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

то с помощью графической зависимости у,, от Рл (см. рис. 21) нахо­ дят оптимальную осевую нагрузку, при которой начинается объем­ ное разрушение пород, рассчитывают коэффициент сст ц и в дальней­ шем используют его в практических расчетах для условий бурения долотами различных типов.

Другой метод определения коэффициента сст д требует проведе­ ния лабораторных экспериментальных работ по учету забойных фак­ торов. Этот способ удобен тем, что после" проведения исследований результаты могут быть использованы для условий бурения на раз­ личных глубинах и в породах различного состава.

На твердость влияют многие забойные факторы, однако здесь рассмотрены лишь два компонента коэффициента а х д — влияние формы вооружения долота а ф и состояние забоя (шероховатости) а ш .

Форма индентора оказывает значительное влияние на сопроти­ вление пород разрушению. Результаты исследований по установле­ нию общих закономерностей влияния формы инструмента на эф­ фективность разрушения породы при статическом вдавливании,

количестве пород, и поэтому для более точных расчетов необходимо провести опыты на породах различной твердости и пластичности.

Вторым коэффициентом изменения рш независимо от, глубины бурения является коэффициент шероховатости забоя, который не­ обходимо учитывать при расчетах оптимальной осевой нагрузки. Методикой определения контактной прочности предусматривается проведение испытаний на шероховатой поверхности образцов пород, и поэтому при подстановке в формулу (IV.1) рк вместо рш необходи­ мость в поправочном коэффициенте аш отпадает. Однако в процессе бурения шероховатость забоя у разных пород различна, а при под­ готовке образцов пород моделирование истинной шероховатости не обеспечивается, хотя для практических расчетов с некоторым при­

видимому, целесообразно установить этот коэффициент для пород различного минералогического состава.

Отсюда видно, что для расчета осевой нагрузки на шарошечное долото показателем рк пользоваться, на первый взгляд, предпочти­ тельнее. Однако для условий бурения скважин необходимо вводить поправочные коэффициенты на глубину залегания пород, опреде­ лить которые в лабораторных условиях можно лишь по методу

вдавливания штампа в шлифованную поверхность образцов пород. Кроме того, для условий бурения механические свойства пород можно определить лишь на кернах, а методикой определения рк предусмотрены штампы с большой площадью основания.

При практических расчетах следует иметь в виду, что при неко­ торой осевой нагрузке на долото за одно вдавливание зуба может произойти два скачка разрушения. Иа рис. 22 приведен график

штампа диаметром 1,12 мм. В результате было установлено, что

на — в 1,91—2,16 раза, а объем лунок, образующихся при вдавли­ вании штампа, — более чем в 6 раз (табл. 3).

Проводили также опыты по вдавливанию твердосплавных сфери­ ческих штырей диаметром 8 мм в образцы гранита. В этом случае

2111 при проведении испытаний динамическим вдавливанием. При испытании мрамора коэффициент приращения объема лунок от скачка разрушения п к скачку п + 1 в среднем составил 4 , 1 , а удельная работа разрушения уменьшилась.

Вдавливание усеченного конуса диаметром 2,4 мм и плоского клина длиной 4 мм в обработанную поверхность мрамора показало,

Т а б л и ц а З

что при втором и третьем выколе разрушающая нагрузка соответ­ ственно удвоилась и утроилась по сравнению с нагрузкой при пер­ вом скачке разрушения, однако удельная работа разрушения при втором скачке возросла, а при третьем — уменьшилась. Авторы считают, что аналогичный прирост разрушающей нагрузки был при проведении испытаний на других породах.

Таким образом, по предварительным данным, при расчете опти­ мальной осевой нагрузки на шарошечное долото следует предусма­ тривать возможность разрушения горных пород при втором скачке. Для этого в формулу (IV. 1) необходимо ввести дополнительно коэф­ фициент К2 = 2,0—2,1 (если стойкость опор шарошек позволяет создавать нагрузку, обеспечивающую второй скачок разрушения пород).

