Разрушение горных пород долотами дробяще-скалывающего действия

ЛЕКЦИЯ 14-15

 Особенности разрушения горных пород инструментом дробяще-скалывающего действия

  Породоразрушающим инструментом в этом случае являются шарошечные долота (Рис.18). С детальным устройством шарошки вы уже познакомились при изучении дисциплины «Технология бурения», по этой причине мы обратим внимание только на некоторые принципиальные моменты, необходимые для понимания механизма разрушения горных пород при использовании этого инструмента.

Современное шарошечное долото дробяще-скалывающего действия выпускают в секционном исполнении. Каждая секция состоит из лап и шарошек, находящихся на цапфах, и опор шарошек. На шарошках расположены породоразрушающие элементы (вооружение). Секции соединены между собой сваркой. Кроме этого, долото имеет две системы: систему для промывки забоя скважины и систему, обеспечивающую смазку опор. Шарошечные долота изготавливаются как с обычной (центральной), так и с гидромониторной (боковой) системами промывки забоя скважины.

У долот с центральным каналом (цилиндрическим или щелевым) поток промывочной жидкости направляется вначале на шарошки и лишь затем попадает на забой. Гидромониторные долота имеют периферийные (боковые) каналы, заканчивающиеся сменными металлокерамическими или твердосплавными насадками с коноидальным или коническим каналами. При выходе из канала насадка поток промывочной жидкости устремляется прямо на забой. Для повышения эффективности работы долота высоконапорную струю промывочной жидкости необходимо направлять на ту часть забоя скважины, на которую воздействует зуб долота. В шифре долот центральная промывка обозначается буквой “Ц”, гидромониторная – “Г”.

Шарошки могут иметь коническую, сферическую, цилиндрическую формы. Большее применение получили конусные (многоконусные) шарошки. Шарошки имеют два обязательных конуса: основной и дополнительный. Основной конус взаимодействует с забоем скважины, а обратный – с ее стенкой. Остальные конусы, взаимодействующие с забоем, получили название дополнительных. Многоконусность шарошек обеспе-чивает рельефную поверхность забоя: основной конус формирует выпук-лую часть забоя, а дополнительные конусы – вогнутую часть. Создание выпуклого забоя содействует центрированию долота в процессе бурения. Угол 2b при вершине основного конуса выбирают из условия получения шарошки максимального объема.

Принятые обозначения шарошек связаны с их длиной: самая длинная считается первой и обозначается римской цифрой I, cредняя по длине – второй (II), самая короткая – третьей (III).

Породоразрушающим элементом шарошек являются зубья или твер-досплавные вставки, находящиеся на конусах концентрическими венцами (рядами). Нумерация венцов на шарошках ведется от вершины. Последние венцы называются периферийными. Они располагаются на обратном конусе. Для улучшения охлаждения на обратного конусе шарошки сдела-ны канавки.

Зубья каждого венца шарошки разрушают свой кольцевой участок забоя. Укажем две особенности:

- участки забоя, располагающиеся между смежными венцами (“во-ротники”), не подвержены действию зубцов. Ширина “воротников” 1,5 – 2,5 мм. “Воротники” разрушаются за счет биений долота.

-  на основных конусах шарошек зубья венцов одних шарошек входят в межвенцовые проточки других шарошек, обеспечивая самоочищение шарошек от прилипающего шлама.

Геометрия зубьев шарошек меняется в зависимости от твердости разбуриваемой горной породы: клин с площадкой притупления на вершине (рис. 18), цилиндр с клиновым или полусферическим торцом (для разбуривания пород, обладающих очень большой твердостью). Для повышения износостойкости лапы и шарошки подвергаются цементации на глубину (0,6 - 2,4) мм с последующей двойной закалкой и отпуском.

Работа долота происходит при вертикальном перемещении (углуб-лении) и горизонтальном перекатывании со скольжением или без него под действием осевого усилия и вращающего момента. При работе на забое шарошки вращаются вокруг оси долота по часовой стрелке с угловой скоростью w_д  (переносное движение долота) и одновременно вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки с угловой скоростью w_ш (относительное движение).

