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

Таким образом, РГП при рассматриваемом способе происходит в два этапа (см. рис. 3.74, а). В первом этапе при переходе шарошки из устойчивого положения I с опорой на два зуба в положение II с опорой на один зуб под торцом зуба в точке А2 в породе нарастает напряжение под действием усилия, создаваемого весом бурового снаряда, максимум которого наступает при положении II шарошки. В этот период происходит перемещение центра вращения шарошки из положения 01 в положение 02 и формирование потенциальной энергии системы.

Вслучае превышения удельной нагрузки GУ над сопротивлением породы произойдет ее разрушение в некотором объеме, как при внедрении индентора клиновой формы с площадкой притупления, за счет смятия-раздавливания, а в упругохрупкой породе и скалывания за пределами контактной поверхности.

Во втором этапе при вращении шарошки происходит перемещение ее центра

вращения из точки 02 в точку 03, за счет чего формируется кинетическая энергия удара, наносимого зубом шарошки в точке Е. Под действием ударной нагрузки РД, направленной под углом φ к плоскости забоя, превышающей сопротивление породы разрушению, происходит ее дробление и скалывание в определенном объеме

(рис. 3.75).

При дальнейшем вращении ПРИ шарошка снова переходит в неустойчивое положение с опорой на один зуб, при котором повторяется первый этап РГП.

Врезультате такого процесса в забое образуются углубления − лунки определенных масштабов, зависящих от характера (свойств) пород, конструктивных пара-

метров ПРИ и величины действующих сил G0 и РД.

Эффективность действия ударной нагрузки может быть определена выражениями, полученными при рассмотрении ударного способа РГП. При этом действие ударной нагрузки под некоторым углом φ к поверхности забоя (косой удар) повышает эффект разрушения-скалывания элементов породы. В связи с этим, естественно, форма получаемых углублений (лунок) в сечении будет асимметричной (рис. 3.75).

Рис. 3.75. Схема внедрения зуба шарошки в породу под действием косого удара РД

191

Исходя из рассмотренной схемы процесса РГП инструментом ДрСкРаД при его вращении видно, что эффективность этого процесса зависит от расстояния S между получаемыми углублениями. Очевидно, она будет максимальной при оптимальном значении S, когда порода скалывается и в промежутке между этими углублениями. Это достигается уменьшением расстояния между зубьями S (см. рис. 3.74, б), что возможно сделать путем увеличения их количества, как видно из выражения

где dВ − диаметр венца; ZВ − количество зубьев в венце. Но при этом уменьшается высота зубьев.

При еще большем сближении зубьев (уменьшение шага S) площадки скалывания будут перекрываться, что может привести к увеличению энергоемкости процесса разрушения породы.

При подборе шага зубьев учитывается также твердость пород: чем она больше, тем меньше шаг и высота зубьев, но с этими параметрами связана высота падения зубьев l, как видно из выражения (3.179), а следовательно и энергия удара, наносимого зубьями по забою. Эффективность РГП при этом снижается.

С учетом такой зависимости разработано пять основных видов ПРИ шарошечного типа: для бурения в мягких породах − M, средней твердости − C, твердых − T, крепких − K и очень крепких − OK.

В породоразрушающем инструменте типа K и OK в качестве вооружения используются твердосплавные вставки − штыри обычно с овальной формой торца и небольшим выходом из тела шарошки.

Разрушение породы штыревыми долотами в связи с их конструктивными особенностями происходит, главным образом, за счет смятия-раздавливания при внедрении твердосплавных вставок под действием в основном осевой нагрузки и только частично − ударной (см. рис. 3.69).

Работа шарошек со смещенными осями вращения (см. рис. 3.73, б) имеет более сложную кинематику − кроме перекатывания происходит периодически еще и кратковременное проскальзывание зубьев по забою (без вращения шарошки вокруг своей оси), что приводит к резанию-скалыванию упругопластичной и упругохрупкой породы. Иначе шарошки не вписываются в ствол скважины соответствующего диаметра.

Кинематика работы шарошки в этом случае заключается в том, что, вращаясь вокруг собственной оси с угловой скоростью ωШ, шарошка участвует в переносном движении долота вокруг оси скважины с угловой скоростью ωД (рис. 3.76, а).

