6.2. Проектирование режимов бурения твердосплавным инструментом

Анализ влияния параметров режима на механическую скорость бурения твердосплавными коронками показывает, что основными из них являются осевая нагрузка на инструмент, частота вращения, число резцов, их расстановка и геометрия, а также прочностные свойства горных пород.

Бурение в стендовых условиях самозатачивающимися коронками позволило получить модель влияния некоторых из названных факторов на механическую скорость бурения:

v_м = 14,75+0,92 ω +1,75 Р +3,06n -2,03p_ш + Рω , (6.1)

где Р – осевая нагрузка;

ω – частота вращения;

n – число резцов;

р_ш – твердость горных пород.

Как следует из уравнения, на величину механической скорости бурения наиболее существенно влияют число резцов и твердость горной породы, далее по значимости идет осевая нагрузка и только затем частота вращения. При этом следует отметить, что и число резцов у коронки, и твердость породы, и осевая нагрузка – это факторы, задающие величину контактного напряжения, а соответственно и режим разрушения породы.

Рост частоты вращения выше оптимальных значений приводит к повышенному износу резцов коронки. Установлено, что оптимальный режим бурения твердосплавными коронками возможен при окружной скорости перемещения резца v_p= 1,4–1,5 м/c. Поэтому для коронок диаметром 46; 59; 76; 93; 112; 132; 151 мм могут быть ориентировочно рекомендованы частоты вращения 500; 400; 300; 250; 200; 180 и 150 мин^-1.

При бурении трещиноватых, абразивных пород частота вращения снижается в сравнении рекомендуемыми выше значениями на 20–25 %.

Частота вращения бурового снаряда рассчитывается по формуле

, (6.2)

где v_p – окружная скорость коронки, м/с;

D_н, d_вн – наружный и внутренний диаметры коронки, м.

Следует отметить, что окончательно частота вращения коронки устанавливается с учетом глубины и кривизны скважины, мощности двигателя бурового станка и прочности бурильной колонны.

Осевая нагрузка рассчитывается исходя из оптимальных значений нагрузки на один резец

, (6.3)

где Р_О – рекомендуемая нагрузка на один основной резец, кН;

m – число основных резцов в коронке.

В зависимости от твердости горных пород оптимальная удельная нагрузка на резец может изменяться от 0,3–0,5 кН при бурении мягких пород I, II категорий по буримости, 0,5–0,7 кН при бурении пород III, IV категории, 0,5–1,0 кН при бурении горных пород V,VI категории и до 1,0–1,2 кН при бурении горных пород VII,VIII категории по буримости.

При бурении трещиноватых пород величина осевого усилия снижается на 30–50 %.

В данном случае критериями уровня снижения осевого усилия и частоты вращения инструмента являются вибрация снаряда и ресурс бурового инструмента. То есть повышение вибрации требует поиска новых сочетаний значений осевого усилия и частоты вращения, при которых уровень вибрации будет допустимым. Снижение ресурса инструмента также требует переоценки влияния параметров режима бурения на буримость породы. При этом достаточно незначительной корректировки того или иного параметра для получения оптимальных условий разрушения горных пород.

Качество и количество очистного агента выбираются в зависимости от геолого-технических условий бурения, типа коронки, ее размера.

При колонковом бурении необходимое количество жидкости можно определить по зависимости

, (6.4)

где k – удельный расход промывочной жидкости на 1 см диаметра коронки D_н, л/мин.

Расход промывочной жидкости с повышением твердости буримых горных пород снижается. Так, если при бурении горных пород I, II категории по буримости рекомендуется значение k = 8–14 л/мин, при бурении горных пород III,IV категории по буримости 12–16 л/мин, при бурении пород V,VI категории 8–12 л/мин, то при бурении горных пород VII,VIII категории по буримости 6–8 л/мин.

Рекомендуемое количество промывочной жидкости может быть снижено с целью сохранности керна при бурении в породах, разрушающихся под воздействием потока, и при отсутствии в составе бурового снаряда специальных колонковых снарядов.

Чем выше предполагаемая скорость бурения, тем большее количество промывочной жидкости должно подаваться на забой скважины, если нет каких-либо ограничений, например по состоянию стенок скважины, керна.

Пример 9. Подобрать режим бурения коронкой СМ6 диаметром 93 мм при работе в слаботрещиноватых породах VI,VII категорий по буримости. Глубина скважины 100 м. Бурение осуществляется буровой установкой УКБ-200/300.

Коронка СМ6 диаметром 93 мм имеет 24 основных резца. По формуле (6.3) рассчитаем возможную нагрузку на коронку, исходя из рекомендаций по величине нагрузки на резец:

Р = 50·24=12 кН; Р = 60·24=14,4 кН.

Учитывая, что бурение будет происходить в слаботрещиноватых и трещиноватых породах, рекомендуемые нагрузки следует снизить примерно на 30 % и задавать их в пределах 8,4–10,0 кН.

Частота вращения коронки рассчитывается по формуле (6.2), исходя из рекомендуемых окружных скоростей сращения в пределах 0,75–1,0 м/c, сниженных относительно оптимальных значений с учетом условий бурения:

мин^-1.

При этом может быть рекомендована I скорость 2-го диапазона частот вращения шпинделя станка СКБ-200/300, т. е. 160 мин^-1.

мин^-1.

Может быть также рекомендована II скорость 1-го и 2-го диапазона частот вращения шпинделя станка СКБ-200/300, т. е. 200 и 290 мин^-1.

Количество промывочной жидкости ориентировочно рассчитывают по формуле (6.4) в соответствии с рекомендуемыми значениями удельного расхода жидкости:

V_o=8·9,3=74 л/мин и V_o=12·9,3=111 л/мин.

При увеличении степени трещиноватости пород расход промывочной жидкости следует снижать от 100 до 75 л/мин.