 Разрушение горной породы на забое скважины таким инструментом происходит, во-первых, за счет ударов, наносимых зубьями перека-тывающихся шарошек по забою, и, во-вторых, за счет действия осевой нагрузки, обеспечивающей вдавливание породоразрушающих элементов в горную породу. При определенных конструктивных особенностях данного породоразрушающего инструмента в разрушении горной породы прини-мает участие и сдвиговая нагрузка, осуществляя дополнительно к удару и вдавливанию резание породы.

 Эффективность скалывающего воздействия породоразрушающих эле-ментов шарошки на породу зависит от формы шарошек, их расположения в корпусе, и состояния поверхности забоя. Так как перечисленные процес-сы протекают одновременно, то это создает крайне сложную картину взаимодействия породоразрушающих элементов вооружения долота с горной породой. Для лучшего понимания различные явления рассмотрим отдельно в упрощенном виде.

 

 Вооружение шарошечных долот первого класса

 

Шарошечные долота первого класса имеют стальное зубчатое вооружение, выполненное фрезерованием заодно с шарошкой. Основные параметры вооружения приведены на рис. 19: начальное притупление b, длина зубьев l (ширина венца), начальная высота зубьев h₀, угол при вершине клина 2g, линейный шаг размещения зубьев в венце z.

Параметры зубьев зависят от размера и типа долот. Для долот диамет-ром 93 – 490 мм величина b изменяется в диапазоне (1,0 – 2,8) мм, l - (5 - 19) мм (на первых венцах первых шарошек от 10 до 48 мм), h₀ – (5 – 25) мм, 2g - (36^О - 56^О), z – ( 10 – 80) мм.

Параметрами, определяющими тип вооружения долота, являются шаг и угол при вершине клина.

Выбор шага обусловлен ожидаемой максимальной глубиной разрушения горной породы забоя, необ-ходимостью не только полного разрушения соответствующего венцу кольцевой области забоя, но и перекрытия двух соседних разрушенных кольцевых областей.

При перекатывании щарошки по забою происходит внедрение зубьев долота в горную породу забоя скважины. Глубина внедрения в значите-льной степени определяется твердостью нагружаемых горных пород.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

Максимальная глубина внедрения зуба долота, находящегося в вертикальном положении при разбуривании мягкой горной породы, определяемая при условии, что  два соседних по венцу зуба не внедряются в горную породу, находится из выражения:

 

δ_max = R_шsinα (1 – cos θ/2),

 

где α – угол наклона оси шарошки к оси долота, θ - угловой шаг зубьев в венце. Из этого условия определяется величина углового шага размещения зубьев

q = arccos(1 - δ_max / R_шsina),

 

Из этой формулы следует, что чем больше δ_max, тем больше должен быть угловой шаг q и линейный шаг z = 2R_шsin(q/2). Уменьшение углового, линейного шага обеспечивает перекрытие зон поражения (лунок) в кольцевой области забоя, разрушаемой венцом. Чрезмерное увеличение углового и линейного шага нежелательно, т.к. это приводит к уменьшению количества зубьев в венце и, естественно, к уменьшению числа поражений кольцевой области. Отсюда следует, что шаг должен быть оптимальным.

Величина угла 2g при вершине зуба должна удовлетворять следующему условию: прирост площади контакта зуба долота при бурении из-за износа должен быть минимальным. Это условие дополняется еще одним: так как при контактировании с забоем зуб подвергается не только сжатию под действием осевого усилия, но и изгибу под действием силы резания, то чем больше ожидаемое сопротивление горной породы скалыванию, тем больше должен быть угол 2g. Значения угла 2g для различных типов долот приведены ниже:

 

Тип долота        М, МС     С          СТ        Т

        2g, градусы   36-42  42- 44     44-46  48-52

 

Периферийные зубцы шарошки предназначены не только для разрушения породы забоя, но и для разрушения породы стенки скважины. Рабочей поверхностью периферийных зубьев являются не только площадки притупления, но и торцы зубьев со стороны обратного конуса, фрезерующие стенку скважины. Поэтому эти зубья выполняются не только в виде клина, но и имеют Г-, Т-, П- образную геометрию. Cо стороны обратного конуса эти зубья имеют больший запас вооружения: поверх-ность зубьев наплавляется твердым сплавом. Для сохранения диаметра скважины постоянным необходимо, чтобы обратный конус касался стенки скважины по всей своей высоте.

