Лекция № 5 Продолжение. Технологические основы буровых работ

Режим шарошечного бурения характеризуется определенным сочетанием усилия подачи на долото, частоты его вращения, расхода воздуха для очистки забоя скважины от буровой мелочи и охлаждения долота.

Процесс разрушения породы может быть поверхностным, когда контактные давления значительно ниже предела прочности породы, усталостным, когда после многократного приложения нагрузки контактные давления достигают 1/20—1/30 прочности породы, и объемными, когда контактные давления достигают предела прочности породы.

Требуемые для объемного разрушения породы усилия подачи на 1 см диаметра долота зависит от буримости породы. Несоответствие между фактическим и оптимальным усилиями подачи объясняется недостаточной прочностью шарошечных долот и мощностью станков. Крутящий момент возрастает практически пропорционально усилию подачи. Процесс бурения осуществляется в основном за счет энергии вращения; потери энергии на трение и переизмельчение продуктов разрушения составляет около 20%.

Зависимость скорости бурения от усилия подачи показана на рис. 5.1. При очень больших усилиях подачи скорость бурения практически не увеличивается из-за ухудшения очистки забоя скважины от буровой мелочи при постоянных расходах воздуха. Однако такие большие усилия подачи в современных конструкциях буровых станков не достигаются. Поэтому необходимо применять усилия подачи, максимально возможные по надежности опор шарошек и массе станков (9—22 кН на 1 см диаметра долота). При бурении наклонных скважин усилие подачи на долото снижается на 20-25% для предотвращения смещения станка.

Рисунок 5.1 График зависимости скорости

шарошечного бурения от усилия подачи на долото (Пб =12—16)

С увеличением частоты вращения долота n_в техническая скорость бурения V_б повышается, но существенно снижается стойкость долота S_д.

На практике частота вращения бурового инструмента составляет 0.6—2с^-1 при усилии подачи 18—7 кН на 1 см диаметра долота. Для интенсификации процесса бурения необходимо повысить стойкость долот и увеличить частоту вращения до 2.5-3.3 с^-1. Применение наддолотных амортизаторов и принудительной смазки опор долота позволяет снизить уровень вибрации в 2-3 раза, увеличить стойкость долота в 1.5 раза и более и обеспечить стабильный режим эксплуатации станков с частотой вращения долота 2 - 2.3с^-1.

Ориентировочно техническую скорость шарошечного бурения (м/ч) можно определить по формуле

V_б 2.5·10^-2 Роn_в/(П_бd²д),

где dд – диаметр долота, м.

По мере износа долота скорость бурения снижается, так как уменьшается высота зубьев или штырей, увеличивается суммарная площадь контакта их с забоем скважины и уменьшается глубина внедрения штыря при постоянном усилии подачи на долото.

Текущая скорость бурения (м/ч)

V_б = V_б.о

где V_б.о – начальная скорость бурения новым долотом, м/ч;

hт - текущая величина проходки скважины данным долотом, м.

Доводить долото до полного затупления нецелесообразно, так как при этом средняя скорость бурения снижается на 7-10%. Рациональную стойкость долота можно определить по условию минимума затрат на бурение 1 м скважины с учетом вспомогательных операций.

Расход сжатого воздуха должен обеспечить полное удаление из скважины продуктов разрушения без их переизмельчения.

5.2 Технологическая характеристика и режим пневмоударного бурения

В настоящее время на карьерах для бурения скважин диаметром от105 до 160 мм применяют различные станки с погружными пневмоударниками: СБМК-5, 1СБУ-125, 2СБУ-125, СБУ-100Г, СБУ-100П, Урал-64 и др.

Рабочим органом станка является погружной пневмоударник. С помощью клапанного устройства сжатый воздух, поступающий по буровой штанге, приводит в поступательно-возвратное движение ударник, наносящий удары по хвостовику буровой коронки. Частота ударов составляет 28-41 в секунду. Одновременно вместе со штангой вращается пневмоударник; вращатель расположен вне скважины. Буровая мелочь удаляется из скважины воздушно-водяной смесью или сжатым воздухом.

Основным показателем работы пневмоударников является эффективная удельная энергия удара (на 1 см диаметра долота) для достижения постоянной скорости бурения при различном диаметре скважины. Общая энергия удара обычно составляет 95-140 Дж (у перспективных станков 280 -400 Дж) при давлении воздуха 0.5-0.7 МПа, расходе его (5.4-30)· 10^-2 м³/с и расходе воды (1.3-3.3)·10^-4 м³/с.

При пневмоударном бурении доля затрат на буровой инструмент составляет 20-35%. Буровые коронки имеют диаметр 85-105, 155-160 и 160-200 мм. По числу разрушающих лезвий различают коронки однодолотчатые (зубильного типа), трехперые, крестовые, Х-образные и штыревые, а по расположению лезвий – одно-, двухступенчатые (с опережающим лезвием) и многоступенчатые. Коронки армируются призматическими и цилиндрическими вставками твердого сплава и имеют центральную, боковую или периферийную продувку.

Наибольшие усилия подачи на породу обеспечивают одноступенчатые долотчатые коронки благодаря минимальной линии лезвия. Но эти коронки интенсивно изнашиваются по высоте и диаметру. При бурении малотрещиноватых пород применяют трехперые коронки (рис. 5.2) диаметром 85-105 мм, а трещиноватых пород – крестовые коронки диаметром 155 мм (рис. 4.6, б); эти коронки имеют опережающие лезвия.

Все шире применяются штыревые коронки, армированные цилиндрическими вставками твердого сплава со сферическими разрушающими породу поверхностями. Такие коронки успешно эксплуатируются при удельных энергиях удара, существенно более высоких по сравнению с долотчатыми и крестовыми коронками.

Чтобы предотвратить заклинивание бурового става вследствии обвалов стенок скважины или вывалов отдельных породных кусков, применяют конический разбурник с зубьями с наплавленным слоем релита или сормайта толщиной 3-4 мм. Разбурник устанавливают между пневмоударником и штангой широким концом конуса вниз, разбуривание можно вести во время подъема става.

Резервом увеличения срока службы и снижения расхода бурового инструмента является эксплуатация его без чрезмерного затупления лезвий коронок, правильная их заточка, тщательный подбор диаметра коронок при их замене и т.д.

.