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

ления на породу, уменьшению глубины внедрения резцов hУП (рис. 3.49, а) и, соответственно, снижениюмеханическойскорости бурения VM (рис. 3.49, б).

Рис. 3.49. Изменение глубины внедрения резца h0 (а) и механической скорости бурения Vм (б) в зависимости от времени его работы t и износа yt

В этом случае начальная глубина внедрения резцов в установившемся периоде работы коронки hУПН с течением времени уменьшается на величину yt их линейного износа, что учитывается в формуле (3.116) шириной площадки притупления ∆. Чем больше износ резца, тем больше величина ∆ и меньше hУПТ и VM.

Следовательно, влюбоймоментвремениt величинавнедрениярезцов(рис. 3.49, а)

где hУПН − глубина внедрения резцов в начале установившегося периода работы коронки; yt − величина линейного износа резца (по высоте) за время t.

Закономерность изменения VM в зависимости от величины износа резцов yt для пород Кузбасса имеет вид кривой, приведенной на рис. (3.49, б) (по данным В.А. Нуднера).

3.3.3. Разрушение горных пород инструментом режуще-скалывающего действия по всей площади дна скважины

Породоразрушающим инструментом в этом случае являются долота РеСкД, рабочие элементы которых имеют в профиле форму клина (см. рис. 3.33, б, в).

Геометрическая форма режущей (рабочей) части такого инструмента характеризуется теми же элементами, что и резцы из твердых сплавов: α − угол приостре-

161

ния лезвия; γп, γз − передний и задний углы; φ − угол наклона лезвия; βР − угол резания; D – диаметр долота (скважины); r − радиус долота (длина одного лезвия); m − количество лезвий (лопастей). Долота могут иметь 2−3 и более лопастей с прямыми или наклонными, сплошными или прерывистыми лезвиями.

Разрушение породы таким инструментом происходит по всей площади дна скважины (площади круга). При этом каждая лопасть долота снимает слой (стружку) толщиной, соответствующей глубине внедрения hУП (рис. 3.50) и шириной r.

Рис. 3.50. Схемы разрушения породы долотом РеСкД:

1 – лопасть; 2 – лезвие; 3 – отделяемая порода

Впроцессе углубки скважины под действием осевой нагрузки G0 и вращающего момента MВ долото совершает вдоль оси вращения два вида движения – вращательное и поступательное.

Вэтом процессе каждая точка, лежащая на режущей кромке долота Ai, описывает в пространстве винтовую линию, совершая путь Si, величина которого тем больше, чем дальше отстоит эта точка от оси вращения:

где ω, ti – угловая скорость и время движения точки Ai (соответственно).

Скорость же поступательного движения для всех точек вдоль оси скважин одинакова, следовательно шаг винтовых линий lВ, по которым движутся все точки лезвия долота, также одинаков:

lВ = h2ОБπ ,

но

162

где hОБ − величина углубки скважины за один оборот; hУП − глубина внедрения лезвий долота (толщина снимаемой стружки); m − количество лезвий (лопастей).

Однако угол наклона линий, по которым движется каждая точка лезвия долота, различен: чем дальше от центра вращения, тем он меньше. Таким образом, поверхность забоя в этих условиях имеет сложную форму с разными углами наклона в разных сечениях.

Силовая картина работы ПРИ режуще-скалывающего действия при разрушении породы по всей площади дна скважины в основном аналогична работе резцового ПРИ (рис. 3.51).

Рис. 3.51. Действие сил при внедрении лезвия долота в породу (а) и перемещении его по забою (б)

При действии только осевой нагрузки G0 лезвие долота внедряется в забой, преодолевая силы сопротивления породы разрушению − N1 и N2 и силы трения

TПГ, TЗГ.

При совместном действии сил G0 и FР преодолевается сопротивление тех же сил N1, N2, TПГ, но вместо TЗГ действует сила ТЗ в забое (рис. 3.51, б). Глубина внедрения лезвий долота при этом в переходный период работы ПРИ увеличивается до некоторого максимального значения в установившемся периоде и далее постепенно уменьшается по мере притупления (износа) лезвий долота.

