Оценка технико-экономической эффективности бурового долота, страница 4

Поэтому наряду с экономическими критериями для технической оценки качества горных машин и их элементов широко используют функциональные критерии, которые хотя и являются менее общими по сравнению с экономическими, однако на современном уровне средств бурения позволяют достаточно объективно оценить их техническое совершенство.

Применительно к буровому инструменту функциональный критерий должен отразить взаимодействие его с горной породой и буровым станком, так как его технические возможности могут проявляться только в процессе выполнения своих функций – при бурении скважин в породах определённых свойств на режимах, создаваемых буровым станком. В этом отношении заслуживает внимания получившая широкое применение методика оценки качества горных машин, разработанная Г. И. Солодом на основе фундаментальных принципов квалиметрии и позволяющая количественно оценивать функционально однородные машины разных типоразмеров, типов и конструктивных исполнений.

Фундаментальный критерий, позволяющий количественно оценивать качество выполнения горной машиной заданной функции, представлен Г. И. Солодом в виде

                                               ,                                          (5.8)

где производительность горной машины по выполнению своей функции в заданных условиях; удельная энергоёмкость процесса выполнения машиной своей функции в этих условиях.

Этот критерий в той или иной интерпретации может быть, очевидно, применён для оценки качества широкого круга горных машин и устройств.

Применительно к буровому станку Ю.Е. Воронов [6] представил указанный критерий в виде

                                         , МДж/ч                                    (5.9)

где производительность (объёмная) бурения, м/ч; удельная энергия бурения, МДж/м.

          Ю.Е. Воронов относит параметр  к главному параметру бурового станка, в наибольшей степени определяющему эффективность взаимодействия с породой. Удельная энергия бурения  расценивается как основной параметр породы, характеризующий её способность сопротивляться бурению. Произведение этих параметров рассматривается как самый характерный показатель взаимодействия бурового станка с породой, приемлемый для обеспечения определённой производительности при соответствующих затратах энергии.

В формуле (5.9) удельная энергия включает две составляющие:

                                              ,                                   (5.10)

где удельная энергия разрушения породы, МДж/м; удельная энергия удаления разрушенной породы из скважины, МДж/м.

Параметр  Ю.Е. Воронов рассматривает, как минимально необходимые затраты энергии на разрушение и удаление 1 м породы, которые полностью определяются свойствами массива горных пород и не зависят от параметров бурового станка [6].

Такой подход для оценки технического уровня системы буровых станков (макрозадача) может быть использован, но не вполне пригоден для сравнительной оценки буровых инструментов.

При постоянном диаметре долота основные параметры процесса бурения могут характеризоваться зависимостями: а) удельная энергоёмкость е и время бурения :

                                                 ;                           (5.11)

б) скорость  и удельная энергоёмкость бурения:

                                                                                  (5.12)

где мощность, подводимая к долоту и расходуемая на разрушение породы, обычно оцениваемая по величине мощности , потребляемой из сети двигателем вращателя.

          Величина  отражает изменение режимных параметров процесса бурения, а  е - свойства породы и параметры вооружения (тип) долота.

Роль показателя удельных затрат при оценке бурового инструмента подтверждают эксперименты, выполненные на разрезах Канско-Ачинского бассейна по бурению крепких песчаников , а также суглинков шарошечными и режущими долотами. При бурении станками 2СБШ-200 в песчанике удельный расход энергии составлял 2,5 - 2,6 кВт∙ч/м, что указывает на высокую крепость песчаников. В суглинках энергоёмкость бурения шарошечным долотом составила 2,3 кВт∙ч/м, а энергоёмкость бурения режущим долотом находилась на уровне 0,4 кВт∙ч/м, т.е. ниже почти в 6 раз. Соответственно в 6 раз выше скорость бурения.

Отмечено, что на величину удельной энергоёмкости большое влияние оказывают режимы бурения, особенно величина осевой нагрузки  на долото. При некотором значении (в области объёмного разрушения породы) всегда наблюдается экстремальное (минимальное) значение удельной энергоёмкости.

Большое скоростное и энергетическое превосходство бурения резанием над шарошечным объясняется тем, что при бурении слабых и средней крепости пород долотами режущего типа происходит либо крупный скол, либо срезание толстой стружки с забоя скважины. В этих же условиях шарошечное долото, имея более мелкое вооружение, производит значительное переизмельчение породы, в результате чего энергоёмкость процесса возрастает.

Таким образом, показатель удельных энергозатрат не только отражает прочностные свойства горных пород, но и может служить объективной мерой оценки эффективности и рационального выбора бурового инструмента, способа бурения, режимных параметров и технологии буровых работ [7]. Однако, этот показатель не полностью отражает ресурс стойкости долота.

Целесообразность оценки качества долота некоторой количественной величиной, условно названной интегральным показателем работоспособности долота, была выдвинута В.Д. Буткиным применительно к бурению мелких взрывных скважин.

В общем виде зависимость интегрального показателя работоспособности от определяющих его основных величин можно представить как функцию

                                        ,                           (5.13)