Режимы ударно-вращательного бурения и расчет их основных параметров

Правильность выбора бурового оборудования, инструмента и режимов работы является основным условием эффективного бурения.

Факторы режима ударно-вращательного бурения: тип и размер долота, ударная мощность пневмоударника, осевое усилие, частота вращения, расход и давление воздуха в сети. Ударная мощность пневмоударника является регулируемым параметром станка.

Монолитные породы небольшой и средней крепости эффективно бурят долотами БК-105, БК-155, трещиноватые, крепкие и весьма крепкие породы – x-образными долотами К-105К, К-125К, К-160К, трещиноватые, не абразивные породы средней крепости и высокой крепости - штыревыми долотами К105Ш, К-125Ш.

Усилие подачи на пневмоударник и долото должно обеспечивать эффективное внедрение последнего в разбуриваемую породу. Практически усилие подачи увеличивается с увеличением ударной мощности пневмоударника.

Величины усилия подачи и частоты вращения бурового става в зависимости от типоразмера пневмоударника, долота и крепости пород представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Усилия подачи и частоты вращения бурового става для различных

типоразмеров пневмоударников

Типоразмер пневмоударника	Типоразмер долота	Коэффициент крепости пород f	Усилие подачи, Н	Частота вращения, с-1
МП-3	БК-105	6-8		1.08-0.92
		10-12		0.83-0.75
		14-16		0.67
		18-20		0.58
П-105	К-105	6-8		1.17-1.0
		10-12		0.92-0.83
		14-16		0.75
		18-20		0.75
П-125	К-125	6-8		1.0-0.75
		10-12		0.67-0.58
		14-16 18-20		0.5 0.5-0.42
М32К	БК-Т55	6-8		0.75-0.67
		10-12		0.58
		14-16 18-20		0.50 0.42
П-160К	К-160	6-8		0.67-0.58
		10-12		0.5
		14-16		0.42
		18-20		0.42

При ударно-вращательном бурении параметры станка определяются, прежде всего, параметрами пневмоударника. Конструкции пневмоударников и их технические характеристики представлены в табл. 2.4.

Частота вращения, величина усилия подачи и крутящий момент должны быть увязаны с параметрами пневмоударника, формой и размерами долота и свойствами горной породы.

Частота вращения бурового става зависит от энергетических и частотных характеристик пневмоударника, конструкции породоразрушающего инструмента, физико-механических свойств породы и диаметра скважины.

С достаточной точностью частоту вращения бурового става можно определять по формуле НИИГормаш:

(52)

где п_П - частота пневмоударника, с^-1;

D - диаметр скважины, см;

А - энергия удара, Дж;

g - ускорение, м/с²;

l - суммарная длина лезвия долота, см;

j - угол заточки лезвий долота, град.

Таблица 2.4

Основные технические характеристики пневмоударников

Параметры	Станок
СБУ-100	СБУ-125	СБУ-160	СБУ-200
Тип пневмоударника	П-105	П-125	М-32К, П-160	П-200
Диаметр коронки, мм			155, 160
Энергия единичного удара, Нм
Ударная мощность, кВт	2.5	2.85	4.1, 5.8
Частота ударов в минуту			1900, 1275
Давление воздуха, МПа	0.5-0.7	0.5-0.7	0.5-0.6; 0.5	0.5
Расход воздуха, м/мин	5.7		14, 12
Масса ударника	3.1	5.6	5.45, 11.3	-
Масса пневмоударника			40, 56	-

Для долот с углом заострения j = 110° формула (52) имеет вид

(53)

Усилие подачи. Величина усилия подачи, развиваемой подающим устройством станка,

Р = Р ₁ + Р ₂ + Р ₃,(54)

где Р ₁, Р ₂, Р ₃ - усилия, прилагаемые к превмоударнику для эффективного процесса разрушения, преодоления сил трения бурового става о стенки скважины и преодоления трения в направляющих станка соответственно.

Для нормальной работы превмоударника усилие подачи Р ₁, Н, определяется по формуле

(55)

где t - отношение времени обратного хода к времени рабочего хода поршня (для пневмоударников типа МП-3, П-105, П-125 и М-32К это отношение составляет 1.3 - 1.5);

n_П - частота ударов поршня-ударника, мин^-1;

А - энергия удара поршня, Дж;

т - масса поршня-ударника, кг.

Дополнительное усилие подачи для создания контактного напряжения между лезвиями долота и породой в зависимости от физико-механических свойств породы по экспериментальным данным находятся в пределах 15...20 % от величины усилия подачи на пневмоударнике.

При бурении скважины под утлом b к горизонту между штангами и стенками скважины возникает сила трения Р ₂, Н:

Р ₂ = m_ш × m (56)

где m_ш - масса штанги, кг (параметры штанг приведены в табл. 2.5);

m - коэффициент трения между штангой и породой (m = 0.4 - 0.6).

Таблица 2.5

Основные параметры штанг станков ударно-вращательного бурения

Параметр	СБУ-100	СБУ-125	СБУ-160
Диаметр, мм
Длина, мм
Масса, кг	10.6	32.5	156.0

При передаче крутящего момента ставу и штанге на вращателе возникает момент трения М_тр, воспринимаемый направляющими, по которым перемещается плита вращателя. При расстоянии между направляющими l_н и коэффициентом трения m_т усилие подачи Р_з, необходимое для преодоления силы трения в направляющих:

(57)

Крутящий момент, необходимый для вращения данного пневмоударника:

(58)

где D - диаметр скважины, м.

Для обеспечения нормального процесса бурения (с учетом заклинивания бурового става, прохождения нарушенных участков породы, трения бурового става о стенки скважины в любом интервале и при любом наклоне буримой скважины с учетом возможности бурения скважин диаметром 105,

125 и 160 мм) крутящий момент должен быть увеличен в 2-3 раза.

Ориентировочная стойкость долот L_д, м, в зависимости от типа и крепости горных пород приведена в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Стойкость буровых долот

Тип долота	Коэффициент крепости пород f
6-8	8-10	10-12	12-14	14-16	16-18
БК-105
К-105
БК-125
К-125К
БК-155
К-160К	-	-	-		-	-

Теоретическая скорость бурения ударно-вращательных станков с погружными пневмоударниками

(59)

где А - работа единичного удара, Нм;

n_П - частота ударов пневмоударника в минуту;

К₃ - коэффициент трения бурового инструмента о породу;

s_ск - предел прочности породы при одноосном сжатии, Н/м²;

a - угол заострения лезвий буровой коронки, град.

Рациональный интервал смены долот типа К-100В (стойкость долота до заточки), определяемый из условия минимальных затрат на бурение 1 м скважины, рекомендуется следующий:

Коэффициент крепости	9-10	11-12	13-14	15-16 1	17-18	> 18
Стойкость долота, м						£ 3