Влияние кинематики долота

Штампа и зуба

Механические свойства горных пород при вдавливании

Порода	Пуан-сон	Со про- тив- ляе- мость вдав- лива- нию кг/мм²	Пре- дел теку- чести кг/мм²	Коэф- фици- ент плас- тич- ности	Удель ная кон- такт- ная рабо- та кг×м/ см²	Удель ная объемная рабо- та кг×м/ см²	Пло- щадь лунки Пло- щадь кон- такта	Объ- ем лунки Пло- щадь кон- такта
Мрамор кристаллический	штамп зуб			3,7 2,4	1,1 1,2	2,8 6,0	9,3 6,0	4,1 1,9
Порфирит альбитизированный	штамп зуб			2,0 1,7	1,8 6,4	2,6 11,4	10,6 7,3	6,7 2,5
Известняк кристаллический	щтамп зуб			2,2 2,0	1,1 1,9	1,7 2,0	18,6 15,8	7,3 9,4
Известняк тонкокристаллич.	штамп зуб			1,6 2,3	1,5 2,5	2,4 1,0	15,1 22,3	6,0 13,7
Известняк тонкокристаллич.	штамп зуб			2,0 3,0	1,2 2,3	1,1 1,1	26,4 23,7	11,0 22,4

Остальные показатели: коэффициент пластичности К, удельная объемная работа А₀, отношение площади F_л и объема V лунки к площади контакта F_к изменяются как в сторону увеличения, так и уменьшения. Это возможно связано со структурными и текстурными особенностями пород, в зависимости от которых изменяется напряженное состояние в зоне предразрушения.

Отсюда следует, что без учета формы Пуансона и характеристики породы нельзя переносить значения показателей механических свойств пород при вдавливании штампа применительно к вдавливанию зубца долота.

Практика бурения и данные стендовых исследований показали, что форма разрушающего инструмента оказывает большое влияние на буримость горных пород.

При применении долот с разной формой зубцов и одинаковых контактных давлениях сопротивляемость разрушению одних и тех же пород различна. В очень твердых хрупких породах лучшие показатели бурения достигаются штыревыми долотами, а в мягких и средней твердости породах - долотами с клиновидной формой зубца. Необходимо отметить также, что с ростом угла заострения зубцов до 90 % резко уменьшается их износ и увеличивается объем выбуренной породы.

При перемещении по забою разрушающего инструмента, в зависимости от его конструкции и числа рабочих элементов, одновременно взаимодействующих с породой, сопротивляемость последней разрушению изменяется в той или иной степени.

По данным В. С. Федорова и И. С. Финогенова, предельное расстояние между поражениями, когда не сказывается их друг на друга, описывается уравнением:

где S - площадь контакта штампа (величина притупления зуба в квадрате) в мм².

При величине расстояния между поражениями меньше на 1 мм, твердость Р_ш породы уменьшается на 10 ¸ 12 %. Если расстояние меньше на 2 мм, то Р_ш уменьшается на 30 ¸ 34 %.

В результате экспериментов установлено, что изменением шага зубцов одной шарошки можно в 1,4 ¸ 1,7 раза увеличить эффективность работы долота.

Для определения шага зубцов долота проф. В. С. Федоровым предложено следующее соотношение:

где G - осевая нагрузка на долото;

а_z - половина угла приострения зубцов;

j - угол трения материала зубцов о породу;

h - коэффициент перекрытия долота;

D -диаметр долота;

s - критическое напряжение породы.

У некоторых долот применяется шахматное расположение зубцов. Такое расположение зубцов на шарошках приводит к дроблению шага, увеличению поражаемости забоя и в определенной мере предотвращает попадание зубцов след в след, тем самым способствуя повышению эффективности разрушения горных пород.

Однако, в этом случае наблюдается увеличение угла встречи зуба с забоем, что в ряде случаев может значительно понизить эффективность разрушения горных пород. У серийных долот угол b изменяется от 60⁰ до 85⁰, а из-за дробления шага - от 75⁰ до 85⁰.

С увеличением шага размещения зубцов на венцах шарошек (с уменьшением угла b) увеличивается время контакта их с породой, что позволяет полнее использовать энергию, затраченную на разрушение. Большой шаг расположения зубцов увеличивает так же динамический эффект ударов по забою, что приводит к более полному и интенсивному воздействию зубца на породу.

Для некоторых типов долот поворот зубцов под определенным углом относительно образующей конуса шарошек увеличивает производительность долота на 15-60% за счет более благоприятного распространения перекрывающихся трещин и уменьшения воротников. При повороте зубцов перпендикулярно к направлению его движения увеличивается эффект фрезерования (у долот со смещением осей шарошек, что способствует проскальзыванию шарошек по забою). В первую очередь это относится к долотам типа М, МС, С, Используемых при бурении мягких пород, мягких пород с пропластками пород средней твердости и пород средней твердости.

Оптимальное расположение режущих кромок зубьев, перпендикулярно направленных проскальзыванию, можно определить по формуле (предложенной кафедрой бурения СамГТУ):

где j - угол разворота режущей кромки зубьев относительно образующей шарошки;

К - осевое смещение шарошки;

h - расстояние по оси шарошки от венца (точка М) до вершины конуса шарошки (точка 0);

b_ф - фактическая конусность венца;

q - угол наклона оси шарошки;

b - угол, образованный прямой, проходящей через точки 0 и М, с осью 00₁, координатный угол в системе координат (на рис.12 шарошки показаны все вершины, входящие в формулу по определению tgj).

Такое расположение зубцов позволяет повысить эффект фрезирования и общую работоспособность долота. (Отчет КПтИ за 1971 г.)

Рис.12