Эффективность работы бурового оборудования напрямую зависит от грамотного подбора режимных параметров, таких как скорость рабочих движений и нагрузка на инструмент. На выбор режима влияет множество факторов: от физических свойств породы до конструктивных особенностей машины и квалификации оператора.
Бурение режущим инструментом (вращательное)
Для станков вращательного бурения ключевыми параметрами являются сила подачи, частота вращения бура и эффективность удаления шлама. Интенсивность процесса характеризуется удельной силой подачи, которая на практике для режущих долот составляет 100–300 кН/м.
Частоту вращения определяют, исходя из условий выноса частиц породы из скважины. Минимальное значение рассчитывается из баланса сил, действующих на частицу. Важным условием является синхронизация движений подачи и вращения, чтобы время поворота инструмента на угол между лезвиями равнялось времени его внедрения на глубину резания.
Скорость резания ограничивается мощностью привода и ростом динамических нагрузок при значениях свыше 5 м/с. Для снижения износа инструмента в крепких породах окружную скорость уменьшают. Удельная сила подачи, приходящаяся на единицу длины лезвия, обычно принимается в диапазоне 1–3 кН/см, что эффективно для пород средней крепости и не вызывает быстрого износа. Все параметры процесса тесно взаимосвязаны, и их произвольный выбор снижает общую эффективность.
Шарошечное бурение
Основными режимными параметрами для машин шарошечного бурения являются сила подачи, вращающий момент и частота вращения долота. Рациональное значение удельной силы подачи (на диаметр долота) лежит в пределах 1–2 МН/м. С ростом силы подачи увеличивается скорость бурения, но верхний предел ограничен прочностью долота. В слабых породах силу подачи выбирают так, чтобы исключить заклинивание шлама между зубьями шарошки.
Частота вращения также критически важна. Её увеличение повышает скорость бурения за счет роста энергии и количества ударов. Однако для пластичных осадочных пород этот рост замедляется, так как зубья не успевают передать энергию породе. Для хрупких пород, таких как граниты, рациональная частота вращения выше. Следует учитывать, что высокие скорости приводят к ускоренному износу опор долота и могут вызывать сильные вибрации станка, что иногда требует снижения частоты до 30–80 об/мин.
Современные вращательно-подающие механизмы способны обеспечить удельный момент до 40 Н·м/кН силы подачи, хотя на практике это соотношение редко превышает 20–30 Н·м/кН.
Ударное и ударно-вращательное бурение
Для машин ударного и ударно-вращательного действия основным параметром является энергия удара, которая рассчитывается исходя из требуемой глубины внедрения инструмента.
При ударно-вращательном бурении с погружными пневмоударниками увеличение силы подачи повышает эффективность разрушения, но одновременно растут силы трения и необходимый вращающий момент. Частоту ударов подбирают, исходя из требуемой производительности машины.
Крайне важно выбрать правильную частоту вращения инструмента (и, соответственно, число ударов за оборот), чтобы обеспечить скалывающий, а не дробящий характер разрушения породы.
При слишком малом угле поворота между ударами (большом их количестве за оборот) зоны разрушения перекрываются, что ведет к переизмельчению породы и росту энергозатрат. При слишком большом угле в забое остаются неразрушенные участки, что также требует дополнительной энергии. Оптимальный угол, при котором зоны разрушения соприкасаются, минимизирует энергоемкость процесса.
Оптимальные значения угла поворота и частоты вращения инструмента определяются по следующим зависимостям:
