К вопросу определения рациональных геометрических параметров вооружения лопастных долот большого диаметра

Лопастные долота различных конструкций широко применяются при бурении гидрогеологических, геологоразведочных, сейсмических и других скважин технического назначения. Область их рационального применения ограничивается мягкими и средней крепости горными породами I-V категории по буримости. Разрушение горных пород эти долота производят в режиме резания, как наиболее эффективном из всех существующих механических способов разрушения пород. Лопасти долот оснащены резцами, армированными пластинами твердого сплава различной формы марки ВК-8 или ВК-6, установленных в различных конструкциях долот под определенными углами к оси долота. В каждой конкретной конструкции долот угол установки резцов на лопастях не изменяется и, как правило, равен углу наклона лопасти к оси долота, находясь в пределах 5-10^о (1-3).

Многолетняя практика отработки породоразрушающих инструментов режущего типа показала, что износостойкость их определяется преимущественно работоспособностью периферийного вооружения, т.е. одним из возможных путей увеличения износостойкости забойного инструмента является увеличение рабочего ресурса его периферийного вооружения.

При вращательном и одновременно поступательном движении долота, что имеет место при бурении скважин, резцы, находящиеся на различном расстоянии от центра долота, описывают спиральные траектории с шагом, равным величине углубки забоя за один оборот бурового снаряда, и с различными углами наклона плоскостей спиралей к горизонтальной плоскости забоя скважины. Абсолютное значение этих углов изменяется от центра скважины к ее периферии и от глубины внедрения долота за один оборот. Последнее определяет механическую скорость бурения и зависит от параметров режима бурения и геометрических параметров вооружения долота. Если параметры режима бурения принять за константу и предположить, что геологический разрез скважины в данном интервале состоит из горных пород с одинаковыми физико-механическими свойствами, то механическая скорость бурения в данном интервале будет зависеть главным образом от геометрических параметров вооружения долота.

Рассмотрим один из частных случаев внедрения рабочих органов двухлопастного долота диаметром 200 мм, установленных с положительными передними углами, за один оборот бурового снаряда. На рисунке представлены проекции траекторий спиралей, которые описывают резцы, находящиеся на различном расстоянии от центра скважины. Из рисунка видно, что угол наклона проекций спиральных траекторий не одинаков и уменьшается от центра скважины к ее периферии, имея минимальное значение у стенки скважины. Внедрение резца, расположенного у периферии скважины, происходит по более пологой траектории, чем резцов, находящихся в средней части лопасти или в непосредственной близости от оси долота. Очевидно, это и определяет различие в механизме разрушения горных пород из-за того, что по-разному развивается ядро предразрушения перед резцами.

Рис. 1

При разработке конструкции лопастного долота для бурения мягких горных пород возможны три варианта установки породоразрушающих элементов: когда все резцы имеют одинаковый положительный передний угол, как это имеет место во всех серийно выпускаемых лопастных долотах, когда все резцы имеют отрицательный передний угол и когда резцы, расположенные на различных радиусах, имеют различные передние углы. Второй вариант в данной работе не рассматривается, т.к. резцы с отрицательными передними углами применяются только при создании породоразрушающих инструментов для бурения твердых и крепких горных пород и в лопастных долотах большого диаметра как правило не используются.

Из теории резания металлов (4) и разрушения горных пород (5) известно, что увеличение положительного переднего угла резца уменьшает работу резания и интенсифицирует процесс разрушения в связи с изменением характера взаимодействия режущего инструмента с поверхностью резания. При поступательном движении породоразрушающего инструмента, внедренного в горную породу на некоторую глубину, перед его передней гранью образуется ядро предразрушения до момента отрыва горной породы от массива. При большем положительном переднем угле необходимо затратить меньшее усилие для скола части горной породы, который, как правило, происходит под углом ее естественного скалывания (5, 7), изменяющихся в широких пределах в зависимости от физико-механических свойств горных пород (6, 7).Чем ближе передний угол резца к углу естественного скалывания горной породы, тем меньше затраты энергии на ее разрушение. При крутом расположении резца по отношению к забою скважины, т.е. при малом переднем угле, ядро предразрушения, образовавшееся перед его передней гранью, распространяется под его торец и расположено на большей глубине от поверхности скола. В результате, прежде чем произойдет отрыв горной породы от массива, необходимо затратить больше энергии, чем при большем угле атаки.

Следовательно, резцы в лопастных долотах должны устанавливаться с различными передними углами. За основу необходимо принимать передний угол периферийных резцов, как наиболее нагруженных, увязывая его величину с физико-механическими свойствами горных пород, т.е. максимально приблизить величину переднего угла периферийного резца к естественному углу скола горной породы.