В процессе бурения вооружение долот изнашивается, площадь опорной поверхности долот возрастает, удельная нагрузка при Р д = = const уменьшается ц эффективный объемный режим разрушения будет переходить в усталостный. Для поддержания объемного ре­ жима разрушения нагрузку на долото в течение рейса постепенно следует увеличивать, если для этого имеется возможность. С этой целью необходимо изучать закономерность износа вооружения долот во времени при постоянной нагрузке на долото и переменной (т. е. при постоянном удельном давлении на опорную поверхность шаро­

Однако формулы данного тина пригодны лишь для конкретных условий, для которых определяется осевая нагрузка.

§ 3. РАСЧЕТ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ РАЗРУШЕНИИ ПОРОД ШАРОШКАМИ

ПО ПОКАЗАТЕЛЮ КОНТАКТНОЙ ПРОЧНОСТИ

Методика расчета, предложенная в ИГД им. А. А. Скочинского для условий разрушения пород шарошками на исполнительном органе комбайна, может быть полезной также для инженеров-буро- виков, поскольку физическая сущность показателей контактной прочности и твердости аналогична и, кроме того, работа шарошечного инструмента при обоих способах разрушения горных пород также аналогична (лишь с некоторыми особенностями).

Для проведения расчетов служат два экспериментальных пока­ зателя — контактная прочность рк [25] и так называемые градиенты осевого усилия С и усилия перекатывания шарошки А [24], приня­ тые в качестве критерия эффективности разрушения пород. Гра­ диенты С и А представляют собой соотношения соответственно осе­ вого Ру и тангенциального Pz усилий к глубине hul разрушения по­

при раздавливании образцов неправильной формы и твердость по

Исходя из приведенных соотношений [24, 29], осевое усилие на эталонную цилиндрическую одновенцовую шарошку (диаметр кор­ пуса D = 90 мм, диаметр штыря d = 5 мм и шаг штырей t = 12,6 мм)

Р'У=ЬЛР°К*ЧІШ. (IV.9)

При применении шарошек иной геометрической формы вводятся поправочные коэффициенты на шаг Kt штырей, диаметр шарошки К,цр и штырей Кшт и форму штырей Кф. Экспериментально устано­ влено, что

. Аналогичным образом рекомендуется определять усилие перека­ тывания, на величину которого влияют окружная скорость v, шаг t

Следует отметить, что формулы (IV.11) и (IV.13) в таком виде для практических расчетов в бурении непригодны, однако они предста­ вляют большой интерес с точки зрения методического подхода к ре­ шению такой сложной задачи, как расчет необходимой осевой на­

более обоснованным и более простым, хотя не исключено, что в фор­

Разрушение горных пород резанием происходит при бурении коронками, армированными резцами из твердого сплава, и алмаз­ ными зернами. Многие исследователи считают, что при алмазном бурении порода разрушается истиранием. Однако истирание пред­ ставляет собой микрорезание и, кроме того, исследования показы­ вают, что характер зависимости механической скорости проходки от нагрузки на алмазную коронку не отличается от характера ана­

разрушение при значениях контактных давлений, близких к твер­ дости пород, подтверждается также тем, что частицы шлама при буре­ нии алмазными породоразрушающими инструментами имеют размеры от 0,5—2,0 до 5,0 мм при весе единичных алмазов 0,3 карата (правда, имеются сведения [123], согласно которым 54—85% разрушенной породы при использовании алмазных зерен диаметром 2 мм соста­ вляют частицы размером менее 0,05 мм).

где аа — коэффициент, учитывающий характер разрушения породы на забое (аа ^ 0,8); SK — контактная площадь алмазов в мм2 .

Безусловно, что на забое процесс разрушения пород при алмаз­ ном бурении значительно сложнее, чем это представлено здесь. В ча­ стности, при бурении, во-первых, не все торцовые алмазные зерна одновременно контактируют с породой и, во-вторых, возникающие вибрации резко снижают сопротивление алмазов разрушению, по­ этому окончательное решение о величине осевой нагрузки следует принимать с учетом допустимых динамических нагрузок на алмазы, Следует также иметь в виду, что величина осевого усилия в значи­ тельной степени зависит от сопротивления пород скалыванию.

