Классификация буровых скважин по целевому назначению

Горные породы

 

Горные породы – природные минеральные образования, состоящие из однородных или разнородных породообразующих минералов, связанных между собою силами молекулярного взаимодействия, цементирующим веществом или несвязанных.

По происхождению все горные породы подразделяются на три основные группы:

· изверженные или магматические (глубинные и излившиеся);

· осадочные (механические, химические, органические осадки);

· метаморфические, образовавшиеся в результате изменения магматических или осадочных пород под действием больших давлений и температур.

Изверженные или магматические породы образовались из расплавленной магмы. При застывании магмы на глубине образовываются интрузивные горные породы, а при застывании на поверхности – эффузивные породы. Наиболее важным минералом в магматических породах является окись кремния (кремнезема) – SiO₂ и окись алюминия (глинозем) Al₂O₃. Содержание кремнезема определяет состав горных пород (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1. Содержание кремнезёма в горных породах

 

Группа горных пород	Содержание кремнезема, %	Характерные представители пород
Ультраосновные	Менее 45	Дуниты, пироксиниты, пиродониты, оливины, кимберлиты.
Основные	45 - 52	Габбро, диабазы, базальты и др.
Средние	52 - 65	Сиениты, андезиты, диориты, плагиоклазы и др.
Кислые	Более 65	Граниты, кварцевые порфиры, гранодиориты, пегматиты, риолиты и др.

 

Большое значение имеет генезис горных пород. Например, диориты – глубинные образования, состоящие из плагиоклаза и примесей амфибола, биотита, или пироксена. Андезиты и порфиры являются их излившимися аналогами. Сиениты относятся к глубинным горным породам, а их излившиеся аналоги образуют трахиты и кератофиты.

Кислые породы относятся к глубинным породам (граниты, гранодиориты и др.), а также их излившиеся аналоги: липариты, кварцевые породы, дациты и пегматиты. В этих породах преобладает значительное содержание кремнезема, в незначительном количестве в них присутствует биотит, амфибол и пироксен. В гранодоритах содержание кварца снижается.

Осадочные горные породы образовались в результате переотложения на дне морей, рек или на поверхности Земли продуктов разрушения коренных горных пород.

Обломочные породы – продукт механического разрушения материнских пород.

Глинистые породы состоят из мягких минеральных частиц менее 0,01 мм. Образование этих пород связано с химическим расщеплением магматических горных пород. Главными составными частями этих пород являются кремнезем и глинозем, а наиболее распространенными минералами – гидрослюды, каолинит и монтморилонит.

Сильно уплотненными глинистыми породами являются аргиллиты.

Химические и биохимические горные породы образовались в результате сложных химических и биохимических реакций. К этим породам относятся: алюминиевые – бокситы; фосфатные – фосфориты; кремнистые – железистые; карбонатные – известняки, мергелит, доломиты; голлоидные – галиты; сульфатные – гипс, ангидрит; каустобиолиты – торф, каменные угли, нефть, горючие сланцы, озокерит, газы.

Метаморфические горные породы образовались в результате воздействия огромное давления и высокой температуры на исходную горную породу, а также в результате привноса в исходную породу высокомагматических газов и водных растворов.

Метаморфические горные породы отличаются от исходных магматических и осадочных пород текстурно-структурными свойствами, минералогическим составом, прочностными свойствами и т.д.

Высокая температура обуславливает перекристаллизацию исходной породы, а высокое давление – сланцеватость. В метаморфических породах присутствуют дополнительно специфические минералы: хлориты, тальк, гранит, серицит и др.

