Исследование буровых долот с дисковыми и зубчато-дисковыми шарошками, страница 10

Рис. 2.21. Изменение усилий разрушения породы зубом шарошки и скорости его перемещения в скважине на отрезках пути: а – (ж-з); б – (з-и); в – (и-к); г – (к-л); д – (л-м); е – (м-н); I – изменение результирующей усилия; II – эпюры усилий и скорости

результирующего усилия Р; - угол между вертикальной осью скважины и касательной к траектории движения зуба на конкретном участке сектора ж-м-н. На рис. 2. 15 и 2. 20 видно, что по мере перемещения по сектору разрушения породы угол  изменяется от 0 до 90 . Результирующее усилие  Р  в момент начала разрушения породы в секторе ж-м-н можно определить по формуле : , где  - количество зубьев шарошки, одновременно участвующих в разрушении породы (= );  - число зубчато-дисковых шарошек, установленных на долоте.

Для долота ДЗДШ-244,5 с тремя зубчато-дисковыми шарошками и 16 зубьями (), установленными на каждой зубчато-дисковой шарошке, при Р = 110 кН, n = 100 об /мин, значения составляющих результирующего усилия и средней окружной скорости зуба  на участках сектора разрушения породы представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Значения Р, Ри V зуба шарошки долота ДЗДШ-244,5

Зоны	Участки	, град.	Р, кН	Р, кН	V, м/мин (ср)
I	ж-з	10	0,85	0,14	5,6
II	з-и	45	0,66	0,53	21,8
	и-к	75	0,33	0,79	38,3
III	к-л	80	0,27	0,82	55,1
	л-м	85	0,20	0,84	70,7
	м-н	88	0,17	0,85	76,3

          Как видно из табл. 2.3 и рис. 2.21, зуб шарошки в центральной зоне забоя скважины работает с преобладанием вертикального перемещения, а в периферийной зоне –  горизонтального перемещения с максимальной окружной скоростью. Именно в этой зоне зуб шарошки работает в наиболее нагружаемом режиме. Таким образом, условия работы зуба в забое скважины характеризуются изменением силовых и скоростных режимов бурения, что, очевидно, следует учитывать при выборе геометрических параметров породоразрушающих элементов долота.

Одна из характерных особенностей кинематики рассматриваемой конструкции долота состоит в том, что окружная скорость зубчато-дисковой шарошки практически равна скорости бурения. Поэтому скорость  вращения зубчато-дисковой шарошки пропорциональна скорости бурения и определяется по формуле:

                                               ,                                                               (2.33)

где _б – скорость бурения, м/мин; d_ш – диаметр шарошки; К_d – коэффициент, учитывающий дополнительное увеличение скорости вращения от части  реакции забоя (рис. 2.4).

          В табл. 2.4 даны примерные величины скорости бурения режущими долотами диаметром 245 мм и соответствующие им величины n_ш при проходке скважин в породах различной крепости.

Таблица 2.4

Ориентировочные величины скорости бурения V_б, внедрения долота за один оборот h и скорости вращения шарошек n_ш при n= 100 об/мин

Степень крепости пород	Коэффициент крепости f	Скорость бурения Vб		h. м/об при nд=100 об/мин	nш, об/мин при dш=0,12 м	nд/nш	Vб/ nш
		м/ч	м/мин
Мягкие и довольно мягкие	1 - 2	170	2,83	0,0283	7,52	13,3	0,376
Средние	3 - 4	120	2,0	0,02	5,32	18,8	0,376
Средние и довольно крепкие	5 - 7	90	1,5	0,015	4,0	25	0,376
Крепкие	8	60	1,0	0,01	2,66	35	0,376
Крепкие	10	30-45	0,5-0,75	0,005-0,0075	1,33-2,0	50-75	0,376

 Из этих данных можно видеть, что величина n_ш изменяется в пределах 1,33 - 7,52 об/мин, а отношение n_д/n_ш для наиболее употребительной скорости вращения долота n_д = 100 об/мин  изменяется в диапазоне 13 – 75. В породах средней крепости зубчато-дисковая шарошка вращается в 20 раз медленнее скорости вращения долота,  что благоприятно для применения простых опор скольжения.

Рис. 2.22. Изменение скорости вращения зубчато-дисковой шарошки  в зависимости от скорости бурения  при  = 100 об/мин

Рис. 2.23. Зависимость скорости вращения зубчато-дисковой шарошки  от крепости породы f

 По данным таблицы 2.4.  построены графики (рис. 2.22 и 2.23), показывающие прямо пропорциональный рост n_ш в зависимости от скорости бурения и примерно гиперболическую зависимость скорости вращения зубчато-дисковых шарошек от крепости пород f.

При длине окружности время одного оборота зубчато-дисковой шарошки составляет:

                                                         .                                                               (2.34)

          Путь перемещения зуба шарошки по профилю забоя (по дуге АБ, рис. 2.19) составляет примерно:

                                                       .                                           (2.35)                                                         

          Время контакта с породой зуба шарошки за один ее оборот:

                                                    .                                                              (2.36)

          Применительно к долоту  диаметром 245 мм, при d_ш = 0,12 м , V_б = 2 м/мин = 0,033 м/сек и n_д = 100 об/мин имеем:

.

          Из этих данных следует, что за один оборот шарошки в контакте с породой зуб находится 0,07 мин, затем движется без контакта (охлаждается) в течение  времени t_б.к = t_об-t_к = 0,18 - 0,07 = 0,11 мин. Следовательно, в течение своего оборота зуб охлаждается  в среднем в 1,5 раза больше (0,11/0,07 = 1,57), чем контактирует с забоем.