Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Бурение шарошечными долотами имеет широкую область приме­нения. Главную долю бурения шарошечными долотами составляют разведочные и эксплуатационные скважины на нефть, газ и воду в породах любой твердости. При бурении геологоразведочных сква­жин на твердые полезные ископаемые шарошечные долота приме­няют, как правило, на верхних интервалах геологического разреза, по которому по ранее пробуренным с отбором керна скважинам на­коплена исчерпывающая информация. Шарошечные долота широко используют при бурении взрывных скважин в карьерах и при подзем­ной разработке месторождений. Кроме того, шарошечные долота при­меняют для бурения поисковых, опорных, инженерно-геологических, гидрогеологических, геотехнологических, гидротехнических, строитель­ных, вентиляционных скважин. Наиболее распространены долота, применяемые при бурении пород различной твердости от мягких до самых крепких: долота дробяще-скалывающего действия.

Рассмотрим характер разрушения породы забоя шарошечными до­лотами. При перекатывании шарошки по забою ее зубья внедряются в горную породу, которая разрушается в режиме смятия и дробления. В мягких и средних по твердости породах осуществляется так назы­ваемый режим проскальзывания зубьев, при котором происходит ска­лывание (срезание) стружки породы. Конструктивно шарошки распо­лагают в долоте по двум схемам: 1 — с пересечением осей шарошек с осью долота в одной точке (рис. 2.27, а); 2 — со смещением осей шарошек по направлению вращения долота параллельно положению, при котором их оси пересекаются в одной точке. Такое смещение на величину I называют положительным (см. рис. 2.27, б).

Рис. 2.27. Схемы расположения шарошек в долоте: а — с пересечением осей шарошек с осью долота; б—со смещением осей шарошек по направлению вращения долота (положительное смещение) на величину /

По первой схеме сконструированы долота типов СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К и ОК, по второй — М, М3, МС, МСЗ, С и СЗ

Проанализируем, при каких условиях шарошечные долота разру­шают породу только дроблением, а при каких — дроблением и скалы­ванием. Допустим, что шарошки имеют форму гладкого конуса, об­разующие которого пересекаются с осью долота в одной точке О (рис. 2.28, а). Отложим от точки О вектор угловой скорости шарош­ки СОщ вокруг оси ОБ и вектор угловой скорости долота <оя вокруг оси О А. Геометрическая сумма этих векторов представляет собой век­тор абсолютной угловой скорости шарошки шша вокруг перемещаю­щейся мгновенной оси МЫ, которая в данном случае совпадает с образующей шарошки, по которой она соприкасается с плоскостью забоя.

А А Рис. 2.28. Кинематические схемы работы шарошек: а — одноконусные с пересечением оси и образующих конуса с осью долота; б — одноконусные с пересечением оси с осью долота, а образующих конуса — за осью долота

Таким образом, конические поверхности движущихся шарошек, имеющих вершины в неподвижной точке О,— геометрическое место мгновенных осей, поэтому шарошки у такого долота катятся по за­бою без скольжения (см. рис. 2.28, а).

В случае, если шарошка имеет форму гладкого конуса, ось которого пересекается с осью долота в точке О, а образующие пересекаются за осью (или до оси) долота, мгновенная ось МЫ (рис. 2.28, 6) проходит через точки О и О,. Точка О, лежит на образующей конуса шарошки и в момент ее контакта с забоем неподвижна. Все другие точки, распо­ложенные на образующей шарошки, описывают дуги окружностей, ра­диусы которых равны расстоянию этих точек до мгновенной оси. В ре­зультате все точки, расположенные слева и справа от точки Ои про­скальзывают по забою. След, остающийся при этом на забое, показан на рис. 2.28, 6. Условия работы многоконусных шарошек аналогичны описанным применительно к схеме, изображенной на рис. 2.28, б.

У долот со смещенными осями шарошек (см. рис. 2.27, б) скольже­ние шарошек по забою значительно увеличивается, поэтому усиливается эффект скалывания породы. Чем крепче горная порода, тем меньше должно проскальзывать долото — разрушение забоя осуществляется в ос­новном за счет дробления. Эффект скольжения решается за счет выпол­нения шарошек многоконусными, выносом их вершин за ось долота и смещением осей шарошек в плане на некоторую величину в направле­нии вращения долота: чем больше величина смещения осей шарошек, тем больше проскальзывает долото, осуществляя скалывание породы.

Интенсивность проскальзывания породоразрушающих элементов шарошек по забою оценивается коэффициентом скольжения, получа­емым в результате деления суммы площадей, описываемых за один оборот долота проскальзывающими породоразрушающими элемента­ми шарошек, на площадь забоя скважины. Следовательно, у долот, соответствующих рис. 2.28, а, коэффициент скольжения равен нулю. Во всех других случаях он колеблется от 0,01 до 0,15.

