Оценка технико-экономической эффективности бурового долота, страница 6

Величины осевых нагрузок на долото (непосредственно или косвенное входящие в состав функциональных показателей) принимаются по соотношению:

                                                 ,

где площадь контакта вооружения долота с забоем; контактная прочность породы; удельное контактное давление.

Для шарошечного долота используют формулу

                        , кН,    

где большие значения для более крупных долот; предел прочности породы при одноосном сжатии, МПа; диаметр долота, мм.

Осевое усилие (кН) на режущем инструменте диаметром , необходимое для его внедрения на глубину ,

                                ,                 (5.28)

где коэффициент, учитывающий затупление инструмента (большие значения для более тупого инструмента и меньших толщин стружки); приведённый предел прочности породы, МПа.

Удельное сопротивление горной породы разрушению при механическом способе бурения оценивается по среднему приведённому пределу прочности породы при разрушении механическим способом (МПа) из выражения

                                          ,                      (5.29)

где МПа – предел прочности на скалывание, МПа. Значения находятся в диапазоне 18 – 198 МПа.

Для определения осевого усилия при бурении режущим долотом в области объёмного разрушения горной породы В.Д. Буткин предложил следующую зависимость:

                               ,                       (5.30)

где безразмерный параметр, учитывающий степень нагружения долота в зависимости от коэффициента крепости и абразивности горной породы (большие значения для малоабразивных пород); диаметр долота; коэффициент крепости породы; число лезвий долота; коэффициент, учитывающий влияние рассечки и конструкции долота на длину режущей кромки долота; максимальная площадка притупления резцов долота, приходящаяся на 1 см длины лезвия (обычно  мм/см).

С учётом формула (5.30) имеет вид:

                           ,                (5.31)

где .

В формуле (5.31) отношение  выражает удельное контактное давление резцов на породу , поэтому

                                        ,                                     (5.32)

откуда                           .                  (5.33)

Параметр определяет режим разрушения породы (поверхностный, усталостный или объёмный по Л.А. Шрейнеру).

Примерно та же методика установления рациональной нагрузки на режущее долото предложена Б.А. Катановым. [6].

Удельное осевое усилие он представляет в виде:

                              ,                      (5.34)

где удельное осевое усилие бурового инструмента на забой скважины, МПа; осевое усилие, развиваемое станком; число режущих лопастей коронки или долота; отношение длины контакта режущей кромки с породой к радиусу  скважины; - средняя ширина притупления лезвия по длине проходки.

Для оценки работы режущего инструмента он предлагает пользоваться безразмерным параметром , связывающим параметры системы «буровой станок – инструмент - порода»:

                                ,              (5.35)

где удельное осевое давление бурового долота на забой скважины, МПа;             предел прочности породы на сжатие, МПа.

Нетрудно видеть, что формулы (5.33) и (5.35) идентичны и параметры  и  показывают, насколько удельное контактное давление долота на породу превышает её прочность. При  и  имеет место равенство , происходит истирание породы и скорость бурения практически равна нулю. В формуле (5.31) , т.е. в 2 - 3 раза превышает прочность породы и она разрушается в объёмном режиме. Заметим, что формулы (5.33) и (5.35) содержат величины  и  и позволяют по условию  определить предельное время бурения до предельно допустимого затупления резцов.

Параметры  и  имеют глубокий физический смысл, но их формулы нуждаются в развитии с тем, чтобы их можно было применить не только для режущих долот узкого класса (с постоянным контактом резцов с породой), но и для режущих долот с зубчато-дисковыми шарошками, конусными и полусферическими.

Используемые в этих формулах показатели свойств горных пород ,  не вполне отражают характер взаимодействия долота с забоем. Следует использовать показатели контактной прочности породы  или отмеченный выше (формула 5.29) приведённый предел прочности породы при разрушении механическим способом. Наконец, подобный функциональный показатель должен отражать ресурс стойкости долота или текущую проходку.

Рассмотренные функциональные показатели, большинство из которых имеют энергетический смысл, не полностью характеризуют технический уровень и эффективность работы бурового долота, а скорее отражают влияние режимных параметров или подводимой к забою скважины мощности на скорость бурения и предельную стойкость с учетом геометрических параметров режущего инструмента.

Желательно синтезировать показатель качества долота, который бы отражал его способность: эффективного разрушения горной породы; противостоять изнашиванию со стороны горной породы; беспрепятственного и быстрого выноса бурового шлама из скважины без повторного перемалывания и образования тел волочения; эффективного охлаждения вооружения в процессе бурения; воспринимать высокие осевые и крутящие нагрузки. Исследования в этом направлении должны быть продолжены. Правильность выбора бурового долота окончательно определяется экономическими оценками, учитывающими тип и параметры бурового станка, а также технико-экономические условия ведения буровзрывных работ, сложившиеся на конкретном примере.