CC BY
22
И ЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 81 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1955 г.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ДРОБОВОГО БУРЕНИЯ
В. И. МОЛЧАНОВ
Данная статья написана по результатам двухлетних исследований бурового процесса, выполненных в производственных и лабораторных условиях бригадой института. Автор принимал непосредственное участие в постановке и проведении экспериментального бурения летом 1952 и 1953 гг. и в обработке всех полученных наблюдений. В нашем распоряжении в настоящее время имеются материалы по 320 рейсам-наблюдениям, проведенным летом 1952.. г., по 200 рейсам-наблюдениям лета 1953 г. и по лабораторным исследованиям, составляющим примерно 100 рейсов-наблюдений.
Кроме материалов автора, в статье использованы результаты наблюдений, выполненных в отрядах, работавших под руководством П. М. Лону-шинского и П. Ф. Пальянова.
Основной задачей исследований являлась разработка рациональной технологии дробового бурения применительно к конкретным условиям. Оптимальный технологический режим должен вырабатываться на базе глубокого изучения процесса разрушения породы и влияния на этот процесс основных факторов. Режим дробового бурения в первую очередь должен характеризоваться следующими параметрами:
1) давлением на забой,
2) числом оборотов коронки,
3) способом питания и дозировкой дроби,
4) количеством промывочной жидкости.
Выработанный режим наряду с повышением производительности должен обеспечивать хороший выход керна.
Методика полевых и лабораторных исследований
На буровой экспериментальной вышке в составе смены находился хронометражист, который фиксировал все операции, связанные с подготовкой к бурению, а во время бурения через каждые 30 минут снимал следующие показания:
]) углубку за 30 минут чистого бурения,
2) показания водомера,
3) показания амперметра и вольтметра.
Перед спуском инструмента и после подъема хронометражист замерял внутренний и наружный диаметр коронки, общую высоту и высоту прорези коронки.
Давление на забой, число оборотов шпинделя, норма и способ засыпки дроби задавались сменному мастеру в соответствии с общим планом исследований. На хронометражиста возлагались обязанности надзора за соблюдением заданных параметров; им же производились необходимые вычисления по определению веса снаряда и необходимой нагрузки на рычаг или на регулятор Волкова.
Общий план экспериментального бурения строился с целью последовательного исследования влияния на скорость углубки отдельных параметров! режима. При неизменности условий бурения и постоянстве прочих параметров изменялось давление на коронку. В 1952 г. неизменный режим выдерживали 9 смен, после чего только давление на коронку изменяли ступенью на 5 кг/cm2 и новый режим выдерживали 9 смен. Так исследовался диапазон от 10 до 30 кг!см2, а при 90 об/мин—до 40 кг/см.2.
Такая методика оправдывает себя только в условиях очень медленной-углубки скважины и однородности геологического разреза. Наблюдения, перенесенные на график в координатах „скорость углубки—давление на коронку", дают отчетливую картину этой зависимости, полученную для разных чисел оборотов (фиг. 1). Воспользоваться этим графиком для изучения влияния числа оборотов коронки на скорость углубки совершенно невозможно, так как кривые несопоставимы между собой. Исследования влияния давления при 90 об/мин продолжались 36 станко-смен. За это время пробурено около 11 метров, изменен диаметр скважины, и сопоставление скоростей углубки при 90 и 150 об/мин теряет всякий смысл.
Из рассмотрения этих графиков был сделан вывод о зависимости оптимального давления от числа оборотов при прочих равных условиях (при 90 об/мин Сопт = 32 kiJcm2; при 150 об/мин С0пт = 28 кг1см2; при 240 об/мин Сопт = 25 кг! с м-). Это закономерное убывание оптимального давления нами было поставлено в прямую связь с крутящим моментом и мощностью мотора. Исходя из этих соображений, методика исследований в 1953 г. была несколько изменена. Определенное сочетание параметров выдерживалось только один рейс. Следующий рейс '(иногда в той же смене) проходил при тех же параметрах режима, но на другом двигателе. Следующая пара рейсов протекала уже при другом давлении на коронку. Серия опытов считалась законченной после получения парных рейсов-наблюдений на всех ступенях давлений—от 20 до 35 кг/см2. Следующая серия таких же наблюдений протекала при другом числе оборотов коронки. Изменение методики вполне оправдало*себя. Две соседние серии настолько сближены между собой, что сопоставление их вполне допустимо. Следовательно, пользуясь графиками, изображенными на фиг. 2, 3. 4, 5 и б, как исходным материалом, мы имеем право строить график зависимости скорости углубки скважины от числа оборотов коронки.
Методика исследования влияния других параметров (способа питания дробью, промывки и т. д.) на скорость углубки в настоящей статье не излагается.
