книги из ГПНТБ / Ударно-канатное бурение И. П. Зорин, А. М. Стороженко. 1960- 12 Мб

9

можно отметить классификации рудников бывшего треста Уралруда и Магнитогорского рудника.

Комиссией по буровзрывному делу при ИГД АН СССР

предложен проект единой классификации горных пород по буримости, в основу которой положена скорость бурения перфо­ раторами в единицу времени. По аналогии с этой классифика­ цией может быть разработана единая классификация по бури­ мости для станков ударно-канатного действия. Первая попытка в этом направлении сделана институтом Уралгипроруда, пред­ ложившим в 1957 г. классификацию, основанную на чистой ско­ рости бурения пород ударно-канатными станками.

Сопоставление шкал перечисленных выше классификаций приведено в табл. 3.

§ 3. ПРИНЦИП РАБОТЫ УДАРНО-КАНАТНЫХ СТАНКОВ

При ударно-канатном бурении буровой снаряд весом от 800 до 3000 кг периодически поднимается на некоторую высоту и затем, падая, наносит удары по забою скважины и разрушает породу. Высота подъема бу­ рового снаряда над забоем достигает 1,2 м, а частота ударов —60 в минуту.

Буровой снаряд 1 (рис. 1) подвешен на канате 2, ко­ торый перекинут через го­ ловной блок 3 мачты 4 бу­ рового станка, проходит под оттяжным блоком 5, огибает направляющий блок 6 и за­ крепляется на инструмен­ тальном барабане 7. Перио­ дические подъемы и паде­ ния бурового снаряда вызы­

1J

блок 5 поднимается и освобождает канат, а буровой снаряд почти свободно падает на забой скважины, развивая большуюживую силу.

Долото, нанося удар по забою скважины, дробит породу. В результате последующих ударов долота, поворачивающегося после каждого удара на некоторый угол, на забое скважины об­ разуются врубы. Порода при этом не только разрушается, но и скалывается в сторону ближайшего вруба. Поворот бурового снаряда после каждого удара обеспечивает равномерное разру­ шение породы и измельчение ее по всему забою скважины, а также получение цилиндрической формы скважины.

Во время бурения .в скважину подлив'ают воду, вследствие чего наиболее тонко измельченная часть породы переходит вовзвешенное состояние, образуя так называемый шлам, который периодически вычерпывают из скважины с помощью желонки.

По мере углубления скважины длину рабочей части буро­ вого каната увеличивают постепенным поворачиванием инстру­ ментального барабана. При этом длину рабочей части каната регулируют так, чтобы в крайнем верхнем положении оттяж­ ного блока долото висело над забоем скважины на определен­ ной высоте.

§ 4. ТЕОРИЯ УДАРНО-КАНАТНОГО БУРЕНИЯ

Первым исследователем ударного бурения был проф. Н. С. Успенский. В 1908 г. он впервые дал глубокий математи­ ческий анализ процесса работы долота при ударе о забой сква­ жины, разработал вопросы прочности буровых штанг, а также теоретические вопросы промывочного .процесса, 'которые до на­ стоящего времени принимаются в основу расчетов новых буро­ вых машин и бурового инструмента. Основные положения тео­ рии ударно-канатного бурения изложены Н. С. Успенским в книге «Курс глубокого бурения ударным способом», издан­ ной в 1924 г.

В связи с тем, что до настоящего времени нет общепринятой: теории ударно-канатного бурения, мы приводим теорию- Н. С. Успенского с дополнениями, внесенными трудами других специалистов.

При ударном бурении используется кинетическая энергия падающего бурового снаряда. На полезную работу долота за­ трачивается лишь часть этой энергии, остальная же расходуется:

1) на преодоление трения бурового снаряда о стенки скважины;

2) на преодоление сопротивления жидкости, находящейся

вскважине;

3)на бесполезное дробление частиц породы, лежащих назабое скважины и уже отделенных от него;

4)на деформацию бурового снаряда;

5)на бесполезную деформацию грунта забоя скважины...

12

Н. С. Успенский считал, что некоторые из этих потерь (на­ пример, в п. 3 и 5) совершенно не поддаются подсчету, а поте­ ри, отмеченные в п. 1 и 2, учесть весьма трудно из-за их непо­ стоянства. Вследствие этого при выводе своих формул он ввел следующие упрощения:

1) скважина строго вертикальна, а долото настолько точно центрировано, что доходит до самого забоя скважины, совершен­

сечения снаряда; Z — длина снаряда.

Если найти значение <р(Р), выражающее зависимость меж­ ду Р и сопротивлением, которое преодолевает на забое долото, то из уравнения

деформацию бурового снаряда.