Таким образом, шарошечные долота, характеризующиеся коэффи­циентом скольжения, равным нулю, только дробят породу, а долота с проскальзывающими шарошками дробят и скалывают ее.

Рассмотрим кинематику шарошечного долота. Шарошки вращают­ся вокруг своей оси и вокруг оси долота. Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно касаются забоя то одним, то двумя зубьями, т. е. шарошка при своем качении по забою то поднимается, то опус­кается, производя при этом удары по забою, вследствие чего зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динами­ческое воздействие. На рис. 2.29 показана схема работы шарошечного долота. Определим работу одного удара А, наносимого зубом шарош­ки по забою, определяемого произведением силы на путь:

А = ИРУ, (2.107)

где А — путь, совершаемый зубом при ударе по забою (высота паде­ния зуба); Ру — удельная нагрузка на зуб.

Рис. 2.29. Схема работы шарошечного долота

Из рис. 2.29 следует:

И = 2К$т2^, (2.108)

где г —число зубьев шарошки; Л —радиус шарошки.

Тогда

А = РЧЯ вш2^. (2.109)

у 2.г

Частоту вращения шарошки в 1 мин вычисляют по формуле

«ш = тг-л8, (2-110)

-*Лц

где Д — диаметр долота, м; Цц — диаметр шарошки, м; п% — частота вращения долота в 1 мин.

Тогда число ударов шарошки т в 1 мин по забою определим из выражения

т = пш1 = ~-п$г. (2.111)

Из формулы (2.111) очевидно, что число ударов, выполняемых шарошкой по забою за 1 мин, пропорционально диаметру долота,

числу оборотов долота в 1 мин и обратно пропорционально диаметру

шарошки.

Осевую нагрузку на долото, обеспечивающую объемное разру­шение породы, определяют по формуле В. С. Федорова из выра­жения

Ре = кш6РшгБк, (2.112)

где ка6 — коэффициент, учитывающий влияние факторов, действую­щих в реальных условиях бурения (наиболее часто ^заб 0,4 : 0,7);

Рт — твердость по штампу; 5К — площадь контакта зубьев долота с за­боем, которую приближенно можно вычислить из выражения

I

£=1,ЗДялв, (2.113)

где 1,3 опытный коэффициент, учитывающий фактическую сред­нюю площадь контакта при нулевом погружении зубьев; /)д —диа­метр долота; т] — коэффициент перекрытия забоя; в — притупление зубьев:

= (2.114)

где Я — радиус долота; п1 — число венцов; /, — ширина /-го венца.

По В. С. Федорову наибольшее число оборотов трехшарошечного долота, выше которого происходит снижение эффективности энергии долота при разрушении забоя, определяется из выражения:

п = 60-^-, (2.115)

где с1ш — диаметр шарошки; /к — минимальная продолжительность кон­такта зуба с породой, принимается в зависимости от категории пород

при буримости; г —число зубьев на периферийном венце шарошки,

определяемое по справочной литературе.

Механическая скорость бурения шарошечными долотами опреде­ляется по формуле

и = и0е’¥, (2.116)

где и0 — начальная скорость бурения, м/ч; е — основание натуральных логарифмов; ср — коэффициент уменьшения скорости бурения по вре­мени, связанный с износом вооружения долота (декремент затуха­ния), ч ‘; /—время работы долота, ч.

При бурении шарошечными долотами небольших размеров мощ­ность на разрушение забоя (кВт) определяют по формуле

Мрз = РосОп-3,5- ЮЛ (2.117)

где Рж — нагрузка на долото, даН; Б — диаметр долота, м; и — частота вращения, об/мин.

Мощность, затрачиваемую на разрушение забоя долотами диамет­ром 120—450 мм, определяют по формуле

/Ур3= С — 10~5и50,4^’3, (2.118)

где С — коэффициент крепости для пород: мягких равен 2,6, пород средней крепости — 2,3, крепких — 1,85; О —диаметр долота, мм; и — частота вращения, об/мин; Рл — осевая нагрузка на до­лото, кН.

Мощность, потребляемая на разрушение колонковым долотом (кВт), определяют по формуле

УУр, = Л^, (2.119)

где 7Уу — удельная мощность, отнесенная к 1 см2 забоя, кВт/см2 (в зависи­мости от нагрузки на долото, частоты вращения и скорости бурения Л’у колеблется в пределах 0,06—0,18 кВт/см2); 5—площадь забоя, см2.

Комментарии запрещены.