Исследование влияния фактора зажима породоразрушающего инструмента на показатели бурения

Эффективность работы породоразрушающего инструмента на забое скважины прежде всего определяется соответствием его конструктивных параметров области применения. Теоретические и экспериментальные работы свидетельствуют, что эффективность разрушения горных пород при бурении зависит от степени ограничения пространств с боков породоразрушающего инструмента. Условия разрушения горной породы могут быть блокированными, когда имеется только одна обнаженная плоскость, полублокированными – при двух обнаженных плоскостях и свободными, когда присутствует три обнаженные плоскости /1, 2/.

На работоспособность периферийного вооружения забойного инструмента, работающего в полублокированных условиях заметное влияние оказывает реакция стенок скважины.

С целью определения степени влияния фактора зажима и параметров режима бурения на основные показатели бурения – механическую скорость и удельную энергоемкость разрушения горных пород, нами были проведены экспериментальные исследования в стендовых условиях при разбуривании блоков мрамора с σ_сж=850 кгс/см², что соответствует крепости породы ƒ=8 по шкале профессора М. М. Протодьяконова, известняка с ƒ=10 при σ_сж=1200 кгс/см² и известняка с ƒ=12 при σ_сж=1650 кгс/см² шарошечными долотами типа К диаметрами 76-151 мм. серийного производства. Однотипность долот позволила свести к минимуму фактор влияния конструктивных особенностей шарошечных долот на показатели бурения.

В данной статье нами рассматривалось влияние только одного параметра режима бурения – осевая нагрузка – на механическую скорость (далее – V_м) и удельную энергоемкость (далее – A_у) бурения при неизменной частоте вращения шпинделя станка n=120 об/мин. (2сек^-1) и подаче промывочной жидкости на забой скважины 80-100 л/мин., обеспечивающей практически мгновенный вынос продуктов разрушения с забоя скважины. Бурение производилось установкой «МОЗБТ Т-2», установленной на платформе высотой 1,3 м. Промывочная жидкость (техническая вода) на забой скважины подавалась насосом НБ-32. Глубина скважин в блоках известняков составляла 0,6-0,8 м. Затраты электроэнергии фиксировались трехфазным счетчиком.

Затратами мощности на преодоление сил трения в опорах шарошек, имеющих по крайней мере один подшипник качения, можно пренебречь, т.к. они не превышают 1,5-5% (в зависимости от диаметра долота) мощности, расходуемой на проворачивание долота на забое скважины.

Бурение пилотной скважины при ступенчатом разбуривании блоков горных пород производилось породными резцами диаметром 59 мм. конструкции АО «МОЗБТ». При этом показатели бурения не фиксировались, т.к. кинематика работы резцов на забое скважины значительно отличается от кинематики работы шарошечных долот.

В таблице 1 приведены результаты исследований влияния площади разбуриваемой поверхности и осевой нагрузки на забой скважины, на V_м и A_упроцесса бурения шарошечными долотами. По данным табл. 1 построены графики зависимости V_м и A_у от P_ос для условий бурения по мрамору. Аналогичная картина наблюдается и при бурении шарошечными долотами по известняку и по доломитизированному известняку.

При бурении горных пород с временным сопротивлением одноосному сжатию σсж при осевой нагрузке P<sub>ос каждый зубок давит на забой скважины с удельным контактным давлением

где Ft- площадь контактной поверхности зубков. Эффективное объемное разрушение породы происходит в том случае, когда Gt≥σ_сж. По данным (1) объемное разрушение горных пород с ƒ=8 происходит при P_ос=1,6-1,7 тс при бурении долотами типа К диаметром 76 мм., для долот 93 мм. – 2,2-2,3 тс., для долот 112 мм. – 2,8-2,9 тс., для долот 132 мм. – 3,3-3,4 тс. и для долот 151 мм. – 3,9-4,0 тс.

Анализ данных табл. 1 показывает, что при работе шарошечных долот в полублокированных условиях независимо от крепости горной породы V_м повышается прямо пропорционально как при увеличении осевой нагрузки P_ос, так и с уменьшением диаметра скважины, т.е. с уменьшением площади разрушаемой поверхности, при неизменных прочих параметрах режима бурения, а с увеличением крепости горных пород V_м уменьшается.

Зависимость V_м=ƒ(Рос) (Рис. 1) носит степенной характер, где показатель степени больше единицы, и не зависимо от крепости разбуриваемых пород максимум значений V_м не достигнут.

Рис. 1

Рис. 2

Анализ зависимости A_у=ƒ(Р_ос) (Рис. 2) показал, что с ростом осевой нагрузки A_у независимо от крепости горной породы и диаметра долота – уменьшается. Но зависимость A_у от диаметра долота имеет сложный характер. Во всех диапазонах осевых нагрузок и независимо от крепости разбуриваемых пород наибольшее значение A_у наблюдается при работе долот диаметром 76 мм. С увеличением диаметра долота значени A_у уменьшается и при диаметрах 112-132 мм. (бурение по мрамору с σ_сж=850 кгс/см².) остаются практически неизменными. С возрастанием диаметра долота до 151 мм. A_у вновь увеличивается. Аналогичных характер изменения величины A_у наблюдается и при разбуривании более крепких горных пород.

Такой характер зависимости A_у=ƒ(D) объясняется следующим образом. При бурении долотами малого диаметра процесс разрушения горной породы происходит в довольно сжатом пространстве, где существенную роль играет фактор зажима долота стенками скважины. Увеличение диаметра долота, а следовательно, и площади разбуриваемой поверхности, снижает влияние фактора зажима, в результате A_у уменьшается. При диаметре долота 132мм фактор зажима перестает оказывать заметное воздействие на процесс разрушения горных пород.

Нами установлено, что при одной обнаженной плоскости забоя скважины периферийная часть разрушается в наиболее трудных условиях, т.к. периферийное вооружение долота совершает работу по формированию не только забоя, но и стенок скважины. На разрушение внешнего кольца забоя скважины, по своей ширине равному или несколько большему диаметру зубка периферийного венца шарошки, при условии, что за одно взаимодействие зубка с поверхностью забоя происходит разрушение породы на всю ширину кольца, расходуется от 30 до 50% энергии, затрачиваемой на разрушение всего единичного объема скважины. При этом, удельный расход энергии, затрачиваемой на разрушение единичного объема скважины, наименьший у долот диаметром 151 мм. С уменьшением диаметра долота этот показатель непрерывно возрастает, достигая максимума (50%) при работе долота диаметром 76мм ..

Таким образом, проведенные исследования подтвердили факт наличия зажима периферийного вооружения шарошечных долот, работающих в условиях только одной обнаженной плоскости. Степень зажима увеличивается с уменьшением диаметра долота.

Исходя из сказанного, при создании породоразрушающих инструментов необходимо в конструкции предусмотреть образование ступенчатой формы забоя скважины, чтобы обеспечить условия разрушения породы с двумя обнаженными плоскостями.

Бей Ю.Н.

Источники информации:

1. Сулакшин С.С. Основы теории разрушения горных пород и удаление продуктов разрушения при бурении скважин. Изд. Томского университета. Томск. 1983.
2. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. М., «Недра», 1986.