Аналогичную по виду формулу рекомендуют для расчета осевой нагрузки на твердосплавную коронку (для условий бурения в кар­

свойств пород в условиях забоя (влажность, шероховатость, трещиноватость и др.), равный 0,2—0,4; SK —опорная поверхность рез­ цов коронки в мм2 ; р0 — предел текучести пород при вдавливании штампа в кгс/мм2 .

Другие данные по использованию показателей физико-механи- ческих свойств пород для расчета осевой, нагрузки на коронки, ар­ мированные алмазами или резцами из твердого сплава, неизвестны. Однако в ИГД им. А. А. Скочинского [25, 28] даны рекомендации по использованию контактной прочности пород для расчета усилий резания и подачи режущего инструмента породопроходческих ком­ байнов.

Предпосылкой для использования этого показателя послужило то, что между усилием резания Р2 и контактной прочностью суще­ ствует довольно тесная корреляционная связь. Величину сопроти­

Коэффициенты вариации -йГЕар относительно графиков прямых

Для сравнения на рис. 23 воспроизводится корреляция показа­

По И. А. Остроушко [140], если в породу вдавливать резец (односторонний клин), то ее разрушение будет происходить так же, как и при вдавливании обычного клина (рис. 24, а). При горизон­ тальном смещении резца силой Рх (рис. 24, б, в) будет происходить скалывание мелких объемов породы до тех пор, пока не.сформируется главный максимальный объем авс (рис. 24, г). После скалывания объема авс цикл разрушения породы повторится.

Это показывает, что, кроме твердости, на процесс разрушения оказывает влияние по крайней мере еще один показатель — времен­ ное сопротивление пород скалыванию сгс к . Поэтому методы расчета необходимых осевых усилий для эффективного разрушения пород

рм1°

сРис. 24. Схема разрушения породы при

горпзоытальцо.м перемещении резца.

^0

инструментом режущего типа по величине их pUl її рк является в на­ стоящее время не совсем приемлемым для их практического исполь­ зования.

Однако не совсе.м точно процесс разрушения пород характери­

Чтобы величина t была в заданных пределах, необходимо вы­ полнить условие

(IV.20)

где F' — площадь контакта рабочей кромки резца с породой; а у п — предел упругости горной породы при сжатии; d — ширина проекции контакта резца с породой, определяемая по формуле

cos ao (sm ao — c o s а 0 /т р )

димого осевого усилия, необоснованно применив для этой цели предел упругости горной породы при сжатии. Очевидно, что вместо ау Г 1 следует применять рш, рк или предел текучести р0 при вдавливании штампа.

Следует также отметить, что пользоваться формулой (IV.19) практически затруднительно. При подстановке в формулу всех кон­ стант пород без учета важнейшего свойства — сопротивления пород разрушению при вдавливании результаты получаются исключи­ тельно неточными. Поэтому формула имеет скорее теоретическое, а не практическое значение. В конечном итоге, простые эмпириче­ ские формулы могут оказаться точнее и надежнее.

§ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

С УЧЕТОМ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД ПРИ ПРОСТЫХ ВИДАХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Существуют два основных способа расчета силовых характеристик на породоразрушающий инструмент при бурении скважин с учетом механических свойств пород при простых видах напряженного со­ стояния: на основе математического анализа сил, действующих на рабочий орган породоразрушающего инструмента, и эмпирический

где Р — осевая нагрузка; S — площадь контакта инстрзтиента с по­ родой.

Позже, было выведено много формул, исходя именно из этого соотношения. В некоторых случаях в формулы рекомендовали под­ ставлять 2—4-х кратные значения временного сопротивления горных пород раздавливанию или скалыванию.

Однако при выводе этих формул рассматриваются задачи, при которых идеализируются условия работы породоразрушающего