Разрушение горных пород при бурении шарошечными долотами

Бурение шарошечными долотами имеет широкую область применения. Главную долю бурения шарошечными долотами составляют разведочные и эксплуатационные скважины на нефть, газ и воду в породах любой твердости. При бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые шарошечные долота применяют, как правило, на верхних интервалах геологического разреза, по которому по ранее пробуренным с отбором керна скважинам накоплена исчерпывающая информация. Шарошечные долота широко используют при бурении взрывных скважин в карьерах и при подземной разработке месторождений. Кроме того, шарошечные долота применяют для бурения поисковых, опорных, инженерно-геологических, гидрогеологических, геотехнологических, гидротехнических, строительных, вентиляционных скважин. Наиболее распространены долота, применяемые при бурении пород различной твердости от мягких до самых крепких, долота дробяще-скалывающего действия.

Рассмотрим характер разрушения породы забоя шарошечными долотами При перекатывании шарошки по забою ее зубья внедряются в горную породу, которая разрушается в режиме смятия и дробления. В мягких и средних по твердости породах осуществляется так называемый режим проскальзывания зубьев, при котором происходит скалывание (срезание) стружки породы. Конструктивно шарошки располагают в долоте по двум схемам: 1 – с пересечением осей шарошек с осью долота в одной точке (рис 27, а); 2 – со смешением осей шарошек по направлению вращения долота параллельно положению, при котором их оси пересекаются в одной точке. Такое смещение на величину l называют положительным (см. рис. 27, б).

По первой схеме сконструированы долота типов СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К и ОК, по второй – М, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ.

Проанализируем, при каких условиях шарошечные долота разрушают породу только дроблением, а при каких – дроблением и скалыванием. Допустим, что шарошки имеют форму гладкого конуса, образующие которого пересекаются с осью долота в одной точке О (рис. 28, а). Отложим от точки О вектор угловой скорости шарошки ω_ш вокруг оси ОБ и вектор угловой скорости долота ω_д вокруг оси ОА. Геометрическая сумма этих векторов представляет собой вектор абсолютной угловой скорости шарошки ω_ш.а вокруг перемещающейся мгновенной оси MN, которая в данном случае совпадает с образующей шарошки, по которой она.соприкасается с плоскостью забоя.

Рис. 27. Схемы расположения шарошек в долоте:

а – с пересечением осей шарошек с осью долота, б – со смешением осей шарошек по направлению вращения долота (положительное смещение) на величину l

Таким образом, конические поверхности движущихся шарошек, имеющих вершины в неподвижной точке О – геометрическое место мгновенных осей, поэтому шарошки у такого долота катятся по забою без скольжения (см. рис. 28, а).

В случае, если шарошка имеет форму гладкого конуса, ось которого пересекается с осью долота в точке О, а образующие пересекаются за осью (или до оси) долота, мгновенная ось MN (рис. 28, б) проходит через точки О и О₁. Точка О₁ лежит на образующей конуса шарошки и в момент ее контакта с забоем неподвижна. Все другие точки, расположенные на образующей шарошки, описывают дуги окружностей, радиусы которых равны расстоянию этих точек до мгновенной оси. В результате все точки, расположенные слева и справа от точки О₁ проскальзывают по забою. След, остающийся при этом на забое, показан на рис. 28, б. Условия работы многоконусных шарошек аналогичны описанным применительно к схеме, изображенной на рис. 28, б.

У долот со смещенными осями шарошек (см. рис. 27, б) скольжение шарошек по забою значительно увеличивается, поэтому усиливается эффект скалывания породы. Чем крепче горная порода, тем меньше должно проскальзывать долото – разрушение забоя осуществляется в основном за счет дробления. Эффект скольжения решается за счет выполнения шарошек многоконусными, выносом их вершин за ось долота и смещением осей шарошек в плане на некоторую величину в направлении вращения долота: чем больше величина смещения осей шарошек, тем больше проскальзывает долото, осуществляя скалывание породы.