Лабораторные исследования проводились в основном по той же методике. Исследования проводились на учебной буровой вышке, оснащенной станком КА-2М-300 при глубине скважины около 50 м, и на специально оборудованном сверлильном станке. Учебная буровая вышка имеет самое обычное оснащение, и на описании его останавливаться нет смысла. Так как основные выводы основываются на результатах стендового бурения, проведенного на сверлильном станке, на оборудовании последнего и на методике исследований следует остановиться особо. В шпинделе сверлильного станка с помощью обычного конуса закреплялся сальник, к которому присоединяется дробовая коронка. Бурение производится в глыбе породы, высотой около 1 м. По мере углубки скважины наращиваются 33-миллиметровые штанги. Бурение производится коронками, изготовленными из штанг диаметром D = 50 мм, самой мелкой дробью („репс") или просеянной дробью диаметром D = l,5 мм.
Промывка осуществляется с помощью водяной помпы от двигателя А-22, имеющей индивидуальный электропривод. Вращение станка производится от электромотора мощностью 7,8 квтп. Электросхема стенда состоит из полного комплекта электроизмерительных приборов.
ада
a.
ми
VC7Q
лея
0/0$
âm
ame'
от
Таблица достоверности течек
2paqpux
зависимости спорости углубни от давления на забой
/J' часоё ÛPofypeuo er*.
1 t 4 елS 12\ 0
г 4.45 37.0
3 6.00 г i.o
■ 4 » г. го 7,0
S 4.00 1 i.O
: й 1 Нот 4 i.o
: 7 ■■ 30.13 44.0
: s г ¿4,44 зог.о
\ 9 3 г?.о4 30Í.0
i /0 4 гог.гз Si s. s
! и s /г.25 ?7.0
: « 4 o.3t юз, 0
Таблица значении С U.V
yv> rrve* 1 CU
to ао4й и4
г 15 0.050
à го 0.05S
гs о:30
5 50 0.030
° ts 0.0170 60
го Oû/Î?
i zs 0.0605 ■
9 30 O.DáíS „
/0 zs 0.0605 36
П 30 0.JÛ33
It 4o 0.06¿S »
3. Изв. ТПИ, т. 81
Серия ф
£
5з
Л £
.1
Таблица наблюдении
Интервал глубины
скВажины BS.S8r3Z.ZSi Число оборотов
КОрвнки 30°*/мин'
КиличестЕо пропыбоиной жидкости ~ /4 "/мин
К /" грои А С."/ Сила тога Скорость углубги и'" X о р с » « а /7ри »е чо пил
Эра 6 Й г
1 /4 гз >г /г 5 0 380 43 35
г /,С 13 0 о. гзо Ч к о то о Ы* <4 <Ет
3 /5 30 " 5 /2 / 0.300 *3 35 5
4 16 4 35 /3 0 0 330 43 3!
5 /4 го /3 5 0 240 43 35 5
е /5 6 25 ¡3.5 ¡4 0 0. 450 43 35.5
1 !$ зи /з г 42
е и 8 35 /5.5 :$ о 0 -400 43 37
$ /7 3 40 /2 14 0 0 200 43 37 -
ДаВлсние С 'г/сиг
Фиг. 2
Л)
I
Интердал глубины
скбажины зг.зз-ss.se Число, оборотов
КОрОИки /50 Колмес/пбо промывочной жидкости IIя/ мм
Серия /у
Таблица наблюдении
ы % Ы жрвн на граф. е? Ъп (ТЮХИ ис"/ и /пин КОрО И к о /Трипе я а я и с
дхх ¿¿зв Я г
/ а 13 5 37 > *"
2 г9 г 15 /3 /3 5 0 з/о 45 5 35 \ К с тор Н- <4 кВт
3 2/ 3 30 И 14 0 0 330 "3 3 1
4 /3 л го 33 34 0 375 43 35 5
5 го 5 25 Г6 0 4-40 45 5 35 \ ■Мотор <•/= го кВт
5 7 21 ё 30 /6 гп 0 300 43 35 л
ое
ь £
вз.
иг-
"__Давление С
А? ./.<•
. *
Й5 |
!
