Разрушение горных пород при ударном бурении
Ударное бурение — древнейший способ разрушения горных пород. В настоящее время в практике распространено ударно-канатное бурение, при котором углубление скважины происходит вследствие ударного воздействия на породу забоя падающего инструмента.
Для придания скважине круглой формы долото необходимо поворачивать на некоторый угол р после каждого удара о забой (рис. 2.9). В момент удара долота о породу канат ослабляется и скручивается за счет его упругих свойств при проворачивании втулки в корпусе канатного замка. Во время подъема инструмента над забоем канат растягивается и раскручивается при поворачивании бурового снаряда.
|
Рис. 2.9. Схема разрушения забоя при ударном бурении |
В упруго-хрупких породах разрушение происходит в режиме раздавливания и смятия породы, однако значительный объем породы разрушается в результате деформаций скалывания. Предел прочности на скалывание составляет 1/10—1/25 от величины прочности породы на раздавливание.
В пластичных породах деформаций скалывания не возникает и порода как бы влипает в контуры забоя (рис. 2.10).
Сопротивление горных пород при ударном бурении следует характеризовать динами — т. е. прочностью на вдавливание при ударном
ческой твердостью, приложении внешних сил.
По данным Л. А. Шрейнера, имеется весьма существенная разница между динамическим и статическим сопротивлениями вдавливанию цилиндрического пуансона в скальные горные породы (табл. 2.12).
|
|
|
Рнс. 2.10. Схема разрушения породы при ударном бурении: по скальной породе: а —начало удара; б—конец удара; в —по мягкой породе |
|
Таблица 2.12. Твердость различных пород
|
Из табл. 2.12 видно, что статическая твердость примерно в 8—9 раз больше динамической, поэтому ударное долото значительно легче внедряется в твердую породу по сравнению с долотом вращательного типа, к которому в основном прилагается статическая нагрузка.
При ударном бурении поверхность забоя шероховатая. Вследствие этого сопротивление вдавливанию даже в однородной породе является величиной переменной и определяется расположением данной насечки (от удара долота) относительно соседней. Роль трения при ударном бурении во много раз меньше, чем при вращательном.
Долото при падении на забой совершает полезную работу, однако его энергия расходуется также на трение о стенки скважины, Преодоление сопротивления жидкости, дробление уже отделенных от массива и находящихся на забое частиц, деформацию бурового снаряда.
Конечная скорость свободного падения ударного инструмента V определяется по формуле
У = (2.43)
где 5— высота падения инструмента, м; Ь — ускорение падения инструмента в скважине, м/с2.
Конечная скорость свободного падения бурового снаряда зависит от высоты его падения 5 и ускорения падающего снаряда Ь в скважине, заполненной жидкостью и породным шламом. При начальном положении у0 = 0.
Величина Ь зависит от прямолинейности ствола и состояния его стенок, а также от плотности зашламованной жидкости в призабойной части. При бурении в мягких породах глинистого состава ускорение Ь может снижаться до 3,5—5 м/с2, а в крепких — равно 6—6,5 м/с2.
Большая плотность зашламованной жидкости в скважине снижает скорость падения бурового снаряда на забой, поэтому в процессе долбления в скважину периодически подливается вода, а шламовая жидкость извлекается желонкой. При внедрении рабочего лезвия долота, имеющего форму двустороннего клина, в скальную породу непосредственно под ним происходит раздавливание породы в тонкий порошок и скалывание породы в сторону от щек долота. При внедрении клинообразного лезвия в пластичную породу происходит смятие, уплотнение и выдавливание породы у щек лезвия долота (см. рис. 2.10).
Для простоты рассмотрения процесса разрушения пород при ударном бурении введем следующее допущение: скважина является вертикальной, и долото при падении не касается стенок, а лезвие его не затуплено; долото ударяется о совершенно чистый забой.
Пусть под действием силы удара Р долото внедряется в породу на глубину А (рис. 2.11). При этом долото преодолевает сопротивление породы раздавливанию (смятию) V (реакция со стороны породы на Долото) и силу трения ]¥ щек лезвия долота о забой.
1 Следовательно,
|
Р = 2А0а |
|
,§♦/} |
|
|||
|
|||
|
|
||
|
|||
 |
|||
|
|||
Из формулы (2.47) следует, что глубина внедрения долота в породу равна
Р
|
А = |
(2.48)
Введем в формулу коэффициенты К, и К2, которые учитывают реальные условия работы долота на забое:
|
А = |
|
(2.49) |
КХК2Р
где К — коэффициент, учитывающий влияние длины и формы лезвия долота (для плоского долота К] = 1,0; для долот с более сложной конфигурацией лезвия АТ, = 0,7—0,75); К2 — коэффициент, учитывающий степень притупления лезвия долота (К2 = Ь,6—0,7).
Полученная формула глубины внедрения долота в породу позволяет сделать ряд важных выводов:
✓ с увеличением силы удара увеличивается глубина внедрения долота в породу А;
✓ увеличение диаметра долота при прочих равных условиях снижает А;
✓ увеличение угла а и коэффициента трения / снижает А.
