1.1.3. Теория рабочего процесса машин вращательного бурения резцовыми долотами

При вращательном бурении порода разрушается под действием осевого усилия подачи Р_ос и крутящего момента М₁, передаваемого станком резцовому долоту (рис. 1.2). При этом осевое усилие должно преодолеть сопротивление N₁ породы внедрению торцовых площадок режущих лезвий долота даже при их затуплении (участок аО₁), а крутящий момент должен превысить сопротивление сколу участков породы, прилегающих к передним режущим граням резца.

Передняя грань инструмента сминает породу, в результате чего образуется ядро уплотнения А, состоящее из мелко раздробленной породы. Усилие сопротивления породы на лезвии долота в этот момент увеличивается до максимума, после чего происходит скол породы объемом abcd. При этом сопротивление породы резко снижается до минимума, далее цикл разрушения повторяется.

Расчеты режимных параметров бурения сводятся к определению значений осевого усилия Р_ос (кН), толщины стружки h (м), скорости бурения V_m (м/мин или м/ч) и частоты вращения шнека n_вр (c^-1), при которой будет обеспечена транспортировка частиц породы из скважины.

Потребное осевое усилие Р_ос (кН) на режущем инструменте диаметром D (м), необходимое для его внедрения на глубину h (м), определяется из выражения

Р_ос = 0,25 К_з D h σ_м.б, (1.17)

где К_з=1,5…0,7 – коэффициент, учитывающий затупление инстру­мента

(большие значения для более тупого инструмента и меньших

толщин стружки);

σ_м.б – приведенный предел прочности породы, кПа.

Рис.1.2. Схема работы режущего долота

Принимая угол резания резца α = 90⁰, можно полагать, что усилие сопротивления сколу N_x (кН) разрушаемой породы, действующее на переднюю грань пера инструмента параллельно торцу скважины, составляет N_x = Р_ос К_з.

С учетом затрат энергии на преодоление силы N_x и на трение затупленного участка аО₁ (сила F₂) и задней грани резца о по­роду (сила F₁) с коэффициентом трения µ₁ величина момента вра­щения М₁ (кН∙м), необходимого для разрушения породы режущим долотом, определяется как

М₁ = 0,125 D² σ_м.б h Z (1 + µ₁ К_з), (1.18)

где Z – число перьев долота;

h = V_max/(3600 Z п_вр), (1.19)

где V_max – максимальная теоретическая скорость бурения, м/ч;

п_вр – частота вращения шнека, c^-1.

На практике для режущих долот удельные осевые нагрузки на

1 м диаметра долота устанавливаются в пределах 100-300 кН/м.

Минимально допустимая частота вращения шнека n₀ (c^-1) с диаметром D₁ (м) и углом подъема винтовой линии β (градус)

п₀ ≥ [g(sinβ+µ₁ cosβ)/(2π² µ₂ D₁)]^0.5 , (1.20)

где µ₁ и µ₂ – соответственно коэффициенты трения породы о сталь и

породу;

g – ускорение силы тяжести, м/с².

Максимальная теоретическая производительность V (м³/ч) шнека с шагом винта S (м):

V = 9∙10² π (D₁² - d²) К S Ψ п_вр, (1.21)

где d – диаметр вала шнека, м;

Ψ – коэффициент заполнения объ­ема шнека;

К = 0,8…0,9 – коэффициент просыпания породы в зазор между

шнеком и стенками скважины;

n_вр – необходимая частота вращения бурового става, n_вр ≥п_о .

Объем породы в рыхлой массе W₁(м³/мин), разрушаемый коронкой диаметром D_k (м) при максимальной скорости бурения

V_max (м/мин), на которую рассчитан станок, и коэффициенте раз­рыхления породы К_р, определяется по формуле

_{W1 = 0,25 π Dк2 Кр Vmax.}

Для обеспечения транспортировки объема породы W₁ необходимо, чтобы V≥ W₁.

Момент М₂ (кН∙м), необходимый для обеспечения подъема породы шнеком с глубины Н (м), при плотности породы γ (т/м³) и D≥D_k:

М₂ = 0,125 g К_т π D₁ (D₁²-d²) (tg β + µ₂)H γ Ψ/К_р, (1.22)

где К_т = 1,5…2 – коэффициент трения шнека о стенки скважины.

Мощность двигателя вращателя N_вp (кВт) станка шнекового бурения при угловой скорости шнека w_вp (рад/с) и КПД механизма вращателя η определяется из выражения

N_вp = (М₁ + М₂) w_вp/η = 2 π (М₁ + М₂) n_вр/η. (1.23)