Таблица наблюдений
7Г % ы // г»« к.? Сила теки Коринка ЛропнВ
У., Я X
1 27 I гг /га- 040 45.3 31.5 «-/г
г 33 г гг 10 да.? 0 3$ 43 30.5 гг-13
з 38 3 гг 10 11-0 0.40 43
4 гг 4 гз и.5 /г 7 0 37 43 30.5 /¡Г--/4
31 5 гз 11.5 0.33 43 3015 гз-17
г 33 е гз и. о 0 45 43 30,5 ¿1*10
7 46 7 гз ю 10 3 0.4í 43 зе.5 г5~/й
е гз 8 24 13.5 О. 37 43 30 5
$ 33 3 а и.5 0.43 43 30.5 /в* /г
/о 34 10 24 ю п.э о зо 43 30.5 го тю
// 34 и !■! ю П.! 0 4$ 43 30.5
/2 35 12 г4 ю.е 04-1 43 30 5 г*-»
/3 37 /3 г* 11.5 0.43 43 305
Таблица наблюдении
к % N С.у Суда /пока .У Х- Хооачка Пропив-
У*х Урвб 1
« 14 гз и /г,г 0.47 35- 3 ИЗ— 3,
/5 ге /3 гз '2,3 а.40 «3 33 5" 22-
/8 &а /3 23 /г /ЗЛ Ох48 43 з&5 го - а
¡7 35 п 23 /А 5 с*+г 43 35*5
¡г 31 /# ге '2,3 0.4 О 43 363 24 гг
13 31 /3 ге ■о //.г 0,37 43 зе^ 23*-!4
28
2/
гг
гз
ДаВлеиие С "7т г
I I
53
?9
Фиг. 4
Цнтербал глубины скбатины /03л + Зо^г, ^
Таблица наблюдении ""•цность мотора N го к?т
Число оВоротоб коронки п = за °е/мш.>
Таблица наблюдение
% ы ф* N с7 Сияя тех» и Паренке ЛрэпыСн <*1 Г> и н Н % ы хрт Ы Сияатэке гуд* Кора чхо
J^. 3 рай 1 Уря$ Й У.
1 41 23 17. 0 0.37 43 зе.5 28^/3 и 17 Н гз гз <7.45 43 36,5
г <г 2 гз 14- 16.0 о.#з 43 зе.з ег 43 /г гз /7-2 а. г 0.49 43 36 5 80—/3
3 43 з 23 Щ /3-3 043 ■435 35.3 21 — 17 /3 31 /3 гз '9 0. ез 45.5
* 42 4 24 /7 О 47 43 33.3 Г7—9 /4 44 де гз 0. 42 43 38 5 21-»/У
24 /г.* 0.40 43 зе.з гз~/£ /X1 43 /3 25 /8.5 0.33 43 38 $
(, 30 6 24 /3.3 е 4е 43 зе-з 13 44 /3 26 23 0.40 43 38.5 23-/3
} г* 24.0 О. 44 43 33. 5 27 -П Л 48 п гз 14- '8 5 0.47 43 ¿8-/8
* 23 1^3 0.4» 43 зс^з 18 — 14 /г 45 (3 27 го 2/5 0.43 43 38.5 г/ -Ю
23 /е /8.0 о. 44 43 зс.ь а !Э 27 /8 43
ы .ц] /г 14.0 О. 32 43 33.3 29—12 20 43 20 28 /9 0. 50 43 38 3 г§—ю
Да&лгние С"7снг
гз. - гс
¿г
Опытное бурение протекало следующим образом. Глыба породы устанавливалась и крепилась под шпинделем станка. Забурка скважины производилась победитовой коронкой диаметром О —55 мм. После углубки на 2—3 слг переходили на дробовое бурение. Эксперименты начинались после того, как скроется магазинная прорезь коронки. Перед началом экспериментального рейса в скважину засыпалась, порция дроби весом 50 г. Дробовая коронка тщательно замерялась, вычислялась рабочая площадь торца коронки, коронка взвешивалась, вес коронки прибавлялся к весу прочих частей инструмента и определялся вес груза, необходимого для создания нужного давления на забой. Давление на забой осуществлялось через регулятор Волкова. Бурение при данном сочетании параметров продолжалось до получения пяти одинаковых отсчетов скорости углубки, снимаемых через
4
1
интербал глубины
СмбаЖиНЫ JS0.S9-ISS.77m Число оборотов
коронки 77 - /40 о6/мин Мощность мотора м го кбт
Таблица наблюдении
% Л ш> <- /„^ Села тсха и% Кзэонкс Про.чыб* а л/ мин
У кя Э&ё я г
55 / 2 О 9.4 0 34- 0 34 35.5 гз - /5
2 55 20 /0 0 40 455 3£5 го - /г
3 52 3 24 ¡3 а 42 45.5 355 ¡9 - и
4 52 4 25 И >3 0 38 43.0 35.5 !2
5 53 5 25 22 0 45 43.0 Зе.5
£ 53 е 25 20 0 33 43 35.5
7 54 25 0 58 43 35 5 25 " Г 9
3 55 8 11 п 0 57 43.0 355 24 т" ¡9
э 55 9 27 8 Э 0.30 43.0 35,5
13
«г
__Давление , С *г/смг
гз 24 г$ ге
Фиг. 6
5 минут чистого бурения. Перед началом бурения в середине и в конце рейса определялась мощность холостого вращения инструмента. Во время бурения через те же 5 мйнут записывалась мощность рабочего хода. Мощность, затрачиваемая на бурение, определялась как разность между мощностью при бурении и мощностью холостого хода.
