книги из ГПНТБ / Царицын В.В. Бурение шарошечными долотами
.pdfсимальным рабочим моментом турбобура. В. С. Федо ров [30] установил, что
Рмакс = (0,8 -т- 0,9) Рхорм,
где Рторм— нагрузка затормаживания турбобура, ко торая может быть определена на буровой с помощью индикатора веса при скорости бурения L = 0.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ, РАСХОДУЕМОЙ НА БУРЕНИЕ
Для определения мощности, расходуемой на работу шарошечного долота, в настоящее время отсутст
вуют простые, облегчающие расчеты формулы. Как
указывает В. С. |
Федоров [29, 30], мощность NÄ, не |
|||
обходимая для преодоления сопротивлений, |
встречае |
|||
мых шарошечным |
долотом, складывается из следую |
|||
щих составляющих: |
|
|
||
Nраз — мощности |
на разрушение горной породы при |
|||
перекатывании |
шарошек; |
|
||
Nск — мощности |
на разрушение породы при проскаль |
|||
зывании шарошек; |
|
|||
N„ — мощности |
на |
вертикальные перемещения сис |
||
темы вследствие зубчатой поверхности шаро |
||||
шек; |
|
на |
преодоление трения зубьев ша |
|
Nr. т.— мощности |
||||
рошек о забой скважины при проскальзывании |
||||
шарошек; |
на преодоление трения долота о |
|||
Nб. т — мощности |
||||
стенки |
скважины. |
преодоле |
||
Кроме того, |
мощность затрачивается на |
|||
ние потерь в |
опорах |
долота и повторное |
дробление |
|
61
породы, которая оценивается интегральным коэффи циентом rlt, величина которого изменяется по мере сработки опор долота, следуя закону
__t_ 1]t = V k .
где т]0— к. п. д. нового долота, принимаемый ориен тировочно 0,96—0,98;
k — логарифмический декремент убывания к. п. д. К моменту износа долота тц, уменьшаясь, может
достигать величины 0,45—0,35.
В турбинном бурении мощность затрачивается так
же |
на вращение |
долота в |
среде промывочной жид |
кости Nr. |
что NCK+ |
Ne. т + NT. т ~ 2NT. т, об |
|
При условии, |
|||
щая |
мощность, |
потребляемая долотом при роторном |
|
бурении (для вертикальных скважин),
Nr = — {Nраз + Nn + 2Nт, т),
или
А У - |
-I [4,6 • \0-*Рпоб |
+ |
|
+ 2,52 • 10- 7Япоб/п0г' (dm— |
x0j • sin2- ^ |
7- 4- |
|
+ |
2 ■1,28 ■lO-^TjzdkzPno6. |
(45) |
|
При турбинном бурении
ЛГд = ± (Nраз + Nn + 2NT. т) + Nr,
62
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N.д = |
і j^4,6 • |
10 sPno6 V ~Пzdt + |
|
||
+ |
2,52 • 10 |
1Pno6m0z’ (dw — - |x 0) X sin2- ^ |
+ |
||||
+ 2 • |
1,28 ■10-J/oTizdkzPn |
2,3 • |
10~21td5no6, |
(46) |
|||
где z’ — максимальное |
число зубьев на одном венце |
||||||
|
|
шарошки; |
|
|
долота; |
|
|
тіг— коэффициент перекрытая |
|
||||||
кг — коэффициент скольжения долота. |
|
||||||
Указанная методика, учитывающая сравнительно |
|||||||
большое |
количество |
факторов, |
влияющих на расход |
||||
мощности при |
бурении, |
представляет значительный |
|||||
интерес, |
однако |
пользование ею |
в производственных |
||||
условиях довольно сложно, так как необходимо знать много исходных данных и производить много вычис
лений.
Для определения мощности, потребляемой доло том, упрощенным методом воспользуемся формулами
(32) |
|
и (39), позволяющими учитывать скорость буре |
|
ния, |
характеристику буримой породы (ор, /0) и геомет |
||
рию рабочей поверхности шарошечного долота. |
|||
Tz |
Так как NÄ прямо пропорционально произведению |
||
или мощности, |
необходимой на бурение, то из фор |
||
мул |
(32) и (35) находим |
||
|
|
Nn = kTz |
cpd2\ tg 4 + Л'Vo -ß2) |
|
|
|
J 2,85 |
63
fg I + h |
Д |
|
или в киловаттах при---------- = |
|
|
sinT |
|
|
Nд = V pd2Л |
- ßa> |
(47) |
8,7 - 105Д |
|
|
где К — в данном случае коэффициент полезного дей ствия долота.
