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

инструмента. Во все эти формулы входят многие величины, которые необходимо определять экспериментальным путем, как и любые дру­ гие свойства пород. При определении силовых характеристик совер­ шенно не учитывается тот факт, что сопротивление породы при вда­ вливании значительно больше сопротивления простым одноосным деформациям. Именно поэтому расчет силовых характеристик по указанным формулам не только сложен, но и не точен, а простые эмпирические зависимости оказываются более приемлемыми.

В § 4 данной главы приведена методика расчета нагрузки на ша­ рошки применительно к работе проходческих комбайнов с исполь­ зованием показателя pk. Одновременно авторы установили аналогич-

• ные формулы с использованием показателя временного сопротивле­ ния пород одноосному сжатию сгс ж [70].

Усилие перекатывания шарошки диаметром 96 мм со штыревыми

где А — коэффициент пропорциональности (градиент тангенциаль­ ных усилий); hp — глубина образующей лунки в см.

Было найдено, что градиент усилий

а поправочные коэффициенты на окружную скорость v, шаг шты­ рей t и диаметр шарошки D определяют соответственно по следующим формулам

где Кс — коэффициент, учитывающий расстояние между венцами. Приведенные эмпирические зависимости могут быть полезными для приближенного расчета в тех случаях, когда, кроме а с ж , другие

показатели механических свойств горных пород не известны.

До настоящего времени не было проведено широких эксперимен­ тальных исследований для установления конкретных оптимальных чисел оборотов для бурения скважин в породах каждой категории по пластичности. Необходимое время контакта инструмента с поро­ дой зависит не только от ее пластичности и твердости, но и от техниче­ ских и технологических факторов — в первую очередь от нагрузки на коронку. Поэтому для прямых расчетов п необходимо провести большой объем экспериментальных исследований.

Следует также отметить, что размеры зон разрушения, образу­ ющиеся при вдавливании в породу инденторов, зависят, по-видимому, от двух показателей: пластичности и угла внутреннего трения по­ род. Во всяком случае, известно [117], что при небольшом увеличе­ нии пластичности происходит рост деформируемого объема породы под штампом и увеличение глубины зарождения трещины разруше­ ния, приводящей к общему сколу породы.

Вполне вероятно, что время контакта инструмента с забоем для эффективного разрушения породы зависит от геометрической формы

по теоретическому расчету оптимальной скорости вращения инстру­ мента отсутствуют, хотя общая картина зависимости п от пластич­ ности пород в принципе ясна.

Это влияние обусловлено тем, что, во-первых, от осевой нагрузки и пластичности зависит время контакта инструмента с забоем, не­ обходимое для эффективного разрушения породы, и, во-вторых, сте­ пень пластичности определяет динамическую составляющую общей

определять экспериментальным путем для каждой породы, но более

и от пластических свойств пород (например, при бурении долотом

Л/Уд от пластичности пород явно недостаточно.

Известны также другие результаты исследований [150]. Авторы работы подчеркивают, что крутящий момент зависит от физико-ме­ ханических свойств пород, и приводят график зависимости Мър = = / (Pw) П Р И испытании коробчеевского известняка, мрамора, лезниковского гранита и кварцита (рис. 26). Исходя из того, что при бурении в граните и кварците (К == 1) момент вращения почти не изме­

по последним двум формулам, соответственно составил 14,0-и 18,6%. Эти данные показывают, что на момент вращения оказывают влияние как прочность, так и пластичность пород.

§ 8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из всех предложенных формул для расчета оптимальной осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент по показателям меха­ нических свойств пород наибольшего внимания заслуживают: для шарошечного бурения (IV.1), бурения алмазными коронками (IV.14) и бурения твердосплавными коронками (IV. 16), ограничивая его

величину предельными нагрузками по условиям прочности породо­

двумя путями: лабораторным и экспериментальным в производст­ венных условиях.

При проходке скважин в пластичных и хрупкопластичных поро­ дах возможно использование формулы (IV. 2).

При определении усилий перекатывания шарошечного долота или усилий резания алмазной и твердосплавной коронками целесо­ образно использовать два показателя физико-механических свойств: твердость при внедрении штампа или контактную прочность и пре­ дел прочности породы при скалывании.

Эмпирические зависимости влияния свойств пород при простых напряженных состояниях на силовые характеристики процесса бурения не имеют достаточной точности и не могут быть рекомендо­ ваны для инженерных расчетов.

Четкие зависимости для определения скорости вращения поро­ доразрушагощего инструмента от физико-механических свойств пород (пластичности) в настоящее время отсутствуют. Задача опре­ деления п = ф (свойства породы) требует серьезной доработки. Можно рекомендовать только качественные характеристики.

Для окончательного создания методов инженерных расчетов оп­ тимальных параметров режима бурения прежде всего необходимо решить две задачи:

1) выявить показатели физико-механических свойств, характе­ ризующих сопротивление горных пород разрушению при всех видах бурения (твердосплавном, алмазном, ударно-вращательном и др.),"

2) установить время, необходимое для достижения разрушающей нагрузки в породах различных физико-механических свойств в за­ висимости от технологических и технических факторов.