Зубья периферийных венцов, перекатываясь по забою и разрушая его, образуют на забое зубчатую рейку.  

Степень поражения породы по радиусу долота оценивается коэффициентом перекрытия h, который представляет собой отношение суммы всех длин зубьев, контактирующих с горной породой к радиусу долота. Величина коэффициента перекрытия меняется в зависимости от типа шарошечного долота в диапазоне 0,7 - 1,4. Так как при наличии сплошных зубьев величина коэффициента перекрытия достигает своей максимальной величины, равной трем, то указанное существенно меньшее значение этого коэффициента означает, что изготовление вооружения в виде венцов позволяет значительно увеличить давление вооружения на забой при неизменном осевом усилии на долото (по сравнению с лопастными долотами). В мягких горных породах применяют долота с коэффициентом перекрытия 1,1, в породах средней твердости – 1,4.

С помощью коэффициента перекрытия определяется площадь контакта зубьев долота с горной породой по формуле В.С.Федорова

 

S_к = Dhb / 2,

где D – диаметр долота.

 Вооружение щарошечных долот второго класса

Шарошечные долота этого класса преднаначены для разрушения абразивных горных пород. Эти долота имеют твердосплавное вооружение из вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов ВК11-ВК для клиновых зубков и ВК8-ВК для зубков со сферической рабочей поверхностью. Зубки состоят из цилиндрического тела диаметром до 16 мм, запрессовыемого в гнезда, находящиеся на венцовых выступах шарошек, и рабочей головки, размеры и форма которой определяют конструктивные особенности зубков. Важнейшие характеристики твердосплавного вооружения – диаметр зубков, глубина их запрессовки в теле шарошки, радиусы кривизны рабочих поверхностей, начальная высота зубков и шаг размещения их в венце.

Используются три конструкции клиновых зубков:

- формы Г25 с углом при вершине клина 90^О и с торовой рабочей поверхностью.

(см. Технологию бурения. Уфа.Стр.146.)

 

Выбор угла при вершине твердосплавных зубков тот же, что и для притупленного клина, применяемого в долотах первого класса. Так как твердый сплав хуже работает на изгиб, чем сталь, то углы 2g зубков у долот второго класса существенно больше.

Шаг зубков в венцах выбирается не только из условия эффективного поражения горной породы забоя, но и из условия их надежного закреп-ления в теле шарошки. Величина шага зубков тесно связана с их диамет-ром: с точки зрения предупреждения раскалывания венца шарошки уменьшение шага обуславливает и уменьшение диаметра зубков. Величи-ны диаметров зубков различных типов долот удовлетворяют следующему неравенству:

d(МЗ) ³ d(СЗ) ³ d(ТЗ).

 

При данном осевом усилии величина контактного давления опреде-ляется величиной контактной площади долота S _к. Действие касательного усилия T приводит к появлению растягивающих напряжений в горной породе забоя.

Твердость разбуриваемых горных пород влияет на величину шага зубьев (расстояние между зубьями), их высоту: чем больше твердость H горных пород, тем меньше шаг и высота зубьев. Так как эти параметры определяют высоту падения зубьев L при перекатывании шарошки по забою, то и энергия удара зуба по забою будет снижаться. Это приводит к снижению вклада ударной нагрузки в разрушение горной породы.

С учетом влияния твердости горных пород на геометрические особенности строения зубьев шарашки разработано пять основных видов породорарушающего инструмента шарошечного типа: для бурения мягких пород - M, для бурения пород средней твердости - C, твердых - Т, крепких - К, очень крепких - ОК.

