности алмаза уменьшается, фактическая площадь контакта увеличивается; происходит некоторое перераспределение нагрузки в сторону снижения ее воздействия на породу; наступает, так называемое, состояние равновесной «шероховатости», известное в бурении как заполирование алмазной коронки.

На износ алмазной коронки и породы большое влияние оказывает относительное сближение контактирующих поверхностей. В зависимости от этого изменяется глубина внедрения алмазов и микронеровностей матрицы, варьируется режим шламоудаления из-под торца коронки. Так как процесс связан с интенсивным теплообразованием, а количество тепла зависит от площади соприкосновения, то при определенном заглублении алмазов количество тепла, отдаваемого породе, будет меньше вновь образуемого. В результате износ алмаза начнет увеличиваться и при переходе через определенный нормативный уровень наступит стадия повышенного износа алмазов.