Назовем наиболее распространенные метаморфические горные породы:

- глинистые сланцы, образовались при уплотнении глин;

- хлоритовые сланцы, образовались вследствие метаморфизма основных и ультраосновных пород;

- мраморы – продукты метаморфизма известняков;

- зеленые сланцы – продукт метаморфизма основных и ультраосновных пород;

- измененные пески и песчаники называются кварцитами;

- амфиболиты, образуются при метаморфизме средних и основных магматических пород;

- гнейсы – сильно метаморфизованные осадочные породы (парагнейсы) или магматические породы (ортогнейсы);

- роговики – продукт изменения песчано-глинистых пород;

- скарны, возникают при взаимодействии силикатных и карбонатных пород с магматическими растворами.

Все горные породы по степени связности подразделяются на следующие четыре группы:

- скальные;

- связные;

- рыхлые (сыпучие);

- текучие.

Скальные породы обычно характеризуются высокой твердостью. После разрушения молекулярных сил сцепления между минеральными частицами порода разрушается и в дальнейшем не восстанавливается.

Скальные породы могут содержать кварц и поэтому характеризуются большей твердостью и абразивностью. Скальные породы могут быть монолитными и трещиноватыми. Стенки скважин, пройденных в монолитных скальных породах, устойчивы, в то время как в сильно трещиноватых породах требуют закрепления.

Связные породы (глины, суглинки, мел, бокситы) состоят из глинистых минералов или частиц обломочных пород, связанных преимущественно глинистыми минералами.

Связные породы (глины, суглинки, мел, бокситы) состоят из глинистых минералов или частиц обломочных пород, связанных преимущественно глинистыми минералами.

Рыхлые (сыпучие) породы состоят из несвязанных между собой частиц различного размера и формы (пески, гравий, галька, валуны, щебень). Стенки скважин, пройденных в таких породах, неустойчивы и требуют закрепления.

Плывучие породы (плывуны) состоят из водо-насыщенных песчано-глинистых пород (песок, супеси). Отличительной особенностью данных пород является их способность расплываться; под влиянием горного давления они способны подниматься по стволу скважины.

Горные породы могут находиться в сезонно-мерзлом и многолетнемерзлом состоянии. В восточных и северных районах России мощности мерзлых пород измеряются сотнями метров, а температура достигает – 7 - 12˚С. Обломочные водо-насыщенные рыхлые и слабоцементированные горные породы при замерзании и оттаивании резко изменяют свои свойства: при замерзании цементируются льдом и отличаются относительно высокой прочностью (σ_сж<2,5 МПА) и непроницаемостью. При оттаивании порода переходит в состояние увлажнения. Прочность песчано-глинистых мерзлых пород выше, чем не мерзлых.

Структура горных пород – внутреннее строение породы, определяемое группой признаков:

формой и размером зерен;

взаимным соотношением породообразующих минералов и цемента осадочных пород.

Главнейшими структурами являются: полнокристаллическая или зернистая (гранит), порфировая или неравномерно зернистая (порфирит), стекловатая, обломочная (песчаник).

Зернистость является одним из важнейших признаков структуры пород и определяется размером зерен. Магматические породы подразделяются на грубозернистые с размером зерен более 10 мм, среднезернистые от 2 до 5 мм, мелкозернистые от 0,25 до 2 мм, микрозернистые с размером зерен менее 0,25 мм.

При одном и том же минералогическом составе мелкозернистые породы более прочны, чем крупнозернистые.

Текстура (сплетение лат.) - характеризуется пространственным расположением составных частей породы и их ориентировкой.

Главнейшими текстурами являются:

- массивная, характерная для магматических пород, когда минералы расположены в породе хаотично;

- слоистая, характерная для осадочных пород;

- сланцевая, характерная для метаморфических пород.

Различают первичную сланцеватость, когда поверхность минералов совпадает с направлением основной слоистости. Вторичная сланцеватость с боковым давлением горных пород, вследствие чего порода растрескивается на пластины, не совпадающие с направлением первичной сланцеватости.

 

Рис. 2.22. Расчетная схема разрушения породы единичным алмазом.

