книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

Однако при бурении скважин даже в самых мягких породах про­ исходит износ зубьев долота во времени, поэтому в общем виде фор­ мула для расчета имеет другой вид

скольжением зубьев. В случае буренпя высокопластичных пород долотами с многоконусными шарошками (для средних и мягких пород) скольжение может достигать больших величин, в результате чего разрушение породы будет происходить не только в процессе вдавливания, но и в процессе сдвига при скольжении зубьев, которое следует учитывать. Тогда вместо произведения yD3 р в расчетные формулы следует подставлять величину у (D3 р 4- d3 р ) .

Для определения величины d3 vp необходимо вычертить в масштабе зуб выбранного долота, внедренный в породу на глубину h3 р ) и радиусом соответствующего венца шарошки наметить траекторию его движения в породу при скольжении. Однако такой путь опреде­ ления ширины дополнительной зоны разрушения d3 0 возможен лишь в исключительно пластичных породах.

Общее число оборотов Соб, выдерживаемое опорой шарошечного долота, необходимо определить экспериментальным путем. Дело в том, что, по данным американской фирмы «Юз Тул Компани», число обо­ ротов Соб зависит от осевой нагрузки и не зависит от скорости вращения долота. По данным некоторых исследователей, стойкость опоры шарошечного долота с ростом скорости вращения уменьшается

6fe3 р (t) и yD3 р (t). Для этой цели необходимо знать закономерность износа зубьев долота во времени. Наиболее достоверно решить эту задачу можно лишь с учетом абразивности пород.

Возможность расчета ожидаемой проходки на долото по размерам зон разрушения в принципе поддерживают также другие исследова­ тели [238], учитывающие уменьшение иы во времени.

ийолит-уртите [30]. Характерно, что с ростом диаметра коронок объемный износ твердого сплава, приходящийся на 1 м проходки, возрастал. Обусловлено это тем, что при малых диаметрах путь трения меньше, а режим разрушения более благоприятный.

Возможность оценки износа инструмента по данным абразивности пород подтверждается также производственными данными [18, 30, 104]. Износостойкость долотчатых коронок при перфораторном бурении обратно пропорциональна абразивности [18]. Зависимость величины проходки шарошечного долота • от абразивности пород изменяется по гиперболическому закону. Для приближенной оценки величины проходки на шарошечные долота рекомендуется формула

Н=АК$Рг (VI .5)

но коэффициенты А я с изменяются в зависимости от типоразмера применяемых долот. При бурении долотами

§ 4. РАСЧЕТ ИЗНОСА РЕЗЦОВ

'ПРИ РЕЗАНИИ ПОРОД

При прочих равных условиях зависимость линейного износа резцов от пути их контакта L с породой, приведенная на рис. 37, представляет собой кривую, состоящую из двух участков — криво­ линейного и прямолинейного.

В общем виде линейный износ резца на криволинейном участке

где кэ — эмпирический коэффициент; L — длина пути резца в кон­ такте с породой в м; па —• показатель степени, зависящий от абразив­ ности породы; До — начальное затупление резца в мм.

На прямолинейном участке

Возможен также критический износ, при котором происходит поломка резцов, или же когда они недостаточно охлаждаются.

Представляет интерес рассмотреть методику расчета линейного износа резцов по задней грани при работе шахтного комбайна ШБМ-2

8 Заказ 2127 ИЗ

та). Исследований по этому вопросу проведено немного, но име­ ющиеся данные свидетельствуют о целесообразности использования для этой цели по крайней мере двух показателей [164, 165, 166].

На рис. 38 приведен график зависимости линейного износа рез­ цов твердого сплава Д/ от коэффициента крепости / и абразивности

в производственных условиях при работе шахтных комбайнов, при перфораторном бурении и при

для расчета износа резцов и, следовательно, для расчета расхода коронок при бурении. С учетом механической скорости проходки и времени, затрачиваемого на спуско-подъемные и подготовительные операции, можно устанавливать рациональные области применения породоразрушающего инструмента.

§ 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показатели свойств пород для определения возможной проходки на породоразрушающий инструмент практически не используют, поскольку методики и формулы, предложенные до настоящего вре­ мени, имеют существенные недостатки. Одним из наиболее надежных путей практического использования физико-механических свойств пород для этой цели является разработка методріки расчета износа инструмента на основании прочности и абразивности пород с учетом технических и технологических особенностей бурения.