Пользуясь данной методикой, сняты зависимости скорости углубки от давления на коронку при различных числах оборотов (фиг. 7) и выявлена зависимость скорости углубки от числа оборотов при оптимальных для каждого числа оборотов давлениях.
О характере работы дроби
На механизм разрушения породы при дробовом бурении в настоящее время .нет единого * взгляда. Гипотетически возможны три рода воздействия дроби на породу.
1. Резание, строгание остроугольными мелкими, но бесчисленными „резцами"—осколками дроби, которые лишь кратковременно закрепляются в торце коронки и непрерывно изменяют свою форму и положение. В случае такого воздействия намечается некоторая аналогия между дробовым бурением и резанием материалов резцами.
Фиг. 7
2. Раздавливание породы круглой дробью под действием нагрузок, превышающих предел прочности породи на сжатие. При вращении инструмента и перекатывании дроби раздавливающие нагрузки перемещаются по кольцу забоя, производя полезную работу бурения. В случае такого воздействия намечается аналогия между дробовым бурением и износом колец подшипников качения.
3. Выкрашивание породы под действием ударных скалывающих сил, возникающих при качении тел не шаровой формы по неровной поверхности при больших нагрузках. Процесс разрушения протекает аналогично таковому. при бурении шарошечными долотами или при таком ударном бурении, асогда бур поворачивается одновременно с ударом.
В специальной литературе по дробовому бурению излагается первая или. вторая гипотеза. Основное расхождение между этими гипотезами заключается в двух вопросах:
а) работает колотая или круглая дробь?
б) работает резанием или раздавливанием?
В ходе дискуссии, протекавшей в 1941 г. на страницах журнала »Разведка недр", выяснилось следующее: первая гипотеза несостоятельна, во-первых, потому, что предполагает удовлетворительную работу „резцов" из. чугуна в таких породах, в которых резцы из твердых сплавов работают неудовлетворительно; во-вторых, для того, чтобы „резец" перемещался по породе, необходимо наличие силы трения в месте соприкосновения коронки с частицами дроби значительно больше, чем сила трения при скольжении: частиц дроби по породе. Иными словами, коэффициент трения при скольжении стали по чугуну должен ' быть больше, чем при скольжении чугуна по породе, что противоестественно.
Против второй гипотезы говорит целый ряд фактов. Во-первых, при бурении чугунной дробью круглые дробинки существуют на забое очень недолго (до двух часов) и только после того, как вся дробь расколется „под торцом коронки, начинается интенсивная углубка скважины. Во-вторых» если допускать в породе такие высокие концентрации напряжений, которые приводят к разрушению породы, то, очевидно, столь же высокие напряжения будут иметь место и в дроби, а чугун большей частью менее прочен, чем порода, и разрушится в первую очередь.
Автор стоит на позициях третьей гипотезы и считает, что разрушение породы под торцом дробовой коронки протекает следующим образом в зависимости от качества дроби.
1. Бурение чугунной дробью. Чугунная дробь не является шаровой в геометрическом смысле этого слова и перекатывается при вращений коронки по неровной поверхности забоя. При этом неизбежно возникают „биения" снаряда, вибрация его и ударные нагрузки будут передаваться через дробь на породу, отчего и дробь, и порода будут крошиться. Перекатывающиеся остроугольные частицы создадут более благоприятные условия для возбуждения колебаний снаряда и для разрушения породы своими острыми, ребрами (фиг. 8). Необходимо отметить, что колебания снаряда будут двух родов: осевые и крутильные.
На каждую частицу дроби действуют две силы: сила давления на коронку, ориентированная по нормали к забою, определяющая силу, стремящуюся внедрить частицу дроби в породу, и сила трения, действующая в плоскости забоя и стремящаяся оторвать часть породы, примыкающей к дробинке. Совместное действие этих сил можно рассматривать как удар, направленный под некоторым углом к поверхности забоя. Остроугольные частицы, получающиеся при раскалывании чугуннной дроби, интенсивно разрушают породу при сравнительно небольшом давлении на коронку, одновременно с этим вследствие невысокой прочности чугуна быстро изнашиваются сами. Выгодно ориентированная частица под действием удара произведет разрушение породы и, вероятно, раскрошится сама на более мелкие, но также остроугольные частицы, и на забое всегда будет достаточное количество »дробинок", выгодно ориентированных по отношению к забою и коронке.
2. Бурение стальной шаровой дробью. В основных чертах процесс протекает аналогично только что описанному с той лишь разницей, что горизонтальная составляющая удара невелика, инструмент тупой и можно сказать, что разрушение породы идет под действием тупого инструмента при направлении ударов почти по нормали к поверхности забоя (фиг. 9). Очевидно, для достижения заметного разрушения породы сила „С" должна быть очень велика, а производительность такого бурения, в общем, весьма незна-
чительная. Подтверждение этого можно найти в опытах Боровского Е. В» [1] и Остроушко И. А. [9].
