ОСЕВАЯ НАГРУЗКА
Влияние осевой нагрузки на величину механической скорости показано графически (рис. 22.17) в зависимости от твердости горных пород при значении л, равном не более 60 об/мин, и достаточной промывке.
Поскольку для разных пород и типов долот с различным числом зубьев, различной величиной их притупления и осевой нагрузкой будут отличаться области разрушения пород, влияние осевой нагрузки на механическую скорость бурения лучше представить в виде зависимости последней от отношения удельной нагрузки руд к сопротивлению р| при достижении первого скачка разрушения (рис. 22.18)
Уы = Про). (22.41)
где ро = руд/р1 — относительное удельное давление; руд = = р/Тк — удельное давление; — площадь контакта зубьев долота с породой.
|
|
Рис. 22.17. Зависимость »ь = /|/*): Рис. 22.18. Зависимость гм = ЯЛ) (по
1 — при проходке мягких горных по — М. Г. Бингхэму) род; 2 — при проходке пород средней твердости; 3 — при проходке твердых пород; 4 — при проходке очень крепких пород
Определить величину очень трудно, поэтому упрощенно она принимается по среднему значению за один оборот при начальной площади контакта неизношенных зубьев.
На рис. 22.18 область I — зона малых осевых нагрузок, где происходит поверхностное разрушение (истирание); в области И происходит откалывание кусочков породы, заметно растет ум, в области III удельная контактная нагрузка превышает предел прочности пород, происходит объемное разрушение породы, при идеальной промывке эта линия (1) была бы прямой при несовершенной промывке — линия Г; если увеличить расход жидкости, то получим линию Г’.
Это можно объяснить следующим образом. При относительном удельном давлении 0 < р0 < 0,6 (область I) горная порода разрушается преимущественно лишь с поверхности истиранием, абразивным изнашиванием, микровыкалыванием, смятием и сдвигом отдельных неровностей, величина которых на порядок меньше объема зубьев. Эта область на рис. 22.18 представлена прямолинейным участком /, т. е. ум = ар%, где а
и Ъ — коэффициенты, характеризующие область разрушения.
При поверхностном разрушении Ь = 1. Практически эта область характерна для бурения очень твердых пород при недостаточной осевой нагрузке или при бурении пород средней твердости долотами типа ИСМ с большой площадью контакта. Скорость бурения при этом мала (от доли метра до 3 м в час). Необходимый расход промывочной жидкости в этой области невелик.
При 0,6 < ро < 0,9 наблюдается усталостное разрушение (область II). Для этой области характерно получение объемного выкола лишь через несколько циклов воздействия зубьев на один и тот же участок забоя. Поверхностное разрушение при этом имеет подчиненное значение. В выражении vM = ар* показатель 1 < Ь < 1,5 зависит от свойств пород и типа долота. Шлам крупнее, чем в первом случае. В этих условиях целесообразно добавлять в промывочные жидкости поверхностно-активные вещества (ПАВ) — понизители твердости. Очень твердые породы в высокооборотном бурении шарошечными долотами разбуриваются, по-видимому, преимущественно в усталостной зоне в области первого скачка разрушения. Механическая скорость не превышает в этом случае десятка метров в час.
В области III объемного разрушения при р0 > 0,9 удельные энергозатраты на разрушение единицы объема породы существенно ниже, чем в первых двух областях. В выражении vM = а Ро значение Ь изменяется в широких пределах (1 < Ь < 3), зависит от р0 и свойств породы.
При одних и тех же значениях р0 значение Ъ тем больше, чем мягче порода, крупнее зуб, больше шаг и скольжение шарошек.
Таким образом, для получения высоких механических скоростей бурения при достаточной очистке забоя необходимо создавать на долото нагрузку, ограничиваемую лишь прочностью бурильной колонны и передаваемым крутящим моментом. При учете динамических процессов в колонне рассматриваемые закономерности будут гораздо сложнее.