Исследование работы и выбор параметров режущих долот для условий разрезов Монголии Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© А. Хайдав, Н. Очирбат, А. Дамдинбазар, 2008

А. Хайдав, Н. Очирбат, А. Дамдинбазар

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖУЩИХ ДОЛОТ ДЛЯ УСЛОВИЙ РАЗРЕЗОВ МОНГОЛИИ

Эффективность работы режущего бурового инструмента зависит от свойств породы, режимов бурения и параметров долота. Из свойств, характеризующих разрущаемость породы при резании, следует выделить крепость и вязкость а из свойств, характеризующих степень воздействия породы на инструмент, абразивность. Рещающим фактором, ограничивающим возможности применения режущего бурового инструмента, является крепость породы. Экономически целесообразным является применение режущего бурового инструмента в породах крепостью до 7. В этих условиях переход на режущие долота обеспечивает значительное улучщение технико-экономических показателей бурения по сравнению с шарошечными долотами. Вязкость породы влияет на выбор сетки резания и размеры центрального паза долота. Установлено, что в условиях разрезов Монголии ширина паза может быть не менее 30 мм. Абразивность породы обусловливает как первичный (при разрушении), так и вторичный (при транспортировании) износ инструмента. Наличие вторичного износа инструмента определяет необходимость армирования твердыми сплавами не только резцов, но и корпуса долота.

Режим бурения определяет силовые, кинематические и другие показатели процесса бурения. Необходимость в том или ином режиме диктуется условиями бурения, а возможность его реализации определяется принятыми параметрами станка. К режимным факторам относятся усилие подачи, частота вращения бурового става и параметры системы транспортирования продуктов разрушения.

Параметры долота должны соответствовать усилиям бурения. Бурение скважины включает в себя два взаимосвязанных процесса

- разрушение породы на забое и очистку скважины от буровой мелочи. В соответствии с этим параметры режущего долота должны обеспечивать как рациональный режим разрушения, так и эффек-

тивное удаление буровой мелочи из призабойной зоны. К параметрам, которые оказывает влияние на показатели бурения, относятся геометрия инструмента, сетка резания, расположение резцов по высоте, размеры и форма корпуса. Геометрия инструмента характеризуется формой и размерами режущей кромки долота. Для упрощения конструкции и технологии изготовления передний угол принимаем равным нулю. Для обеспечения вписываемости по задней грани при выборе заднего угла у необходимо соблюдение зависимости

ы > ^ ^+4р, (1)

п • й п

где у — угол наклона режущей кромки; й — минимальный диаметр вращения резцов; р — вылет режущей кромки.

Сетка резания определяет схему обработки забоя и характеризуется количеством и взаимным расположением резцов и линий резания. Для достижения вписываемости при сплошной схеме обработки забоя необходимо, чтобы каждый последующий резец, считая от оси вращения над предыдущим, был расположен на меньшем радиусе, на величину

к > 4^, (2)

р п

где ф — угол опережения предыдущего резца; Н — величина подачи на забой за оборот.

Размеры и форма корпуса определяет режим удаления буровой мелочи из скважины. При этом размеры корпуса влияют на прочность долота, высоту призабойной зоны и коэффициент перекрытия скважины, а форма - на величину сопротивлений движению буровой мелочи.

На основании произведенного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований определены принципы выбора и оценки параметров режущего бурового инструмента со шнековой очисткой и разработана структурная схема выбора параметров. Установлено, что:

- дублирование резцов в линиях резания в общем случае является нерациональным, поскольку повышает энергоемкость процесса разрушения и не обеспечивает снижения интенсивности износа инструмента;

- эффективность разрушения породы значительно повы-шается при наличии разрыва сплошности забоя и образовании дополнительных обнаженных поверхностей. При этом обеспечивается также снижение интенсивности износа инструмента. Поэтому рационально, чтобы режущая кромка инструмента имела ступенчатую форму, а ширина ступеней соответствовала глубине зоны влияния поверхности обнажения;

- неравномерность износа режущей кромки по диаметру долота и стремление к образованию ступенчатого забоя обус-ловливает рациональность применения в режущем буровом инструменте смежных резцов. Сформулированные принципы выбора параметров и требования использованы при разработке конструкций новых режущих долот.

Большое разнообразие горно-геологических условий исключает возможность создания универсального инструмента. Поэтому необходима разработка конструкций инструмента применительно к конкретным условиям работы. Специфика бурения мягких пород вытекает из больших скоростей подачи инструмента на забой. Опыт показывает, что в этом случае скорость бурения ограничивается не возможностями разрушения породы на забое скважины, а интенсивностью очистки. Поэтому при бурении мягких пород режим удаления буровой мелочи из забоя выступает на передний план, а требование о минимальных высоте и коэффициенте перекрытия приобретает первостепенное значение.

