Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
111
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
7.63 Mб
Скачать

Число ударов m в минуту зубьев венца шарошки по горной породе забоя определяется по формуле

m = nш k = inдk,

где i - передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота, nш, nд – частота вращения шарошки и долота.

Время контакта зуба долота с горной породой при ударе τк при от-сутствии проскальзывания определяется формулой

τк = 60/m = 60 / inдk

Энергия удара, наносимого одним зубцом по забою, определится выражением 

Wд = mg Rшsinα ·(1 – cos θ/2).

Кроме переносного и относительного движений (вращение вокруг оси долота д, вращение вокруг оси шарошки ш, соответственно) шарошка участвует и в поступательном движении вдоль оси долота (эта состав-ляющая всегда меньше первых двух и ею можно пренебречь в дальней-шем). Из теоретической механики известно, что сложное движение, получаемое при сложении двух вращательных движений, совершающихся вокруг пересекающихся осей, является также вращательным, совершае-мым вокруг мгновенной оси вращения.

Величина абсолютной мгновенной угловой скорости вращения шарошки определяется выражением

 = [д2 + ш2 + 2дш cos(дш) ]0,5.

Мгновенная ось вращения, по направлению которой располагается вектор абсолютной мгновенной угловой скорости, проходит через точку пересечения осей двух слагаемых вращенийд и ш (рис. 22).

Окружная скорость Vш произвольной точки, лежащей на образующей конуса, контактирующей с плоскостью забоя, относительно плоскости забоя определяется выражением Vш = шr, где r - радиус вращения рассматриваемой точки относительно оси шарошки. Вектор скорости Vш направлен в сторону вращения шарошки.

Величина линейной переносной скорости Vд этой же точки определяется произведением Vд = дR, где R - радиус вращения точки относительно оси скважины. Вектор Vд направлен в противоположную вектору Vш сторону.

Абсолютная скорость рассматриваемой точки называется скоростью скольжения Vск, она определяется векторной суммой:

Vск = Vш + Vд 

или

Vск = шr - дR.

Частное iд = д / ш определяет передаточное отношение долота. Если представить шарошку в виде пирамиды (одноконусная шарошка), вершина которой находится на оси долота и которая опирается последовательно при качении на зубья, то тогда iд r / R = const (для всех венцов). Это означает, что для такого случая Vск = 0, т.е.скольжение отсутствует. Такие шарошки называют шарошками чистого качения. При перекатывании шарошки по горной породе между последней и зубом шарошки возникает трение качения, а не трение скольжения (как в случае резания горной породы лопастным долотом), поэтому абразивный износ шарошек существенно меньше. Разрушение горной породы забоя скважины эти шарошки осуществляют дроблением, возникающим в результате удара зубца по забою, и последующим смятием-раздавливанием горной породы при внедрении зубца в забой.

Для обеспечения скольжения вооружения долота вдоль забоя и появления у вооружения скалывающей способности должно выполняться условие i = (R/r) const. Это условие выполняется при выносе вершины конуса за ось долота на величину f, смещением осей шарошек относительно центра забоя (оси долота) в плане на величину , многоконусостью шарошек.

Работа многоконусных шарошек, шарошек со смещенными осями вращения, имеющими смещение осей относительно оси долота в плане, имеет более сложную кинематику, так как кроме перекатывания шарошки по забою происходит еще и кратковременное проскальзывание зубьев вдоль забоя без вращения шарошки вокруг своей оси. Проскальзывание приводит к резанию (если порода пластичная) или резанию-скалыванию (если порода упругохрупкая) поверхностного слоя горной породы забоя.

При движении многоконусной шарошки, например, по забою мгновенная ось вращения проходит через точку пересечения осей складываемых вращений и через нескользящую точку, расположенную на образующей того конуса, который контактирует с забоем. По известной величине абсолютной мгновенной угловой скорости щарошки величина скорости скольжения определится формулой Vск = ·rm, где rm - расстояние от мгновенной оси вращения до контактирующего с забоем зуба. Скорость скольжения тем больше, чем больше rm. На участке образующей, расположенной влево от нескользящей точки, скольжение происходит против направления вращения долота. Такое скольжение считается отрицательным. На участке, расположенном правее несколь-зящей точки, скольжение считается положительным, т.к. направлено в сторону вращения долота.

Величина

Vск / Vд = ск

определяет способность долота разрушать горную породу скалыванием и называется степенью скалывания.

Отношение

Vш / Vд = д ,

называемое степенью дробления, определяет способность долота разру-шать горную породу дроблением.

