книги из ГПНТБ / Булнаев И.Б. Техника и технология отбора проб при разведочном бурении

пстр на величину с влияние оказывают углы ■у, 0 п а (см. рис. 24). Передний угол у пред­ ставляет собой сумму углов ф и ф (рис. 25). Угол ф, т. е. угол между выдвижным резцом

пстенками скважины (до внедрения), опре­ деляется конструктивными элементами про­ боотборника, физико-механическими свойст­ вами пород и величиной разработки ствола скважины.

необходимо вдавить резцы на 1—5 мм в стенки скважины, что­ бы удержать корпус пробоотборника от вращения.

80

Тогда сила ko, приложенная к резцу,

или

vSnTctg-^

Для того чтобы резец под действием этой силы внедрился на некоторую глубину в стенки скважины, следует обеспечить условие

меняться и форма площадки, вдавливаемой в стенки скважины. При отборе проб долотчатыми резцами с прямым лезвием пло­ щадка будет иметь прямоугольную форму, а при использовании резца с закругленным лезвием — полукруглую.

При вдавливании площадки любой формы в породу давле­ ние по площади контакта распределяется неравномерно. По­ этому характеры распределения давления для резцов с прямым и закругленным лезвиями будут одинаковыми.

Величину максимальных касательных напряжении, возни­ кающих при вдавливании прямоугольной площадки, можно определить по формуле [61]

где F — площадка вдавливания, по которой давление рас­ пределено неравномерно.

Из (74)

(75)

8t

Для условий полного раздробления породы под площадкой можно принять тт ах= сгт, где ат — твердость породы. Тогда

aTF

Рвд (76)

0,32

Исследования К- Ф. Эпштейна и А. А. Шреннера показали, что твердость горных пород в 5—20 раз выше временного сопро­ тивления одноосному сжатию. По Генки [73]

Следует отметить, что величина горизонтальной составляю­ щей силы Р1 весьма незначительна из-за малого угла отклоне­ ния выдвижных резцов яр, и основной силон, вдавливающей резец в стенки скважины, является сила распора Rr, опреде­ ляемая давлением жидкости q в рабочей камере пробоотбор­ ника. Поэтому из уравнения (79) определим q, при котором резец внедрится в стенки скважины на величину, достаточную для удержания корпуса пробоотборника от вращения при вклю­ чении шарикового вибратора:

_ (ЗОТСТсж — с sin 6) (Т -г U)

0,5Sn/Lctg -^ -

Дальнейшее внедрение резцов в стенки скважины на глубину отбиваемой борозды /г осуществляется под действием ударных нагрузок, передаваемых от шарикового вибратора.

Из формулы (80) видно, что давление в рабочей камере механизма, при котором происходит внедрение резцов в стенки скважины, зависит в основном от величины площадки вдавли­ вания F и временного сопротивления породы сжатию асж.

Величина F изменяется в зависимости от угла ф (см. рис. 25). При уменьшении ф соответственно растет величина F, следова­ тельно, и давление в рабочей камере q, обеспечивающее вдав­ ливание резцов в стенки скважины.

Так, например, при ф= 20° площадка вдавливания резца с учетом цилиндрической формы стенок скважины составляет около 0,025 ом2; при уменьшении яр до 10° в тех же условиях величина F возрастает почти вдвое и составляет около 0,045 см2.

82

На рис. 27 представлены кривые зависимости д от г)) и аСщ, которые показывают, что с уменьшением ф величина д резко растет, и интенсивность его роста тем выше, чем выше крепость опробуемых руд.

Если теперь принять, что максимальное давление жидкости в рабочей камере пробоотборника составляет 15 кгс/см2, то, как

робуемого рудного горизонта сделать кольцевые канавки на глу­ бину 20— 30 мм.

Расширитель (рис. 28) состоит из цилиндра 1, поршня 3,

выдвижные резцы 8, армированные твердосплавными пласти­ нами из сплава BK-S.

Расширитель опускается в скважину на бурильных трубах, и после установки резцов на уровне верхней границы интервала опробования дается вращение снаряду на малой скорости и включается промывочный насос. Под давлением жидкости в ра-

83

оочеп камере механизма над поршнем распорный клип / пере­ мещается вниз и выдвигает из корпуса резцы <5, которые обра­ зуют на степках скважины кольцевую канавку. В крепких

имеет передний угол у. Нижний предел этого угла определяется величиной ф (внедряемостыо резца в стенки скважины), а верх­ ний предел также ограничен, так как чрезмерное увеличение у приводит к двум нежелательным явлениям: 1 ) снижается эф­ фективность передачи удара от вибратора к резцам; 2 ) при по­ стоянном значении угла приострения резца 0 уменьшается зад­ ний угол р (см. рис. 24), что приводит к снижению эффектив­ ности скалывания руд со стенок скважины. Результаты лабо­ раторных исследований показывают, что наиболее эффективное отделение элементов abc наблюдается при угле р более 25°.

.84

При меньших значениях заднего угла руды разрушаются резцом в условиях сжатия, из-за чего резко возрастает анергия, затрачиваемая на отбойку проб со стенок скважины (рис. 29) и значительно повышается раздробление материала. Это зидко нз рис. 30, где представлены кривые содержания фракции с раз­ мерами частиц меньше 5 мм в робах/но при различных углах у(Р). Влияние у на фракцион­ ный состав пробы изменяется также в зависимости от хруп­ кости и однородности состава пород и руд. Так, например, в разнородных по составу, хруп-

Рис. 30. Кривые изменения раздроб­ ления материала пробы в зависимо­ сти от углов у и р (содержание фракций .менее 5 мм).