Г Л А В А V

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ДЛЯ ОЦЕНКИ БУРИМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Предварительная (даже ориентировочная) оценка показателей работы породоразрушающего инструмента (механической скорости бурения У м п проходки за рейс hp) на основании данных о физикомеханических свойствах пород является одной из важных проблем, поэтому данная задача привлекает специалистов давно. Предвари­ тельная оценка позволяет более правильно наметить конструкции скважпн, приближённо установить время пх проходки, выбрать наиболее эффективные породоразрушающие инструменты и полу­ чить приближенные данные о стоимости работ по проходке на стадии составления технического проекта и т. д.

Известны многочисленные формулы, выражающие зависимости і>м и hp от параметров режима бурения. В этих формулах зависимости

лах выра?каются косвенно с помощью осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и скорости вращения, поскольку неза­ висимо от способа выбора параметров режима бурения их рацио­ нальность при данном оборудовании и инструменте обусловлена механическими свойствами пород. Кроме того, характер зависимо­ сти ум и hp от Р д и п обусловлен также величиной показателей меха­ нических свойств пород.

Широкого практического применения формулы зависимости иы и hp от параметров режима бурения пока не получили в связи с тем, что для определения коэффициентов, входящих в эти формулы, в каждом случае необходима постановка специальных производст­ венных исследований. После проведения этих исследований в боль­ шинстве случаев отпадает необходимость знания этих коэффициентов, так как становятся известны величины иы и hp, ради расчета которых проводились исследования. Кроме того, с помощью этих формул

тде V — объем породы, разрушенной зубом долота за единичное вда­ вливание; Аг1 — общее число взаимодействий зубьев долота с забоем в единицу времени, пропорциональное скорости вращения щ В2 — площадь сечения скважины, перпендикулярного ее оси; к и кх —• коэффициенты пропорциональности, зависящие от конструкции до­ лота.

шения оказывает влияние форма зубьев долот. По предварительным данным [121], при вдавливании клина относительные размеры зон разрушения возрастают по сравнению с размерами зон при вда­ вливании цилиндрического штампа в 1,5—1,6 раза, а при вдавлива­ нии сферического штыря — уменьшаются примерно в 2 раза. Таким

а при бурении долотами со штырями, имеющими сферическую форму контактной поверхности,

Расчет начальной механической скорости бурения по формулам {V.4) и (V.6) дал достаточно хорошее совпадение с производственными данными при бурении скважин с очисткой забоя воздухом в пластич­ но-хрупких породах на нефтяных площадях Долина и Улично (на западе Украины) долотами типа С и СТ-(глубина бурения не пре­ вышала 1000 м) [121].

Коэффициенты г|з0_3 определены на небольшом количестве пород (Фо и "Фі — н а мраморе и алевролите, a ip 2 иг|>3 — на биотито-гранато- вомгнейсе, микроклиновом граните и габбро-диабазе), поэтому не­ обходимо установить значения этих коэффициентов в породах различ­ ной твердости и пластичности. Это тем более необходимо, что по дан­ ному вопросу имеются некоторые противоречия. В частности, ранее

[93] в формулу (V.1) при бурении долотами с клиновидными зубьями предлагали вводить коэффициент

не влияет на размеры зон разрушения, а влияет только соотношениевеличин б и d m .

Таким образом, для определения механической скорости необ­ ходимо установить четкие соотношения размеров зон разрушения, образующихся при вдавливании в шлифованную поверхность образ­ ца породы инденторов различной формы и размеров. Кроме того,

,в ряде случаев бурение ведут не при объемном, а при объемно-уста­

лостном режиме разрушения пород, поэтому для определения vu в расчетные формулы следует ввести коэффициент, хараістеризующий усталостные свойства горных пород при различном соотношении оптимальной и фактической нагрузок на индентор и при различных

род заключается в том, что прогнозирование механической скорости проходки производится по прочностным показателям пород при вда­ вливании инденторов.

Так, Л. А. Шрейнер [232] еще в 1950 г. показал, что механиче­ ская скорость проходки обратно пропорциональна твердости пород, на вдавливание. Для случая, когда режущие кромки породоразрушающего инструмента остры,

где со — окружная скорость вращения; а к — постоянный коэффи­ циент.

Поскольку в реальных условиях резцы всегда отличаются от аб­

коэффициент), можно построить так называемую кривую нормаль­ ной буримости пород различной твердости и сравнить ее с фактиче­ ской буримостыо пород (рис. 27). Степень расхождения нормальной и фактической буримости пород является, по мнению Л. А. Шрейнера [232] и А. Ф. Афанасьева [14], критерием рациональности применяемых параметров режима бурения.

Однако исследования влияния осевой нагрузки на механическуюскорость проходки (см. рис. 23) показывают, что эта зависимость