Степень проскальзывания шарошек со смещенными осями вращения характеризуется коэффициентом скольжения (проскальзывания) Кск, вели-чина которого определяется отношением суммарной площади проскаль-зывания зубьев за один оборот долота Sск к площади всего забоя скважины Sз:

Кск = Sск / Sз.

В зависимости от конструкции долота величина коэффициента сколь-жения изменяется от 0,1  (для твердых пород) до 20 % (для мягких пород). Увеличение коэффициента скольжения достигается использованием мно-гоконусных шарошек со смещением их осей относительно оси долота. По-явление трения скольжения вызывает существенный рост абразивного из-носа таких долот.

3.4.4. Разрущение горных пород долотами дробяще-скалывающего действия. Дробящая способность шарошечного долота обеспечивается перекатыванием шарошек по забою с зуба на зуб. Это обеспечивает вертикальное перемещение не только долота, но и всей бурильной колон-ны. По этой причине на горную породу забоя действует динамическая нагрузка Fд во время удара зуба долота по забою, а затем и статическая нагрузка Fст, обеспечивающая дальнейшее внедрение зуба в поверхность забоя. Суммарная нагрузка на забой F = Fд + Fст, отнесенная к величине статической нагрузки, определяет коэффициент динамичности:

k = F / Fст.

Коэффициент динамичности возрастает с увеличением твердости гор-ной породы, шага зубьев и частоты вращения долота. При разбуривании мягких, средних и твердых горных пород величина коэффициента дина-мичности принимает следующие значения: 1.1, 1.2, 1.3, соответственно.

Эффективность разрушения горной породы на забое скважины под действием усилий Fд , Fст снижается с возрастанием пластических свойств горных пород. Разрушение горных пород на забое глубоких скважин инструментом, вызывающим дробление, обеспечивает малую величину механической скорости.

Под действием ударной нагрузки, направленной под углом к плоскости забоя и превышающей сопротивление горной породы ударному разрушению, происходит ее дробление и образование лунки в результате скола.

И в состоянии устойчивого и неустойчивого положения шарошки под торцом зуба в горной породе возникает напряженное состояние сжатия. Напряжения сжатия в породе достигнет большей величины при опоре шарошки на один зубец. Если при этом возникающие контактные давления превысят сопротивление породы вдавливанию (Pк > H), то горная порода под пятном контакта разрушится, возникнет лунка.

Перекатывание шарошки по забою с зуба на зуб не является единственной причиной появления динамической нагрузки. Так как нагру-жаемая горная порода забоя скважины практически всегда неоднородна и в каждый момент времени зубья долота находятся в контакте с забоем в разных сочетаниях, то все это приводит к неравномерному разрушению горной породы. При этом возникают колебания с более низкой частотой, но с большей амплитудой, чем при перекатывании шарошки с зуба на зуб.

При работе шарошечного долота различают следующие колебатель-ные процессы:

а) высокочастотные, появление которых вызвано зубчатостью шарошек,

б) среднечастотные, природа которых связана с изменением во времени числа взаимодействующих с поверхностью забоя зубьев долота,

в) низкочастотные, обусловленные возникновением вследствие неоднородности строения горных пород и их дефектности ухабов на забое скважины.

Как уже отмечалось, скалывающая способность шарошечных долот обеспечивается смещением осей вращения шарошек в плане на величину в направлении вращения долота, выносом вершин шарошек за ось долота, многоконусностью шарошек. Возникающее скольжение элементов вооружения увеличивает объём разрушаемой горной породы за один оборот долота, приводит к росту механической скорости бурения.

Примерная величина смещения осей шарошек относительно центра забоя (оси долота) у долот различного типа следующая: у долот типа М смещение равно 8 мм и более (высокая скалывающая способность), типа С – 5 мм (средняя скалывающая способность), типа Т – 0,05 мм (низкая скалывающая способность). Использование при разбуривании твердых горных пород шарошечных долот с низкой скалывающей способностью связано как с увеличением сопротивления горной породы скалыванию, вызываемого сдвигом, при росте твердости горной породы, так и с ростом изнашивания вооружения долота. Последнее особенно заметно при бурении абразивных горных пород. Положительной стороной скольжения вооружения вдоль забоя является и улучшение очистки забоя от шлама.

Эффективность разрушения горных пород на забое скважины в нас-тоящее время связывают с улучшением триботехнических свойств промы-вочной жидкости (снижение трения между горной породой и зубом доло-та).

Соседние файлы в папке Пособие2