3. Бурение стальной сечкой. Общая схема действия сил остается неизменной (фиг. 10), но процесс существенно отличается и от первого, и от второго. Сечка поступает на забой в виде, готовом для работы, имея острые ребра, и сразу дает эффективную углубку. Сечка изготовляется из высококачественной стали и довольно долго сохраняет свои острые ребра при той же крупности частиц, что и является причиной высокопроизводительной работы ее. По мере обкатки характер работы сечки приближается к характеру работы круглой дроби, сечка постепенно теряет свои буровые свойства, и. скорость углубки скважины падает.
Я
коронка
потею
коронка
Фиг. 8
Фиг. 9
Фиг. 10
Процесс бурения существенно отличается в зависимости от вида истирающего материала, но общим началом для всех трех является разрушение породы под действием косо направленного удара. Рассмотрим силы, приложенные к элементарной частице (фиг. 11).
Согласно закону Кулона, сила сопротивления относительному "перемещению соприкасающихся тел определяется Р = Гтр -р А, где Ртр =/С—сила трения (/ — коэффициент трения, С,—сила нормального давления), А — сцеп-ленность трущейся пары [8].
Горизонтальная составляющая силы косого удара определяется вторым слагаемым (сцепленностью). Наблюдения над работой зубила при обработке поверхности позволили сделать вывод, что максимальная сцепленность и наибольшее разрушение породы получается при угле наклона зубила р = 90 — где ® —■ угол трения между материалом зубила и обрабатываемой поверхностью (фиг. 12). Действительно, если приходится обрабатывать идеально гладкую поверхность при полном отсутствии трения между инструментом, то единственное направление зубила, которое может вызвать разрушение,—по нормали к поверхности (св = 0 и р = 90°); наоборот, при бесконечно большом трении правильное направление зубила—-по касательной (© = 90° и р = 0).
Для определения наивыгоднейшего угла приложения разрушающей силы, очевидно, необходимо определение коэффициента трения и угла тр>ёния. Определение силы трения под торцом дробовой коронки Произведено на стенде, принципиальная схема которого приведена на фиг. 13.
Фиг. 13
1 Коронка
2 Штуф породы
3 Стол
4 Подшипники стола
5 Динамометр
Сила трения, возникающая при вращении коронки, стремилась привести во вращение штуф породы 2 вместе со столом 3. Стол 3 удерживался от вращения силою пружины динамометра 5, связанного со столом охватывающей струной. Момент трения между коронкой и породой Мтр — Рдин' Нстола.
С другой стороны, момент трения будет равен
где /—искомый коэффициент трения, г1 и г2 — наружный и внутренний радиусы коронки, с — нагрузка на коронку. Определения производились при следующих условиях: коронка—
гг = 24,5 и г2 = 19,5; Нсто.ш=92,5; число оборотов коронки — я = 20 об/мин; промывка—водой; крупность частиц дроби до 1 мм; порода—крупнозернистый роговообманковый гранит. Результаты определения представлены в таблице 1.
Таблица 1
Показания динамометра, кг Нагрузка на- коронку, кг Коэффициент 1 трения Угол трения в град.
0,25 10,37 0,103 6
0,33 13,12 0,106 6
0,40 13,12 0,128 7
0,50 ; 16,37 0,128 7
0,70 18,62 0,158 9
Полученные значения коэффициентов трения и основное положение о наивыгоднейшем значении угла приложения разрушающей силы подтверждены другими опытами, которые будут изложены в следующем разделе.
Зависимость скорости углубки от давления на коронку
Во всех работах, посвященных решению вопроса о влиянии давления на скорость углубки скважины, приводится график зависимости, представляющий кривую с характерным максимумом при некотором оптимальном давлении. Максимум объясняется различными авторами по-разному: одни [3] считают, что при давлении выше оптимального происходит „слишком быстрое раздавливание дроби, вследствие чего снижается скорость углубки"; другие [9] считают, что при давлении на коронку выше оптимального дробь раскалывается и перестает работать (так как работает только круглая дробь); третьи [4] считают, что дробь выдавливается из-под торца коронки и уг-лубка скважины прекращается. На наш взгляд дело обстоит иначе. Оптимальное давление создает условия, наиболее близко отвечающие требованию наивыгоднейшего приложения силы (р = 90 — ®) и обеспечивающие максимальную углубку *). Схема сил, отвечающая этим условиям, представлена на фиг. 11.