Целесообразность использования нескольких показателей для расчета проходки за рейс очевидна по двум причинам. Абразивность характеризует породу с точки зрения изнашивания инструмента, но она не учитывает режима ее разрушения. Режим же разрушения учитывается одновременно параметрами режима бурения и прочно­ стью пород (прежде всего рш и а с к ) . Кроме того, удельный износ на 1 м проходки при прочих равных условиях зависит от размеров лунок, образующихся при элементарном взаимодействии рабочих элементов породоразрушающего инструмента (при разрушении по­ род вдавливанием) или жесткостью пород и размерами лунок при их разрушении резанием.

где az — угол при вершине зуба долота; 0Т ] , — угол трения сколь­ жения металла зуба о горную породу; т)2 — коэффициент перекры­ тия долота; сгск — предел прочности породы скалыванию, который позже [200] было предложено заменить показателем твердости рш,

Принцип разрушения забоя скважины на глубину внедрения зубьев в породу за один оборот долота был заложен в конструкции долот, разработанных и опробованных в тресте Татбуриефть [93]. Конструкция этих долот отличалась от серийных следующими осо­ бенностями: долота первого типа имели уменьшенный шаг зубьев, второго типа — увеличенную площадь контакта зубьев долота с по­ родой. Для конструирования вооружения шарошечных долот были приняты следующие соотношения

При опробовании этих долот оказалось, что механическая ско­ рость проходки и проходка за рейс до износа долота значительно возросли по сравнению с соответствующими показателями работы серийных долот.

Такой путь увеличения показателей работы долот правилен при бурении с промьтвкой, по-видимому, в том случае, если обеспечи­ вается объемное разрушение горных пород. При значительном уве­ личении T,Sk допустимая нагрузка может оказаться меньше расчет­ ной Р о п т и тогда вместо объемного может наступить объемно-устало­ стное разрушение породы.

Применяемые конструкции серийных долот для бурения в твердых породах часто не позволяют получить объемное разрушение, и в этом случае необходимо не увеличивать, а даже уменьшать площадь опор­ ной поверхности долота с породой.

Анализ экспериментальных данных, полученных при вдавлива­ нии штампа в сухие образцы пород и образцы, смоченные в воде, показал, что размеры зон разрушения значительно выше при отсут­ ствии на забое жидкости. С учетом влияния горного давления на размеры зон разрушения было рекомендовано увеличивать шаг зубьев долот для бурения с продувкой в 1,5—2,0 раза по сравнению с шагом зубьев долот при бурении с промывкой.

Лучшая очистка забоя от шлама при бурении с продувкой со­ здает условия для разрушения горных пород при втором скачке. Увеличение шага зубьев долот для бурения с продувкой в 1,5—2,0 раза по сравнению с шагом зубьев долот для бурения с промывкой способствует уменьшению площади опорной поверхности долота, а это позволяет в свою очередь создать удельные контактные на­ грузки, обеспечивающие второй скачок разрушения горных пород, при котором объем лунок значительно больше, чем при первом скачке (см. рис. 22). Величина проходки за один оборот долота будет также выше, при этом должна быть большей суммарная величина проходки за рейс, так как работоспособность шарошечного долота, как правило, определяется стойкостью опор.

Следует подчеркнуть, что рекомендации по уменьшению площади опорной поверхности долот оправданы только в том случае, когда, во-первых, имеется возможность создать удельные контактные да­ вления qk для достижения разрушения породы при втором скачке, т. е. твердость породы при втором скачке рШг необходимо сопоста­ влять с gk = P^/1,Sk и, во-вторых, при бурении в малоабразивных породах.

Рекомендации по уменьшению площади опорной поверхности долот для условий бурения с продувкой (путем увеличения шага зубьев долот или уменьшением величины притупления зубьев) были подтверждены расчетами на примере бурения скважин долотами IV—295 типа С и СТ.

Последующие исследования показали, что увеличение площади контакта зубьев долота с породой приводит не к увеличению, а даже к уменьшению эффективности разрушения пород [45]. Изготовлен­ ные опытные долота, имеющие большую ширину притупления зубьев

никает вопрос о том, какие получились бы показатели бурения при одинаковой нагрузке на долота с различной опорной поверхностью. Естественно, что при решении вопроса о выборе геометрических пара­ метров вооружения долота необходимо проводить опыты при раз­ личных инденторах и одинаковых нагрузках. Об эффективности данного нндентора можно судить по объему разрушенной породы при определенной осевой нагрузке.

В этом отношении интересны результаты опытов по вдавливанию клиновидных и призматических инденторов с различной площадью основания [45]. При вдавливании в образцы мрамора клиновидных зубьев нагрузка во всех случаях была равна 2010 кгс, а при вдавли­ вании призматических зубьев — 1800 кгс (эти нагрузки соответ­ ствовали первому скачку разрушения при вдавливании инденторов наибольших размеров). Результаты проведенных опытов показали, что при уменьшении площади основания инденторов контактные на­