Режим и скорость шарошечного бурения

Режим шарошечного бурения характеризуется определенным сочетанием усилия подачи на долото, частоты его вращения, расхода воздуха для очистки забоя скважины от буровой мелочи и охлаждения долота.

Процесс разрушения породы может быть поверхностным, когда контактные давления значительно ниже предела прочности породы, усталостным, когда после многократного приложения нагрузки контактные давления достигают 1/20—1/30 прочности породы, и объемными, когда контактные давления достигают предела прочности породы.

Требуемые для объемного разрушения породы усилия подачи на 1 см диаметра долота зависит от буримости породы. Несоответствие между фактическим и оптимальным усилиями подачи объясняется недостаточной прочностью шарошечных долот и мощностью станков. Крутящий момент возрастает практически пропорционально усилию подачи. Процесс бурения осуществляется в основном за счет энергии вращения; потери энергии на трение и переизмельчение продуктов разрушения составляет около 20%.

Зависимость скорости бурения от усилия подачи показана на рис. 5.1. При очень больших усилиях подачи скорость бурения практически не увеличивается из-за ухудшения очистки забоя скважины от буровой мелочи при постоянных расходах воздуха. Однако такие большие усилия подачи в современных конструкциях буровых станков не достигаются. Поэтому необходимо применять усилия подачи, максимально возможные по надежности опор шарошек и массе станков (9—22 кН на 1 см диаметра долота). При бурении наклонных скважин усилие подачи на долото снижается на 20-25% для предотвращения смещения станка.

Рисунок 5.1 График зависимости скорости

шарошечного бурения от усилия подачи на долото (Пб =12—16)

С увеличением частоты вращения долота n_в техническая скорость бурения V_б повышается, но существенно снижается стойкость долота S_д.

На практике частота вращения бурового инструмента составляет 0.6—2с^-1 при усилии подачи 18—7 кН на 1 см диаметра долота. Для интенсификации процесса бурения необходимо повысить стойкость долот и увеличить частоту вращения до 2.5-3.3 с^-1. Применение наддолотных амортизаторов и принудительной смазки опор долота позволяет снизить уровень вибрации в 2-3 раза, увеличить стойкость долота в 1.5 раза и более и обеспечить стабильный режим эксплуатации станков с частотой вращения долота 2 - 2.3с^-1.

Ориентировочно техническую скорость шарошечного бурения (м/ч) можно определить по формуле

V_б 2.5·10^-2 Роn_в/(П_бd²д),

где dд – диаметр долота, м.

По мере износа долота скорость бурения снижается, так как уменьшается высота зубьев или штырей, увеличивается суммарная площадь контакта их с забоем скважины и уменьшается глубина внедрения штыря при постоянном усилии подачи на долото.

Текущая скорость бурения (м/ч)

V_б = V_б.о

где V_б.о – начальная скорость бурения новым долотом, м/ч;

hт - текущая величина проходки скважины данным долотом, м.

Доводить долото до полного затупления нецелесообразно, так как при этом средняя скорость бурения снижается на 7-10%. Рациональную стойкость долота можно определить по условию минимума затрат на бурение 1 м скважины с учетом вспомогательных операций.

Расход сжатого воздуха должен обеспечить полное удаление из скважины продуктов разрушения без их переизмельчения.