Расчет частоты вращения породоразрушающего инструмента

Каждому классу пород и типу долот соответствуют свои оптимальные частоты вращения инструмента, при которых разрушение горных пород максимально. Расчет частоты вращения для шарошечных долот производится из условий:

• создания оптимальной линейной скорости на периферийном венце шарошки;

• по времени контакта зубьев долота с горной породой;

• по стойкости опор.

Для безопорных долот расчет производится только из условия создания необходимой линейной скорости на периферии долота. Расчет в этом случае ведется по формуле:

об/мин, (4.5)

где V_л – рекомендуемая линейная скорость на периферии долота, м/с; D_д – м.

Для шарошечных долот линейная скорость принимается:

в породах М – 3,4-2,8 м/с;

в породах МС – 2,8-1,8 м/с;

в породах С – 1,8-1,3 м/с;

в породах СТ – 1,5-1,2 м/с;

в породах Т – 1,2-1,0 м/с;

в породах К – 0,8-0,6 м/с.

Для алмазных и ИСМ долот V_л = 3-5 м/с, для долот PDC V_л = 1-2 м/с.

Меньшие значения линейной скорости берутся

• в трещиноватых неоднородных породах;

• в твердых абразивных породах;

• при повышенных осевых нагрузках;

• для шарошечных долот с твердосплавным вооружением.

Расчет частоты вращения шарошечного долота n₂ по минимально допустимому времени контакта зуба долота с породой ведется по формуле

об/мин, (4.6)

где d_ш – диаметр шарошки, мм;

τ – минимальное время контакта зуба долота с породой, мс;

z – число зубьев на периферийном венце шарошки;

D_д – мм.

Для современных шарошечных долот в среднем d_ш=0,65 D_д. Минимальное время контакта для упруго-пластичных пород равно 5-7 мс, для упруго-хрупких – 6-8 мс, для пластичных – 3-6 мс. Меньшие значения принимаются в более твердых породах. Число зубьев на периферийном венце шарошки зависит от типа долота, его диаметра и номера шарошки. В среднем оно может быть принято для долот диаметром 142,9-190,5-20 шт; 215,9-244,5-22 шт; 269,9-349,2-24 шт.

Максимально допустимая частота вращения шарошечного долота n₃ по стойкости опоры ведется по формуле

об/мин, (4.7)

где α – коэффициент, характеризующий свойства горной породы;

Т_о – стойкость опоры, час;

Т_о = 0,0935 D_д; где D_д – мм.

Для мягких пород α=0,7-0,9, для средних α=0,5-0,7, для твердых α=0,3-0,5, т.е. с увеличением твердости пород этот коэффициент уменьшается.

Для шарошечных долот из рассчитанных значений n₁, n_{2 ,}n₃ первое является оптимальным, а принятые не должно быть больше меньшего из значений n₂ и n₃ . Для безопорных долот принимается значение n₁.

Общие рекомендации по осевой нагрузке на долото и частоте вращения инструмента сводятся к следующим:

• с увеличением твердости горной породы осевую нагрузку следует увеличить при одновременном снижении частоты вращения;

• в трещиноватых неоднородных породах указанные параметры процесса бурения следует снижать;

• в течение рейса осевая нагрузка постепенно увеличивается.

В зарубежной практике в качестве параметра оптимизации процесса бурения шарошечными долотами используется произведение осевой нагрузки G в кН на частоту вращения инструмента n в с^-1 .

По рекомендации фирмы Хюз Тул это произведение должно быть равно около 200 для долот диаметром 120,6 мм и до 550 при диаметре долота 311,1 мм.

Для долот диаметром 215,9 мм G · n ≈ 350, т.е. если частота вращения инструмента принята 3,5 с^-1 , то осевая нагрузка должна быть около 100 кН.

Приработка долот

После спуска нового долота в скважину необходимо произвести его приработку (обкатку). Это особенно важно при смене типа долота, так как в этом случае меняется профиль поверхности вооружения, и часть резцов (зубьев) может быть перегружена, что приведет к их поломке. Процесс бурения следует начинать при минимальной осевой нагрузке ( с «навеса») на интервале до одного метра и минимальной частоте вращения инструмента. При роторном способе бурения приработка продолжается до 0,5 часа, при применении винтовых забойных двигателей до 15 мин, а турбобуров – 5-10 мин. За это время осевая нагрузка постепенно увеличивается практически от нулевой до расчетной, а при роторном бурении одновременно повышается и частота вращения инструмента.

Шарошечные долота с герметизированными опорами ставятся на забой без вращения, создается осевая нагрузка, равная приблизительно от 1/5 до 1/4 от расчетной, и начинается бурение с постепенным возрастанием нагрузки.