Рис. 28. Кинематические схемы работы шарошек

а – одноконусные с пересечением оси и образующих конуса с осью долота;

б – одноконусные с пересечением оси с осью долота, а образующих конуса – за осью долота

Интенсивность проскальзывания породоразрушающих элементов шарошек по забою оценивается коэффициентом скольжения, получаемым в результате деления суммы площадей, описываемых за один оборот долота проскальзывающими породоразрушающими элементами шарошек, на площадь забоя скважины. Следовательно, у долот, соответствующих рис. 28, а, коэффициент скольжения равен нулю. Во всех других случаях он колеблется от 0,01 до 0,15.

Таким образом, шарошечные долота, характеризующиеся коэффициентом скольжения, равным нулю, только дробят породу, а долота с проскальзывающими шарошками дробят и скалывают ее.

Рассмотрим кинематику шарошечного долота. Шарошки вращаются вокруг своей оси и вокруг оси долота. Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно касаются забоя то одним, то двумя зубьями, т.е. шарошка при своем качении по забою то поднимается, то опускается, производя при этом удары по забою, вследствие чего зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динамическое воздействие. На рис 29 показана схема работы шарошечного долота. Определим работу одного удара А, наносимого зубом шарошки по забою, определяемого произведением силы на путь:

(107)

где h – путь, совершаемый зубом при ударе по забою (высота падения зуба), Р_у – удельная нагрузка на зуб.

Рис. 29. Схема работы шарошечного долота

Из рис. 29 следует:

(108)

где z – число зубьев шарошки; R – радиус шарошки.

Тогда:

(109)

Частоту вращения шарошки в 1 мин вычисляют по формуле:

(110)

где D – диаметр долота, м; D_ш – диаметр шарошки, м, n _g – частота вращения долота в 1 мин.

Тогда число ударов шарошки т в 1 мин по забою определим из выражения:

(111)

Из формулы (111) очевидно, что число ударов, выполняемых шарошкой по забою за 1 мин, пропорционально диаметру долота, числу оборотов долота в 1 мин и обратно пропорционально диаметру шарошки.

Осевую нагрузку на долото, обеспечивающую объемное разрушение породы, определяют по формуле В.С. Федорова из выражения:

(112)

где k_заб – коэффициент, учитывающий влияние факторов, действующих в реальных условиях бурения (наиболее часто k_заб = 0,4÷0.7); Р _шт – твердость по штампу; S_к – площадь контакта зубьев долота с забоем, которую приближенно можно вычислить из выражения:

(113)

где 1,3 опытный коэффициент, учитывающий фактическую среднюю площадь контакта при нулевом погружении зубьев; D _д – диаметр долота; η – коэффициент перекрытия забоя; в – притупление зубьев:

(114)

где R – радиус долота; n_z – число венцов; l_i – ширина i-го венца.

По В.С. Федорову наибольшее число оборотов трехшарошечного долота, выше которого происходит снижение эффективности энергии долота при разрушении забоя, определяется из выражения:

(115)

где d_ш – диаметр шарошки; t_к – минимальная продолжительность контакта зуба с породой, принимается в зависимости от категории пород при буримости; z – число зубьев на периферийном венце шарошки, определяемое по справочной литературе.

Механическая скорость бурения шарошечными долотами определяется по формуле:

(116)

где υ₀ – начальная скорость бурения, м/ч; е – основание натуральных логарифмов; φ – коэффициент уменьшения скорости бурения по времени, связанный с износом вооружения долота (декремент затухания), ч^-1; t – время работы долота, ч.

При бурении шарошечными долотами небольших размеров мощность на разрушение забоя (кВт) определяют по формуле:

(117)

где Р_ос – нагрузка на долото, даН; D – диаметр долота, м; п – частота вращения, об/мин.

Мощность, затрачиваемую на разрушение забоя долотами диаметром 120-450 мм, определяют по формуле:

(118)

где С – коэффициент крепости для пород: мягких равен 2,6, пород средней крепости – 2,3, крепких – 1,85; D – диаметр долота, мм, п – частота вращения, об/мин; Р_d – осевая нагрузка на долото, кН.

Мощность, потребляемая на разрушение колонковым долотом (кВт), определяют по формуле:

(119)

где N_y – удельная мощность, отнесенная к 1 см² забоя, кВт/см² (в зависимости от нагрузки на долото, частоты вращения и скорости бурения N_y колеблется в пределах 0,06-0,18 кВт/см²); S – площадь забоя, см².

Лекция 16

Дата добавления: 2014-01-07