5.4.2. Основы механики разрушения горных пород шарошечными долотами

При взаимодействии с горной породой элементов вооружения шарошечных долот дробящее-скалывающего действия, зуб долота внедряется в породу силой Р_z, а второй зуб при перекатывании шарошки по забою наносит по забою косой удар с силой Р_у. Таким образом, разрушение горной породы происходит раздавливанием породы статическим усилием Р_z и скалыванием породы несимметричным ударом с усилием Р_у (рис. 5.64, а) . При дальнейшем перекатывании шарошка опирается на забой двумя ближайшими в венце зубьями (рис. 5.64, б).

Энергия удара с силой Р_у может определяться из уравнения кинетической энергии, преобразованной для данной задачи:

(5.73)

где Р – осевое усилие на долото, Н;

g – ускорение силы тяжести, м/c²;

n – число зубьев долота взаимодействующих с породой в момент удара зуба по породе;

v_ш – линейная скорость перемещения зуба в направлении приложения удара, м/c;

θ – угол между осями соседних по венцу шарошки зубьев, градус.

Линейная скорость v_ш определяется как произведение частоты вращения шарошки долота и расстояния от торца зуба шарошки до мгновенного центра вращения шарошки ω_ш × r_м. При чистом качении шарошки мгновенным центром её вращения можно считать ось вращения.

При проскальзывании шарошки по забою она не вращается, и мгновенный центр вращения смещается в направлении торца зуба, т.е. линейная скорость снижается. Подобные колебания частоты вращения шарошки и линейной скорости перемещения зуба характерны для работы долота.

Линейную скорость перемещения зуба шарошки можно определить ориентировочно по зависимости

(5.74)

где ω_д – частота вращения долота, с^-1;

D_d – диаметр долота, м;

Z – число зубьев на периферийном венце шарошек ;

β – угол конусности шарошек, градус.

Формула (5.73) с учетом выражения (5.74) будет выглядеть следующим образом:

(5.75)

Если использовать для определения энергии удара зубом шарошки о породу на забое потенциал высоты H (рис. 5.64), на которой находится зуб шарошки долота, то зависимость для определения этого параметра может выглядеть следующим образом:

(5.76)

В следствие косого удара в породе образуется несимметричная лунка, вытянутая в направлении удара. В следующий момент, завершая скалывание породы проскальзыванием, зуб вдавливается в образовавшуюся лунку, завершая процесс разрушения в данной точке уже под действием статического вдавливания. В результате работы шарошек долота формируется забой характерного профиля (рис. 5.65).

В данном случае можно отметить универсальность породоразрушающего действия шарошечных долот, а именно сочетание динамических и статических воздействий на породу и реализацию породоразрушающих усилий как в направлении перпендикулярно забою (раздавливание), так и в плоскости забоя (скалывание). Можно добавить, что при проскальзывании шарошек на забое обеспечивает еще и резание-скалывание породы.

При перекатывании шарошек по забою происходит перемещение долота в вертикальном направлении на величину

, (5.77)

где Z₁ – число зубьев в венце;

d_в – диаметр венца, м.

Таким образом, разрушение горной породы носит ярко выраженный динамический характер, а каждый элемент вооружения долота периодически оказывает на горную породу сложное дробяще-скалывающее действие. Долото при перекатывании шарошки по забою совершает продольные колебания с амплитудой А (рис. 5.64, б).

При повышении глубины внедрения зуба в породу h энергетика динамической составляющей разрушения, как это следует из формул (5.73) и (5.74), снижается.

То есть, при бурении не достаточно прочных и мягких горных пород, при разрушении которых глубина внедрения h может быть более значительной, в сравнении с бурением более твердых пород, будут преобладать раздавливание и скалывание породы при проскальзывании шарошки по забою и поступательном перемещении зуба.

При бурении твердых пород внедрение зуба в породу h будет незначительно, в сравнении с размерами зуба, поэтому динамическая составляющая разрушения будет максимальна, а процесс разрушения породы будет определяться скалыванием вследствие динамического воздействия и с последующим раздавливанием под действием осевого усилия Р_z.

На динамику процесса разрушения горных пород шарошечными долотами определенное влияние оказывает шаг S зубьев в венце (рис. 5.61). Шаг зубьев определяется из зависимости:

, (5.78)

где γ – угол поворота шарошки при переходе с зуба на зуб (рис. 5.61), градус.

Если зубья в венце шарошки поставлены редко, становится выше амплитуда продольного колебания шарошки А и, соответственно, выше степень динамичности работы долота. При наличии нескольких шарошек у долота характер динамичности может определяться в связи с синхронизацией перекатывания двух, трех или более шарошек с зуба на зуб.

Шаг расстановки зубьев в венце S шарошки может зависеть от глубины погружения h зубьев в породу, величина которого определяется твердостью породы и осевым усилием на долото. Наиболее успешно бурение будет происходить тогда, когда глубина погружения зубьев h соответствует шагу расстановки зубьев.

Механическая скорость бурения шарошечными долотами определяется интенсивностью разбуривания наиболее трудно разрушаемых участков забоя скважины: центра и периферии.

Центр забоя разрушается менее интенсивно из-за слабой вооруженности вершин шарошек и малой скорости их вращения (нулевая точка – см. рис. 4.9), а периферия – из-за полублокировки работающих зубьев.

Слабая интенсивность разрушения центра забоя приводит к быстрому выходу из строя, прежде всего, опор долота, которые вынуждены работать с максимальной перегрузкой, особенно при консольном закреплении шарошек.

Интенсификация темпа разрушения центральной части забоя скважины может быть осуществлена при выпуклом забое путем создания пикообразного выступа породы. Разрушение его при многоконусных шарошках происходит с высокими динамическими нагрузками в облегченных условиях, когда каждый венец создает ступеньку и дополнительную плоскость обнажения для последующего венца.

Слабо разбуриваемые окраины забоя требуют повышенной боковой защиты долот и применения шарошечных расширителей [15], т.к. вследствие жестких условий работы долота может интенсивно изнашиваться его боковое вооружение и лапы корпуса, а скважина зауживаться.

Для защиты от бокового износа шарошки и лап долота армируют твердым сплавом.

Наряду с обычной армировкой используют подвижные вращающие элементы защиты, например, вращающие зубки, диски, штыри [15], которые подобно самим шарошкам могут проворачиваться вокруг своей оси и, таким образом, предохраняясь от чрезмерного изнашивая, эффективно защищать корпус и шарошки долота от износа.