Исследованиями и практикой алмазного бурения установлено, что скорость алмазного бурения находится в прямой зависимости от частоты вращения коронки. Частоту вращения следует снижать: при бурении весьма твердых, абразивных, сильно трещиноватых и раздробленных пород, а также прослоев пород значительно отличающихся по твердости; значительной глубине скважины (порядка 2000 м и выше), недостаточной мощности двигателя, малой прочности бурильной колонны и др.
Рациональную частоту вращения алмазной коронки можно вычислить по формуле (16.22). Окружная скорость со принимается в следующих пределах: в сильнотрещиноватых породах ω=0,3÷0,6 м/с; в очень твердых и абразивных ω =08÷1,5 м/с; в твердых ω=1,5÷2,0 м/с и в малоабразивных породах средней твердости ω=2,0÷4,0 м/с. Однако в любом случае со снижается с ростом глубины скважины.
При высоких частотах вращения алмазной коронки возникает вибрация бурильной колонны. При этом нарушается нормальный процесс бурения, снижается механическая скорость бурения, увеличивается расход алмазов, износ бурильных труб и поверхностного оборудования, резко возрастают затраты мощности на бурение.
Для борьбы с вибрациями необходимо: выбирать гладкоствольную сбалансированную бурильную колонну с небольшими зазорами между трубами и стенками скважины (1,5÷2 мм); использовать ЛБТ; точно соблюдать технологические параметры режима бурения; применять антивибрационные смазки, эмульсионные и полимерные промывочные жидкости (см. здесь).
Осевая нагрузка (в кП) на алмазную коронку при бурении в монолитных и слаботрещиноватых породах ориентировочно вычисляется по формуле
Pa.к.=рудS. (16.24)
где руд - удельная нагрузка, принимаемая pуд=(0,5÷0,7),7)104 кН/м2 для однослойных коронок и руд=(0,6÷1,5)104 кН/м для импрегнироваиных; S - активная рабочая поверхность торца коронки, м2.
Для трещиноватых сильно абразивных горных пород
Pa.к.=Cруд·S. (16.25)
где С=0,7÷0,8 - коэффициент, учитывающий степень трещиноватости и абразивности пород.
Превышение максимально допустимой нагрузки на алмазную коронку может привести к зашламованию коронки, снижению механической скорости бурения, повышенному износу, сколу и перегреву алмазов, искривлению ствола скважины.
При проектировании режимов алмазного бурения выбор правильного соотношения между Ра.к и п имеет важное значение. По мере увеличения n необходимо одновременно повышать Ра.к. Нарушение этого соотношения отрицательно сказывается на работе алмазной коронки. При невысокой трещиноватости пород эффективно бурение при высоких значениях частоты вращения и умеренных осевых нагрузках.
Установлено, что процесс алмазного бурения имеет критическую зону. Переход процесса бурения от нормального режима к критическому характеризуется скачкообразным изменением температуры и мощности и интенсивным износом коронок. С учетом этого в конкретных геологических условиях рациональная величина осевой нагрузки устанавливается следующим образом: нагрузка увеличивается до появления скачка в затратах мощности (что может быть зафиксировано самопишущим ваттметром), а затем уменьшается до исчезновения пиков. Дальнейшее бурение ведется при установившемся характере и уровне расхода мощности (что может быть зафиксировано самопишущим ваттметром), а затем уменьшается до исчезновения пиков. Дальнейшее бурение ведется при установившемся характере и уровне расхода мощности.
Расход промывочной жидкости, как и при бурении твердосплавными коронками, можно определить по формуле (16.23). Удельный расход q0 принимается в пределах 4-6 л/мин на 1 см диаметра коронки, причем большее значение его при бурении в трещиноватых породах. Величину расхода следует увеличивать с ростом глубины скважины и механической скорости бурения. При расчете Q надо учитывать утечки промывочной жидкости через негерметичные резьбовые соединения, для чего необходимо располагать данными о герметичности бурильной колонны.
Экспериментальными исследованиями установлено, что утечки промывочной жидкости в новой бурильной колонне диаметром 50 мм длиной 100 м, работающей в скважине диаметром 59 мм, растут с увеличением перепада давления, частоты вращения и осевой нагрузки на колонну. При перепаде 0,5-0,15 МПа и прочих равных условиях с увеличением частоты вращения в 2 раза утечки растут примерно в 2,5-3 раза. При более высоком перепаде давления утечки могут достигать 50% и более, что необходимо компенсировать увеличением количества подаваемой на забой промывочной жидкости.
Повышение механической скорости бурения и проходки за рейс, снижение мощности на вращение бурильной колонны и расхода алмазов может быть достигнуто при бурении с промывкой жидкостями, обработанными поверхностно-активными веществами (ПАВ) и антифрикционными добавками. В результате применения ПАВ уменьшаются поверхностное натяжение промывочной жидкости и коэффициент трения.
При бурении коронками, оснащенными сверхтвердыми материалами (алмазами) частота вращения рассчитывается по формуле (16.22). Рекомендуемые значения окружных скоростей: ω= 1÷3 м/с для однослойных коронок; ω=2-4 м/с для импрегнированных.
При разведке месторождений угля качественный отбор керна обеспечивается применением специальных колонковых снарядов «Донбасс НИЛ - I, II, III». При бурении ДКС «Донбасс НИЛ» диаметром 76 мм рекомендуются следующие параметры режима бурения: Q - 50-70 л/мин; n - 100-150 мин-1; Р - 0,4-0,6 кН при бурении по углю и P - 0,7-1,0 кН при бурении по прослоям породы и крепким углям.
Снарядами ССК (КССК) благодаря центрированию бурильной колонны в скважине за счет максимального приближения наружного диаметра бурильных труб к диаметру скважины бурение можно вести при максимальной частоте вращения колонны, ограничиваемой только мощностью станка.
Эффективность алмазного бурения существенно повышается при действии на алмазную коронку, кроме осевой нагрузки, ограниченных импульсных нагрузок, генерируемых непосредственно над колонковой трубой (mуд =50÷60 уд/с, энергия единичного удара E=5÷20 Дж). При этом динамическая нагрузка обеспечивает разупрочнение породы и создает в ней дополнительные усталостные напряжения.
А.Т.Киселев и И.Н.Крусир рекомендуют применять следующие параметры режима алмазного вращательноударного бурения: в породах, не вызывающих заполирование алмазов (габбро, диориты, сиениты, порфириты, базальты), - максимально возможные значения Р и п (исходя из прочности бурильной колонны и других технологических соображений), Q59=110÷120 л/мин и Q76=140÷150 л/мин (для коронок диаметрами 59 и 76 мм); в породах, вызывающих заполирование алмазов (граниты, кварциты, джеспилиты, таккониты, роговики, некоторые песчаники), - максимально возможное значение Р, n59=200÷800 об/мин, n76= 150÷600 мин-1; Q59=160 л/мин и Q76=230 л/мин; в породах, разбитых интенсивной трещиноватостью, - P59=3,5÷13,5 кН и Р76=5÷18 кН; n59=200÷300 мин-1 и n76=150÷240 мин-1; Q59=160 л/мин и Q76=230 л/мин.
