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

На торце коронки при ее вращении остаются следы в виде удлиненных борозд, отдельных углублений, вмятин, соответствующих моменту переворачивания дробинки, располагающейся по длинной оси. В этот момент дробинки меньшего размера выходят из контакта с коронкой и разрушения породы ими не производится.

Рис. 3.56. Схема работы стальной дроби-сечки цилиндрической (а)

икубической (б, в) формы в забое скважины:

1– коронка; 2 – дробь-сечка; 3 – элементы спрессованной (смятой) породы; 4 – раздавленная в порошок порода; 5 – элементы скалывающейся породы

Такая же картина наблюдается и при работе стальной дроби-сечки цилиндрической или кубической формы (рис. 3.56). Более короткие или квадратные дробинки переворачиваются и разрушают породу острыми ребрами с образованием в забое конических углублений. Разрушение сопровождается громким звуком, возникающим при раздавливании и скалывании породы. На торце коронки остаются следы − углубления менее правильной формы − в виде удлиненных борозд, царапин и коротких вмятин с неровными краями, что свидетельствует о перекатывании или переворачивании дробинок.

171

3.4.3. Теоретические основы РГП инструментом РаД (дробью)

Таким образом, разрушает породу дробь практически любой формы, но при условии, что она перемещается по забою вращающейся коронкой. При этом дробь или ее частицы должны находиться в контакте с породой и коронкой. Будучи прижатыми к забою с определенной силой, они, очевидно, будут перекатываться или волочиться.

Рис. 3.57. Схемаработышарообразнойдробивзабоеприперемещенииеё коронкой:

1 – коронка; 2 – дробь; 3 – порода

При таких условиях на каждую дробинку или ее частицы действуют две силы (рис. 3.57): удельная сила прижатия GУ, создаваемая осевой нагрузкой, и сила вращения или волочения дроби FВ, создаваемая при вращении коронки.

В контактах прижатой к забою дробинки с породой и коронкой возникают определенные силы сопротивления: силы трения-скольжения, силы трения-качения и силы сопротивления породы и материала коронки разрушению (смятию, раздавливанию, скалыванию).

Следовательно, основным условием перемещения дроби качением по забою будет являться преодоление вращающей силой FВ всех сил сопротивления. Учитывая сложность определения этих сил в отдельности, рассмотрим эту задачу в общем виде (см. рис. 3.57).

172

Силы сопротивления перемещению дроби вдоль забоя NСП и NСК определяются выражениями:

где TП и TК − силы трения и скольжения дроби о породу и коронку; NРП и NРК − силы сопротивления породы и материала коронки разрушению (смятию-раздавливанию).

Сила трения-скольжения определяется известными выражениями:

где fСП и fСК − коэффициенты трения-скольжения дроби по породе и по торцу коронки. Силы сопротивления породы и коронки разрушению зависят от большого ко-

личества факторов и могут быть определены, очевидно, только опытным путем. Из теоретической механики известно, что перемещению (качению) катка по

горизонтальной плоскости препятствует, кроме силы трения-скольжения, пара сил трения-качения c моментом M, величина которого с некоторым приближением определяется в данном случае выражением

где lП и lK − плечи сопротивления при качении; RП, RK − нормальная реакция опорных плоскостей (забоя и торца коронки).

Очевидно, что данная система будет находиться в равновесии, если действующие на дробь силы и моменты будут равны:

RП = RК =G0 ,

MП = MК =lПRП +lКRК = 2rFВ,

или

lПG0 +lКG0 = 2rFВ,

где 2r − плечо действия силы FB; r − радиус дроби. Откуда

Величины lП и lK количественно принимаются равными коэффициентам тре- ния-качения: дробь − порода fКП, дробь − коронка fКК, тогда

Отсюда видно, что дробь будет перекатываться по забою при определенном соотношении главных сил G0 и FB, когда выражение (3.153) станет неравенством вида

Из этой зависимости вытекает важный теоретический вывод: при определении основных параметров режима бурения скважин дробью и при определенном уровне

173

расходуемой мощности необходимо выдерживать рациональное соотношение между этими параметрами.

В случае работы частиц дроби, имеющих неправильную форму, возможно их перемещение не перекатыванием, а волочением (рис. 3.58).

Рис. 3.58. Схема работы разрушенной дроби геометрической неправильной формы в забое скважины при перемещении её вращающейся коронкой:

1 – коронка; 2 – дробь; 3 – порода

При этом на зажатую между коронкой и забоем дробинку действует в конечном итоге пара сил, создающих момент, равнодействующая которого

Если принять, что частицы дроби в таком положении практически не внедряются в породу и в тело коронки, а скользят по поверхности, силы сопротивления NСК и NСП будут определяться выражениями:

где TСК и TСП − силы трения-скольжения дроби о торец коронки и о породу; CК и CП − силы сцепления трущихся пар. Но

174

Из выражения (3.155) вытекает, что при условии NСК < NСП дробь будет волочиться коронкой по породе. Если NСК > NСП коронка начнет скользить по дроби и разрушения породы практически не будет. При этом, правда, не исключается возможность опрокидывания частиц дроби в случае изменения соотношения действующих на частицу сил.

