Твердость различных пород

Горная порода	Твердость, МПа
статическая	динамическая
Кварцит Габбро-норит Известняк

Из табл. 12 видно, что статическая твердость примерно в 8-9 раз больше динамической, поэтому ударное долото значительно легче внедряется в твердую породу по сравнению с долотом вращательного типа, к которому в основном прилагается статическая нагрузка.

При ударном бурении поверхность забоя шероховатая. Вследствие этого сопротивление вдавливанию даже в однородной породе является величиной переменной и определяется расположением данной насечки (от удара долота) относительно соседней. Роль трения при ударном бурении, во много раз меньше, чем при вращательном.

Долото при падении на забой совершает полезную работу, однако его энергия расходуется также на трение о стенки скважины, преодоление сопротивления жидкости, дробление уже отделенных от массива и находящихся на забое частиц, деформацию бурового снаряда.

Конечная скорость свободного падения ударного инструмента υ определяется по формуле:

(43)

где S – высота падения инструмента, м; b – ускорение падения инструмента в скважине, м/с².

Конечная скорость свободного падения бурового снаряда зависит от высоты его падения S и ускорения падающего снаряда b в скважине, заполненной жидкостью и породным шламом. При начальном положении υ₀ = 0.

Величина b зависит от прямолинейности ствола и состояния его стенок, а также от плотности зашламованной жидкости в призабойной части. При бурении в мягких породах глинистого состава ускорение b может снижаться до 3,5-5 м/с², а в крепких – равно 6-6,5 м/с².

Большая плотность зашламованной жидкости в скважине снижает скорость падения бурового снаряда на забой, поэтому в процессе долбления в скважину периодически подливается вода, а шламовая жидкость извлекается желонкой. При внедрении рабочего лезвия долота, имеющего форму двустороннего клина, в скальную породу непосредственно под ним происходит раздавливание породы в тонкий порошок и скалывание породы в сторону от щек долота. При внедрении клинообразного лезвия в пластичную породу происходит смятие, уплотнение и выдавливание породы у щек лезвия долота (см. рис. 10).

Для простоты рассмотрения процесса разрушения пород при ударном бурении введем следующее допущение: скважина является вертикальной, и долото при падении не касается стенок, а лезвие его не затуплено; долото ударяется о совершенно чистый забой.

Пусть под действием силы удара Р долото внедряется в породу на глубину h (рис. 11). При этом долото преодолевает сопротивление породы раздавливанию (смятию) V (реакция со стороны породы на долото) и силу трения W щек лезвия долота о забой.

Следовательно,

(44)

Из рис. 11 следует, что реакцию породы раздавливанию V определяют из выражения:

(45)

где h – глубина внедрения долота, м; D – длина лезвия долота, м; σ – сопротивление породы раздавливанию при ударе, МПа; α – угол приострения лезвия, град.

Равнодействующую сил трения W ₁ определяют по соотношению

(46)

где f – коэффициент трения лезвия долота о породу колеблется в пределах от 0,15 до 0,4; для известняков f = 0,2÷0,3, песчаников f = 0,25÷0,35, многих изверженных пород f = 0,28÷0,4.

Рис. 11. Схема работы долота на забое

Подставляя в формулу (44) выражения V и W из (45) и (46) получим величину силы удара о забой:

(47)

Из формулы (47) следует, что глубина внедрения долота в породу равна:

(48)

Введем в формулу коэффициенты K₁ и К₂, которые учитывают реальные условия работы долота на забое:

(49)

где К₁ – коэффициент, учитывающий влияние длины и формы лезвия долота (для плоского долота К₁ = 1,0; для долот с более сложной конфигурацией лезвия К₁ =0,7-0,75); К₂ – коэффициент, учитывающий степень притупления лезвия долота (К₂ = 0,6-0,7).

Полученная формула глубины внедрения долота в породу позволяет сделать ряд важных выводов:

◊ с увеличением силы удара увеличивается глубина внедрения долота в породу h;

◊ увеличение диаметра долота при прочих равных условиях снижает h;

◊ увеличение угла α и коэффициента трения f снижает h.

Формула выведена при условии целого ряда допущений.

◊ сила удара Р распределяется равномерно по длине лезвия долота;

◊ сила удара Р изменяется пропорционально глубине h;

◊ коэффициент трения лезвия долота о породу принят величиной постоянной, в то время как скорость движения долота изменяется от максимума до нуля;

◊ коэффициент притупления лезвия долота К₂ принят величиной постоянной, хотя он изменяется в процессе отработки долота,

◊ принятая в расчете величина сопротивления породы раздавлению σ не в полной мере определяет процесс разрушения породы, так как при этом не учитываются деформации скалывания и сдвига;

◊ фактическая величина углубления зоны разрушения под лезвием долота за счет эффектов хрупкого скола породы может существенно превосходить глубину внедрения долота h.

Таким образом, формула (49) определяет качественную сторону процесса внедрения лезвия долота в породу. В силу ранее принятых допущений, а также из-за невозможности учета эффектов скола горной породы и влияния шламового режима на показатели бурения формула (49) не может быть использована для практических расчетов скорости бурения.

Дата добавления: 2014-01-07