Формула выведена при условии целого ряда допущений:
/ сила удара Р распределяется равномерно по длине лезвия долота;
✓ сила удара Р изменяется пропорционально глубине А;
•/ коэффициент трения лезвия долота о породу принят величиной постоянной, в то время как скорость движения долота изменяется от максимума до нуля;
✓ коэффициент притупления лезвия долота К2 принят величиной постоянной, хотя он изменяется в процессе отработки долота;
■/ принятая в расчете величина сопротивления породы раздавле — нию а не в полной мере определяет процесс разрушения породы, так как при этом не учитываются деформации скалывания и сдвига;
✓ фактическая величина углубления зоны разрушения под лезвием долота за счет эффектов хрупкого скола породы может существенно превосходить глубину внедрения долота А.
Таким образом, формула (2.49) определяет качественную сторону процесса внедрения лезвия долота в породу. В силу ранее принятых допущений, а также из-за невозможности учета эффектов скола гор — йой породы и влияния шламового режима на показатели бурения формула (2.49) не может быть использована для практических расчетов скорости бурения.
Оптимальный вес инструмента, высота сбрасывания снаряда, число ударов, угол поворота долота
Вес бурового снаряда определяют исходя из значений относительного веса
б=?Д (2.50)
Где # — относительный вес инструмент, н/см; /) — диаметр долота, см.
Практикой ударно-канатного бурения установлены следующие оптимальные значения д, в н/см:
Породы мягкие……………………………………………. 150—300;
Породы средней твердости…………………………… 300—400;
Крепкие породы …………………………………………. 400—500;
Очень крепкие породы…………………………………. 500—700.
Относительный вес инструмента прямо пропорционален длине и диаметру долота.
Абсолютный вес (Н) рассчитывают по формуле
0 = а? Ю[1], (2.51)
где ср — коэффициент пропорциональности; (р = 0,004—0,001 Н/м3; Ь — длина бурового инструмента, м; /) — диаметр долота, м.
Из формулы (2.51) следует, что в крепких породах необходимый вес бурового снаряда достигается лишь при достаточно больших диаметрах долота, поэтому в крепких и твердых породах необходимо бурить долотами диаметром более 250 мм.
Максимальную допустимую высоту падения снаряда ^ определяют по формуле
*5’тах= [ас*123,2в, (2.52)
где [асж]—допустимое напряжение материала инструмента на сжатие, МПа; в — ускорение падения снаряда в скважине, в = 4,5—6,5 м/с2.
Рекомендуются следующие величины высоты сбрасывания снаряда: при бурении пород мягкой и средней твердости — 0,5—0,8 м; твердых—0,9—1,0 м; очень твердых — 1,1—1,2 м и трещиноватых—0,9 м.
Между числом ударов и высотой падения бурового снаряда существует следующее соотношение:
п = Ю^в/Я, (2.53)
где л —число ударов в 1 мин; 5— высота сбрасывания снаряда, м.
На практике частота ударов в минуту при бурении в мягких породах равна 58—60, в породах средней твердости — 50—53, твердых — 48—50 и трещиноватых— 50—53.
При небольшой глубине скважины (менее 100 м) используется приближенная зависимость:
п «47/5. (2.54)
После каждого удара долото необходимо поворачивать на некоторый угол р, чтобы повторный удар производился с максимальной
эффективностью.
|
Рис. 2.12. Угол поворота долота [5 при ударно-канатном бурении |
При ударно-канатном бурении невозможно фиксировать угол поворота долота, поэтому при последующих ударах лезвие долота может попадать в ранее уже разрушенную породу, что снижает производительность бурения. При рационально подобранном угле поворота долота имеет место не только раздавливание (смятие) породы, но и ее скалывание по некоторому сектору О’АВ и О"ВС (рис. 2.12).
Размеры секторов могут быть тем больше, чем выше хрупкость породы и чем глубже в породу проникает лезвие долота.
Чтобы определить рациональный угол поворота долота, необходимо знать:
■/ скалывающую силу, возникающую при внедрении лезвия долота в породу;
V сопротивление породы скалыванию.
Число ударов за полный оборот долота определяют из выражения
т = 360/(3. (2.55)
Заметим, что число поворотов долота т соответствует числу ударов долота п за полный оборот долота. При ударно-канатном бурении невозможно устанавливать постоянный и оптимальный угол поворота долота, так как он определяется длиной и упругостью каната, высотой
сбрасывания долота, шламовым режимом и т. д., поэтому в практике необходимо увеличивать число ударов долота и для полной обработки забоя. Чем больше диаметр долота и чем крепче порода, тем больше число ударов требуется для обработки забоя.
Затраты мощности на процесс ударно-канатного бурения могут быть определены по формуле
Аг«Р=аКрад/11, (2.56)
где 01 — вес бурового снаряда, кг; АТ, = 1,4 — коэффициент дополнительных сопротивлений при долблении; ^2= 1,10 + 1,25 — коэффициент динамичности; г| = 0,7 — г — 0,8 — КПД передачи от вала двигателя; Уср — средняя скорость движения оттяжного ролика, м/с.