Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

При твердосплавном бурении резец твердо­сплавной коронки под действием осевой нагрузки совершает поступательное движение вниз на некоторую глубину h и при приложении крутящего момента перемещается по кругу, вы­зывая скалывание или резание породы. В результате наложе­ния двух перемещений резец будет совершать движение по винтовой линии. Поскольку глубина внедрения резца не­большая (несколько миллиметров) по сравнению с диаметром скважины, можно принять, что угол наклона плоскости забоя равен нулю. В связи с тем, что на резец действуют две силы (осевая нагрузка Р и сила резания Fp, создаваемая крутящим моментом), результирующая (равнодействующая) этих сил R при клиновидной форме резца будет действовать по наклон­ной плоскости I-I, располагающейся под некоторым углом у к направлению действия осевой нагрузки. Равнодействующая си­ла R вызовет в месте контакта резца с породой появление уп­ругих деформаций в виде поверхностей равных напряжений-. При этом сферические поверхности приобретают вытянутую вдоль равнодействующей эллипсоидную форму (рис. 4.3).

Разрушение породы происходит по поверхностям макси­мальных напряжений, превышающих прочность породы на сдвиг. Такие поверхности появляются перед передней гранью резца в зоне сжатия, по которым и происходит скалывание породы. Задняя грань резца под действием силы Р будет ока­зывать давление на породу и сминать ее. Позади переме­щающегося резца возникает зона растяжения, вызывающая ослабление связей в породе и образование микротрещин (/).

Внедрению резца в породу (рис. 4.4) будет препятствовать сопротивление породы в виде двух реакций: Щ и Ы2-

Сила N1 определяется сопротивлением породы разруше­нию на площадке 5СМ, т. е. площадь задней грани, находящейся в контакте с породой, и пределом твердости породы на вдав­ливание Нь:

/V, = 5с„Яь8та. (4.8)

Сила N2 возникает в результате движения внедряющегося резца и направлена против горизонтального перемещения. Значение этой силы определяется сопротивлением породы скалыванию ст и площадью скалывания 5СК, зависящей от угла внутреннего трения породы ф:

N2 = ст5ск. (4.9)

Перемещение резца под действием равнодействующей си­лы Я по плоскости 1-1 вызовет появление сил трения на пе­редней грани Г = ЙЧ, и на задней грани Р2 = /ЛГ2; коэффици­
ент трения породы о резец / = tgcp. Проекции сил, дейст­вующих на резец, на горизонтальную и вертикальную плос­кости, выражаются следующими уравнениями:

N2 — Nicosa + A^tgasina = 0; (4.10)

-Р + N2 tgcp + Af, sina + Nt tgcpcosa. (4.11)

Определяя из уравнения (4.10)

ж, / ч cosa coso — sina sin® N. cos (a + <p)

N2 = TV, (cosa — tgtp smaj = TV,——————— —— ———

coscp COS(p

и подставляя это выражение в уравнение (4.11), найдем зна­чение Nt:

=_РсоЛр 2

sin(a + 2ф)

Величину iV, можно также определить из выражения Ni = Нь sina b h/cosa = hb Ньtga, (4.13)

где Hbsina = Ny — удельное давление на задней грани резца; h — глубина внедрения резца; b — ширина резца; Л/cosa = a — ширина площадки смятия.

Из выражений (4.12) и (4.13) определим h = <4Л4>

ЬНь tga

2

COS И)

где Г| =— ^ .

sin(a + 2<р)

В существующих коронках угол a = 72°, поэтому tga = = 3,08. Для угла a = 72° имеем г| = 0,94. Так как в современной конструкции коронок Ь = 8,5 мм, формула (4.14) упрощается:

h = 3,5-Ю~2РН;1. (4.15)

За время t коронка внедряется в породу на величину

1 = hnmt = 3,510-2PHb’ nmt, (4.16)

где Р — нагрузка на резец; п — частота вращения коронки; т — число резцов в коронке; Нь — твердость породы.

Произведение Pm = G представляет собой осевую нагруз­ку на коронку.

Механическая скорость бурения определяется из выраже­ния

v„ = 1/t = 3,510-2GnHb-‘. (4.17)

Таким образом, механическая скорость бурения находится в прямой зависимости от осевой нагрузки на коронку, скоро­сти ее вращения и обратно пропорциональна твердости гор­ной породы. Следует отметить, что это выражение справед­ливо для коронки с незатупившимися резцами. По мере из­носа резцов в коронке значение й необходимо увеличивать.

Комментарии запрещены.