Из схемы следует,-что Рвр— А -\-jC- ctg р' C-f- tg <р' С, но р = 90 — ® и ctg р = tg ®, тогда Рвр = 2 tg <р. с, или
, Рвр
tor СЭ = -i— .
s • 2 С
Лабораторные определения tg ® из условий бурения на различных числах оборотов дали следующие значения:
при п = 380 об/мин, tg ® = 0,127, ф — 7°,
при л = 240 об/мин, tg® = 0,129, <р = 7°,
при п = 160 об/мин, tg® = 0,157, ср = 9°,
при п = 90 об/мин, tg® = 0,127, ® = 7°,
что хорошо увязывается со значениями ®, полученными непосредственно (таблица 1).
Из опытов следуют интересные выводы, имеющие большой практический интерес. Если изменится коэффициент трения, то должно измениться положение максимума и значение оптимального давления. И действительно, при бурении с подсыпкой дроби давление было увеличено до 40 кг/см2, и еще максимум не был достигнут (фиг. 7, пунктирная линия). Точно такое же явление наблюдается при бурении стальной сечкой. Коэффициент трения под торцом коронки при бурении стальной сечкой меньше, что позволяет увеличивать давление на коронку и достигать больших скоростей углубки.
Второй вывод, который следует из рассмотрения графика, представленного на фиг. 7, может быть сформулирован так: для каждого числа оборотов коронки имеется свое оптимальное давление, причем значение его закономерно убывает с увеличением числа оборотов.
Зависимость скорости углубки от числа оборотов
Результаты исследования влияния числа оборотов коронки на скорость углубки приводятся различными авторами [1, 9 и др.], причем одни исследователи считают, что скорость углубки прямо пропорциональна числу
Более детальное рассмотрение этих взглядов приводится в статье И. С. Митюшкина и Б. И. Молчанова (см. настоящий сборник, стр. 78).
оборотов коронки [1], другие [9] приводят данные, по которым видно,__ что увеличение числа оборотов на 280°/0 увеличивает скорость углубки на 450%.
Наши исследования, приведенные в самых различных условиях, дают иную картину этой зависимости. Экспериментальное бурение в производственных условиях показало, что увеличение скорости углубки не находится в прямой пропорции от числа оборотов коронки, если сравнивать скорости углубки при оптимальных давлениях. Специальные испытания, проведенные в лабораторных условиях, позволяют довольно определенно говорить об общей закономерности изменения скорости углубки в связи с изменением числа оборотов. Эта зависимость выражается кривой параболического порядка (график на фиг. 14 и 15). '
Фиг. 14
Полученные результаты дают возможность вычислить показатель степени характеризующий зависимость скорости углубки от числа оборотов. Показатель степени к является константой горной породы, поэтому на способах его определения мы остановимся ниже, после рассмотрения сопротивления горных пород бурению.
Фиг. 15
О сопротивлении горных пород бурению
Горные породы при дробовом бурении разрушаются хрупко, однако, хрупким деформациям всегда предшествуют. пластические, следовательно» предел прочности породы еще не определяет сопротивление породы раз-буриванию. Для полной характеристики буримости породы нужно определить не только предел прочности породы на сжатие, но и степень пластичности ее, то есть способность породы к течению. Поведение материала за пределом упругости довольно точно выражается уравнением политропы [6, 10]'
где о — напряжение растяжения (сжатия), о0—условный предел текучести, 10 — начальная длина (высота) образца, I — конечная длина (высота);« образца, к — показатель политропы.
Уравнение политропы в логарифмических координатах (фиг. 16) представляет прямую линию, наклоненную под углом, тангенс кбторого равен к, и отсекающую при своем продолжении на оси напряжений условный предел текучести а0.
Все материалы* в том числе и горные породы, способны течь, но степень -текучести их различна. Политропы различных материалов схематично изображены на фиг. 17. Деформации горных пород должны отражаться политропой, прямая часть которой наклонена под углом 40—70°, что соответствует показателям к = 0,7—2,75. Чем больше показатель степени политропы, тем меньше способность материала к пластическим изменениям. Сопротивление горных пород сжатию и степень текучести можно определить при сжатии образцов на прессе Гагарина, что является первой задачей наших дальнейших исследований. Показатель политропы (к) также определен нами из условий бурения, пользуясь общей формулой скорости углубки, выведенной ниже.
В литературе имеется несколько формул, связывающих параметры бурения с мощностью станка или производительностью бурения, выведенных для алмазного бурения или для бурения твердыми сплавами [2, 5]. Нами также сделана попытка на основе изложенных взглядов вывести уравнение зависимости скорости углубки от основных параметров режима дробового •бурения.
Введем необходимые обозначения: Кс — сопротивление породы разбуриванию (кг!см2), ДА — углубка за один оборот коронки (см), Н — радиус скважины (см), г —радиус керна {см),
п —число оборотов коронки в минуту (об/мин), и — скорость углубки скважины (см/сек), С —нагрузка на коронку (кг).
Фиг. 16.