 

1 – алмаз

2 – матрица

3 – разрушенная порода

h₃ – зазор между матрицей и забоем

h_в – выпуск алмаза из матрицы

h_p – глубина разрушенной породы

h_P1 – фактическая глубина внедрения алмаза в породу

 

           

           Для алмазов, отличающихся от шара, формула (2.96) принимает вид:

                                                     h_P = h_P1 · k_P · k_ф                                         (2.97)

где k_ф – коэффициент, учитывающий форму алмаза; для октаэдра k_ф = 1,5, для дробленных алмазов k_ф = 1,3.

       Повышение осевой нагрузки на алмаз вызывает увеличение глубины и ширины лунки разрушенной породы, причем эта зависимость близка к параболической.

       При движении алмаза по породе образуется лунка, ширина которой всегда превышает величину внедряемой части алмаза в породу. Ширина лунки разрушения в 1,2 – 1,8 раза превышает ширину внедряемой части алмаза, а глубина увеличивается в 1,3 – 5 раз.

       В твердых, крепких и хрупких горных породах процесс разрушения происходит в режиме смятия и раздавливания, в вязких и пластичных горных породах разрушение происходит с элементами микрорезания.

       В упруго-хрупких породах разрушение происходит в пульсирующем режиме из-за опережающих деформаций от возникающих в ней напряжений. В момент скалывания породы давление в точке соприкосновения с алмазом снижается, а затем снова повышается до величины, необходимой для разрушения.

       В пластичных породах алмаз передней гранью непрерывно соприкасается с породой. Размеры лунки при этом приближаются к размерам внедренной в породу части алмаза.

       Следует отметить, что в реальных условиях алмаз с горной породой имеет контакт лишь в так называемых «пятнах», размер которых колеблется от нескольких микрон до 30 – 40 Мкм.

       Буровой шлам распределяется по обеим сторонам лунки, а на ее дне он спрессован в плотную массу (рис. 2.23).

                                                                                                     1

 

                                           U_O                                                                               2

 

                                                                                                                                                5

           4

                               

 

 

                        R_Т                                                                                                         Т

 

 

                             3                                      P                                                6

 

Рис.2.23. Схема разрушения горной породы единичным алмазом.

 

1 – алмаз

2 – матрица

3 – горная порода

4 – буровой шлам

5 – смятая порода

6 – горная порода, ослабленная трещинами.

 

       Единичный алмаз можно рассматривать как пуасон (резец), находящийся под воздействием осевой нагрузки Р и движущийся с окружной скоростью V_о.

       Перед передней гранью в породе возникают сжимающие напряжения, а на противоположной стороне – напряжения растяжения.

        Горная порода разрушается под воздействием осевого усилия Р и тангенциального усилия R_Т. Крутящий момент на алмазе расходуется на преодоление сил сопротивления породы на разрушение R_П и сил трения (рис. 2.23):

                                    R_T = R_П + Р * f = R_П + Т                                            (2.98)

где R_T – усилие, расходуемое на разрушение породы и трение

  R_П – сопротивление породы на разрушение

  f – коэффициент трения алмаза о породу.

 

       Объемное разрушение пород по теории Крагельского-Друянова является синонимом внутреннего трения. Внешнее трение характеризует заполирование алмаза. Переход от внешнего трения к микрорезанию имеет место при условии: 

                                                                                                 (2.99)

  r – радиус индентора (алмаза)

  τ - сдвиговая прочность породы

  σ_т – предел текучести горной породы.

  h_р1 – глубина внедрения алмаза.

 

       Процесс заполирования алмазной коронки характеризуется усталостным режимом разрушения породы (упругое оттеснение тонких пленок породы, шлифование, поверхностное истирание). Число циклов К, приводящих к разрушению породы, К→ ∞, h → 0 и .

       Нормальный процесс бурения протекает при усталостном, абразивном и эрозионном характере износа породы, называемом микрорезанием.

При этом режиме К → 1 и  _.

Повышенный износ алмазной коронки имеет место при    и

       Для различных горных пород отношение   колеблется от 0,49 до 0,57.