Условиям бурения мягких пород отвечают режущие долота РК-4м (рис. 1), и они рекомендуются для использования на разрезах Монголии. Они просты по конструкции и могут изготавливаться в мастерских разрезов.

Буровая мелочь в призабойной зоне оказывает значи-тельные сопротивления движению инструмента. Экспериментально установлено, что применительно к режущему долоту РК-4м на удаление буровой мелочи затрачивается до 15 % осевого усилия и до 50 % энергии, расходуемой двигателем вращателя на работу инструмента.

В результате установлено, что повысить эффективность удаления буровой мелочи из призабойной зоны при шнековой очистке скважин можно за счет осуществления перехода в

Рис. 1. Режущие долота для бурения мягких пород: а - РК-4м; б - 1РДМ-160ш; 1 - литой корпус; 2 - пластины твердого става; 3 - хвостовик; 4 - съемный корпус; 5, 6 - палец

корпусе долота от лопасти к хвостовику в виде вогнутой поверхности расчетного радиуса. Такое конструктивное решение реализовано в новом режущем долоте 1РДМ-160ш (рис. 2), защищенном па-

тентом Монголии. В 2002 г. долота 1РДМ-160ш прошли успешные испытания на Шивэ-Овоском угольном разрезе. Средняя механическая скорость бурения достигла 1,8 м/мин и в 1,2 раза превысила таковую для серийных долот НПИ-2. Стойкость долот составила 400 м.

Специфика бурения скважин по породам повышенной крепости и особенно по гравийно-галечным отложениям вытекает из высокой крепости и абразивности пород, а также неоднородности материала, обусловливающей повышенную динамичность процесса бурения. Это определяет необходимость в создании высоких удельных нагрузок на забой и рациональность применения сменных резцов с ограниченным числом линий резания.

В конструкции долота для бурения гравийно-галечных пород необходимо учесть неоднородность материала с возможностью разрушения его не по гравию и гальке, а по цементирующим связам, отличающимся наименьшей проч-ностью. С этой целью долото должно иметь минимальное количество резцов, обеспечивающих максимальный эффект отделения от массива неразрушенных твердых включений. Шнековый же способ очистки скважины допускает наличие в буровой мелочи весьма крупных фракций, достигающих в поперечнике 35 мм.

Характеристика долот

Показатели РК-4м 1РДМ- 160ш РДМ-160ш

Диаметр скважины, мм 160 160 160

Тип резцов - - т

Число резцов - - 4

Число линий резания Коэффициент крепости пород Скорость бурения, м/мин Стойкость, м До 4 До 2.5 До 400 До 5 До 2.5 До 500 3 До 7 До 2.2 До 700

Расход резцов, шт/м - - 0.016

Высота 145 140 180

Основные размеры, мм Толщина 20 20 40

Ширина (диаметр по резцам) 160 160 164

Масса, кг 3.2 3.5 4

Рис. 2. Режущее долото РДМ-160ш: а - конструкция долота; 6 - сетка резания и взаимное расположение резцов; 1 - корпус; 2 - резец ШБМ2с-1-1-04; 3 - пластины твердого сплава

При ограниченном количестве резцов и линий резания остро встает вопрос обеспечения вписываемости резцов. Установлено, что оптимальная вписываемость резцов достигается при развороте каждого резца вокруг своей оси, в зависимости от радиуса вращения Я, длины режущей кромки L и вылета резца р, на угол

а = arccos

'р-051

R

(3)

На основании вышеизложенного и с учетом результатов экспериментальных исследований для бурения сцементирован-ных галечников и гравийно-галечных отложений разработано новое режущее долото РДМ-160ш (см. рис. 2), защищенное патентом Монголии.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Влияние конструкций буровой коронки на скорость вращательного шнекового бурения /А.Хайдав, В.А.Перетолчин, Н.Н.Страбыкин и др. - Сб. научн. тр. МонГУ. - Вып. 1. - Улан-Батор, 1978. - 4 с.

2. Вопросы повышения эффективности буровых работ на карьерах МНР/ А.Хайдав, В.А.Перетолчин, Т.Баавай и др.//Вестник техники и технологии. -1977. - Вып. 4. - 3 с.

3. Результаты сравнительных испытаний буровых коронок со сплошной и прерывистой режущими коронками на Шарынгольском угольном разрезе/ А. Хайдав, В.А. Перетолчин, Е.В. Чудогашев и др. - Сб. научн. тр. МонГУ. - Вып.

1. - Улан-Батор, 1978-5 с. ВТШ

— Коротко об авторах ------------------------------------------------

Хайдав А. - кандидат технических наук, профессор, Монгольский государственный университет науки и технологии,

Очирбат Н. - аспирант, Монгольский государственный университет науки и технологии,

Дамдинбазар А. - профессор.