РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ І МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
Для вирішення поставлених задач по створенню породоруйнівних інструментів різальної дії з пониженою енергоємністю буріння й вдосконаленню технологічних режимів їх застосування прийнято експериментальний метод досліджень на модельних і повнорозмірних конструкціях в стендових та промислових умовах.
З метою визначення величин енергетичних параметрів роботи бурових доліт з ПАР і кількісного їх співвідношення було здійснено дослідження різних конструкцій різальної частини методами математичного моделювання, а також розроблено технічні засоби й методику для проведення експериментальних випробувань.
2.1. Дослідження конструкції долота з пониженою енергоємністю руйнування гірських порід методами математичного моделювання
Як зазначалось вище, для бурових доліт з ПАР дослідниками рекомендуються три базових типи профілів різальної частини: плоский, обернено-конусний та еліптичний (рис. 2.1, відповідно: а, б, в).
а б в г
Рис. 2.1. Варіанти дослідних профілів різальної частини долота.
Нами було запропоновано, як альтернативний варіант, для буріння вибійними двигунами похило-скерованих і горизонтальних свердловин круглоступінчастий профіль робочої частини долота (див. рис. 2.1, г), який захищений авторським свідоцтвом на винахід №1783108 [ 16 ].
На рисунку 2.2 представлено конструкцію породоруйнівного інструменту з круглоступінчастим профілем різальної частини. Долото містить корпус 1 з промивальним каналом 2 і лопаті 3, на яких виконані ступені 4 у вигляді сегментів, що сполучаються. Точка сполучення 5 сусідніх сегментів розташована щодо осі 6 обертання долота на відстані, меншій величини найбільших їх радіусів. Остання ступінь 4 кожної лопаті переходить в калібрувальну поверхню 7. Різальна частина лопатей армована циліндричними породоруйнівними елементами 8.
Робота бурового долота здійснюється в такий спосіб. При бурінні на долото передаються осьове навантаження й крутний момент. Під їхнім впливом різці 8 на ступенях 4 руйнують породу. При цьому, внаслідок виконання різальної частини долота у вигляді сегментів, що сполучаються, у їх найбільших за площею поперечних перерізах забезпечується дискретний контакт калібрувальних ділянок зі стінками свердловини. У результаті зменшується крутний момент при руйнуванні гірської породи, що понижує енергоємність роботи долота й створює можливість бурити при збільшеному осьовому навантаженні і навпаки - при однаковому значенні G величина М менша. За рахунок цього підвищується механічна швидкість буріння та розширюються можливості раціонального вибору вибійного двигуна й ефективного використання долота з ПАР в різних гірничо-геологічних умовах, у тому числі при бурінні скерованих свердловин.
Крім того, розташування точки сполучення 5 сусідніх сегментів 4 щодо осі 6 обертання долота на відстані, меншій величини найбільших їх радіусів забезпечує перекриття в проекції на площину вибою периферійних різців нижче розташованої ступені - оснащенням вище розташованої, що підвищує зносостійкість конструкції.
Отже, перевагами запропонованого круглоступінчастого профілю робочої частини долота є: 1) дискретний контакт різальної поверхні з гірською породою, що забезпечує вивільнення окремих ділянок вибою від стискаючих навантажень і, як наслідок, зменшення затрат енергії на їх руйнування; 2) перекриття в проекції на площину вибою периферійних різців нижче розташованої ступені - оснащенням вище розташованої, що підвищує зносостійкість конструкції.
У відповідності з вище наведеним, було розроблено чотири варіанти конструкції різальної частини бурового долота діаметром 146 мм і досліджено параметри їх роботи методами математичного моделювання. Розміщення різців на лопатях долота, їх розміри та форма різальної крайки повністю моделюють ПАР в породоруйнівних інструментах діаметром 214,3 мм.
Була поставлена задача розрахунку для кожного з дослідних профілів долота прогнозних енергетичних показників процесу буріння: крутного моменту, механічної швидкості і питомої об'ємної роботи руйнування.
У зв'язку з цим нами попередньо здійснено математичний опис процесу буріння породоруйнівними інструментами різальної дії, який ґрунтувався на експериментальних дослідженнях долота з плоским профілем робочої частини, як найбільш поширеного в базових конструкціях [ 33 ]. Для даного долота експериментально визначені величини емпіричних коефіцієнтів, що використовувались в обчисленнях, і потім проведено розрахунки прогнозних параметрів буріння - механічної швидкості, крутного моменту та питомої об'ємної роботи руйнування - в залежності від форми профілю різальної частини.
В основу математичної моделі покладено розгляд взаємодії озброєння долота різальної дії з гірською породою під дією осьового навантаження і крутного моменту. При цьому, як і в багатьох дослідників [ 3, 6, 9, 19, 26, 29, 80, 88, 90 ], припускаємо наявність степеневої залежності сили опору проникненню, що діє на елемент озброєння, від глибини його проникнення в гірську породу. Також передбачається, що сила різання пропорційна силі опору проникненню. Крім того, вона є степеневою функцією швидкості різання [77, 80].
На відміну від математичних моделей, які грунтуються на принципах забезпечення рівностійкого розташування різальної крайки лопаті в просторі [ 8, 43 ] або експериментальних дослідженнях зносу одиничних різців [ 29 ], розрахунки прогнозних енергетичних показників процесу буріння згідно запропонованих нами співвідношень проводились для породоруйнівного інструменту в цілому на основі результатів стендових випробувань бурового долота. Такий підхід дозволяє на наш погляд більше наблизити теоретичні обчислення до реальних умов роботи породоруйнівних інструментів.