       Помимо теории Крагельского-Друянова процесс разрушения горных пород при алмазном бурении рассматривается также в целом ряде работ на основании положений теории упругости.

       В последнее время сделаны попытки описания этого процесса с позиции величины энтропии, как меры незавершенности всех протекающих в природе процессов.

       До 70-75% величины крутящего момента на буровой коронке приходится на преодоление силы трения о забой. Поэтому рекомендуется применять овализованные и полированные алмазы, у которых коэффициент трения о породу ниже. Использование таких алмазов способствует повышению механических скоростей бурения и снижает интенсивность износа алмазов.

       Алмазам свойственны недостаточно высокие допустимые напряжения на изгиб и скалывание. Поэтому при бурении в трещиноватых породах и большой величине выпуска алмаза из матрицы наблюдаются сколы алмаза, и, как следствие этого, преждевременное снятие коронки и прекращение рейса. В практике величина h_В колеблется от 5 до 20(25)% от диаметра алмаза. В сильно трещиноватых породах используются породоразрушающие инструменты, с минимальным выпуском алмазов, а также коронки армированные мелкими фракциями алмазов (300 шт. на карат и менее) – импрегнированные алмазные коронки.

       Свойства алмаза весьма чувствительны к температуре среды, в которой он работает. При температуре выше 900-1000˚С алмаз переходит в графит и не может дальше использоваться в качестве породоразрушающего инструмента. Рабочим режимом в алмазном бурении является температура до 150-200˚ С. Дальнейшее повышение температуры отрицательно сказывается на прочностных характеристиках алмаза. Например при температуре 500˚ С, его прочностные характеристики снижаются примерно вдвое (рис.2.24).

Нормальный процесс бурения ограничен с одной стороны углубками, определяющими переход от процесса внешнего трения к процессу микрорезания, с другой – углубками, соответствующими процессу микрорезания и обеспечивающими нормируемое олаждение и износ алмазного вооружения.

 

 

             δ

 

 

                                                                                                                             t ^OC

                                        250                    500                    750                

     

Рис.2.24. Зависимость прочности алмаза от температуры его нагрева.

 

       Чем большую работу выполняет алмаз и чем он хуже охлаждается, тем выше его температура. Поэтому алмаз требует интенсивного охлаждения, - эту роль выполняет промывочная жидкость. Конструкция породоразрушающего инструмента должна обеспечивать беспрепятственный ее проход к алмазам. Если в зазоре между забоем и матрицей образуются шламовые пробки, то это препятствует охлаждению алмаза и нередко является причиной «прижега» алмазной коронки и ее выхода из строя.

       Между глубиной погружения алмаза в породу h_P1  и зазором h₃ существует некоторое соотношение ε:

                                    ,                                       (2.100)

где ε – доминантный критерий оптимизации.

К_P – величина, характеризующая рост объема разрушенной породы за счет скалывания и т.п; К_Р = 1÷10.

       Режим бурения протекает в оптимальном режиме при ε ≈ 5 – 10.

Экспериментально установлено, что глубина погружения единичного алмаза составляет от 0,1 до 30 мкм.

Размер бурового шлама в монолитных породах составляет обычно от 100 до 600 Мкм, однако в трещиноватых и хрупких горных породах скалываются кусочки породы до 0,8 – 1,2 мм.

       В горных породах, содержащих железо, возникают ситуации, когда поверхность алмаза заполировывается, а это снижает скорость и глубину погружения алмаза бурения практически до нуля. В таких случаях идеальная очистка забоя от шлама не способствует нормальному процессу бурения – следует использовать такую подачу промывочной жидкости, чтобы на забое оставалось незначительное количество бурового шлама. Такой режим промывки для различных конструкций коронок и различных пород подбирается опытным путем.