Впереходный период с ростом глубины внедрения лезвий растет величина сопротивления породы разрушению N2 и, соответственно, сила трения TПГ.

Вустановившемся периоде наступает некоторое равновесие всех сил − актив-

ных G0 и FР и реактивных N1, N2, TПГ, TЗ.

Таким образом, условием внедрения долота в породу на глубину hУП и резания-

скалывания слоя (стружки) будет:

163

где SСМ − площадь смятия породы или контактной поверхности резца с породой забоя; PВ − твердость породы; SСК − площадь скалывания породы; σСК − сопротивление породы скалыванию; f − коэффициент трения лезвий долота о породу забоя.

Площадь контактной поверхности смятия SСМ определяется выражением (см.

рис. 3.50)

где lШ − максимальная ширина площади скалывания элементов породы; r – длина лезвия долота.

На рис. 3.51, б видно, что сторона БК треугольника ОБК имеет величину

где γСК − угол скалывания элементов породы передней гранью лопасти.

НосторонаОБявляетсяобщейдлятреугольниковОБКиОБС. Отсюдаследует, что

где γП − передний угол резца.

Подставив значение ОБ в выражение (3.130), получим:

И соответственно определяем величину SСК (3.129), заменив lШ найденным его значением (3.132):

Подставляя это выражение в формулу (3.124), можно определить силу N2:

Тогда сила трения, действующая на передней грани TПГ (2.83), будет иметь значение

164

3.3.4. Мощность, затрачиваемая на разрушение горной породы инструментом режуще-скалывающего действия

Для определения мощности, затрачиваемой на тот или иной процесс, связанный с вращением, обычно используется формула

где W − мощность, кВт; M − крутящий момент, кН м; n − частота оборотов, мин–1. Применительно к разрушению пород по кольцевой площади забоя при враща-

тельном способе бурения эта формула преобразуется и приводится к виду:

где μК − коэффициент сопротивления породы вращению ПРИ; G0 − осевая нагрузка на забой, кН; RСР − средний радиус коронки, м; n − частота оборотов, мин–1.

На основе выражения (3.139) была получена формула для расчета мощности, затрачиваемой на работу коронки с твердосплавным или алмазным вооружением при вращательном способе бурения следующего вида [27]:

С учетом влияния ряда факторов на энергоемкость процесса (ширины и формы забоя, качества промывочной жидкости и работы расширителя) формула (3.140) принимает вид:

где WЗАБ – забойная мощность, кВт; K1 – коэффициент, учитывающий влияние типа промывочной жидкости (для воды K1 = 1,0; для эмульсионного раствора K1 = 0,75); K2 − коэффициент, учитывающий влияние расширителя (при отсутствии расширителя K2 = 1); K3 − коэффициент, учитывающий влияние формы забоя; f − коэффициент трения резцов коронки о породу; A − коэффициент, учитывающий свойства горных пород и характер процесса их разрушения; А′ – коэффициент, учитывающий удельные затраты мощности на разрушение породы на единицу длины контакта коронки с забоем l в поперечном сечении S (длина линии контакта резцов коронки с забоем в поперечном сечении для плоского и ступенчатого забоя равна его ширине l = S, а для овального приближенно l = πS/2, мм); DH, DB − наружный и внутренний диаметр коронки, мм; G0 − осевая нагрузка, даН; n − частота оборотов, мин–1; ∆hОБ − величина углубки забоя за один оборот коронки, мм.

Величина углубки забоя за один оборот коронки ∆hОБ определяется по формуле

где VM − механическая скорость бурения, м/ч; n − частота оборотов коронки, мин–1. Коэффициент, учитывающий влияние формы забоя K3 определяется выражением

где m − число ступеней в забое.

Значение коэффициентов f, A, A′ и величин углубки забоя за один оборот коронки, входящих в формулы (3.140), (3.141), приведены в приложениях 1−3.