При бурении сплошным забоем (3= 0.
По мере сработки долота мощность, расходуемая на его работу, будет возрастать, так как увеличи ваются потери в опорах и на проскальзывание шаро шек. Учитывая указанные дополнительные потери мощности и опыты, проведенные Л. И. Штурманом [37] на промыслах Туймазанефть (табл. 5), где доло тами ЗТ № 12 разбуривались твердые породы кашир ской свиты с замером параметров режимов турбинно го бурения, представляется возможным определить ориентировочно общий к. п. д. на весь процесс буре ния. Мощность, потребляемая новым долотом, в сред
нем в 2 |
раза |
меньше, чем мощность, потребляемая |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5 |
|
При работе |
новым |
При работе срабо |
Отношение |
|||
Нагрузка |
долотом |
танным долотом |
|||||
|
|
|
|
|
|
N n. н |
|
на долото, |
|
|
|
|
|
|
|
кг |
лн. |
L H, |
^ Д .Н , |
«с» |
J - C |
" Д . с , |
Т‘ = ^Гс |
|
об}м ин м{4 |
кет |
об}м и н |
м}ч |
кет |
|
|
18000 |
760 |
6,4 |
45,7 |
375 |
3,7 |
67,9 |
0,68 |
15 000 |
790 |
5,2 |
44,2 |
510 |
3,9 |
76,7 |
0,58 |
12 000 |
820 |
4,0 |
39,8 |
600 |
3,0 |
81,7 |
0,49 |
10 000 |
340 |
3,2 |
32,4 |
655 |
2,4 |
71,1 |
0,46 |
5 000 |
850 |
1,5 |
14,8 |
785 |
1,0 |
78,4 |
0,39 |
64
сработанным долотом. При этом коэффициент чі —
Л'д. „
= jj— возрастает с увеличением осевой нагрузки
вследствие изменения числа оборотов долота.
Так как в опытах Л. И. Штурмана приведены крайние условия работы (новое и сработанное долото), а формула (47) учитывает среднюю скорость бурения,
то |
усредненное |
значение |
коэффициента |
К |
должно |
|||||
быть больше 0,5. По этим соображениям, |
а также на |
|||||||||
основании |
расчетных |
по |
формулам |
(47) |
и (46) вели |
|||||
чин мощности (табл. |
6) усредненное значение коэф |
|||||||||
фициента К принимаем равным 0,65. |
|
|
|
|||||||
|
Пример. |
Определить |
мощность, |
потребляемую |
долотом |
|||||
1В12МЛ, при |
следующих |
данных: aD=1000 кг/см2', |
/о = 0,5; |
|||||||
аг — 43°; z0 = 15; |
ß = 57°30'; |
d = |
295 мм; dm = |
190 мм; PQ= |
||||||
= |
10 000 кг; поб — 650 об/мин_ |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Работу удара зуба находим по формуле (7) |
|
|
|||||||
|
Т = 10 000 • |
— cos ^ |
sin 57°30' = 845 кг см. |
|||||||
|
Количество ударов определяем по формуле (8) |
|
|
|||||||
|
|
9Qн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г ~ ШЛ ' 1>5 - 17 • 650 = 25 600 уд/мин. |
|
|||||||
|
Скорость бурения определяем по формуле (32) |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
64 |
|
|
|
|
|
|
1,43 • 845 • 25 600 sin ~ |
|
|
|
|
||||
|
L = --------------- ---------------— = 16,8 см/мин. |
|
||||||||
|
|
29,52 . lOOoJtgy+ 0,5j |
|
|
|
|
||||
|
Тогда по формуле (47) мощность, потребляемая долотом, |
|||||||||
|
|
16,8 • 29,5а • |
1000 (tg ~ + |
0,5) |
, |
|
|
|||
|
ІѴД= |
-----------------------^ |
|
|
= 62,8 кет. |
|||||
|
|
|
8,7 . 105 • 0,65 sin у |
|
|
|
|
|||
5 |
799 |
65 |
|
Числооборотов |
п, |
Работаудара ,Тзубакг см |
Числодиамет ральныхударов зубьевв минуту |
Средняяско бурениярость формулепо (32), мин/см |
Мощностьпо формуле(47), кет |
Мощностьпо формуле(46), кет |
|
нового OÖ |
||||||
Іагрузка |
|
долота |
|
|
|
|
|
і долото, |
|
HUjM |
|
|
|
|
|
кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<#
18 000 |
760 |
1370 |
34 800 |
34,4 |
133 |
140,5 |
15 000 |
790 |
1190 |
36 200 |
31,1 |
120 |
126,7 |
12 000 |
820 |
950 |
37 600 |
35,7 |
9Э,2 |
ф |
105,44 |
||||||
10 000 |
840 |
795 |
38 500 |
22,1 |
85,4 |
90,46 |
5 000 |
850 |
396 |
39 000 |
11,15 |
43 |
45,5 |
Так как ІѴД прямо пропорциональна L и ор, а ско рость бурения L обратно пропорциональна ор, то при постоянной осевой нагрузке мощность (табл. 6), опре
деленная по формуле (47), |
становится не зависимой |
от крепости горной породы. |
Поэтому для расчетов при |
нята крепость пород ар = 880 кг/см2. Скорость бурения при этом определялась по формуле (32). При подсче тах Ыц по формуле (46) приняты: dCii = \,\d\ kz = 0,03;
т[г= П48; т = 2; тц = 0,72.