Допустим, что у долота нет боковых перьев и имеется пря­ мое лезвие длиной, равной диаметру долота d, и с углом приострения а. Под действием силы Р, направленной по оси долота (рис. 2), последнее внедряется в породу, раздвигая и раздав­

13

ливая ее частицы до тех пор, пока вся живая сила долота не будет израсходована на разрушение породы и преодоление вредных сопротивлений.

В работе долота будем различать два периода. Первый, когда оно погружается в породу. Лезвие долота, как бы остро оно заточено не было, представляет собой некоторую поверх­ ность. Обозначив через й! горизонтальную проекцию этой по­ верхности, получим следующее условие для возможности на­ чального погружения долота

(3)

где ав — сопротивление породы раздавливанию. Сопротивление породы раздавливанию довольно значительно

(частицы породы находятся в зажиме) и поэтому со! должна быть мала. Иначе говоря, лезвие бура или долота должно быть надлежащим образом отточено и закалено.

Во.второй период удара долото будет работать уже как клин. Предположим, что оно углубилось в породу на величину Н. Часть силы Р пошла при этом на раздавливание породы, а часть — на трение о породу щек долота. Пусть V — реакция сжатой породы, a W — сила трения каждой щеки долота. Раз­ ложив силу V яа две составляющие N, перпендикулярные к ще­ кам, получим:

14

Вертикальная слагающая V, как сказано выше, погло­ щается реакцией породы. Горизонтальная проекция а>1 поверх-

порциональна силе удара Р, обратно пропорциональна диамет­ ру скважины *d и сопротивлению породы раздавливанию сгв и возрастает с уменьшением угла а. Работу же силы Р за время этого удара (при изменении силы от Р до нуля) - можно вы­ разить

Рассмотрим действие второго удара, когда долото предва­ рительно повернуто на некоторый угол около своей вертикаль­

ной оси. Углубляя вторую борозду cd (рис. 3), оно будет теперь одновременно скалывать сектор породы аос и dob.

стороне его вторая сила Н С1 уничтожается сопротивлением по­ роды в ее сплошном массиве.

Hz = R sin ^90° — у — И = Я cos Ay + ф) = у ctg fy- + <Л (11)

* Теоретически диаметр скважины принимается равным диаметру долота.

15

Таким образом, сила Нс также пропорциональна силе уда­

п

каждом ударе будет скалывать два сектора породы общей пло­ щадью

преодолевая при этом сопротивление породы скалыванию, рав-

Tcd2

ное —К, где К— коэффициент, учитывающий сопротивление

породы скалыванию. Но скалывающая сила Нс должна будет,

кроме того, сколоть породу по ас и bd, т. е. по поверхности части цилиндра высотой h, и, следовательно, преодолеть сопро­

тивление — hK- Отсюда получим:

16

Число ударов уменьшается, т. е. угол поворота долота можно брать больше с возрастанием силы Нс, которая, в свою оче­ редь, пропорциональна силе Р. Но угол поворота следует уменьшать с возрастанием диаметра скважины и сопротивле­ ния породы скалыванию. При слишком малом угле поворота происходит бесполезное дальнейшее дробление уже сколотых частиц породы. Слишком же большой угол поворота влечет за собой неполное скалывание породы, неровности на дне сква­ жины и отсюда неправильные удары долота. Обычно угол поворота долота определяют опытным путем; зависит он от длины каната и его способности раскручиваться.

Сопоставляя формулы (11), (13) и (8), Н. С. Успенский показывает, что требуемая сила удара Р при прочих равных условиях прямо пропорциональна квадрату диаметра скважины, или расход энергии на бурение прямо пропорционален площади

Из данных табл. 4 и рис. 5 следует, что V с увеличением а, хотя и медленно, но все же возрастает и достигает своего макси­ мума при а=180°, когда V=P. Величина же Нс с возраста­ нием угла а сравнительно быстро уменьшается и при а=150° обращается в нуль.

С возрастанием же твердости породы угол приострения лезвия долота увеличивают и при очень крепких породах доводят иногда до 120—140°.

Условие для свободного подъема долота определяется из выражения

ср < или а > 2ср. (15)

Так как ср изменяется от 10 до 20°, то amin =20-? 40°. Вели­ чина угла трения стали о породу для песчаников и сланцев Донецкого бассейна, составляет от 11°,5 до 15°,75, причем увели­ чению твердости пород соответствует уменьшение ср.

Угол приострения лезвия дслотаеН^град

Рис. 5. Зависимость скалывающей силы и силы реакции породы от угла приострения лезвия долота

Для долота с углом приострения лезвия 90° были получены

Таким образом, колебания величин угла трения ср сказы­ ваются на производительности бурения.

Изменение ср вызывает изменения величин ов и К и может быть обнаружено только специальными опытами.

Далее Н. С. Успенский приводит формулу для определения угла поворота долота

Л V -tg vtg'p)CB

18