166

Мощность, затрачиваемая на разрушение породы по всей площади дна скважины и преодоление сил трения при работе долота режуще-скалывающего действия, может быть приближенно определена по формуле, приводимой в работах проф. Б.И. Воздвиженского:

где WЗАБ − мощность, затрачиваемая на работу долота при разрушении породы, кВт; K − коэффициент, учитывающий трение боковых граней долота о стенку скважины, имеющий величину 1,1−1,3 в зависимости от качества бурового инструмента и состояния скважины; f − коэффициент трения лезвий долота о породу забоя; G0 – осевая нагрузка, даН; n − частота оборотов долота, мин–1; R − радиус скважины (долота), см.

Примерные значения коэффициентов трения для разных пород имеют величину: гранит – 0,3…0,4; песчаник кварцевый – 0,35…0,50; известняк – 0,25…0,35;

мергель – 0,20…0,30; глина – 0,12…0,20.

3.4. Разрушение горных пород инструментом сферической, многогранной или дисковой формы раздавливающего действия (РаД) при вращательном способе бурения

3.4.1. Конструктивные элементы породоразрушающего инструмента и условия его применения

Породоразрушающим инструментом при этом способе разрушения пород являются инденторы сферической, кубической, цилиндрической, дисковой или близкой к этим формы.

На практике в качестве такого инструмента использовалась чугунная (рис. 3.52, а) или стальная дробь в форме шариков (рис. 3.52, б) или стальная дробьсечка цилиндрической или кубической формы (рис. 3.52, в), а также в форме дисковых катков (рис. 3.52, г).

Рис. 3.52. Формы породоразрушающих элементов раздавливающего действия:

а – чугунная дробь округлой формы; б – шарообразная стальная дробь; в – дробь-сечка; г – дисковое долото безударного действия

При использовании дроби применяются толстостенные коронки, имеющие специальный вырез − окно или магазин (рис. 3.53). Дробь при этом находится на забое в свободном состоянии. Под действием осевой нагрузки G0, передаваемой через коронку, под каждой дробинкой в породе формируется контактное напряжение, уровень которого определяется величиной G0 и зависит от количества дробинок mД, воспринимающих эту нагрузку, или суммарной контактной поверхности дроби с породой. Каждая дробинка при этом работает как индентор сферической формы.

167

Рис. 3.53. Схемаработыпородоразрушающегоинструментаприбурениидробью:

1 – коронка; 2 – дробь; 3 – вырез (окно)

При вращении коронки дробь, прижатая к породе, перемещается по забою за счет сил трения-сцепления дробинок с коронкой. Этот процесс и обуславливает разрушение породы в той или иной форме: поверхностное, усталостное или объемное. При этом здесь реализуются, главным образом, процессы разрушения смятием, раздавливанием и частично скалыванием хрупкой породы не только в контакте дроби с породой, но и за пределами контактных поверхностей.

Породоразрушающий инструмент раздавливающего действия может иметь вид дисковых катков, закрепленных на полуосях − цапфах – в корпусе долота (см. рис. 3.52, г). При вращении такого инструмента вокруг оси скважины каждый каток, перекатываясь по забою, своими ребрами сминает или раздавливает породу в зависимости от уровня осевой нагрузки G0 и контактных напряжений в породе σ.

Процесс разрушения породы при бурении дробью довольно сложен, вследствие чего, очевидно, долгое время не было единого взгляда на его механизм. Все представления о характере работы дроби при разрушении пород можно свести к двум основным положениям:

•эффективную работу разрушения породы на забое производит колотая дробь, частицы которой обладают остроугольной формой;

•эффективную работу разрушения производит только шарообразная дробь. При этом в каждом из указанных случаев механизм разрушения и роль коло-

той или шарообразной дроби трактуется по-разному, также как и процесс разрушения породы.

