Проектирование режима вращательного бурения и средств очистки скважин, страница 6

                          ,       или

                      .            (4.41)

Момент трения в опоре зубчато-дисковой шарошки (на оси вращения О), с учетом работы [53], равен:

                                   , Н∙м,                         (4.42)

где µ₀ -  коэффициент трения скольжения в опоре, r₀ - радиус оси (опоры), на которой находится зубчато-дисковая шарошка, м.

Суммарный момент трения М_т, противодействующий моменту вращения М_ш, будет равен:

, или, принимая во внимание выражения (4.41) и (4.42):

 (4.43)

Устойчивый режим работы зубчато-дисковой шарошки будет обеспечиваться, как отмечалось ранее  (формула (4.19)), при соблюдении следующего выражения:

                                                       М_ш > М_{т  .}

Принимая во внимание выражения (3.10), (3.15) и (3.25), получим:

. (4.44)

Преобразуем выражение (4.44):

                               >

                           >.

Отсюда

                                              (4.45)

                         >.

В выражении (4.45) произведение µ₀∙r₀ имеет довольно небольшие значения:

µ₀∙r₀ ≈ 0,5∙0,010 = 0,005 м, поэтому этой величиной в дальнейших расчетах можно пренебречь. С учетом этого получим:

  (4.46)

Из выражения (4.46), принимая во внимание выражение (4.39), определим необходимое осевое усилие для обеспечения устойчивой работы бурового долота с зубчато-дисковыми шарошками:

               , Н.           (4.47)

Для долота ДЗДШ- 244,5 с шестнадцатью зубьями на зубчато-дисковой шарошке выражение (4.47) примет вид (при = 0,52; = 0,5):

                         , Н.                   (4.48)

Минимальные значения осевых усилий Р_ос.min, обеспечивающие устойчивый режим работы бурового долота ДЗДШ-244,5, представлены в табл.4.1. Приближенные значения глубины внедрения долота в породу за один оборот h приняты в соответствии с данными, приведенными в табл. 2.4, полученными нами в результате  испытаний опытных образцов долот ДЗДШ. Частота вращения долота составляла n_d = 100 об/мин.

По результатам расчетов, указанных  в табл. 4.1, построен график (рис. 4.7),  по которому возможно определение рациональных осевых усилий, обеспечивающих устойчивый режим работы  долот  ДЗДШ диаметром 244,5 мм,  с различным количеством зубчато-дисковых долот при бурении горных пород, с коэффициентом крепости f от 2 до 10. На рис. 4.7 видно, что при крепости горных пород f < 6 рациональные значения осевого усилия возрастают, а при значениях f > 6 рациональные значения осевого усилия, необходимого для обеспечения устойчивой работы долота  ДЗДШ, уменьшаются. Наибольшие значения Р приходятся на породы с коэффициентом крепости f = 6 – 7.

Таблица 4.1

Минимальные значения осевых усилий, обеспечивающих устойчивую  работу бурового долота ДЗДШ-244,5

Степень крепости пород	Коэффициент крепости, f	σмб, ср. МПа	h, м/об	Рос, min, кH
				β = 2	β = 3	β = 4
Мягкие и довольно мягкие	2	18,2	0,0283	5	82	109
средние	4	35,0	0,020	74	111	148
Средние и довольно крепкие	6	60,0	0,015	95	143	191
Крепкие	8	74,3	0,010	79	118	158
Крепкие	10	86,0	0,005-0,0075	46	68	91

Примечание: σ_мб,  - среднее значение предела прочности породы при механическом разрушении, h - глубина внедрения зубчато-дисковой шарошки в забой скважины

Рис. 4.7.  Значения осевых усилий, определяющих режимы работы долота ДЗДШ: — - граница режимов работы шарошек;- устойчивый режим;  - блокированный режим; о – минимальные значения Р, обеспечивающие устойчивую работу долота

          Уменьшение значений Р_.min   (при постоянной скорости вращения долота) для пород с f > 6 объясняется тем, что снижение глубины внедрения h долота в забой скважины за один оборот происходит интенсивнее по сравнению с ростом прочности пород, чем это снижение происходит при бурении пород с крепостью f < 6. С одной стороны, это говорит о том, что при бурении горных пород с f > 6  необходимо увеличивать нагрузку на долото. С другой стороны, это свидетельствует о том, что имеется резерв увеличения осевого усилия на долото и, следовательно, скорости бурения при разрушении породы в забое скважины в силовом режиме бурения.

Анализируя выражение (4.47), можно сделать вывод о том, что усилие, обеспечивающее  устойчивую работу долота ДЗДШ, зависит от физико-механических свойств буримых пород, принятой скорости бурения скважин и частоты вращения бурового става, а также от конструктивных параметров долота, таких как диаметр зубчато-дисковых шарошек и количество зубьев, установленных на них.

Для создания устойчивого режима работы долота ДЗДШ в соответствии с формулой (4.47) должно быть обеспечено следующее условие:

                                                    Р₀ = Р_ос > Р_{ос. min} ,                                                                                       (4.48)

где Р₀ – оптимальная осевая нагрузка на долото, значения которой устанавливаются зависимостью (4.15).

          Из выражения (4.47) следует, что Р_ос повышается с увеличением прочности (крепости) пород и уменьшением скорости вращения долота n_d. Следовательно, для устойчивой работы долота ДЗДШ при бурении крепких пород осевое усилие должно иметь бόльшие значения, чем при бурении пород мягких и средней крепости. При этом созданию бόльших усилий будет способствовать снижение скорости вращения долота n_d._.  При бурении мягких пород и пород средней крепости, наоборот, устойчивая работа долота ДЗДШ может быть обеспечена меньшими значениями осевого усилия, с возможностью повышения скорости вращения долота n_d. Иными словами, вследствие изменения свойств пород процесс бурения скважин долотами ДЗДШ должен сопровождаться регулированием осевой нагрузки на долото и скорости его вращения.

          Таким образом, бурение  взрывных скважин долотом ДЗДШ в устойчивом режиме работы в породах с широким диапазоном изменения физико-механических свойств, предотвращающим остановку и заклинивание породоразрушающих элементов (зубчато-дисковых шарошек) в забое, обеспечивается регулированием осевой нагрузки на долото и скорости его вращения.