В породорарушающем инструменте типа К и ОК используются твер-досплавные вставки овальной формы, имеющие небольшой выход из тела шарошки. Это приводит к тому, что разрушение горных пород, облада-ющих большой твердостью, происходит, главным образом, за счет раздавливания породы под пятном контакта при вдавливании твердосплавных вставок. На рис. 20 приведены инденторы различной геометрии, предназначенные для разрушения горных пород различной твердости.

 

Важной особенностью конструкции шарошек с точки зрения разрушения горной породы различной твердости является положение осей шарошек в проекции на плоскость забоя. По этому признаку для разбуривания горных пород различной твердости изготавливаются трехшарошечные долота двух типов (рис.21):

▪ без смещения осей цапф лап относительно оси долота в плане (с пересечением осей шарошек в центре забоя с осью вращения породоразрушающего инструмента),

▪ со смещением осей цапф лап относительно оси долота в плане (со смещением осей вращения шарошек от центра забоя и связанным с этим переносом вершин шарошек за ось долота).

Во втором случае оси вращения шарошек могут быть смещены по направлению вращения долота (положительное смещение) или против его

 

вращения (отрицательное смещение). Смещение осей цапф обеспечивает при работе долота кратковременное проскальзывание шарошек (танген-циальное движение шарошки без её вращения), что обеспечивает срезание горной породы, увеличивающее эффективность разрушения.

 

Рис. 21. Схема расположения шарошек относительно оси вращения долота:

а) без смещения осей вращения, б) с положительным смещением осей. 

 Кинематика долота дробяще-скалывающего действия

 К характеристикам шарошечного долота, влияющим на кинематику взаимодействия элементов вооружения долота с горной породой, кроме геометрических размеров шарошек, относят угол наклона осей шарошек к оси долота a  и смещение осей шарошек в плане относительно оси враще-ния долота на величину Δ.

 Кинематика работы шарошечного долота на забое скважины сложна. В значительной степени это связано с тем, что шарошки вращаются не только вокруг оси скважины, но и вокруг своих осей. Схема взаимо-действия горной породы забоя с долотом дробяще-скалывающего дейст-вия выглядит следующим образом. Каждая шарошка, перекатываясь по забою, опирается то на один из своих зубцов (неустойчивое положение), то на два смежных зубца (устойчивое положение). При этом происходит возвратно-поступательное вертикальное перемещение центра вращения шарошки и корпуса долота. Амплитуда такого колебательного движения шарошки прямо пропорциональна ее диаметру и увеличивается с уменьшением числа зубьев.

Параметры колебательного процесса определяют периферийные венцы долота, т.к. они являются самыми крупными. При разбуривании одно-родных горных пород (если бы таковые нашлись) при неизменной величине осевого усилия амплитуда колебания долота будет постоянна, но в силу неоднородности строения горных пород амплитуда колебаний долота изменчива.

Число ударов m в минуту зубьев венца шарошки по горной породе забоя определяется по формуле

                                           m = n_ш k = in_дk,

 

где i -передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота, n_ш, n_д – частота вращения шарошки и долота, соответственно,

k – число зубьев в рассматриваемом венце шарошки.

Время контакта зуба долота с горной породой при ударе τ _к при отсутствии проскальзывания определяется формулой

 

τ _к = 60 / m = 60 / in_дk

Энергия удара, наносимого одним зубцом по забою, определится выражением

W _д = mg R_шsinα ·(1 –  cos θ/2).

 

Кроме переносного и относительного движений (вращение вокруг оси долота w_д, вращение вокруг оси шарошки w_ш, соответственно) шарошка участвует и впоступательном движении вдоль оси долота (эта составляющая всегда меньше первых двух и ею можно пренебречь в дальнейшем). Из теоретической механики известно, что сложное движение, получаемое при сложении двух вращательных движений, совершающихся вокруг пересекающихся осей, является также вращате-льным, совершаемым вокруг мгновенной оси вращения.  

Величина абсолютной мгновенной угловой скорости вращения шарошки определяется выражением

 

W = [w_д² + w_ш² + 2w_дw_ш cos(w_дw_ш) ]^0,5.

