ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БУРИМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПО МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ (ПО МЕТОДУ ОПЫТНОГО БУРЕНИЯ С ХРОНОМЕТРАЖНЫМ НАБЛЮДЕНИЕМ)

Цель работы: изучение методики определения буримости горных пород по механической скорости бурения и выявление закономерностей разрушения горных пород путем варьирования значениями параметров режима бурения.

Объем лабораторной работы – 8 часов.

Оборудование и материалы:

1. Блоки горной породы: долерит, мрамор и спекшийся туф.

2. Буровой стенд на базе станка СКБ-4.

3. Буровой насос НБ3-120/40 с расходомером.

4. Набор породоразрушающего инструмента:

• твердосплавные коронки – СМ4, СМ6, СА5, СА6;

• алмазные коронки – 01А3, 01А4, А4ДП, И4ДП;

• двух и трехшарошечные буровые долота;

• алмазное буровое долото;

• промывочная жидкость – водный раствор сульфонола 0,3 и 0,5%.

Перечисленный породоразрушающий инструмент распределяется и используется студенческими подгруппами по 2 на каждую подгруппу.

Методика выполнения лабораторных работ

Работы выполняются в соответствии с планом полного факторного эксперимента. Общее количество опытов для реализации возможных комбинаций уровней факторов равно N=2^k, где k – число факторов. В качестве факторов принимаются: 1 – осевая нагрузка – Р; 2 – частота вращения – n.

Для проведения работы необходимо выбрать уровни факторов – минимальное и максимальное значения, причем первое будем обозначать знаком (+), второе знаком (-). Значения факторов могут быть различны, но находиться в диапазоне реальных рабочих значений и возможностей стендовой установки. В качестве откликов на изменение параметров режима бурения будет определяться механическая скорость бурения (ν) по прибору ИСБ и с помощью секундомера (измеряется время углубки на 1-5 см в породу с последующим расчетом).

Для проведения работы составляется план эксперимента (табл.).

Таблица

Матрица планирования полного факторного эксперимента 22

Номер опыта	Значения факторов в кодовых обозначениях			Комбинация факторов	Отклики			Среднее	V, м/ч
			Р		t1, c	t2, c	t3, c	tср, c
1 2 3 4	+ + + +	- + - +	- - + +	+ - - +	А1 Б1 В1 Г1	А2 Б2 В2 Г2	А3 Б3 В3 Г3	А Б В Г	V1 V2 V3 V4

Для проведения работ под станок устанавливается и закрепляется блок горной породы и производится его бурение соответствующим породоразрушающим инструментом. Параметры режима бурения устанавливаются в соответствии с планом эксперимента (табл. 1). Например, опыт № 1: Р и ω – минимально; опыт № 2: Р – минимально, ω – максимально и т.д.

В каждом опыте измерения делаются не менее 3 раз, и рассчитывается среднее значение времени бурения интервала и механическая скорость. Данные заносятся в таблицу. Механическая скорость бурения рассчитывается в соответствие с зависимостью:

где l – интервал углубки, см;

t_ср – время углубки интервала, с.

В дальнейшем строится модель процесса в виде уравнения регрессии:

где значения коэффициентов b₀, b₁, b₂, b₁₂ рассчитываются из формул:

;
;

в которых знаки перед значениями механических скоростей взяты в соответствии со знаками уровней факторов по вертикальному столбцу плана эксперимента (b₀ – столбец х₀, b₁ – столбец Р и т.д.).

Для анализа модели процесса бурения уравнение регрессии воспроизводят в виде графиков равных скоростей в поле квадрата с вершинами (-Р; - ω), (-Р; + ω), (+Р; - ω) – см. рис. 5.1.

Графики скоростей строят с шагом 1 или 2 м/ч.

График на рис. 5.1 строится следующим образом. Принимается конкретное значение отклика υ в пределах полученных при эксперименте значений, затем задается величина Р и рассчитывается ω.

Например, модель имеет вид:

.

Принимаем υ = 2 м/ч и Р = 0, что позволяет рассчитать ω = - 0,33. Таким образом, на графике имеем точку на изолинии 2 м/ч с координатами Р = 0 и ω = - 0,33.

Для более детального анализа процесса разрушения породы при бурении строятся графики зависимости углубки за один оборот инструмента на забое в зависимости от осевой нагрузки при трех значения частоты вращения. Для этого на графике рис. 1 выбираются 3 значения частоты вращения min, med, max и для точек пересечений с кривыми υ определяются значения Р.

Углубка за оборот инструмента на забое рассчитывается по формуле:

,

где n – частота вращения инструмента, мин^-1.

V – механическая скорость бурения, м/ч.

По результатам расчета h, при соответствующем на графике рис. 5.1 значении Р, строится график h = f(P) в виде представленного на рис. 2. Каждый график строится на основании 3-5 точек, полученных с графиков на рис. 1 на вертикалях min, med, max, соответствующих различным значениям частоты вращения. Последнее необходимо с целью установления точной аналитической зависимости углубки за оборот от осевой нагрузки.

Для шарошечного долота углубка за оборот рассчитывается с использованием частоты вращения шарошек долота в формуле (7) вместо значения частоты вращения долота ω:

,

где R_c – радиус скважины, м;

r_Ш – радиус шарошки по среднему венцу, м;

ω – частота вращения долота, мин^-1;

- угол наклона оси шарошки по отношению к забою, градус.

Пример построения графика h=f(P)

Выбираем минимальную (min) ω = 230 мин^-1. Если верхний уровень ω равен, например, 1000, а нижний 200 мин^-1, т.е. 1000 мин^-1 соответствует значению (+1) в кодовом обозначении, а ω = 200 мин^-1 – (-1), то в этом случае на графике рис.1 ω = 230 мин^-1 будет соответствовать значению -0,925. Проводим вертикальную линию с целью определения пересечений с кривыми υ (таких пересечений должно быть не менее 3 или 4) и находим значения Р в натуральных величинах (используя уровни данного фактора) для каждого случая пересечения с графиком υ, при одном значении ω (значения Р₁, Р₂, Р₃ на рис. 5.1). Далее рассчитывается значение углубки за оборот и строится график h=f(P) по соответствующим υ значениям осевой нагрузки.