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

Пользование этой формулой, однако, требует предваритель­ ного определения h, и К, что на практике является затруд­ нительным.

Определяя отношение f(p\—у, Н. С. Успенский находит, что

для частного случая (</=50 см\ а=90°; <p=il5°; сгв=2000 кг/см2) потери энергии на деформацию бурового снаряда составляют 32% и возрастают с увеличением крепости породы.

Полагая, что .вся живая сила, развиваемая при падении бу­ рового снаряда на забой скважины, расходуется на работу по деформации этого снаряда, можно написать

или

Основываясь на теории Н. С. Успенского, можно аналити­ ческим путем определить допустимую скорость падения буро­ вого снаряда на забой скважины, его предельную высоту падения и величину напряжений, возникающих в ударной штанге, а также подобрать рациональные размеры поперечного сечения ударной штанги и другие параметры.

Врезультате исследований Н. С. Успенский пришел к вы­ воду, что производительность бурения обратно пропорциональна квадрату диаметра скважины, прямо пропорциональна силе удара и уменьшается с увеличением угла приострения лезвия долота.

Всвоей теории Н. С. Успенский исходил из предположения, что скважины бурят в абсолютно однородной, массивной и плотной горной породе, т. е. в изотропной среде. На практике работа долота на забое происходит в условиях переменной трещиноватости и переслаивания крепких и мягких пород при различных углах их падения, мощности и т. д. Если долото наталкивается на трещину не прямо, а под углом, оно откло­ няется в сторону от своей оси и поворачивается вокруг оси скважины. В результате получается рикошетный удар, так на­ зываемый «отбой», при котором долото не засекает падающего под углом контакта крепкой породы или трещины. Это сни­ жает производительность бурения, приводит к искривлению

скважины, а иногда 'влечет за собой поломки бурового инстру­ мента. Для выяснения причин отклонения и поворота долота около оси скважины проф. П. А. Слесарев предложил метод наблюдения за положением долота на забое с помощью зер­ кальных отображений.

Проф. П. А. Слесарев теоретически обосновал эволюцию зубильной формы долота и доказал бесспорные преимущества фасонной его формы [36, 40]. В настоящее время на большин­ стве карьеров для ударно-канатного бурения скважин приме­ няют долота фасонной формы.

Уравнение наибольшей силы удара свободно падающего бурового снаряда при ударно-канатном бурении Н. С. Успен­ ский выводит из предположения, что вся энергия расходуется

верно. При ударно-канатном бурении, особенно в крепких породах, наблюдаются значительные сотрясения массива обуриваемых пород. Следовательно, массив поглощает часть энергии удара, и если учесть ее, то силу удара можно определить более точно, а это имеет большое значение при конструировании бурового станка и определении его производи­ тельности.

Обозначая энергию, поглощаемую массивом и зависящую от

где Ei — модуль упругости породы на сжатие, кг/см2; А —углубление долота за один удар, см.

эо

В эту формулу сила удара Р и углубка h входят как неопределенные величины. Чтобы получить числовое решение, необходимо определить расход энергии при ударе на упругую деформацию бурового снаряда f(P) и полезную работу буре­ ния ср(Р). Тогда, исходя из баланса расходуемой энергии удара при бурении

снаряда В. И. Егоров находит из расчетной схемы продольного удара свободно падающего стержня [13].

После соответствующих математических преобразований, В. И. Егоров получает формулу для определения расхода энер­

Далее он определяет силу удара бурового снаряда.

Расход энергии на полезную работу бурения он принимает согласно теории проф. Н. С. Успенского

Подставляя значение h, полученное по формуле Н. С. Успен­ ского (8), в уравнение (26), находим расход энергии на полез­ ную работу бурения

Обозначая — =НПП, где Нпп—приведенная высота паде-

2g

ния бурового снаряда с учетом сопротивления шлама, и заменяя в формуле (23) h его значением из формулы (8), получаем

21

Обозначая:

(29)

формацию бурового снаряда [формула (25)]; расход энергии на полезную работу бурения [формула (26)] и поглощаемую мас­ сивом энергию [формула (23)].

Для примера С. И. Егоров построил график расхода энергии при бурении скважины диаметром 200 мм (рис. 6). В качестве исходных данных им приняты: вес бурового снаряда 1315-кг, его длина 950 см, приведенная высота падения 67 см. Модули

Из графика (рис. 6) вытекает:

поглощаемая массивом энергия ф(Р) для пород крепостью

почти постоянным и значительно меньше поглощаемой масси­ вом энергии и полезной работы бурения;

полезный расход энергии <р(Р) для пород крепостью / = = 13 4- 20 весьма низок;

кривые ф(Р) и ф(Р)', изображающие соответственно погло­ щаемую массивом энергию и полезную работу бурения, сим­ метричны. Это объясняется относительно малым расходом энер­ гии на упругую деформацию бурового снаряда.

