Оценка технико-экономической эффективности бурового долота, страница 5

где  контактная прочность породы, находящаяся в корреляционной связи с коэффициентом крепости породы  и временным сопротивлением породы на сжатие ; продолжительность работы долота до отказа; скорость бурения; осевая нагрузка на долото; скорость вращения долота.

На основании теоретических исследований и экспериментальных данных было установлено, что при бурении в породе заданных свойств параметр  приближённо может быть выражен так:

                                                 .                               (5.14)

Учитывая, что произведение может быть принято за характеристику мощности  для разрушения горной породы, формула (5.14) может иметь вид

                                              , кВтч.                         (5.15)

Из (5.15) следует, что параметр имеет энергетический смысл (кВтч).

Так как стойкость долота при бурении однородной породы приближённо

                                                 ,                                 (5.16)

то с учётом (5.14) имеем

                                                 , м.                             (5.17)

Так как , то из (5.17) следует:

                                                 , м,                                 (5.18)

где е удельная энергоёмкость бурения, кВт∙ч/м.

Позднее И.А. Тантаев пришёл к выводу [9], что наиболее объективной характеристикой качества изготовления и условий эксплуатации шарошечных долот является показатель их работоспособности, выраженный в количестве электроэнергии, израсходованной двигателем вращателя до выхода из строя  (кВт∙ч). Считая величину  константой долота, И.А. Тантаев при  = const определил стойкость долота (м) зависимостью

                                            , м.                                         (5.19)

Можно увидеть, что зависимости (5.18) и (5.19) идентичны, однако способ определения констант  и  различен.

Количественное значение параметра  определяется при измерении расхода энергии специальным прибором (Прогноз-2), а величину  можно рассчитать по формуле (5.14), либо по опытным данным, пользуясь формулой

                                            .                               (5.20)

Для расчёта константы можно не измерять расход энергии, а выбрать из экспериментальных данных одновременно зафиксированные значения , относящиеся к однородной породе и к неизменной конструкции долота. Можно использовать также данные о величине силового гадиента разрушения горной породы для данного долота.

Показатель работоспособности долота (как и ) уменьшается с увеличением контактной прочности породы и приближённо описывается выражением:

                                                   ,                                  (5.21)

где коэффициент, характеризующий зависимость от  для долота данного типоразмера.

Нетрудно показать, что стойкость долота заданной конструкции можно выразить так:

                                              .                                        (5.22)

Как видно из предыдущего, долото каждой конструкции и размеров имеет вполне определённый ресурс работоспособности, реализация которого зависит от условий (, ) и режимов бурения, в качестве интегрального показателя которых можно рассматривать мощность вращателя .

Строго говоря, расход мощности на разрушение горной породы приближённо равен

                                                ,                          (5.23)

где мощность, расходуемая вращателем, кВт; мощность холостого хода вращателя.

Величина  не оказывает существенного влияния на точность оценки энергоёмкости разрушения [11, 12], поэтому достаточно ограничиться измерениями .

Для сравнения технического уровня (качества) долот одинакового диаметра при работе в одинаковых условиях бурения (const) целесообразно принять функциональный показатель в следующем виде:

                             , м/кВт,                   (5.24)

где е - удельная энергоёмкость бурения 1м скважины, кВт∙ч/м.

Показатель выражает величину проходки данным долотом на единицу подведённой мощности.

Переходя от линейной скорости бурения к объёмной , получаем возможность сравнения долот разного диаметра

                   , м/кВт,               (5.25)

где е¹ - удельная энергоёмкость разрушения 1 м породы при бурении, кВтч/м.

Показатели  и являются достаточно информативными, учитывают процессы разрушения породы и долота, уровень режимов бурения (подводимой мощности) и условия бурения. Иными словами эти критерии отражают взаимодействие долота с горной породой (е, f) и буровым станком (), в процессе которого проявляются технические возможности (качество) бурового инструмента.

В рассмотренных показателях скорость бурения и осевые нагрузки определяют различными формулами.

Теоретическая скорость бурения (механическая)

                                  , м/мин,                          (5.26)

где мощность вращателя, кВт; предел прочности при механическом способе бурения, МПа; механический КПД трансмиссии вращателя (принимается равным ).

Если известна мощность, затрачиваемая на разрушение , то необходимая скорость подачи

                                       , м/с.                          (5.26)

Обычно принимают .

Более точными являются формулы расчёта скорости бурения (подачи) не по мощности, подводимой к буровому инструменту, а в зависимости от режимных параметров  и , определяемых прочностью (возможностями) бурового инструмента, например, по формуле [13]:

                                , м/с,              (5.27)

где осевая нагрузка на долото, кН; частота вращения долота, ; коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями; угол заострения лезвия резца или зуба;  коэффициент, учитывающий затупление зуба или резца;  коэффициент трения бурового инструмента о породу  МПа; диаметр долота, м.