Некоторое несоответствие значений Nn, рассчитан ных по формулам (47) и (46), объясняется принятыми значениями диаметра скважин: в формуле (47) dCK== = d, в формуле (46) dCK— 1 ,\d.
Приведенные расчетные и опытные данные мощ ности подтверждают правильность формулы (47).
Таблица 6
Отклонения ре зультатов, полу ченных по фор мулам (47) и (46), % |
Число оборотов сработанного до лота п, об1мин |
Число диамет ральных ударов зубьев в минуту |
Средняя ско рость бурения по формуле (32), см/мин |
Мощность по формуле (47), кет |
Мощность по опытам Л. И. Штурмана (сработанное до лото), кет |
Отклонение ре зультатов, полу ченных по форму ле (47) от опыт ных данных % |
|
, |
|
|
|
\ |
|
|
|
—5,34 |
375 |
17 200 |
17,0 |
65,6 |
67,9 |
— 3,4 |
|
-5,3 |
510 |
23 400 |
20,1 |
77,3 |
76,7 |
+ |
0,79 |
—5,85 |
600 |
27 500 |
18,8 |
72,5 |
81,7 |
—11,3 |
|
—5,35 |
655 |
30 000 |
16,2 |
62,2 |
71,1 |
—12,1 |
|
-5,5 |
785 |
35 900 |
10,2 |
39,4 |
38,4 |
+ |
2,6 |
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШАГА ЗУБЬЕВ ШАРОШЕК
Потенциальные возможности рабочей поверхности шарошечного долота определяются величиной энер гии, прикладываемой к породе при каждом единичном акте взаимодействия зубьев шарошек с породой. Ра бота удара долота при внедрении зубьев в горную породу определяется по формуле (7). Работа, а следо вательно, и объем разрушения горной породы увели чиваются с увеличением осевого усилия, радиуса ша рошки и уменьшением количества зубьев z0 или уве личении шага зубьев. Следовательно, увеличение шага зубьев в известной мере способствует увеличению работы удара каждого зуба. При этом уменьшается удельный расход бурового инструмента и повышается
66
производительность бурения. Однако увеличение шага имеет предел, так как шарошка при большом шаге мо жет скользить по забою скважины, не перекатываясь. Возможность скольжения шарошки относительно забоя скважины появляется при несоответствии сил, дейст
вующих на острие зуба. При
|
нимая |
|
ровную |
поверхность |
|||||
|
забоя |
|
(рис. 29) скважины |
||||||
|
и учитывая силы, действую |
||||||||
|
щие |
в |
начальный |
момент |
|||||
|
внедрения |
острия |
зуба |
в |
|||||
|
массив |
горной |
породы |
Р |
и |
||||
|
Р0 в точке |
О, |
можем опре |
||||||
|
делить |
предельное |
расстоя |
||||||
|
ние между |
зубьями — шаг t. |
|||||||
|
Пользуясь |
силами |
Р |
и |
|||||
|
Р0 и перенося |
их в точку О, |
|||||||
Рис. 29. Схема к определе |
получим силу — Р, |
по |
мо |
||||||
дулю равную силе Р, и, |
сле |
||||||||
нию шага зубьев по фактору |
|||||||||
скольжения. |
довательно, |
Р0 И — Р 0. |
|
|
|||||
пару, И. следовательно, |
Силы Р и —Р |
образуют |
|||||||
момент |
пары сил |
|
|
|
|||||
/Ир --- PR sin Ѳ.