Кривая h характеризует величину углубления долота при каждом ударе в зависимости от крепости породы и может быть использована для расчета производительности буровых станков.

22

Таким образом, исследования В. И. Егорова, дополняя и углубляя теорию проф. Н. С. Успенского, позволяют определить баланс энергии удара при ударно-канатном бурении и найти

Рис. 6. Зависимость расхода энергии удара бурового снаряда и углубки долота от крепости пород

ударе не учитывает ряд потерь при падении бурового снаряда в скважине и влияние на значение составляющих этой фор­ мулы параметров режима бурения. В формулу (24) необхо­ димо ввести еще одну составляющую для учета других потерь энергии при падении снаряда

23

Глава II

СТАНКИ УДАРНО-КАНАТНОГО БУРЕНИЯ, БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ, ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ И ЛИКВИДАЦИЯ АВАРИЙ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Для обеспечения высокой производительности при бурении скважин необходимо, чтобы станки ударно-канатного бурения:

имели двигатель с регулируемым числом оборотов для воз­ можности изменения числа ударов бурового снаряда в пределах от 35 до 70 в минуту. Двигатель, помимо этого, должен быть реверсивным и при необходимости заменяться двигателем внут­ реннего сгорания (в обоих случаях передача движения от дви­ гателя к рабочим частям не должна быть сложной);

строились по принципу, при котором управление станком и рычаги включения всех передач сосредоточивались бы в одном месте и располагались на рабочей площадке (включение от­ дельных механизмов должно производиться без остановки двигателя);

при сравнительно небольших габаритах и умеренном весе были достаточно устойчивыми в эксплуатации и передвижении, обладали высокой прочностью и надежностью в работе;

были самоходными и мобильными.

В конструкции станка должны быть предусмотрены такие звенья, которые позволяли бы в определенных пределах изме­ нять его рабочие параметры.

§ 1. КИНЕМАТИКА ДОЛБЕЖНОГО МЕХАНИЗМА

Сопротивление скальных горных пород удару (динамическая твердость) примерно в 8—9 раз меньше сопротивления их мед­ ленному нажатию (естественная твердость). Иначе говоря, при ударе долото легче внедряется в твердую породу, и чем больше сила удара, тем глубже внедрение долота.

25

Силу удара бурового снаряда о забой скважины можно определить по формуле

где S — высота падения (ход) бурового снаряда.

Из формулы (34) следует, что чем больше высота падения бурового снаряда, тем больше его внедрение в породу и тем энергичнее происходит ее раздавливание и скалывание.

Долбежный механизм (рис. 7) станка ударно-канатного бу­ рения представляет собой четырехзвенную шарнирную систему, обеспечивающую несимметричность ударного кривошипно-ша­ тунного механизма, т. е. разную величину углов поворота кривошипа. Степень несимметричности шарнирной системы за­

шипа /4 и радиуса качания оттяжного блока /5. Эти соотношения бывают различными у станков разных типов; с изменением в одном и том же станке рабочей длины кривошипа они колеб­ лются в определенных пределах (рис. 7,6 и в). Конструктив­ ные особенности и технические возможности бурового станка приведены в табл. 5.

Соотношения между длинами отдельных звеньев криво­ шипно-шатунного механизма (второго рода) по схеме шарнир­

Оттяжной блок, укрепленный в точке Е на конце' ударной балки, при вращении кривошипа перемещается вверх и вниз по

дуге, описанной радиусом Z5 (рис. 7, а). Точка (рис. 7, б и в)

соответствует крайнему верхнему положению оттяжного блока, а Еп —крайнему нижнему положению, когда кривошип и

26

I

I i

i

I

i i

верхнем и II — в нижнем крайних положениях ударного механизма

27

Таблица 5

Техническая характеристика буровых станков

шатун лежат на одной прямой. Наибольшее удаление ударной балки от центра кривошипа АС = 1\ + 1ъ, а наикратчайшее —

АСп =/2 — /1.

Перемещение оттяжного блока из крайнего верхнего поло­ жения £( в крайнее нижнее £п соответствует перемещению

кривошипного пальца В по дуге zyBn , длина которой больше

половины окружности и выражается величиной центрального угла 180°+а! —ан, а также периоду опускания ударной балки.

Эту часть полного оборота кривошипа, выраженную в процен­ тах, обозначим через Хр

^«100-Х,. (39)

28