Угловая скорость вращения шарошки при этом определяется в м/с выражени-

ем (рис. 3.76, б)

где n − частота оборотов долота, мин–1; β − половина угла при вершине шарошки. Равнодействующая скоростей двух видов движения шарошки характеризует

абсолютную скорость ее движения ωа.

При работе шарошки со смещенной осью вращения (рис. 3.76, б) линия контактов зубьев, расположенных на одной образующей конуса АБ, пересекается с мгновенной осью вращения шарошки с центром вращения в точке М, в результате

192

чего шарошка периодически вращается вокруг этой оси без вращения вокруг своей оси OD. Зубья шарошки, находящиеся при этом в контакте с породой забоя, проскальзывают в пределах площадок M′A′A″ и M′Б′Б″, срезая или скалывая элементы породы. В результате увеличивается объем разрушаемой породы за один оборот долота и возрастает механическая скорость бурения, но происходит более интенсивный износ зубьев шарошки.

Рис. 3.76. Кинематика движения шарошек:

а – без смещения оси вращения; б – со смещением

Степень проскальзывания шарошек со смещенными осями вращения характеризуется коэффициентом КПР, величина которого определяется отношением суммарной площади проскальзывания зубьев за один оборот долота ∑SПР к площади всего забоя скважины SЗАБ:

В зависимости от конструкции долота величина коэффициента проскальзывания может колебаться от 0,1 (для твердых пород) до 20 % (для мягких пород).

Таким образом, эффективность РГП шарошечным ПРИ зависит от конструктивных факторов и свойств пород (твердости, абразивности, хрупкости-вязкости и др.). Так, например, величина углубления зубьев шарошек в твердые породы (типа К) достигает 0,1…0,2 мм.

Вертикальные перемещения центра тяжести долота при этом составляют в среднем 0,7 мм, а скорость падения массы достигает 65 м/с. При большой величине массы бурового снаряда сила ударов, наносимых зубьями долота по забою, достигает достаточно большой величины.

Учитывая, что РГП при использовании ПРИ шарошечного типа происходит за счет действия ударов, наносимых зубьями, возникающих при его вращении, такой вид разрушения породы следует называть вращательно-ударным.

193

3.6.3. Мощность, затрачиваемая на процесс разрушения породы инструментом дробяще-скалывающе-раздавливающего действия

При работе шарошечного породоразрушающего инструмента энергия расходуется на преодоление сопротивления не только разрушаемой породы, но и сил трения элементов долота о породу и в подшипниках, на подъем бурового инструмента, который происходит при перекатывании шарошек по забою, измельчение породы, наконец, на преодоление сопротивления жидкости вращению бурового инструмента и др. Таким образом, общая мощность, затрачиваемая при работе шарошечного породоразрушающего инструмента, слагается из целого ряда составляющих (при вращательном способе бурения):

где WРПД − мощность, затрачиваемая на разрушение породы долотом за счет ударов; WРПС − мощность, затрачиваемая на разрушение породы за счет проскальзывания инструмента; WПОД − мощность, затрачиваемая на подъем нижней части бурового снаряда; WТ,WБП − мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения на торце и боковой поверхности ПРИ; WОП − мощность, затрачиваемая в опорах долота; WПП − мощность, затрачиваемая на переизмельчение продуктов разрушения.

Для определения величины этих составляющих предложены формулы с большим количеством неизвестных, что затрудняет их использование. Обычно суммарная мощность подсчитывается экспериментально на единицу площади забоя или диаметра долота.

При бурении шарошечными долотами для определения расходуемой мощности на разрушение породы может быть рекомендована формула, имеющая вид [30]

где μ − коэффициент сопротивления, значения которого для долот диаметром 76 мм и более 0,17, а диаметром 59 мм и менее 0,10; D − диаметр долота, мм; G0 − осевая нагрузка, даН; n − частота оборотов, мин–1.

3.7. Разрушение горных пород инструментом режуще-скалывающе-дробящего действия при ударно-вращательном способе бурения

3.7.1.Конструктивные элементы породоразрушающего инструмента РеСкДрД и условия его работы

Ударно-вращательный способ разрушения горных пород представляет собой комбинацию двух основных механических способов − ударного и вращательного. Осуществляется такой способ обычно с помощью специального или обычного (стандартного) ПРИ, применяемого при вращательном бурении.