Для создания в этом случае благоприятных условий работы дроби (волочение и перекатывание) необходимо обеспечить неравенство NСК > NСП. Это возможно, очевидно, подбором соответствующего материала и качества коронки и дроби с целью увеличения коэффициента трения коронки по дроби и силы сцепления CК. С этой точки зрения выводы ряда исследователей о необходимости применять коронки из мягкой вязкой стали при бурении чугунной дробью совершенно справедливы.

Высказываемые некоторыми исследователями сомнения по поводу возможности волочения по забою частиц дроби коронкой при коэффициенте трения металла по металлу, меньшем, чем металла по породе, несостоятельны, так как дробь или ее частицы вдавливаются в торец дробовой коронки, имеющей небольшую твердость и большую вязкость и, безусловно, перемещаются по забою при ее вращении (волочась или перекатываясь). Об этом свидетельствуют вмятины на торце коронки и царапины на породе.

3.5. Разрушение горных пород инструментом режуще-раздавливающего действия с алмазными резцами при вращательном способе бурения

3.5.1. Конструктивные элементы породоразрушающего инструмента, его параметры и условия применения

Породоразрушающий инструмент режуще-раздавливающего действия (РеРаД) может быть в виде коронки или долота (рис. 3.59) с вооружением в виде алмазных зерен-резцов небольшого размера.

Алмазный ПРИ состоит из трех основных элементов (частей): корпуса 1, матрицы 2 и алмазных резцов 3, 4. Матрица снабжается циркуляционными каналами 5,

аПРИ − присоединительной резьбой.

Вкачестве резцов в этом случае используются обычно обломки кристаллов алмазов. Размеры обломков колеблются в широких пределах − от нескольких единиц до сотых долей мм (порошок).

Геометрические формы алмазных резцов (зерен), имеющих обычно вид многогранного тела или овальную форму, весьма разнообразны (рис. 3.60). Резцы имеют преимущественно отрицательный передний угол (рис. 3.61) или угол резания. Размер резцов условно характеризуется диаметром.

175

Рис. 3.59. Конструктивные элементы алмазной коронки (а) и долота (б):

1 – корпус ПРИ; 2 – матрица; 3, 4 – алмазные резцы; 5 – циркуляционные каналы; 6 – присоединительная резьба

Рис. 3.60. Формы лунок, образующихся при внедрении в породу алмазных резцов:

1 – матрица ПРИ; 2 – резцы; 3 – лунки (углубления)

В процессе работы в результате износа рабочая часть зерен алмазов может приобретать округлые (сферические) формы.

Для придания большей износостойкости алмазные зерна подвергаются обработке (дроблению, овализации, полированию) с целью предварительной реализации скрытых дефектов в зернах и снижения коэффициента трения резцов о породу.

Для того чтобы порода при бурении разрушалась по всей площади забоя, ПРИ оснащается большим количеством алмазных резцов, располагающихся по определенной системе в торцевой части матрицы группами. Резцы разных групп разрушают породу по дискретно расположенным линиям резания, а в целом − по всей площади забоя (рис. 3.62).

176

Рис. 3.61. Геометрическая форма алмазного резца и его параметры:

1 – матрица; 2– алмазный резец; 3 – плоскость резания; α – угол приострения; βР – угол резания; γП – передний угол; h – глубина внедрения резца в породу забоя

При использовании очень мелких алмазных зерен их расположение в матрице обычно беспорядочное, но достаточно равномерное.

Размещение алмазных резцов в матрице может быть: на поверхности одним слоем, по некоторому объему в несколько слоев или беспорядочно по всему объему матрицы. По этому признаку алмазный ПРИ может быть однослойным, многослойным и импрегнированным.

Рис. 3.62. Схемаразмещенияалмазныхрезцоввторцевойчастиматрицыпо линиямрезания(а) иформазабояприразрушениипородырезцамиалмазногоПРИ(б):

1 – матрица; 2 – резцы; 3 – линии резания (борозды) разрушаемой породы; 4 – стенка скважины

177

3.5.2. Механизм и масштабы разрушения породы инструментом РеРаД с алмазными резцами

Впроцессе работы ПРИ с алмазным вооружением в контакте с породой находится большое количество резцов. При действии осевой нагрузки под каждым резцом, находящимся в контакте с породой, формируются контактные или объемные напряжения.

При этом картина напряжений, возникающих в породе, от одновременного действия резцов коронки носит случайный дискретный характер со значительной амплитудой разброса величины напряжений из-за неравномерной нагрузки на каждый резец.

Однако возникающие в породе напряжения могут достигать величин, превышающих предел прочности породы при вдавливании индентора, что и приводит к ее разрушению в некотором объеме.

При вращении ПРИ алмазные резцы, перемещаясь под действием силы реза-

ния FР, разрушают породу по концентрически расположенным окружностям, получившим название линий резания (см. рис. 3.62, а). При внедрении резцов, в зависимости от механических свойств, порода может деформироваться пластично, упругопластично или упруго-хрупко.

