БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

Расчётное значение этого параметра уточняется практически в процессе бурения скважин.

3.2.5. Энергия, затрачиваемая на процесс разрушения горных пород при ударно-канатном способе бурения скважин

Энергия, затрачиваемая на РГП при ударно-канатном способе бурения, формируется при подъёме бурового снаряда, имеющего определённый вес QБС, на некоторую высоту l и реализуется при его свободном падении.

К моменту удара величина этой энергии определяется выражением

где QБС − вес бурового снаряда, даН; l − высота, с которой сбрасывается (падает) снаряд, м; g − ускорение силы тяжести массы в условиях скважины, м/с2.

Масса снаряда и высота его падения для конкретных условий являются величиной задаваемой, а ускорение силы тяжести в условиях скважины существенно меняется по целому ряду причин, главной из которых является: сопротивление сил трения снаряда о породу в стенках скважины и среды, в которой работает ударный снаряд. Обычно это жидкость (вода), которая в процессе бурения обогащается твёрдыми частицами разрушаемой породы, за счёт чего некоторые её свойства существенно меняются. Прежде всего, увеличивается плотность (удельный вес) жидкости и её вязкость, что приводит к повышению сопротивления, падению снаряда и снижению величины ускорения g.

Практика показывает, что величина g может снижаться до 6,5…4,5 м/с2 (к концу бурения). Это следует учитывать при оценке уровня затрачиваемой энергии на РГП.

При этом следует учитывать, что формирующаяся при падении снаряда энергия затрачивается на деформацию (сжатие) самого бурового снаряда и только часть её на РГП. В практике обычно принимается, что 1/2 часть энергии тратится на деформацию бурового снаряда, а вторая половина на РГП.

Тогда в формулу (3.71) следует при определении энергии на РГП ввести поправочный коэффициент К:

где К = 0,5.

Кроме того, для формирования этой энергии буровой снаряд должен быть поднят на определённую высоту l, на что затрачивается также некоторая энергия или мощность, определяемая выражением

где К1 – коэффициент, учитывающий прихваты бурового снаряда при его подъёме (К1=1,15…1,3); К2 − коэффициент, учитывающий динамику работы ударной системы (К2=1,10…1,25); QБС − вес бурового снаряда, даН; VСР − средняя скорость движения оттяжного ролика ударного механизма бурового станка; η − коэффициент полезного действия ударного механизма (η = 0,7–0,6).

141

3.3.Разрушение горных пород инструментом

срезцами из твёрдого сплава режуще-скалывающего действия (РеСкД) при вращательном способе бурения скважин

3.3.1.Общие сведения, конструктивные элементы ПРИ и резцов

При вращательном бурении скважин разрушение горных пород, рыхлых, мягких и средней твёрдости, пластичных и упругопластичных, реализуются процессы резания или резания-скалывания породы.

Породоразрушающие инструменты (ПРИ) для вращательного бурения в таких породах могут иметь форму кольца с зубьями или резцами, выполняющими роль рабочих органов породоразрушающих элементов (рис. 3.33, а), или форму лопастей с лезвиями (сплошными или прерывистыми) в виде одностороннего клина

(рис. 3.33, б, в).

Рис. 3.33. Породоразрушающие инструменты режуще-скалывающего действия:

а − коронка; б, в − долото: 1 − корпус инструмента; 2 − режущие элементы (резцы); 3 − присоединительная резьба; δ1, δ2, δ − величина выхода резцов из корпуса коронки

Для реализации процесса РГП средней твёрдости и твёрдых применяются породоразрушающие элементы (ПРЭ) режуще-скалывающего типа из твёрдого сплава, имеющие обычно форму одноили двухстороннего клина и получившие название резцов (рис. 3.33, а).

142

Резцы характеризуются определёнными конструктивными элементами (рис. 3.34): передняя и задняя грани 1, 2, образующие режущую кромку − лезвие 3; боковые грани 4; торцовая грань (верхняя) 5 и параметрами: а − толщина резца; b − ширина резца (длина лезвия); с−высотарезца; α −уголприострения; ϕ −уголнаклоналезвия.

Положение резцов относительно плоскости резания 6 (забоя) определяется уг-

лами γп, γз, βр (рис. 3.34, г–е).

Передний угол γп определяет положение передней грани по отношению к плоскости резания и является углом между перпендикуляром к плоскости резания и передней гранью резца.

Задний угол γз определяет положение задней грани относительно плоскости резания.

