Повышение эффективности шарошечного бурения

Шарошечное бурение на сегодняшний день является одним из наиболее востребованных способов в рамках открытых горных выработок. Именно поэтому в профессиональной буровой сфере уже давно активно рассматриваются и анализируются способы повышения эффективности этого метода.

Механическая скорость бурения скважины определяется двумя ключевыми показателями – нагрузкой на долото и частотой вращения инструмента. До недавнего времени показатель эффективности бурения шарошечными долотами пытались увеличить лишь за счет увеличения первого показателя – осевого усилия. Производимые в этих целях буровые установки стали отличаться большей массой, а также повышенными показателями износа оборудования вследствие постоянной высокой нагрузки на него. Однако такой путь развития казался единственно возможным, поскольку увеличение частоты вращения инструмента неизбежно приводило к возникновению сильных вибраций. При росте числа оборотов свыше показателя 150 об/мин буровая установка и инструмент испытывали недопустимые вибрационные нагрузки.

В качестве одной из попыток снижения вибраций стало использование наддолотных амортизаторов и стабилизаторов, а также систем управления подачей на забой с функциями самонастройки. К сожалению, эти попытки не привели к успеху, поскольку изначально была неверно определена сама причина возникновения колебаний. Ранее предполагалось, что причиной вибрации служат продольные колебания буровой колонны, возникающие на забое при взаимодействии долота с породой.

Позднее в ходе теоретических и практических изысканий было выявлено, что сильная вибрация возникает вследствие сухого трения буровой колонны о стенки скважины. Под действием центробежных сил, а также существенного осевого усилия колонна утрачивала продольную устойчивость, что и становилось причиной ее трения о стенки ствола.

В результате выявленных аспектов была разработана система, способная предотвращать касание става стенок ствола. Технология заключается в размещении на штангах с определенным шагом центраторов в подшипниковых опорах. Расчет величины шага производится на основе параметров става и заданных параметров режима бурения. Данная разработка позволила реализовать возможность бурения с показателем частоты до 360 оборотов в минуту, повысив эффективность бурения в определенных типах грунтов троекратно. При этом полностью исключались как вибрационные режимы, так и единовременные динамические воздействия на колонну.

Интересный факт выявило исследование стойкости инструмента, которое продемонстрировало, что при более высокой частоте вращения долота износ инструмента для шарошечного бурения существенно менее выражен. Так, при бурении с частотой 360 оборотов в минуту показатель износа был в 2 раза ниже, чем при проведении работ с показателем 150 оборотов в минуту. Кроме того, при высоких оборотах вовсе не было зафиксировано наличие износа штанг.

Дальнейшее развитие буровых установок в направлении повышения частоты вращения инструмента до 450-500 оборотов в минуту не только позволит повысить ресурс бурового инструмента, но и будет способствовать созданию более маневренных и удобных в транспортировке буровых установок.