       В практике часто используют так называемый метод «сухой» заточки коронки, когда подачу бурового раствора приостанавливают на 10-12 с, в результате образующийся шлам срывает заполированную пленку с алмаза, т.е. обеспечивает возвращение его в нормальное работоспособное состояние.

       Эффективность алмазного бурения существенным образом определяется расположением алмазных зерен в инструменте. Если расположить алмазные зерна в торце алмазной коронки как показано на рис. 2.25, то каждое из них будет срезать с забоя некоторую стружку горной породы.

 

 

                                                                               L

                                 1     2    3     4     5    6    7     8                        9 10     

 

             h_P1           h_P2            h_P3                                                                   h_P9

 

Рис.2.25. Расположение алмазных зёрен в инструменте.

 

Наибольшую нагрузку несут так называемые лидирующие зерна алмазов: 1 и 6, именно они подвержены поэтому наибольшему износу. Аналогичная картина возникает, если алмазные зерна имеют различную величину выпуска из матрицы.

       Алмазные зерна должны быть по возможности равномерно нагружены (h_pi ≈ const). Это условие может быть получено из соотношения . Откуда                                                                                             (2.101),

 

где V₀ – окружная скорость.

  V_M – механическая скорость бурения

   – расстояние между алмазами в ряду резания.

           

       Данная формула позволяет рассчитать расстояние между алмазами  в ряду резания в зависимости от принятого значения h_P1  и значений V₀. Из формулы (2.101) следует, что расстояние  при использовании высоких окружных скоростей инструмента может быть уменьшено. Таким образом, значение параметра  позволяет определить оптимальные значения насыщенности алмазов в матрице. Следует также заметить, что высокие механические скорости бурения достигаются только при высоких значениях концентрации алмазов в коронке.

       Увеличить глубину внедрения алмаза в породу можно лишь до определенного предела. В зависимости от качества алмазное зерно начинает раскалываться при усилии 10-15 даН. Поэтому повысить механическую скорость алмазного бурения можно, если использовать высокие частоты вращения коронки (V₀ ≈ 3,5 – 5,0 м/с):

                                              V_МЕХ = h_ОБ ·n                                                    (2.102),

где h_ОБ – углубка инструмента за один оборот,

n – окружная скорость.

Абстрагируясь можно считать, что

                                                 h_ОБ = h_{pi *} i                                                    (2.103),

где i – число алмазов в линии резания,

h_pi – фактическая глубина внедрения i-го алмаза (см. рис. 2.25), тогда V_МЕХ = h_pi · i n

Для расчета механической скорости бурения удобно пользоваться номограммой […], в основу которой положены оптимальные значения углубки за оборот, определенные для различных геолого-технических условий.

В течении рейса величина углубки на оборот h_ОБ поддерживается на определенном оптимальном уровне (чаще всего h_ОБ = const) при соотвествующей осевой нагрузке. Использование однослойного инструмента характеризуется износом зерен алмазов и увеличением их контактной поверхности с забоем. В этих случаях рекомендуется увеличивать осевую нагрузку на коронку, чтобы выполнялось условие h_P1 → const. Увеличение осевой нагрузки на алмаз выше допустимой приводит к тому, что он растрескивается и быстро выходит из строя. Отколотые куски разрушают другие, целые алмазы и инструмент быстро выходит из строя. Переход в критический режим происходит скачкообразно, при этом вырастает не только скорость бурения и износа, но и мощность, затрачивается на забойные процессы (рис.2.26). Такой режим получил название критического.

                    Uм

 

 

                                   1                         2                           3              

 

 

                                                                                                                           P

Рис.2.26. Зависимость механической скорости от осевой нагрузки на алмаз.

 

1 – рабочий режим бурения

2 – переходный режим бурения

3 – критический режим бурения.

 

       Установлено, что буровой шлам эвакуируется с забоя через промывочные окна (каналы).