Фиг. 17. 1 Абсолютно твердое тело. 2 Идеальное упругое тело. 3 Уп-руго-хрупкое тело. 4 Упруго-пластичное тело. 5 Пластичное тело. 6 Реальная жидкость. 7 Идеаль-
ная жидкость
Вывод общей формулы, связывающей основные параметры режима
Работа по разрушению породы, совершаемая коронкой за один оборот,, равна:
Д /-2)/СДА. (1>
Секундная работа равна:
ШсеК = ъ{№ — г*)Кс}1се,с, (1а>
но секундная работа—мощность, а секундная углубка есть скорость углубки, тогда
Ы=1с(Яг — г* УКси. (2)
Определим крутящий момент на торце коронки:
мйр = 71620 * (я2 -п)Кси
п
100-75
_ /Л+г\
После деления на среднии радиус!---I и вычисления коэффициентов получаем выражение горизонтальной составляющей силы, производящей разрушение
Рр=-т./<си(Ц-г). (4
п
Заменим разность радиусов скважины и керна шириной кольцевого забоя , (/2 — г=Ь) и получим:
Рр = —КсиЬ {кГ).
Сопротивление породы разбуриванию (Кс) как сложное сопротивление двум видам деформации с достаточной точностью определяется уравнением [2].
Кс^к — асж ДАа,
где всж предельное сопротивление пород сжатию, ДА—абсолютная деформация, к—показатель политропы. Вполне уместно предположить, что время деформации изменяется в той же степени к, тогда Кси =^осжик, и уравнение (4а) представляется в таком виде:
Рр = ——осжикЬ (кГ). (5)
п
Кроме этой силы, в том же направлении будет действовать сила трения Ртр, которая определяется делением момента трения кольцевой пяты на средний радиус. Момент трения приработавшейся кольцевой пяты выражается [7]:
М „р =/,1 "-1* С, где / — коэффициент трения,
г\ и г2 — внутренний и наружный радиусы пяты (коронки), С—нагрузка на пяту (на коронку) кг. При делении на средний радиус получаем силу трения
Ртр=/Скг. (6),
Суммируем реактивные силы, выраженные равенствами (¡5) и (6),
Ро0щ = Рр + Ртр = 0СЖ ич +/С (кГ) С7>
п
Активная сила, развиваемая двигателем станка и приложенная к коронке, должна быть равна сумме реактивных сил.
Рер= Робщ — Рр-\- Fmp, а Рвр—-— , (8)
Тер
где Мкр — крутящий момент на шпинделе станка (кг. см),
у] —к.п.д. колонны штанг (MKp-q— крутящий момент, приложенный к коронке), гср — средний радиус коронки. Прежде чем приравнивать вращающую силу к сумме реактивных сил, необходимо ввести еще один коэффициент. Оценивать работу бурового инструмента по фактически произведенной работе разрушения можно, зная коэффициент полезного действия инструмента. Введем к.п.д. дроби р) и приравняем активную силу сумме реактивных:
мкр __ 60 осжикЬ
Гер n-q р
п Т) р / МКр
-/С (9)
" ,р , . (9а)
ЬО • осж -Ь \ Гер )
Проанализируем полученную формулу. Скорость углубки пропорциональна числу оборотов, но показатель степени к, зависящий от свойств породы, существенно изменяет характер зависимости и только в частном случае (к— 1) скорость углубки прямо пропорциональна числу оборотов. Для вязких пород (&<* 1) увеличение числа оборотов чрезвычайно эффективно: для хрупких пород, в которых главным образом и происходит дробовое бурение, увеличение числа оборотов увеличивает скорость углубки, но не прямо пропорционально.
Скорость углубки тем больше, чем больше к.п.д. забойного инструмента, то есть, чем крупнее отделяемые частицы породы и чем меньше работы тратится на повторное дробление, диспергирование материала.
Скорость углубки тем меньше, чем прочнее порода.
Скорость углубки уменьшается с увеличением ширины кольцевого забоя.
Выражение, стоящее в скобках, определяет сцепленность инструмента с породой. Закон изменения ее неизвестен, но многочисленная проверка вычислением, проведенным по самым различным данным, показывает, что при оптимальном давлении *) на коронку существует следующая зависимость:
—о/я - — £ ) *~>опт •
Г ср
Это означает, что сцепленность дроби с породой при оптимальном давлении численно равна силе трения. Общая сила, тормозящая коронку, при оптимальном давлении равна удвоенной силе трения, измеренной при полном отсутствии углубки скважины. Изучение характера изменения сцепленности • инструмента с породой является ближайшей нашей задачей.
Определение показателя политропы и другие примеры пользования уравнением
Пользуясь результатами экспериментального бурения, мы подсчитали показатель политропы для гранита. В лабораторных условиях при постановке условий опыта формулу (9а) можно упростить, считая, что:
"ПР
60 <зсж ь
■■ В = const.
1) Оптимальное давление на коронку—это такое давление, при котором наблюдается самая интенсивная углубка скважины.