Сумма углов α и γз, определяющая положение передней грани относительно

Рис. 3.34. Геометрические формы резцов и их элементы:

1 − передняя грань; 2 − задняя грань; 3 − лезвие; 4 − боковые грани; 5 − верхняя торцевая грань; 6 − плоскость резания; FP − сила резания

143

Передний угол γп и, соответственно, угол резания βр могут иметь разные значения:

βр = 90°, γп = 0 (рис. 3.34, г);

+βр = 90° – (+γп) (рис. 3.34, д);

–βр = 90° + (–γп) (рис. 3.34, б, е); +βр + (+γп) = 90° (рис. 3.34, д).

3.3.2. Теоретические основы процесса РГП резцами из твёрдых сплавов в забое кольцевой формы

При вращении ПРИ, оснащённого несколькими резцами, каждый из них под действием осевой нагрузки G0 и силы резания FР внедряется в породу на некоторую величину h и, перемещаясь в плоскости резания, снимает слой породы − стружку

(рис. 3.35).

Породоразрушающий инструмент при этом совершает два вида движения: вращательное и поступательное по мере углубки скважины. Путь каждого резца в этом процессе представляет собой спираль (винтовую линию) с определённым ша-

гом l (рис. 3.36).

В связи с очень небольшой глубиной внедрения резцов шаг винтовой линии имеет весьма незначительную величину по сравнению с радиусом r, а также незначительным будет и средний угол наклона (γ, ϕ) плоскости резания-скалывания

(см. рис. 3.35, 3.36).

Рис. 3.35. Схема разрушения породы резцами при вращении ПРИ режуще-скалывающего действия:

1 – резцы; 2 – слой пластически деформируемой породы; 3 – слой срезаемой (скалываемой) породы; 4 – элементы породы, скалываемые резцами (шлам); 5 – корпус ПРИ

Поэтому практически плоскость резания принимается перпендикулярной к оси скважины. По мере износа (притупления) резцов глубина их внедрения уменьшается, в связи с чем уменьшается и шаг винтовой линии li.

Таким образом, при оснащении ПРИ несколькими резцами, располагающимися по линиям резания, каждый из них, находящийся в контакте с породой, работает на углубку забоя, как это показано на рис. 3.35.

144

Основными процессами разрушения породы при работе ПРИ рассматриваемого типа в зависимости от характера пород являются: смятие, раздавливание, реза- ние-скалывание и частично истирание.

Под резанием горной породы понимается процесс непрерывного отделения слоя пластичной породы или стружки режущей кромкой внедрившегося в забой резца породоразрушающего инструмента при его вращении (рис. 3.36).

Под скалыванием (сдвигом) подразумевается периодическое (неритмичное) отделение элементов (кусочков) пластично-хрупкой или упругохрупкой горной породы внедрившимся в забой породоразрушающим инструментом при его перемещении вдоль забоя.

Рис. 3.36. Схема движения резца в процессе резания-скалывания породы:

1 – положение плоскости резания; 2 – резец

Смятием-раздавливанием является процесс разрушения породы без отделения ее от массива с полным или частичным нарушением связей и небольшим количеством продуктов разрушения в дезинтегрированном виде.

В процессе резания породы (по аналогии с резанием металлов) может формироваться стружка разного вида – сливная или стружка сдвига, а в процессе резанияскалывания − стружка скалывания или отрыва.

Сливная стружка (рис. 3.37, а) образуется при резании пластично-вязких пород (увлажнённые глины) и представляет собой сплошную ленту, состоящую из отдельных, слегка сдвинутых друг относительно друга элементов без разрыва сплошности, но с проявлением в значительной степени пластической деформации.

Стружка сдвига (рис. 3.37, б), или ступенчатая, формируется в результате последовательного сдвига элементов, не теряющих полностью связи между собой. Такая стружка, очевидно, может образовываться при резании хрупкопластичных пород с проявлением элементов пластической деформации.

145

Стружка скалывания, или отрыва (надлома), образуется при разрушении твёрдых упругохрупких пород путём последовательного отрыва элементов породы, полностью теряющих связь между собой. Пластических деформаций при этом практически не происходит (рис. 3.37, в). Такую стружку называют элементной.

Рис. 3.37. Характерные формы стружки при резании-скалывании породы:

а – сливная; б – стружка сдвига; в – стружка скалывания: 1 – отделяемые элементы породы – стружка; 2 – резец; 3 – плоскость резания

С учётом механизма (процесса) разрушения горной породы ПРИ с вооружением в виде твёрдосплавных резцов с определённым углом приострения относится к инструменту режуще-скалывающего действия (РеСкД).

Здесь следует отметить, что процесс РГП при вращении ПРИ условно можно разделить на два этапа: первый − внедрение резцов в породу под действием только осевой нагрузки G0 и второй − отделение элементов породы (стружки) под действием силы резания FР.

