Вращательное бурение осуществляют инструментом, непрерывно вращающимся вокруг оси, совпадающей с осью скважины. Одновременно буровому инструменту сообщается осевая подача на забой, что обеспечивает непрерывное скалывание породы и высокую скорость бурения. Однако вращательное бурение имеет ограниченную область применения, которая определяется сравнительно небольшой крепостью породы. Это объясняется значительным износом бурового инструмента, даже армированного твердым сплавом.
Рабочими элементами инструмента являются режущие лезвия (рис. 2.2.1), создающие под влиянием внешнего воздействия напряжения, большие предела прочности породы.
При вращательном бурении порода разрушается под действием силы подачи Fn и вращающего момента М. При этом сила подачи должна преодолеть сопротивление породы внедрению торцовых площадок режущих лезвий инструмента даже при их затуплении, а момент должен превысить момент сил сопротивления сколу участков породы, прилегающих к передним режущим граням лезвий.
Исследование с применением скоростной киносъемки, методов фотоупругости, тензометрии и др. показали, что механизм разрушения пород резанием имеет сложный характер [4, 10, 13].
При бурении слабых пород разрушение происходит непрерывно, представляя собой процесс резания пластичного материала с образованием стружки, отделяющейся по плоскостям скольжения.
При бурении хрупких пород разрушение идет циклично, в виде отдельных сколов, образующихся за счет развития трещин от места контакта инструмента с породой к свободной поверхности. В этом случае изменение сил сопротивления породы представляет собой нестационарный процесс, обусловленный случайным характером прочностных свойств породы, изменения сечений сколов из-за неравномерности подачи инструмента, распределения в массиве включений и т.д.
Вращательное бурение состоит в основном из двух процессов:
- разрушения породы на забое скважины;
-извлечения буровой мелочи на поверхность.
Впервые такой взгляд на сущность процессов, происходящих при бурении, был высказан известным русским ученым профессором Петербургского горного института И.А. Тимме. Впоследствии это направление было развито и уточнено в ряде работ других авторов, в частности в книгах [3, 13].
Работа резца, согласно этой теории, состоит из:
- внедрения в породу под действием силы подачи;
- скалывания элементарных призм его передней гранью.
Такое разделение единого процесса разрушения горной породы весьма условно, но оно приводится с целью облегчения его изучения.
Теоретическое исследование процесса внедрения инструмента имеет целью установить глубину его внедрения, а следовательно, и возможную скорость бурения при заданной силе подачи или же, наоборот, установить величину силы подачи, необходимой для обеспечения заданной скорости бурения.
Скорость бурения является функцией от глубины внедрения инструмента h, частоты вращения n и числа режущих лезвий Zл.,:
Vб = hnZл
Глубина внедрения, в свою очередь, определяется из условия равенства работы силы подачи AFn, зависящей от мощности привода механизма подачи, и энергии Ад = Аб*Sh, затрачиваемой на деформацию породы торцовыми площадками режущих лезвий, где Аб — предел прочности породы при вдавливании; S — величина поверхности торцовых площадок, определяемая размерами инструмента.
Установлено [3], что главным физическим критерием интенсивности рабочего процесса при бурении режущим инструментом явяется удельная сила подачи Рп уд = Fn/D (см. рис. 2.2.1), определяющая глубину внедрения инструмента.
Для каждой породы существует критическое значение Fn уд, меньше которого бурение становится неэффективно. В этом случае оно происходит благодаря поверхностному разрушению породы с образованием тонкодисперсного материала при резком росте энергозатрат.
Величина минимальной силы подачи, при которой начинается объемное разрушение породы, определяется из эмпирического выражения [15]
Реализация больших удельных сил при бурении крепких пород обеспечивает более рациональное использование подводимой к забою энергии, однако величина их ограничивается прочностью и износостойкостью инструмента.