ких кварцевых рудах материал пробы с увеличением у раз­ дробляется сильнее, чем в более вязких и однородных по со­ ставу порфиритах.

Следовательно, па практике нужно стремиться к уменьшению угла у (увеличению р) в допустимых пределах, так как это позволяет повысить не только эффективность отбойки рудного материала со стенок скважины, но и качество получаемых проб.

Величину угла у (при постоянных значениях h и 0) можно регулировать изменением длины выдвижных резцов, что видно из табл. 18.

На рис. 31 приведена номограмма для определения рацио­ нальных углов у п р с учетом глубины борозды /г и длины вы­ движных резцов /.

85

Опыт эксплуатации вибрационных пробоотборников и рас­ четы показывают, что при отборе бороздовых проб по породам и рудам VIII— XI категорий по буримости длина выдвижных

личение 0 приводит к уменьшению заднего угла (3, отрицательно влияющего на процесс отбойки проб. Исходя из этих условий, при оптимальных значениях у и |3, угол 0 определится по фор­ муле

86

Пользуясь формулой (82), для резцов из сплава ВК-15 по­ лучим соотношение оСи;<1700 кгс/см2, т. е. при 0= 45° твердо­ сплавными резцами можно отбивать со стенок скважин бороздо­ вые пробы по рудам с пределом прочности на сжатие до 1700 кгс/см2 (IX—X категорий по бурнмости).

Таким образом, для получения качественных проб со сте­ нок скважин при минимальных затратах энергии и раздробле­ нии материала проб необходимо правильно подбирать углы у, р и 0, которые изменяются в зависимости от физико-механических свойств руд, размеров выдвижных резцов пробоотборника, глу­ бины борозды и т. д.

Величина угла а (см. рис. 24) изменяется в зависимости от

где е — угол скалывания горных пород.

Исследования И. А. Остроушко [51] показали, что угол ска­ лывания е для пород с различными механическими свойствами составляет в среднем: для мягких пород 60°, крепких 70° и весьма крепких 75°. Тогда угол а, определенный по формуле (83), изменяется в пределах от 15 до 30° и в среднем состав­ ляет 2 2 °.

Определим теперь энергию, затрачиваемую на скалывание элемента abc от массива пород при действии на резец стати­ ческой нагрузки.

Если скалывание элемента abc произойдет при внедрении

где С — усилие подачи резца.

При этом основным видом деформации является вдавливание скошенной площадки резца abLx b (Ъ— ширина резца) в уступ. Скол элемента abc произойдет в момент, когда усилие вдавли­ вания площадки Лзд станет равным скалывающей силе N. Под­ ставив значения из (61) и (78), получим

2 sin a cos (0 -Т Y + а )

87

2,7-104bsin2 а cos3 (а -р 0 + у)

Из формулы (88) видно, что энергия, затрачиваемая на от­ деление элемента abc от стенок скважины при статической на­ грузке, изменяется в зависимости от глубины борозды It. кре­ пости пород ос,к и ширина резца b. С увеличением глубины борозды h энергия Ес растет в квадратичной форме, что связано

сразрушением породы в условиях сильного блокирования.

Из приведенного примера видно, что даже в сравнительно не­ крепких породах (осж —700 кгс/см2) для отбора бороздовой пробы со стенок скважины, при передаче на резцы статической осевой нагрузки, необходимо затрачивать очень большую энер­ гию, что часто неосуществимо в условиях бурения. Поэтому отбор проб, особенно из крепких пород и полезных ископае­ мых, необходимо производить при действии на резцы ударных нагрузок.

Исследования проф. Л. А. Шреинера показали, что при удар­ ных нагрузках сопротивляемость пород внедрению резца значи­ тельно снижается. В связи с этим в расчетах следует пользо­ ваться динамической твердостью пород и руд стд.

Если принять сгт= 15 Од, а стд= 1,5 стСж, то

В данном случае при отбойке бороздовых проб со стенок скважин потребуется энергии почти в 2 — 3 раза меньше, чем при передаче статической нагрузки, и составит около 3,5 кгс-м.

Определим теперь энергию удара, развиваемую шариковым вибратором. Удар верхней муфты по нижней производится в мо­ мент перескакивания свободных шариков через неподвижные шарики, закрепленные на верхней и нижней муфтах (рис. 32).

При отборе проб вибрационными пробоотборниками на глу­ бинах более 80 м удары подвижной муфты по неподвижной производятся под действием веса утяжеленных бурильных труб при свободном их падении. Тогда энергия удара определится по формуле

О ГУО mv\ Qflj

se

где Q — вес утяжеленных бурильных труб, передающийся на подвижную муфту вибратора; щ — конечная скорость свобод­ ного падения колонны труб в скважине, заполненной жидкостью,

850 см/с2 [29].

Тогда, заменив Q через осевую нагруз­

Теоретическое обоснование режима работы вибрационного пробоотборника

Для эффективной отбойки бороздовых проб со стенок сква­ жин вибрационными пробоотборниками необходимо обеспечить оптимальный режим работы шарикового вибратора. В зависи­ мости от правильного подбора режима работы вибратора в зна­ чительной степени изменяется энергия удара, передаваемая на резцы.

Из формулы (93) видно, что энергия удара шарикового виб­ ратора изменяется в зависимости от осевой нагрузки С и ам­ плитуды колебания подвижной муфты 26.

Рассмотрим влияние этих параметров на работу шарикового вибратора.

Влияние осевой нагрузки на энергию удара, развиваемого вибратором

Результаты лабораторных исследований и расчеты, произ­ веденные по формуле (93), показывают, что с увеличением осе­ вой нагрузки на подвижную муфту вибратора энергия удара растет линейно (рис. 33).

89