Проведенные в разное время исследования процесса РГП дробью позволяют сделать определенные выводы:

168

1.Чугунная дробь из-за своих низких механических свойств не может длительное время иметь шарообразную форму. Даже при сравнительно небольших нагрузках она раскалывается, и тем быстрее, чем тверже порода.

2.Остроугольные осколки чугунной дроби недостаточно устойчивы, поэтому при работе в твердых породах, быстро изнашиваются, уменьшаясь в размере, с чем связано затухание скорости углубки.

3.Наиболее эффективное разрушение породы чугунной дробью происходит при наличии (в определенном соотношении) под торцом коронки шарообразной и колотой дроби.

3.4.2. Механизм разрушения породы дробью

Чтобы яснее представить характер разрушения породы дробью, рассмотрим элементарный процесс работы одной дробинки, имеющей шарообразную форму.

При действии только статической силы (нагрузки) шарообразная дробь (стальная или чугунная), вдавливаемая в породу, разрушает последнюю аналогично внедряемому индентору сферической формы. При этом выделяется несколько этапов разрушения, проявляющиеся в разных по механическим свойствам породах поразному и в разных масштабах, но в одинаковой последовательности, как это было установлено ранее при проведении опытов по внедрению индентора сферической или цилиндрической формы.

При действии осевой нагрузки под дробью вначале образуется небольшая вмятина – гнездо – вследствие пластической деформации, раздавливания и уплотнения породы. По контуру площадки смятия развивается кольцевая трещина, распространяющаяся вглубь породы (рис. 3.54, а), а затем выходящая на поверхность при скалывании небольших элементов за пределами контактной площадки (рис. 3.54, б).

Рис. 3.54. Механизм разрушения породы при вдавливании дроби (по С.С. Сулакшину):

1 – зона пластической деформации и уплотнения породы; 2, 3 – отделяющиеся от поверхности элементы породы; 4 – зона раздавленной в порошок породы

По мере увеличения нагрузки размер контактной площадки увеличивается, а в глубине формируется некоторый объем раздавливаемой в порошок породы. При еще большей нагрузке из образующейся под каждой дробинкой лунки раздавленная

169

порода вытесняется и происходит скалывание, вернее, отрыв элементов породы за пределами контакта дроби с породой с характерным звуковым эффектом

(см. рис. 3.54, в).

Если процесс внедрения дроби продолжить, увеличивая нагрузку, то разрушение будет повторяться снова до характерного скачка. И так до полного погружения дроби в породу, если предел прочности дроби выше предела прочности породы, или до разрушения самой дроби. При этом в породе образуется углубление значительных размеров сложной конфигурации (см. рис. 3.54, в).

При перемещении вдавливаемой в породу дроби в забое образуется кольцевая канавка – борозда U-образной формы, не везде одинакового размера в сечении, в значительной степени заполненная раздавленной породой (рис. 3.55).

Рис. 3.55. Схема работы чугунной дроби в забое скважины:

1 – коронка; 2 – дробь; 3 – элементы (чешуйки) спрессованной (смятой) породы; 4 – раздавленная в порошок порода

По дну этой канавки в результате перекатывания дроби образуются чешуйки (листочки) из спрессованных частиц смятой породы с блестящей поверхностью. Местами на забое имеются углубления конусообразной формы, образование которых сопровождается звуковым эффектом хрупкого разрушения раздавливаемой породы. Возникают они в связи с повышением удельных нагрузок вследствие неодинакового размера перекатывающихся дробинок в разных сечениях (в данном случае 3,5 × 3 и 7 × 4 мм). Когда перекатывающаяся дробинка станет между коронкой и забоем по длинной оси, она как бы расклинивается между забоем и коронкой, что приводит к возрастанию контактного давления и напряженного состояния породы под дробинкой. В этот момент, очевидно, коронка не столько поднимается, как это иногда трактуется, сколько происходит более интенсивное разрушение породы с образованием углублений в забое и более глубоких вмятин в коронке. Такая же картина будет иметь место и при накатывании дробинки на возвышения − бугорки, имеющиеся на поверхности забоя.

170