Рассмотрим эти два процесса раздельно.

Разрушение горной породы резцом из твёрдого сплава под действием только осевой нагрузки

Процесс РГП резцами из твёрдого сплава наглядно воспроизводится при внедрении резца под действием только осевой нагрузки G0 (рис. 3.38). В породе при этом, как и при внедрении индентора, под торцом резца в некотором объёме в период действия силы G0 формируются упруго-пластические деформации (рис. 3.38, I).

По мере увеличения нагрузки G0 до величины, превышающей сопротивление породы разрушению, происходит погружение резца на величину h (рис. 3.38, II, III).

146

В связи с асимметричностью формы резца, имеющего наклонную заднюю грань, его внедрение происходит со смещением в сторону передней грани (рис. 3.38, I, II, III). Такому перемещению резца способствует ещё и то, что величина сопротивления породы сжатию σСЖ существенно больше, чем скалыванию σСК передней гранью резца: σСЖ >σСК.

Рис. 3.38. Схема внедрения резца в породу под действием осевой нагрузки G0:

1 – резец; 2 – слой пластически деформированной породы; 3 – слой раздавленной породы; 4 – элементы скалывающейся породы;

I, II, III – этапы внедрения резца при действии осевой нагрузки G0

Как показывают исследования, в процессе внедрения режущей кромки инструмента (резца) в породу происходит ее смятие и раздавливание задней гранью резца. При этом часть разрушенной породы вытесняется из-под задней грани в виде тонкораздробленной массы. Кроме того, при внедрении резца происходит скалывание (сдвиг) элементов породы перед резцом и в боковых направлениях за пределами контакта резца с породой (рис. 3.39).

Таким образом, объём разрушенной породы в значительной степени превосходит объём внедрившейся части резца на глубину h. Чем более хрупкой является порода, тем больше отделяется элементов за пределами контактной поверхности. Масштабы разрушения зависят при этом от уровня прилагаемой осевой нагрузки, свойств породы, формы и размеров резца (рис. 3.40).

147

В случае внедрения резца в упругопластичную породу характер и масштаб разрушения изменяются и происходит только в пределах погруженной в породу части резца, а вне контура контактной площадки развиваются только пластические деформации и трещины, в отличие от внедрения резца в упругохрупкую породу

(рис. 3.40).

Рис. 3.39. Схема внедрения резца в породу под действием осевой нагрузки G0:

1 – образец породы; 2 – слой спрессованной породы; 3 – слой раздавленной породы; 4, 5 – элементы скалывающейся породы передней гранью и по бокам резца

При внедрении резца в забой щелевидной формы разрушение происходит по той же схеме, но с отделением (скалыванием) элементов небольших размеров только передней гранью резца. Это связано с работой резца в стеснённых условиях, что снижает эффективность разрушения породы (рис. 3.41). Вот почему следует стремиться к созданию в забое дополнительных поверхностей разрушения породы, прибегая к ступенчатому расположению резцов и другим способам.

Рис. 3.40. Схемыразрушенияупругопластично-хрупкойпородыпривнедрениирезца:

1 – слой спрессованной породы; 2 – слой раздавленной породы; 3, 4 – элементы скалывающейся породы

148

Исследованием работы твёрдосплавных резцов при вращательном способе бурения скважин занимались многие учёные (Е.Ф. Эпштейн, Б.И. Воздвиженский, В.Ф. Безпяткин, В.С. Владиславлев и др.), в результате чего наметилась определённая теоретическая схема этого процесса.

Рис. 3.41. Схема работы резца при вращательном способе разрушения породы в забое кольцевой формы

При действии осевой нагрузки G0 внедрению резца будет препятствовать сопротивление породы разрушению в двух направлениях (рис. 3.42): в направлении, нормальном к задней грани резца − сила N1, и в направлении, нормальном к передней грани − сила N2.

Сила N1 определяется сопротивлением породы разрушению РВ при внедрении резца в пределах площадки SСМ, соответствующей контактной поверхности задней грани резца, под которой происходит смятие (раздавливание) породы:

149

Рис. 3.42. Схема внедрения твёрдосплавного резца в породу только под действием осевой нагрузки G0:

1 – резец; 2 – элементы скалываемой породы передней гранью резца; I – исходное положение резца; II – конечное положение резца

Площадь смятия породы задней гранью резца определяется выражением

Из прямоугольноготреугольника АОБ видно, что а = ОБ, а h = АО, следовательно ah = tgα

или

Сила N2 (см. рис. 3.42) возникает в результате движения внедряющегося резца вправо и направлена против горизонтального его перемещения. Величина этой си-

150