Специальный ПРИ в виде коронок или долот оснащается твердосплавными резцами в основном призматической или цилиндрической формы, рабочая часть которых может иметь форму симметричного или несимметричного клина, характеризующегося определенными размерами a, b, c и углом приострения α (рис. 3.77, а). Резцы цилиндрической формы характеризуются диаметром d, высотой и углом при-

194

острения α (рис. 3.77, б). Такими резцами вооружаются коронки или долота с выполнением определенных требований (рис. 3.78, а, б).

Рис. 3.77. Геометрические формы и параметры резцов для ударно-вращательного способа бурения

Рис. 3.78. Конструктивные элементы и параметры ПРИ для ударно-вращательного способа бурения:

1 – корпус ПРИ; 2 – резцы; 3 – задняя грань; 4 – передняя грань; 5 – плоскость резания; δ, δ1 – величина выхода резцов из корпуса ПРИ; β – угол резания;

γп – передний угол; γз – задний угол; 6 – ребра (утолщение корпуса коронки)

Процесс РГП при ударно-вращательном способе бурения происходит при одновременном действии статических и динамических сил: осевой нагрузки G0, импульсных ударных нагрузок PД, действующих с определенной частотой ψ, и силы резания FР.

Под действием такого комплекса факторов процесс разрушения породы имеет сложный характер. Учитывая большое разнообразие свойств пород, это приводит к

195

тому, что практически разрушение любой породы будет всегда эффективным, так как она подвергается воздействию одновременно различных по своей природе сил.

Если для разрушаемой породы характерны упругохрупкие свойства, то будет превалировать процесс хрупкого разрушения − дробления и скалывания – за счет действия, главным образом, динамической нагрузки. Если порода характеризуется в большей степени пластичными свойствами, будут преобладать процессы пластических деформаций − смятие и резание породы под действием статических сил.

Кроме того, действие импульсных нагрузок с достаточно большой частотой приводит к усталостно-объемному разрушению пород даже при недостаточно высоком их энергетическом уровне. Иными словами, при комбинированном воздействии на породу происходит как бы естественная реализация наиболее выгодных процессов разрушения данной породы или саморегулирование системы на наиболее оптимальный вариант с получением максимального эффекта.

Известно, что эффект разрушения породы зависит от уровня затрачиваемой энергии, который для вращательного бурения определяется силой резания FР, частотой оборотовиосевойнагрузкой, адляударного, крометого, ещеисилойичастотойударов.

Но при вращательном способе бурения повышение осевой нагрузки и частоты оборотов бурового снаряда ограничиваются прочностью колонны бурильных труб и породоразрушающих инструментов. При ударно-вращательном бурении за счет действия дополнительных динамических нагрузок реализуется значительно больше энергии в единицу времени, поэтому эффективность процесса разрушения, в целом, оказывается выше.

Все это обуславливает получение более эффективных показателей при ударновращательном способе разрушения пород средней и выше средней твердости по сравнению с вращательным или только ударным способом. В отдельных случаях производительность ударно-вращательного способа бурения скважин увеличивается в 4−5 раз по сравнению с вращательным бурением твердыми сплавами и в 2−3 раза − алмазным ПРИ.

3.7.2. Теоретические основы РГП породоразрушающим инструментом режуще-скалывающе-дробящего действия при ударно-вращательном способе бурения

Разрушение породы при ударно-вращательном способе бурения, как было сказано ранее, происходит под действием осевой статической G0 и динамической РД нагрузок, а также силы резания FР. При этом под действием только осевой нагрузки G0 резцы ПРИ внедряются на некоторую величину, преодолевая силы сопротивления породы разрушению N1 и N2, а также силы трения на передней TПГ и задней TЗГ гранях резца (см. рис. 3.42). Условием разрушения породы в этом случае является:

При одновременном действии сил G0 и FР, превышающих силы сопротивления породы внедрению резцов при резании-скалывании и силу трения TЗ, происходит их заглубление до величины h1 (рис. 3.79, а), как при вращательном способе разрушения породы.

196

Рис. 3.79. Схема работы резца при ударно-вращательном бурении под действием сил, вызывающих разрушение породы:

1 – элементы скалываемой породы; 2 – целики не разрушенной породы при перемещении резца в плоскости забоя с большим шагом S нанесения ударов;

3 – элементы скалываемой породы при действии ударной нагрузки

где TЗ − сила трения резцов о породу забоя.