Впроцессе перемещения резцов по забою, в зависимости от их геометрической формы, а также от свойств породы, разрушение ее в зоне контакта каждого резца соответственно может носить характер резания с образованием очень тонкой сливной стружки, смятия-раздавливания (рис. 3.63) или сдвига-скалывания некоторых элементов и раздавливания породы с образованием мелких частиц (рис. 3.64). При этом процесс разрушения может сопровождаться выдавливанием из-под алмазного резца некоторого объема деформированного материала с образованием борозды.

Рис. 3.63. Схема работы алмазного резца с заострённой формой рабочей части:

1– матрица; 2 – резец; 3 – элементы пластически деформируемой породы; 4 – слой раздавленной породы; 5 – элементы скалывающейся породы

178

Рис. 3.64. Схема механизма разрушения породы при перемещении алмазных резцов округлой формы в забое:

1 – матрица; 2 – резец; 3 – пластически деформируемые элементы породы; 4 – слой раздавленной и спрессованной породы; 5 – зона развития трещин

вупругохрупкой породе; 6 – элементы скалывающейся породы

Впластично-хрупких породах образующиеся борозды остаются заполненными раздавленной и спрессованной массой породы, а за пределами контактной поверхности резцов в хрупкой породе происходит скалывание элементов небольшого размера.

Резцы следующей группы, расположенные в промежутках между резцами предыдущей, разрушают породу между бороздами, как показано пунктиром на рис. 3.62, б. Учитывая большое количество резцов, при вращении ПРИ происходит разрушение породы в конечном счете по всей площади забоя.

При разрушении упругопластичных пород в этом процессе будут преобладать упруго-пластические деформации смятия или резания породы.

Вслучае разрушения упругохрупкой породы преобладающее значение приобретают упругая деформация и объемное хрупкое разрушение породы за счет раздавливания ее под торцом алмазного резца и скалывания за пределами контактной поверхности с образованием массы мелко раздавленной породы, заполняющей лунку или канавку, образующуюся при перемещении резца по забою.

Наконец, при недостаточно высоком уровне осевой нагрузки или очень малом размере зерен алмазов основным процессом становится поверхностное разрушение породы − истирание, микрорезание или усталостное разрушение. В этом случае в породу внедряются только острые кромки алмазных резцов, срезаются или раздав-

179

ливаются неровности на поверхности забоя, а в породе возникают только упругие деформации.

Величина зон разрушения породы при рассмотренных процессах весьма невелика, учитывая небольшой размер зерен алмазов и малую величину их выхода из матрицы коронки.

Как показывают исследования ВИТР, глубина борозды при разрушении мрамора, известняка и гранита изменяется от 0,04 до 0,14 мм, при выпуске алмазных зерен от 0,1 до 0,7 мм. Глубина разрушения породы при внедрении алмазных резцов в слюдяно-диоритовые породы достигает 0,38 мм.

Ширина зоны разрушения (борозды) также невелика и колеблется в широких пределах для разных типов пород. Так, по данным ВИТР ширина борозды при разрушении габбро изменяется от 0,30 до 0,92 мм, порфирита диабазового − от 0,13 до 0,5 мм, иолита − от 0,40 до 0,65 мм и слюдяно-диоритовых пород − от 0,5 до 2,5 мм.

С увеличением хрупкости породы увеличивается зона скалывания породы за пределами контакта резцов с породой забоя (см. рис. 3.64, б).

Таким образом, масштабы разрушения пород алмазными резцами определяются многими факторами и прежде всего параметрами резцов, свойствами пород, свойствами среды, а также режимом воздействия на них породоразрушающего инструмента.

3.5.3. Теоретические основы процесса разрушения горных пород инструментом режуще-раздавливающего действия

Как было выяснено ранее, в большинстве случаев алмазные резцы представляют собой либо многогранный индентор с отрицательным передним углом (рис. 3.63), либо индентор овальной формы (см. рис. 3.64).

В зависимости от принимаемой формы алмазных резцов рассматривают обычно два варианта теории их работы: при многогранной пирамидальной форме (см. рис. 3.63) либо при овальной (см. рис. 3.64). В первом варианте схема РГП алмазными резцами аналогична схеме, применяемой для твёрдосплавных резцов

(см. рис. 3.43).

При движении резца многогранной формы, внедрившегося в породу, действующие на резец силы − осевая нагрузка G0 и сила резания FР – преодолевают, соответственно, силы сопротивления породы разрушению N1 и N2, а также силы трения ТЗ и ТПГ, что определяет эффективность процесса ее разрушения (см. рис. 3.63).

Глубина разрушения h породы в этом случае будет зависеть в конечном итоге от направления действия результирующей силы R. При этом, как и при работе резцов из твёрдого сплава с отрицательным передним углом, одна из составляющих силы резания, действующая вдоль передней грани резца FВ (или её проекция FВ′ на вертикальную ось) стремится вывести его на поверхность забоя, другая FН способствует его заглублению, но работает на сжатие-раздавливание породы (рис. 3.63, II).

Таким образом, необходимым условием эффективной работы алмазного резца при перемещении его вдоль плоскости резания является превышение активных сил над реактивными:

180