Библиотека

4.3. БУРЕНИЕ ШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ

Бурение шарошечными долотами при проходке разведочных скважин применяется по вмещающим породам при детальной разведке месторождений, когда геологический разрез достаточно хорошо изучен. Также этим способом проходятся гидрогеологические скважины, скважины технического назначения и др.

Характер разрушения горных пород шарошечным долотом во многом зависит от его конструктивных особенностей, что определяет кинематику его работы на забое.

Особенность кинематики работы шарошки долота состоит в том, что каждая шарошка участвует в сложном вращательном движении: относительном движении вокруг собственной оси и переносном вращательном движении вокруг оси долота. В результате сложения двух вращательных движений в каждый момент времени шарошка совершает вращение вокруг некоторой мгновенной оси. Долото, вращаясь вокруг своей оси, вызывает перекатывание шарошки по забою, которая может опираться либо на один, либо на два зуба, изменяя положение оси шарошки в пространстве. Высота перемещения оси шарошки зависит от многих факторов, и в частности, от высоты зубьев и расстояния между ними (шаг), а также от свойств породы, которая деформируется под зубом долота.

Благодаря колебательному движению зубья шарошки оказывают на породу не только статическое воздействие, определяемое нагрузкой на долото, но и динамическое, зависящее от скорости вращения долота и конструкции его рабочей части.

Если мгновенная ось вращения шарошки не проходит через линию контакта шарошки с забоем, то шарошка только перекатывается по забою, нанося удары зубьями по породе. В таком режиме работают долота дробящего действия.

Если мгновенная ось вращения шарошки пересекается с линией контакта шарошки с поверхностью забоя, то при вращении шарошки зубцы будут проскальзывать по забою, производя скол породы при одновременном нанесении ударов по забою. Такой режим работы соответствует долотам дробяще-скалывающего действия.

Рис. 4.6. Схема работы шарошечного долота:

δ_z - амплитуда возвратно-поступательного движения долота или высота падения зуба; h - глубина внедрения зуба в породу; R - радиус шарошки; s - шаг зубьев шарошки

Рассмотрим схему работы шарошечного долота (рис. 4.6).

При числе зубьев шарошки m в одном ряду

     (4.28)

или

     (4.29)

Энергия удара, наносимого зубом шарошки по забою, определяется выражением:

     (4.30)

где Р_у - удельная нагрузка на один зуб.

Подставив в формулу (4.29) значение δ_z , получим

     (4.31)

Отсюда видно, что эффективность разрушения пород шарошечным долотом зависит от величины удельной осевой нагрузки, радиуса и числа зубьев одного венца шарошки.

Большое влияние на разрушение горных пород будет оказывать осевая нагрузка на долото. Очевидно, ее величина должна быть такой, чтобы удельная нагрузка, приходящаяся на зуб шарошки, превышала прочность горной породы.

Величину осевой нагрузки, обеспечивающей объемное разрушение породы, определяют из выражения

     (4.32)

где α - опытный коэффициент, зависящий от типа породы; Н_ш - твердость горной породы по штампу; F_K - площадь контакта долота с забоем.

Площадь контакта долота с забоем, по данным B.C. Федорова, рассчитывается по формуле:

     (4.33)

где D - диаметр долота, мм; η - коэффициент перекрытия забоя; δ - притупление зубцов, мм.

Коэффициент перекрытия забоя представляет собой отношение суммы длин зубцов, выделенных по одной образующей на каждой шарошке, к радиусу долота.

Разрушение горной породы долотом дробяще-скалывающего действия происходит в основном за счет ударов, наносимых зубьями шарошки по породе. Энергия удара будет зависеть от величины осевой нагрузки Р и высоты зуба δ_z .

В процессе бурения долото вращается с некоторой скоростью n. За счет вращения происходит частичное скалывание породы в результате проскальзывания шарошки.

Однако эффективное разрушение породы возможно только при достаточном времени контакта каждого зуба с породой. При определенных значениях конечной скорости удара и осевой нагрузки время контакта должно быть таким, чтобы обеспечить полную передачу статических и динамических нагрузок на породу и процесс ее объемного разрушения. Время контакта зубьев шарошечного долота с породой можно изменить главным образом за счет их шага и частоты вращения соответственно долота.

Согласно исследованиям В.С. Федорова, рациональную частоту вращения долота для обеспечения миимально необходимой продолжительности контакта t_к.з зубьев с породой можно определить из выражения

n = 0,6 •10⁵d/t_к.зmD      (4.34)

где d - диаметр шарошки, D - диаметр долота, t_к.з - время контакта; m - число зубцов на периферийном венце шарошки.

Таким образом, формирование энергии, необходимой для эффективного разрушения породы инструментом дробяще-скалывающего действия можно осуществить за счет осевой нагрузки Р и частоты вращения инструмента n.

"Разведочное бурение" / А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, В.М. Питерский, Н.В. Соловьев, "Недра" М 2000

Вернуться в списку статей