 

Мгновенная ось вращения, по направлению которой располагается вектор абсолютной мгновенной угловой скорости, проходит через точку пересечения осей двух слагаемых вращений w_д и w_ш (рис. 22).

Окружная скорость V_ш произвольной точки, лежащей на образующей конуса, контактирующей с плоскостью забоя, относительно плоскости забоя определяется выражением V_ш = w_шr, где r - радиус вращения рассматриваемой точки относительно оси шарошки. Вектор скорости V_ш направлен в сторону вращения шарошки.

Величина линейной переносной скорости V _д этой же точки определяется произведением V _д = w_дR, где R - радиус вращения точки относительно оси скважины. Вектор V _д направлен в противоположную вектору V _ш сторону.

Абсолютная скорость рассматриваемой точки называется скоростью скольжения V _ск, она определяется векторной суммой:

 

V _ск = V _ш + V _д

или

V_ск = w_шr - w_дR.

 

Частное i _д = w_д / w_ш определяет передаточное отношение долота. Если представить шарошку в виде пирамиды (одноконусная шарошка), вершина которой находится на оси долота и которая опирается последовательно при качении на зубья, то тогда i _д» r / R = const (для всех венцов). Это озна-чает, что для такого случая

                                         V_ск = 0,

 

т.е. скольжение отсутствует. Такие шарошки называют шарошками чистого качения. При перекатывании шарошки по горной породе между последней и зубом шарошки возникает трение качения, а не трение сколь-жения (как в случае резания горной породы лопастным долотом), поэтому абразивный износ шарошек существенно меньше. Разрушение горной породы забоя скважины эти шарошки осуществляют дроблением, воз-никающим в результате удара зубца по забою, и последующим смятием-раздавливанием горной породы при внедрении зубца в забой.

Для обеспечения скольжения вооружения долота вдоль забоя и появления у вооружения скалывающей способности должно выполняться условие i = R/ r ¹ const. Это условие выполняется при выносе вершины конуса за ось долота на величину f, смещением осей шарошек относи-тельно центра забоя (оси долота) в плане на величину D, многоконусостью шарошек.

Работа многоконусных шарошек, шарошек со смещенными осями вращения, имеющими смещение осей относительно оси долота в плане, имеет более сложную кинематику, так как кроме перекатывания шарошки по забою происходит еще и кратковременное проскальзывание зубьев вдоль забоя без вращения шарошки вокруг своей оси. Проскальзывание приводит к резанию (если порода пластичная) или резанию-скалыванию (если порода упругохрупкая) поверхностного слоя горной породы забоя.

 При движении многоконусной шарошки, например, по забою мгновенная ось вращения проходит через точку пересечения осей складываемых вращений и через нескользящую точку, расположенную на образующей того конуса, который контактирует с забоем. По известной величине абсолютной мгновенной угловой скорости щарошки величина скорости скольжения определится формулой

 

V _ск = W·r _m,

 

где r _m - расстояние от мгновенной оси вращения до контактирующего с забоем зуба. Скорость скольжения тем больше, чем больше r _m. На участке образующей, расположенной влево от нескользящей точки, скольжение происходит против направления вращения долота. Такое скольжение счи-тается отрицательным. На участке, расположенном правее нескользящей точки, скольжение считается положительным, т.к. направлено в сторону вращения долота.

Величина

                                            V _ск / V _д = m_ск

определяет способность долота разрушать горную породу скалыванием и называется степенью скалывания.

Отношение

V _ш / V _д = m_{д ,}

 

называемое степенью дробления, определяет способность долота разру-шать горную породу дроблением.

Степень проскальзывания шарошек со смещенными осями вращения характеризуется коэффициентом скольжения (проскальзывания) К _ск, вели-чина которого определяется отношением суммарной площади проскаль-зывания зубьев за один оборот долота S _ск к площади всего забоя скважины S _з:

К _ск = S _ск / S _з.

