Принцип и ограничения вращательного бурения
Вращательное бурение — это метод проходки скважин, при котором инструмент непрерывно вращается вокруг своей оси, совпадающей с осью скважины. Одновременно с вращением на инструмент передается осевое усилие (подача), что обеспечивает непрерывное скалывание и разрушение породы на забое. Данная технология позволяет достигать высоких скоростей проходки. Однако область её применения ограничивается породами сравнительно невысокой крепости. Это связано с интенсивным износом бурового инструмента, который происходит даже при использовании твердосплавного вооружения.
Механизм разрушения породы
Основными рабочими элементами инструмента являются режущие лезвия. Под воздействием внешних сил они создают в породе напряжения, превышающие её предел прочности. Процесс разрушения обеспечивается совместным действием двух факторов: осевой силы подачи (Fn) и вращающего момента (M). Сила подачи необходима для преодоления сопротивления породы внедрению торцовых площадок лезвий, а вращающий момент должен превысить момент сил, сопротивляющихся скалыванию породы передними гранями лезвий.
Исследования с применением скоростной киносъемки, методов фотоупругости и тензометрии показали, что механизм разрушения пород резанием носит сложный характер. В слабых, пластичных породах разрушение происходит непрерывно, подобно резанию материала с образованием стружки, отделяющейся по плоскостям скольжения. При бурении хрупких пород процесс становится циклическим: разрушение происходит отдельными сколами в результате развития трещин от точки контакта инструмента к свободной поверхности породы. В этом случае силы сопротивления изменяются нестационарно, что обусловлено неоднородностью прочностных свойств породы, изменением размеров сколов и наличием включений в массиве.
Две составляющие процесса бурения
Вращательное бурение можно разделить на два основных, взаимосвязанных процесса:
- Непосредственное разрушение породы на забое скважины.
- Удаление (извлечение) образовавшейся буровой мелочи на поверхность.
Такой взгляд на сущность буровых процессов впервые был сформулирован известным русским ученым, профессором Петербургского горного института И.А. Тимме. В дальнейшем это направление было развито и уточнено в работах других исследователей.
Теория работы резца
Согласно данной теории, работа резца (режущего лезвия) состоит из двух последовательных, но условно разделяемых стадий:
- Внедрение в породу под действием осевой силы подачи.
- Скалывание элементарных объемов породы (призм) передней гранью лезвия при его вращении.
Такое разделение единого процесса на стадии применяется для упрощения его теоретического изучения и анализа.
Ключевые параметры и скорость бурения
Теоретическое исследование процесса внедрения инструмента направлено на определение глубины его внедрения (h) при заданной силе подачи. Это, в свою очередь, позволяет рассчитать возможную скорость бурения (Vб). Скорость бурения является функцией нескольких параметров:
Vб = h * n * Zл
где:
h — глубина внедрения инструмента за один оборот;
n — частота вращения инструмента;
Zл — количество режущих лезвий на инструменте.
Глубина внедрения (h) определяется из условия баланса энергии: работа силы подачи должна быть равна энергии, затрачиваемой на деформацию и разрушение породы торцовыми площадками лезвий. Эта энергия зависит от предела прочности породы при вдавливании и площади контактной поверхности инструмента.
Критерий эффективности: удельная сила подачи
Установлено, что главным физическим критерием интенсивности рабочего процесса при бурении режущим инструментом является удельная сила подачи (Pп уд = Fn / D), которая и определяет глубину внедрения инструмента. Для каждой породы существует критическое (минимальное) значение удельной силы подачи. Если приложенное усилие меньше этого критического значения, бурение становится неэффективным: происходит лишь поверхностное разрушение породы с образованием мелкой пыли, а энергозатраты резко возрастают.
Величина минимальной силы подачи, необходимой для начала объемного (эффективного) разрушения, может быть определена по эмпирическим зависимостям.
Применение больших удельных сил при бурении крепких пород обеспечивает более рациональное использование энергии, подводимой к забою. Однако верхний предел этих сил ограничивается прочностными характеристиками и износостойкостью самого бурового инструмента.