Если принять положительный передний угол всех резцов одинаковым, то при наиболее рациональном переднем угле периферийных резцов, который необходим для их эффективной работы, обеспечивающим лучшие показатели их износостойкости, при бурении мягких горных пород возникает эффект неконтролируемого завинчивания долота в горную породу со значительным увеличением механической скорости бурения и возникновением больших реактивных усилий, направленных вниз по оси скважины, достигающих 0,8-0,2 кН на одном метре длины шнековой колонны (8). Кроме того, силы трения со стороны стенок скважины, плоскостей реборд и корпуса шнека, возникающие при движении разрушенной горной массы от забоя к устью скважины, и сила гравитации от этой массы породы препятствуют этому движению, создавая дополнительную нагрузку на буровой снаряд.

Практика отработки шнековых буров диаметром более 320 мм. в мягких горных породах показала, что при больших скоростях углубки, т.е. при возникновении эффекта неконтролируемого завинчивания долота в горную породу, указанные выше силы превосходят прочность бурового снаряда или узлов вращателя бурового станка и часто приводят к авариям в скважине или поломке узлов вращателя. Износ вооружения резцов с равными положительными передними углами, работающих на различных радиусах, не одинаков, т.к. они производят различную объемную работу разрушения. Периферийные резцы имеют износ более 80%, средние – 40-50%, а центральные - не более 20%.

Уменьшение положительного переднего угла резцов, расположенных на меньших радиусах, чем периферийный, приводит к росту их удельной работы резания за счет зажима отделяемой горной породы между передней гранью резцов и плоскостью скола породы , а процесс разрушения массива тормозится, что снижает механическую скорость бурения и препятствует возникновению эффекта неконтролируемого завинчивания долота при бурении мягких горных пород. Отработка шнековых буров диаметром 320 мм. в суглинках и глинах II-IV категории по буримости, у которых периферийные резцы были установлены с передним углом +40^о, как наиболее рациональном при резании мягких горных пород согласно исследований (9, 10), средние +25^о, а центральные +10^о подтвердила сказанное. Не было отмечено ни одного случая эффекта неконтролируемого завинчивания долота при более равномерном износе вооружения резцов. Степень износа вооружения периферийных резцов уменьшилась на 12%, в то время как износ средних и центральных резцов увеличился на 7% и 11% соответственно.

Таким образом, нами установлено, что при создании лопастных долот или шнековых буров большого диаметра для бурения мягких горных пород необходимо устанавливать резцы на лопастях с различными положительными передними углами, при этом передний угол периферийного резца должен быть максимальным по модулю, определяемый физико-механическими свойствами горной породы, а передние углы резцов, расположенных на меньших радиусах должны уменьшаться по модулю пропорционально уменьшению радиуса долота.

Для определения конкретной величины переднего угла резца, размещенного на лопасти долота на некотором расстоянии от периферийного, нами предлагается следующее аналитическое выражение: β = α х R_i / R_п, где β и α абсолютные значения передних углов, а R_i и R_п радиусы искомого и периферийного резцов соответственно. Радиусы резцов определяются исходя из диаметра долота и конструктивных параметров резцов с учетом физико-механических свойств горных пород.

Бебенин В.Ю., Кравченко А.Е., Черкасов В.И.

Литература.

1. Травкин В.С. Породоразрушающий инструмент для вращательного бескернового бурения скважин. М. Недра.1982.
2. Танов Е.И., Площадный В.Я. Шнековый буровой инструмент. Справочник. М. Недра. 1985.
3. Филатов Б.С., Кошко И.И. Справочник по бурению структурно-поисковых и сейсморазведочных скважин. М., Недра, 1975.
4. Бобров В.Ф.Основы теории резания металлов. М. Машиностроение. 1975.
5. Грабчак Л.Г., Попов А.Н. Зависимость эффективности процесса бурения шурфов от угла резания ножей шурфобура. Изв. вузов. «Геология и разведка». 1975, №2.
6. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Определение угла скола горных пород при внедрении инструмента. Научн. сообщения ИГД им. Скочинского, вып. 79. М.1979.
7. Остроушко И.А. Разрушение горных пород при бурении. М. Госгеолтехиздат, 1966.
8. Башлык С.М., Загибайло Г.Т. Бурение скважин. М. Недра. 1990.
9. Барон Л.И. Характеристики трения горных пород. М. Наука, 1967.
10. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. Издание 2. М., Машиностроение, 1968.