 

В зависимости от конструкции долота величина коэффициента скольжения изменяется от 0,1 (для твердых пород) до 20 % (для мягких пород). Увеличение коэффициента скольжения достигается использова-нием многоконусных шарошек со смещением их осей относительно оси долота. Появление трения скольжения вызывает существенный рост абразивного износа таких долот.

Разрушение горных пород долотами дробяще-скалывающего действия

 Дробящая способность шарошечного долота обеспечивается перекатыванием шарошек по забою с зуба на зуб. Это обеспечивает вертикальное перемещение не только долота, но и всей бурильной колон-ны. По этой причине на горную породу забоя действует динамическая нагрузка F_д во время удара зуба долота по забою, а затем и статическая нагрузка F_ст, обеспечивающая дальнейшее внедрение зуба в поверхность забоя. Суммарная нагрузка на забой F_S = F_д + F_ст, отнесенная к величине статической нагрузки, определяет коэффициент динамичности:

 

k = F_S /  F_ст.

 

Коэффициент динамичности возрастает с увеличением твердости гор-ной породы, шага зубьев и частоты вращения долота. При разбуривании мягких, средних и твердых горных пород величина коэффициента динамичности принимает следующие значения: 1.1, 1.2, 1.3, соответственно.

Эффективность разрушения горной породы на забое скважины под действием усилий F_д, F_ст снижается с возрастанием пластических свойств горных пород. Разрушение горных пород на забое глубоких скважин инст-рументом, вызывающим дробление, обеспечивает малую величину механи-ческой скорости.

Под действием ударной нагрузки, направленной под углом j к плоскости забоя и превышающей сопротивление горной породы ударному разрушению, происходит ее дробление и образование лунки в результате скола.

И в состоянии устойчивого и неустойчивого положения шарошки под торцом зуба в горной породе возникает напряженное состояние сжатия. Напряжения сжатия в породе достигнет большей величины при опоре шарошки на один зубец. Если при этом возникающие контактные давления превысят сопротивление породы вдавливанию (P _к > H), то горная порода под пятном контакта разрушится, возникнет лунка.

Перекатывание шарошки по забою с зуба на зуб не является единственной причиной появления динамической нагрузки. Так как нагружаемая горная порода забоя скважины практически всегда неодно-родна и в каждый момент времени зубья долота находятся в контакте с забоем в разных сочетаниях, то все это приводит к неравномерному разрушению горной породы. При этом возникают колебания с более низкой частотой, но с большей амплитудой, чем при перекатывании шарошки с зуба на зуб.

При работе шарошечного долота различают следующие колебате-льные процессы:

а) высокочастотные, появление которых вызвано зубчатостью шарошек,

б) среднечастотные, природа которых связана с изменением во времени числа взаимодействующих с поверхностью забоя зубьев долота,

в) низкочастотные, обусловленные возникновением вследствие неоднородности строения горных пород и их дефектности ухабов на забое скважины.

Как уже отмечалось, скалывающая способность шарошечных долот обеспечивается смещением осей вращения шарошек в плане на величину D в направлении вращения долота, выносом вершин шарошек за ось долота, многоконусностью шарошек. Возникающее скольжение элементов вооружения увеличивает объём разрушаемой горной породы за один оборот долота, приводит к росту механической скорости бурения.

Примерная величина смещения D осей шарошек относительно центра забоя (оси долота) у долот различного типа следующая: у долот типа М смещение равно 8 мм и более (высокая скалывающая способность), типа С – 5 мм (средняя скалывающая способность), долот типа Т – 0,05 мм (низкая скалывающая способность).

Использование при разбуривании твердых горных пород шарошечных долот с низкой скалывающей способностью связано как с увеличением сопротивления горной породы скалыванию при росте твердости горной породы, так и с ростом изнашивания вооружения долота. Последнее особенно заметно при бурении абразивных горных пород. Положительной стороной скольжения вооружения вдоль забоя является и улучшение очистки забоя от шлама.

Эффективность разрушения горных пород на забое скважины в настоящее время связывают с улучшением триботехнических свойств промывочной жидкости (снижение трения между горной породой и зубом долота).