РЕЖИМЫ БУРЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Эффективность использования оборудования определяется правильным выбором режимных параметров механизмов (скоростями рабочих движений, реализуемыми нагрузками на инструменте, и т.д.).
Режим бурения зависит от большого числа факторов: физико-механических свойств горных пород, конструктивных параметров машин, интенсивности рабочего процесса, квалификации оператора и др.
У станков вращательного бурения режущим инструментом режим бурения характеризуется силой подачи, частотой вращения бурового инструмента и эффективностью удаления продуктов разрушения.
При вращательном бурении режущим инструментом интенсивность рабочего процесса определяют удельной силой подачи.
На практике для режущих долот удельные силы подачи устанавливают в пределах
100...300 кН/м.
Частоту вращения инструмента определяют из условия транспортирования частиц породы из скважины; минимальное значение частоты вращения «и тш — из равенства сил трения частицы по спирали шнековой штанги и по стенке скважины (породы о породу), обусловленных центробежной силой инерции.
При сложном движении инструмента во время бурения должна быть обеспечена синхронизация движений подачи и вращения, т.е. длительность поворота лезвия инструмента на угол между лезвиями должна быть равна длительности внедрения инструмента на величину глубины внедрения h. Условие синхронизации имеет вид
Скорость резания ограничивается величиной мощности привода. Кроме того, при больших скоростях резания (> 5 м/с) резко возрастают динамические нагрузки и сопротивления на инструменте. При увеличении крепости породы окружную скорость коронки следует уменьшать для снижения износа инструмента. Толщина стружки также ограничена величиной мощности привода и прочностью инструмента. Число перьев определяет величину силы подачи (при заданной удельной силе подачи), нагрузку на буровой став и его прогиб. Удельная сила подачи /'пуд (приходящаяся на единицу длины лезвий инструмента) принимается равной 1...3 кН/см, что достаточно для разрушения пород с коэффициентом крепости / = 6...8 и не приводит к интенсивному износу инструмента.
Следовательно, параметры процесса резания взаимосвязаны и произвольный их выбор приводит к снижению эффективности рабочего процесса.
Для машин шарошечного бурения основными режимными параметрами являются сила подачи, вращающий момент на инструменте и частота вращения долота.
Рациональное значение удельной силы подачи (на диаметр долота) составляет F = 1... 2 МН/м. С увеличением силы подачи скорость бурения повышается. Верхний предел силы определяется прочностью долота. Сила подачи при бурении в относительно слабых породах (f = 6...8) устанавливается исходя из исключения запрессовки шлама между зубьями шарошки.
При выборе частоты вращения шарошечного долота следует учитывать, что с ее ростом увеличиваются энергия удара зубка и число ударов в единицу времени и, как следствие, повышается скорость бурения.
Однако для большинства пород осадочного происхождения, обладающих пластичностью, с ростом частоты вращения увеличение скорости бурения замедляется. Это можно объяснить уменьшением длительности контакта зубьев с породой (зубья не успевают передать накопленную ими энергию). С увеличением твердости и хрупкости породы рациональное значение частоты вращения возрастает. Например, для мрамора рациональное значение частоты вращения (с-1) составляет 2; для пород типа глинистых сланцев — 5...6, для песчаников
7...8; для хрупких пород типа гранитов и кварцитов п > 8. Следует также учитывать, что при высоких окружных скоростях резко снижается стойкость долота ввиду износа опор [2].
Кроме того, следует иметь в виду, что высокие частоты вращения часто вызывают повышенные вибрации станка, особенно при бурении крепких пород. Чтобы избежать вибрации станка в этих случаях, частоты вращения снижают до 30...80 мин-1 [14].
Существует критическое значение частоты вращения бурового става, при котором став теряет устойчивость только от действия центробежной силы.
Вращательно-подающий механизм современного бурового станка в состоянии обеспечить удельный момент до 40 Н м/кН силы подачи. На практике соотношение M/Fn редко превышает значения 20...30 Н м/кН.
В табл. 2.6.1 приведены рациональные параметры режима бурения шарошечными долотами.
Для буровых машин ударного и ударно-вращательного действия основным режимным параметром является энергия удара. При заданной глубине внедрения инструмента И требуемая энергия удара составит [15]
При ударно-вращательном бурении погружными пневмоударниками увеличение силы подачи обеспечивает повышение эффективности ударного воздействия на породу и рост скорости бурения. Однако одновременно возрастают силы трения лезвий о породу и необходимый вращающий момент.
Частоту ударов Z определяют из условия обеспечения требуемой производительности машины.
При бурении ударным способом важно реализовать частоту вращения инструмента (и, соответственно, число ударов за один оборот инструмента), обеспечивающую скалывающий характер разрушения породы [3].
На рис. 2.6.1 показаны схемы разрушения породы при различных углах поворота инструмента ф1, ф2. При малых углах поворота (при большом числе ударов за оборот) зоны разрушения перекрываются, что приводит к переизмельчению породы и росту энергозатрат. При больших углах поворота в забое остаются неразрушенные участки, что обусловливает потребность в дополнительной разработке забоя и также увеличении энергозатрат. При оптимальном значении угла поворота (контакт зон разрушения в точке к) энергоемкость разрушения имеет минимальное значение.
Оптимальные значения угла поворота и частоты вращения инструмента составляют
