Вопрос №51. Каким образом влияет площадь забоя скважины на эффективность разрушения горной породы при бурении?

Диаметр скважины,мм	Начальная скорость бурения, см/мин	Проходка на инструмент, см
135 115 96 76 59	4,6 6,5 7,6 9,5 11,2	27,2 30,7 37,3 88,1 123,4

Вопрос №52. Каково влияние удельного контактного давления на процесс разрушения горной породы при бурении?

Обобщенный параметр режима работы породоразрушающего инструмента при вращательном бурении – реализуемая на забое мощность :

, (4.4)

где μ_к – коэффициент сопротивления породы вращению бурового инструмента;

Р_ос - осевая нагрузка на инструмент, Н;

R – радиус торца бурового инструмента, м;

ω - частота вращения, с^-1.

С учетом данной зависимости формула определения скорости бурения (4.3) получит следующий вид:

. (4.5)

Если частоту вращения выразить через линейную скорость перемещения резцов:

, (4.6)

то формулу для расчета скорости бурения можно представить в виде:

. (4.7)

Соотношение определяет значение удельного контактного давления на забой скважины. При этом, следуя начальным условиям, при расчете q_з использовано значение всей площади забоя скважины без учета площади породоразрушающих элементов, которыми вооружен торец коронки или долота.

Буровой инструмент опирается на забой породоразрушающими элементами. Принимая соотношение за удельное контактное давление на породу со стороны бурового инструмента, при условии равномерного распространения напряжений в породе по всей площади забоя, выражение (4.7) представим в виде:

. (4.8)

Таким образом, для вращательного бурения условиями высокопроизводительного бурения будут высокие значения удельного контактного давления на забой, линейные скорости перемещения резца при повышенном значении коэффициента сопротивления породы и минимальная энергоемкость разрушения горной породы.

Вопрос №53. В чем механизм поверхностного, усталостного и объемного разрушения горной породы при бурении?

О дним из важнейших параметров, определяющих режим разрушения породы, является величина удельного контактного давления на породу q.

В зависимости от величины удельного контактного давления выделяют три режима разрушения породы:

- поверхностное разрушение (истирание, шлифование);

- усталостное разрушение;

- объемное разрушение.

Режим поверхностного разрушения наблюдается при малом значении осевого усилия, при котором удельное контактное давление значительно меньше твердости горной породы q<<p_ш. В этом случае происходит поверхностное истирание и шлифование породы, повышенный нагрев и износ бурового инструмента. Процесс бурения при таком режиме разрушения не может быть эффективным, что подтверждается высокими энергозатратами (кривая g на рис. 4.10).

Режим усталостного разрушения горных пород возникает в том случае, если q<p_ш. При таком соотношении твердости породы и контактного напряжения разрушение горной породы происходит вследствие циклического нагружения, при котором достигается предел усталости горной породы [σ_-1

, (4.9)

где N – число циклов нагружения;

m – степень усталостной кривой;

σ_в – предел прочности горной породы.

Наиболее оптимален для разрушения горной породы режим объемного разрушения, при котором q≥p_ш. В этом случае резцы инструмента внедряются в породу и производят её разрушение за один цикл воздействия с образованием борозды или лунки разрушения, объем которых при бурении твердых пород может значительно превышать объем внедрения резцов в породу.

Дальнейшее повышение осевого усилия (рис. 4.10) уже не приводит к значительному росту скорости бурения, поскольку наступает режим активного разрушения самого бурового инструмента.

Вопрос №54. Основная зависимость глубины разрушения горной породы резцами и механической скорости бурения от частоты вращения бурового инструмента.

Эксперименты показали, что при увеличении скорости перемещения резцов, даже при условии, что осевая нагрузка достаточна для эффективного разрушения породы, глубина борозды разрушения, образуемая алмазом, снижается.

Снижение глубины борозды разрушения при повышении частоты вращения инструмента приводит к снижению темпа роста механической скорости бурения.

Для некоторых условий получено эмпирическое уравнение, отражающее связь механической скорости бурения v_м и частоты вращения ω следующего вида:

, (4.10)

где а, m – коэффициенты.

С учетом определенных конструктивных параметров буровых коронок зависимость механической скорости бурения от частоты вращения представлена уравнением:

, (4.11)

где К – концентрация алмазов в коронке, %;

A – размер алмазов, мкм.

данная зависимость может соответствовать следующей эмпирической формуле:

, (4.12)

где a,b – постоянные коэффициенты;

е – основание натурального логарифма;

P – нагрузка на инструмент.

Вопрос №55. Какова связь крутящего момента на забое от частоты вращения, осевого усилия на инструмент и углубки инструмента в породу за один оборот вращения на забое?

Крутящий момент (Н×м) в общем виде может определяться из зависимоcтей:

, (4.13)

где N – мощность, затрачиваемая на разрушение породы, кВт;

ω – частота вращения инструмента, c^-1;

Р_ос – осевая нагрузка, Н;

μ_к – коэффициент сопротивления породы вращению бурового инструмента;

R – средний радиус торца бурового инструмента.

Крутящий момент линейно возрастает при увеличении осевой нагрузки на инструмент. При увеличении частоты вращения крутящий момент несколько снижается, что связано с уменьшением углубления резцов коронки в породу.

Зависимость коэффициента μ_к от частоты вращения и осевого усилия дана на рис. 4.15 [10]. Учитывая при анализе выражение (4.13), а также зависимости крутящего момента от частоты вращения, осевого усилия и углубления инструмента за один оборот вращения (рис. 4.13 и 4.14), можно установить между всеми этими параметрами закономерную связь, которая устанавливается в зависимости от глубины внедрения резцов в породу при бурении:

- повышение осевого усилия приводит к повышению глубины внедрения резцов в породу, а в результате возрастают сопротивление вращению инструмента на забое и крутящий момент;

- повышение частоты вращения вызывает снижение глубины внедрения резцов в породу, что приводит к некоторому снижению сопротивления вращения инструмента на забое и крутящего момента.

Сделанные выводы наглядно подтверждаются экспериментальными зависимостями, полученными по данным бурения различными инструментами и способами (рис. 4.16) [10].