2 Режимы бурения и расчет их основных

ПАРАМЕТРОВ

2.1 Расчет параметров бурения резанием (шнековое бурение)

Расчет параметров бурения резанием сводится к определению осевых усилий подачи, частоты вращения бурового става и мощности его привода.

Характер процесса и силы, действующие на коронку, определяются ее конструкцией и формой режущей кромки.

Усилие подачи оказывает решающее влияние на механическую скорость бурения. Для достижения объемного разрушения породы осевое усилие на единицу площади контакта инструмента с забоем должно превышать временное сопротивление породы раздавливанию. По экспериментальным данным Р_min должно быть не менее 200 f Н/см². Поэтому минимальное допустимое усилие подачи, Н,

(26)

где F₃ - проекция площадки затупления, см².

С ростом усилия подачи от Р_miп возрастают скорость вращения и потребляемая мощность. Зависимость энергоёмкости процесса бурения от усилия подачи имеет слабо выраженный минимум. Исходя из этого, рациональное усилие подачи следует принимать максимальным, допустимым по условию загрузки двигателя вращателя, режиму удаления буровой мелочи и прочности коронки. Для острого инструмента допустима удельная нагрузка на единицу длины лезвия 400 Н/мм. Поэтому

(27)

где l_k - суммарная длина линии контакта инструмента с забоем, мм.

То есть осевое усилие подачи должно быть принято в пределах

 P  (28)

Частота вращения бурового става влияет не только на работу инструмента, но и на эффективность очистки скважины от буровой мелочи. С увеличением частоты возрастает скорость бурения, однако при этом более интенсивно растет энергоёмкость процесса бурения и износ инструмента. Поэтому по условиям работы инструмента рационально ограничить частоту вращения до 2.0...2.3 с^-1.

При бурении с продувкой необходимость увеличения частоты вращения может возникнуть из-за роста крупности буровой мелочи. При шнековом удалении буровой мелочи минимальная частота вращения обычно превышает 2.5с^-1.

Удаление буровой мелочи шнеком из вертикальной скважины возможно только в том случае, когда частота вращения шнека выше критической частоты вращения n₀, мин^-1. При п = п₀ частицы породы вращаются вместе со шнеком, но вверх не поднимаются, и только при п п₀ начинается подъем буровой мелочи по шнеку.

Критическая частота вращения шнека диаметром d, с углом подъема винтовой линии , град:

, (29)

где ₁ и ₂ - соответственно коэффициенты трения породы о сталь и породы о породу;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

Потребная скорость вращения шнека из условия обеспечения транспортировки (выдачи) буровой мелочи

(30)

где k_p - коэффициент разрыхления породы;

V_б.max - максимальная механическая скорость бурения, м/мин;

k - коэффициент просыпания породы в зазор между шнеком и стенками скважины, k = 0.8...0.9;

 - коэффициент заполнения шнека,  = 0.2...0.4;

d и d_в - диаметры соответственно шнека и вала, м;

S - шаг спирали (шнека), м.

Оптимальное значение утла подъёма винтовой линии шнека , а, следовательно, и шага шнека при заданном его диаметре зависят от многих факторов, главнейшими из которых являются частота вращения шнека, угол наклона оси скважины к горизонту и скорость струи воздуха при комбинированной системе удаления буровой мелочи.

В качестве оптимальных соотношений шага спирали к его наружному диаметру рекомендуются величины: 0.5...1.0 – для бурения вертикальных скважин с частотой вращения до 2.2 с^-1 по породам с ₂  0.6; 1.0...1.7 – для бурения наклонных скважин с частотой вращения около 3.3 с^-1 по породам с ₂ = 0.4. Для шнеко-пневматического удаления буровой мелочи рекомендуется изготавливать шнеки по верхней границе указанных соотношений.

Крутящий момент, Нм, необходимый для разрушения породы коронками со сплошным лезвием, определится по формуле

(31)

где _ш.б - удельное сопротивление горной породы разрушению при шнековом бурении, Н/м², определяемое по среднему приведённому пределу прочности породы из выражения или по табл. 1.4 книги [2], или прил. 3.