Решаем систему уравнений:
и* = пхв[ Мкр1 -/С! V
= --/Сз).
Необходимые данные для решения этих уравнений берем из опыта (фиг. 7)
£Л =0,0183 слг/сек, _ Сх — Ш кг,
и, =0,0160 сж/се/с, : —-31,0 кг, ^ _ 142 ^
=0,0105 сж/сек, ср Сз = 180 кг.
/ =0,130, АГк,г _
= 380 об мин, ~^-— 36,0 кг,
Пг = 240 об/мин. Л з = 96 об/мин, Л^крз
; 46,2 кг,
В результате вычислений получаем следующие значения:
¿1 = 1,82, й2=2,1, ¿3 = 1,68. Среднее из которых ¿ср=1,87.
Следует еще раз обратить внимание на соотношение силы трения и об-, шей вращающей силы, приложенной к торцу коронки, во всех случаях сила трения (без учета сцепления) равна половине общей силы или сцепленность равна силе трения. :
Проверка на экспериментальных буровых скважинах различной глубины подтвердила это соотношение: во всех случаях f. Сопт составляет половину вращающей силы.
Следовательно, оптимальное давление на коронку может быть выражено двояко:
г _60осжикЪ ,
*~>о"пт- ~ , (^о;
Мкр-ц 2гкр/
(11)
После завершения исследований можно будет воспользоваться уравнением (10) для определения оптимальных параметров режима, а уравнением (И) — для определения мощности привода бурового станка.
По графику зависимости скорости углубки от числа оборотов с учетом технических возможностей бурового оборудования находим оптимальное число оборотов коронки (Попт) и соответствующую скорость углубки (II) в породах данной категории (при определенных асж и к).
Подставляем значения п0Пт и ¿7 в уравнение (10) и находим оптимальное давление на коронку при бурении чугунной или стальной дробью (в зависимости от качества дроби изменится коэффициент трения).
По уравнению (11) определим крутящий момент на торце коронки и после умножения на к.п.д. колонны штанг найдем крутящий момент на шпинделе бурового станка.
Выводы
1. Представления о характере работы дроби, как режущего инструмента или как раздавливающего, не объясняют многих фактов, известных из практики бурения, и не дают основания для научной разработки режимов дробового бурения.
2. Ведущиеся на основе новой гипотезы исследования сопротивления породы разбуриванию и выявления основных параметров режима на скорость углубки позволяют в первом приближении решать вопрос об оптимальных режимах дробового бурения и открывают перспективу дальнейшего совершенствования его. На данном этапе исследований можно утверждать следующее:
1) оптимальное давление на коронку не соответствует пределу прочности дроби, зависит от числа оборотов коронки и изменяется с изменением крупности дробовых частиц, их формы, а также материала коронки и дроби, то есть зависит от факторов, определяющих коэффициент трения;
2) зависимость скорости углубки от числа оборотов выражается кривой ик — Ьп, причем показатель степени к зависит от горной породы и определяется как степень пластичности её;
3) буримость породы — сопротивление породы разбуриванию—определяется прочностью ее, выражающейся через критическое сопротивление сжатию, и пластичностью породы, выражающейся через показатель степени пластичности. Первое показывает, насколько прочно связаны между собой материалы, слагающие породу, второе характеризует способность породы к пластическим перестроениям—способность породы течь.
3. Выведенное уравнение общей зависимости скорости углубки от основных параметров режима в известной степени эмпирично, но в какой-то мере отражает характер технологического процесса, и после составления необходимых диаграмм позволит правильно задавать режим бурения в конкретных геологических и технических условиях.
4. Классификация пород по бурению, которая в настоящее время основывается на хронометражных наблюдениях и субъективной оценке прочности пород, может быть произведена на основе объективной оценки буримости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Боровский Е. В. Работа дроби как истирающего материала. Жури. „Разведка недр", № 13, 1934.
2. Воздвиженский Б. И. Буровая механика. Госгеолиздат, 1949.
3.Волков С. А. Технология дробового бурения. Свердловск, 1950.
4. Временная инструкция по дробовому бурению. Госгеолиздат, 1950.
5. Кузнецов А. В. Некоторые расчеты по колонковому бурению. Журн. „Разведка недр", № 14, 1933. -
6. Кузнецов В. Д. Физика твердого тела, т. IV, Томск, 1947.
7. Кореняко А. С. и Кременштейи. Теория механизмов и машин. Гостехиздат, Киев, 1952.
8. Крагельский И. О трении несмазанных поверхностей. Всесоюзная конференция по трению и износу в машинах. Доклады т. I, изд. АН СССР, 1939.
9. Остроушко И. А. Разрушение горных пород при бурении. Госгеолиздат, 1950.
10. ЦяибаревичП. М. Механика горных пород. Углетехиздат, 1948.