Если в этом процессе будет участвовать еще и ударная (динамическая) нагрузка РД, то резцы будут периодически внедряться еще на некоторую глубину ∆h

где Т − общее сопротивление сил трения при внедрении резца на глубину h.

Тем самым резец будет производить дополнительную работу разрушения породы за счет ее дробления и скалывания, в связи с чем увеличивается глубина внедрения резцов h и объем разрушаемой породы. При этом

h = h1 + h,

где h1 – глубина внедрения резца при резании; h – при дроблении-скалывании. Эффективность такого процесса зависит от целого ряда факторов: частоты

ударов ψ и оборотов ПРИ n или скорости перемещения резцов, их количества m и

уровня сил PД, G0, FР.

Внедрение резца в момент действия осевой G0 и ударной PД нагрузок на глубину h будет происходить под действием результирующей R сил G0, PД и FР, направленной к плоскости резания под некоторым углом φ (рис. 3.80).

Исследованиями установлено, что эффективность действия ударной нагрузки существенно зависит от угла φ между направлением действия этой силы и плоскостью резания-скалывания породы.

Величина угла φ, при которой происходит наиболее эффективное разрушение породы при действии ударной нагрузки, зависит от свойств пород (для гранита φ = 80°; для песчаника 70°−75°, для аргиллита 65°−70°).

Как видно из рис. 3.80, величина угла φ определяется отношением действующих на резец сил FР и G0 + PД:

197

Рис. 3.80. Схема внедрения резца под действием сил Go и FР в момент действия удара РД

Рис. 3.81. Схема РГП при ударно-вращательном бурении с рациональной величиной шага S нанесения ударов:

1 – элемент породы, отделяемый резанием-скалыванием при действии сил Go, РД и FР

198

Выразив t через частоту ударов ψ (3.193), имеем:

Оптимальная величина S1 зависит, как уже было сказано, от свойств пород и, в частности, от их сопротивления скалыванию. Чем больше этот показатель, тем меньше должна быть величина S. Практически для твердых пород категорий IX−X по буримости оптимальное значение S составляет 4…5 мм, а для более мягких кате-

горий VI−VII – 20…25 мм.

Наибольший эффект в этом процессе может быть достигнут при наличии углублений (выемок) в направлении скалывания элементов породы, расположенных по ходу вращения ПРИ на расстоянии S1 от резца в момент его внедрения под действием динамической нагрузки (рис. 3.82, б), что может иметь место при соответствующем количестве резцов m в коронке, определяемом выражением

При этом количество резцов m может оказаться существенно большим, что практически приведет к снижению удельной нагрузки на резец и эффективности работы ПРИ. Обычно коронки имеют 4−6 резцов. В этом случае при нанесении удара порода скалывается задней гранью резцов преимущественно в сторону углубления, полученного при предыдущем ударе, при условии, что между углублениями выдерживается оптимальное расстояние S1 (рис. 3.82, а).

Таким образом, в рассматриваемом процессе, в зависимости от механических свойств пород, будут преобладать либо пластические деформации − смятие-резание породы, либо хрупкое разрушение − дробление и скалывание.

Отсюда следует, что в мягких породах, проявляющих пластические свойства, процесс ударно-вращательного разрушения не будет существенно эффективней, чем при чистовращательном, котороеотличаетсяменьшейсложностьюименьшимрасходомэнергии.

В породах же твердых, наоборот, более эффективным будет ударновращательный процесс разрушения. При таком процессе РГП в породе призабойной зоны формируются еще и микротрещины вследствие концентрации напряжений в зонах контакта резца с породой в момент удара, что ослабляет ее прочность (твердость). При повторном воздействии резца в породе с ослабленной твердостью за счет сети микротрещин может происходить усталостно-объемное разрушение, даже в случае невыполнения условия, выраженного уравнением (3.191).

3.7.3.Разрушение пород при виброударно-вращательном режиме работы породоразрушающего инструмента РеСкДрД

Разрушение твердых горных пород при вращательном способе практически любым по конструкции породоразрушающим инструментом сопровождается действием импульсных нагрузок той или иной частоты и величины, возникающих за счет продольных собственных колебаний бурового инструмента или вибраций. Природа и характер этих вибраций довольно сложны.

200