Механическая скорость бурения V_Б, м/мин, может быть определена по эмпирической зависимости

(32)

где d - диаметр коронки, м;

п - частота вращения, мин^-1;

к - коэффициент, равный 0.5...0.7 и учитывающий неполноту площадки контакта передней грани резца с породой;

Р

 F₃ , (33)

_ос - осевое усилие подачи, Н, определяемое по ранее высказанным рекомендациям или из эмпирического выражения

где F₃ - проекция площадки затупления коронки, см², F₃ = 0.5...3.0 (нижний предел относится к бурению лёгкими станками пород с п_б = 5, а верхний - к бурению тяжёлыми станками пород с п_б = 3...4);

С_ш = 0.7...1.5 - опытный коэффициент (большие значения принимают для более затупленного инструмента и меньших значений глубины стружки).

Коронки с прерывистым лезвием. При бурении всё шире применяют коронки, армированные съёмными резцами. Такая коронка, как правило, имеет прерывистую кромку, составленную из режущих кромок армирующих резцов.

Момент

, здесь среднее значение усилия резания на резце буровой коронки P_oz, H, определяется из выражения

P_oz = P_k  k₃  k_d  k_ф  k_n  k_b (0.18F + 0.25), (34)

где P_k - контактная прочность пород, Па;

F - сечение снимаемой стружки, м²;

k_b =0.5...0.75 - коэффициент, учитывающий угол наклона резца;

k_d = 1 + 0.0025(300-Д) – коэффициент, учитывающий кривизну траектории определённого резца;

k_ф – коэффициент, учитывающий форму режущей кромки резца.

Для резцов с прямолинейной режущей кромкой k_ф = 1.0, а для резцов со скруглённой режущей кромкой

(35)

где S_o - подача на один оборот резца;

r - радиус кривизны режущей кромки, см;

k_n - коэффициент, учитывающий форму передней грани (для резцов с плоской передней гранью k_n = 1.0, а для выпуклых, овальных и клиновидных k_n = 0.7).

М

. (36)

омент М^₁ от сил трения для двухперовых коронок:

С

, (37)

уммарный крутящий момент на скалывание породы и преодоление сил трения

где R₁, R₂ и R₃ - расстояние от оси вращения до соответствующего резца.

У

, (38)

силие подачи для подобной коронки

Момент М₂, Нм, необходимый для обеспечения выдачи буровой мелочи шнеком, при максимальной глубине скважины:

(39)

где k₁ = 1.5...2.0 - коэффициент, учитывающий трение шнека о стенки скважины;

у- плотность породы, кг/м³.

Мощность двигателя вращателя N, Вт, станка шнекового бурения при частоте вращения шнека п (угловой скорости шнека , рад/с) и КПД механизма вращателя  с учётом формул (31) и (39) определится из выражения

(40)

Стойкость L_d, м, режущей коронки до переточки:

(41)

где V_б - скорость бурения, м/мин;

F_з.д - допустимая площадка затупления по задней грани режущей кромки

(F_з.д = 500мм для тяжёлых станков при бурении пород с n_б = 3...4 и F_з.д = = 150 мм² для лёгких станков при бурении пород с n_б = 5);

D - диаметр коронки, м;

P_k - контактная прочность пород, МН/м²;

а - абразивность пород, мг;

,  - передний угол и угол заострения режущей части долота соответственно, град.

Стойкость долота режущего типа может быть определена также по формуле

(42)

где  - износостойкость твёрдого сплава (для сплава ВК8В  = 123 Нм/мм³);

 - средний линейный износ режущей кромки по задней грани, мм;

_з - задний угол коронки (резца), град.;

₃ - коэффициент трения режущей кромки о породу, равный 0.3...0.7.

Удельный расход q, шт/м, бурового инструмента с учётом его переточки:

q = 1m Ld, (43)

где т - число перезаточек долота.