Момент сил Р0 и —Р0 будет
М0 = — P0R cos 0 = —Р0у .
Поворот острия зуба относительно точки О возмо
жен при условии, если Мр > |
М0. |
наступит при Мр — |
Предельное значение моментов |
||
~ м 0 |
|
|
PR sin 0 = |
Р02 |
, |
68
и, следовательно, |
|
|
Р = |
р°( |
(48) |
|
D i sin S ’ |
|
где Di — диаметр рассматриваемого венца. |
||
Скольжение зубьев |
шарошки без |
перекатывания |
возможно при условии, когда сила Р будет равна или
меньше сил |
трения |
||
|
|
|
F = P J0> P , |
и, |
следовательно, |
предельное значение шага с учетом, |
|
что sin Ѳ= У 1 — cos29 и cos Ѳ= ~ , будет |
|||
|
|
|
*>*\ |
|
|
(макс= /оД у ^ 1 — (-D f) • |
|
|
После некоторых преобразований окончательно по |
||
лучим |
|
|
|
, |
Djfo |
2. |
(49) |
^пред — у ^ |
|||
'о
Следовательно, по фактору скольжения /пред является функ цией двух величин
(рис. 30)
^пред = / ( Д о
определять tпред удобно с помощью ко эффициентов трения стали о породу при бурении с промывкой, которые, по данным
Рис. 30. Предельные значения шага зубьев по фактору скольжения:
/ - f o = |
0,G; |
2 - f „ = 0,5; 3 - / „ = 0,4; |
4 - / , = |
0,3; |
5 — U «= 0,2. |
69
проф. Куличихина Н. И. и Воздвиженского Б. И. [17], павньг.
Порода |
Коэффициент трения |
Кварцит |
0,35—0,6 |
Гранит |
0,4 —0,5 |
Песчаник кварцевый |
0,45—0,65 |
Известняк |
0,30—0,45 |
Мергель |
0,28—0,39 |
Глина |
0, 12— 0,2 |
Так как количество зубьев на венце может быть представлено в виде
nDi
*tпред
после подстановки в это выражение значения ^пред ПО“ лучим
_ *Ѵ і + /о |
(50) |
|
2мин — |
f------' • |
|
|
/О |
|
Отсюда следует, что минимальное число |
зубьев не за |
|
висит от диаметра венца и определяется только коэф фициентом трения (рис. 31).
Выражение (49) соответствует начальной стадии процесса бурения, когда лезвия зубьев не имеют при
тупления 0. |
По |
мере |
притупления лезвий зубьев |
|
(рис. 32) угол |
Ѳ' |
увеличивается, а |
следовательно, по |
|
вышается возможность |
скольжения |
зубьев шарошки. |
||
Это обстоятельство обязывает принимать несколько за вышенное минимальное количество зубьев. Ориентиро вочно можно рекомендовать
г = (1,03 1,05) zM„„
Величина шага зубьев, определяемая по фактору скольжения, является максимально допустимой и по-
70
называет потенциальные возможности, которые могут быть заложены в конструкцию долота.
Рациональный шаг зубьев зависит от физико-ме ханических свойств горных пород и с увеличением крепости последних должен уменьшаться, оставаясь мак симально допустимым с точ ки зрения прочности зубьев и эффективности разрушения
горных пород.
Для определения шага по фактору разрушения горных
" 0,1 |
0J |
0,5 |
0,7 |
0,9 / 0 |
|
Рис. |
31. |
Предельное |
коли |
Рис. 32. Изменение угла |
|
чество |
зубьев |
на |
венце |
приострения зубьев во вре |
|
шарошки |
в зависимости от |
мени. |
|||
/о по фактору |
скольжения. |
|
|||
пород воспользуемся тем, |
что количество углублений |
||||
в забое скважины, образуемых венцом зубьев шарошки
за один оборот долота,
___*(П+ га) т — t
где гх и г2— радиусы, ограничивающие разрушаемую кольцевую поверхность забоя;
t — шаг долота или шаг разрушения.
71