Основы выбора рациональной частоты вращения П.Р.И.

Величина частоты вращения обычно измеряется в числе оборотов в единицу времени - n (в системе СИ –с^-1, в старой литературе - об/мин.) И очень редко как угловая частота - w (только в научных исследованиях – рад/с). Так же как hоб и F_ос., частота вращения один из основных параметров режима, используемый для управления процессом бурения. Из приведенной зависимости:

следует, что механическая скорость бурения прямо пропорциональна частоте вращения и график зависимости должен быть представлен прямой линией (приh_об.= Const.). (Рис. 24).

Рис. 24

В реальных же условиях линейная зависимость сохраняется лишь до определенного предела, после чего с увеличением частоты вращения ПРИ - V_м. или растет медленнее роста – n, или может даже снижаться (рис. 25).

Рис. 25

Учитывая, что V_м = h_об. · n, линейная зависимость V_м от n будет выдерживаться лишь при h_об. = Соnst.Однако, по ряду причин при значительном росте V_окр. может происходить либо плавное, либо резкое сниже-

ние h_об.. Рис. 26

.

Рис. 26

Приводятся (часть гипотетически) несколько причин такой зависимости h_об. = f(V_окр.).

1. Явление, которое можно назвать «лыжный эффект» связанное с тем, что с ростом линейной скорости движения резца увеличивается вертикальная составляющая сил сопротивления породы - R_х, что приводит к уменьшению глубины внедрения резца (резец как бы выталкивается или всплывает), Это напоминает движение водных лыж по поверхности воды при наличии достаточной линейной скорости.

2. При бурении в наиболее твердых породах разрушение породы на забое происходит не только скалыванием, но и раздавливанием ее под торцом резцов. В породе при этом, за счет касательных напряжений, под торцом резца возникают микротрещины и создается зона предразрушения, которая скалывается (срезается) следующим резцом легче и глубже, чем, если бы он работал в монолитной породе. Микротрещины в породе возникают при развитии в зоне сжатия упругих деформаций под резцом, когда сжатая часть породы отрывается от несжатой соседней части породы. На процесс возникновения трещин нужно время, зависящее от скорости деформаций. Если скорость движения резца больше чем скорость деформаций, то трещины не успеют образоваться и порода останется монолитной. Разрушать такую породу (без микротрещин) будет труднее и медленнее, т.е. h_об. будет снижаться.

3. Третья причина нелинейности зависимости роста скорости бурения от частоты вращения в том, что при больших линейных скоростях резцов, частицы шлама не успевают удаляться очистным агентом из-под торца, попадают под следующие резцы, переизмельчаются, затрудняя и замедляя процесс разрушения породы забоя, снижая скорость бурения.

4. С увеличением частоты вращения при бурении долотами может существенно и даже скачкообразно, возрастать износ режущих элементов и опор шарошечных долот (опоры рассыпаются).

5. Рост интенсивности износа с увеличением частоты вращения в большинстве случаев связан с ростом температуры на контакте резца с породой, что особенно характерно для твердосплавных резцов, имеющих малую теплопроводность, т.е. твёрдосплавные резцы «сгорают» (рис. 27).

Рис. 27

Наряду с забойными факторами, вызывающими ограничения частоты вращения П.Р.И., имеются ряд внешних факторов, также определяющих верхний предел возможной частоты вращения:

1. Прочность бурильных труб. С увеличением частоты вращения возрастают центробежные силы (ось колонны, как правило, не совпадает с осью вращения) усиливается изгиб труб и знакопеременные нагрузки на них и, как следствие, обрыв колонны.

2. Возникновение вибрации - по тем же причинам изгиб колонны при взаимодействии труб со стенками скважины приводит к возникновению колебательных явлений (поперечных и крутильных) т.е. к вибрации колонны. Появляющиеся при этом резкие динамические нагрузки на П.Р.И. и бурильные трубы приводят к резкому ухудшению условий их работы и, в конечном итоге, к разрушению П.Р.И. и обрыву труб, - бурение при наличии вибрации практически невозможно.

3. При бурении трещиноватых пород, проходя через трещину, резец ударяется о переднюю стенку трещины. Сила удара тем больше, чем больше линейная скорость движения резца. При слишком большой скорости вращения в трещиноватых породах будет происходить скалывание резцов. Из этих соображений рекомендуется в трещиноватых породах снижать частоту вращения на 30-:-50% относительно рациональной величины, выбранной для тех же, но монолитных пород

4. При высокооборотном бурении алмазным П.Р.И. глубоких скважин, серьезным ограничивающим факторов становитсянедостаточность мощностипривода вращателя бурового станка. В результате, в сложных геологических условиях возможная частота вращения с ростом глубины скважины уменьшается в несколько раз по сравнению с максимальной частотой вращения вращателя бурового станка. К сожалению это относится главным образом к отечественным буровым станкам. Поскольку мощности приводного двигателя бурового станка в ряде случаев может не хватать для бурения на оптимальных режимах, необходимо проанализировать характер затрат мощности на разные элементы процесса бурения, как для оценки реальных возможностей выбора параметров режима бурения, так и для определения резервов снижения непроизводительных затрат мощности. Кстати следует заметить, что у современных станков ведущих зарубежных фирм при техже глубинах бурения мощность приводного двигателя в 3 – 4 выше, чем у наших станков с соответствующими параметрами.

В итоге:

1. В общем случае с увеличением частоты вращения ПРИ скорость углубки растет пропорционально и осевой нагрузке на ПРИ и частоте вращения ПРИ -

1. Если с увеличением n ухудшаются забойные процессы - недостаточная очистка забоя, снижается hоб - «лыжный эффект», не успевает предразрушение –прямая пропорция роста Vмнарушается.

2. При бурении коронками с твердосплавными резцами с увеличением сверх критической величины числа оборотов (500-600 об/мин.) кромки резцов сгорают и бурение прекращается