       Буровой шлам в процессе вращения коронки увлекается в направлении движения последней с меньшей скоростью, чем скорость движения сектора. В результате под торцом всегда присутствует некоторое количество шлама. При совмещении промывочного окна со шламом происходит его эвакуация с забоя. Степень полноты эвакуации шлама зависит от интенсивности подачи промывочной жидкости и конструкции промывочных каналов.

       При определенных условиях (недостаточная подача промывочной жидкости, большая длина сектора, не эффективная конструкция промывочного канала), под сбегающей частью сектора скапливается шлам и полностью перекрывает зазор между матрицей и забоем. Возникают условия, при которых алмазы плохо охлаждаются и возникают процесс их графитизации (прижега). Экспериментально было установлено, что в таких случаях, чтобы эвакуировать шлем с забоя, коронка периодически (до 3-4 раз за оборот) перемещается вверх, способствуя тем самым эвакуации шлама с забоя. Очевидно, что такой режим алмазного бурения нельзя признать оптимальным.

       Существенно улучшаются условия эвакуации шлама, если используются буровые коронки с уменьшенной длиной сектора, когда в ряду резания одного сектора устанавливается до 3 – 4 зёрен алмазов.

       Если рассмотреть торец породоразрушающего инструмента, то хорошо видно, что число алмазов в рядах резания пропорционально увеличивается от центра к краю. Поэтому нагрузка на единичный алмаз по мере его удаления от центра уменьшается. В результате возникают условия, когда алмазы оказываются нагружены крайне неравномерно: на периферийных участках углубки оказываются ниже, чем это следует из условий теории Крагельского-Друянова, что обуславливает работу таких алмазов в режиме внутреннего трения, а это в свою очередь приводит к заполированию алмазов. Одним из путей решения этой проблемы является использование тонкостенных буровых коронок.

       Исследования, проведенные на кафедре разведочного бурения МГГРУ, позволили установить, что при высокооборотном режиме алмазная буровая коронка вращается крайне неравномерно. В течение одного оборота коронка в двух-трех моментах вообще не вращается, а ее ось вращения отклоняется от оси скважины, - в результате одновременно в работе находится лишь 30-50% от всех торцевых алмазов.

       Нестационарные виды движения буровой коронки обуславливают динамический режим работы алмазов, что крайне негативно сказывается на их износостойкости. Чтобы снижать это негативное явление в практике используют различные центрирующие компоновки бурового снаряда и антифрикционные промывочные жидкости.

       Расчет мощности на разрушение забоя алмазной коронкой определяют по формуле:

                          N_р.з. = (F_P + F_T) , кВт                                             (2.105),

где F_Р – сила, необходимая для разрушения породы, Н;

  F_т – сила трения, Н;

  R_СР – средний радиус коронки, м;

  R_СР =  ;

 

  n – число оборотов коронки.

Для практических расчетов затрат мощности при алмазном бурении применяется формула

N_р.з.=2·10^-4·Р·n·Д_ср, кВт                         (2.106)

Энергоёмкость разрушения горных пород при алмазном бурении А_у может быть определенна по формуле:

                                                                                                  (2.107),

где: Р – осевая нагрузка на рабочий орган, Н.

   n – частота вращения, с^-1.

   - средний диаметр коронки, м.

   V_м – механическая скорость бурения, м/с.

    К – опытный коэффициент, зависит от конструктивных параметров                              

    породоразрушающего инструмента и свойств породы.

На контакте взаимодействия породоразрушающего инструмента с породой возникает акустическое поле (явление акустической эмиссии) и волновое воздействие на породу.

Согласно волновой теории разрушение горных пород при бурении осуществляется за счёт поглашения энергии упругой волны, генерируемой при динамическом взаимодействии резцов инструмента (алмазов) с породой. Размеры отделяемых от забоя частиц определяется характером разрушения (хрупкое, хрупко-пластичное и пластичное) и спектральным составом упругой волны, который в свою очередь зависит от конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента и режимов бурения. Энергия волны поглощается тем интенсивнее, чем выше частотный спектр волны.

Механизм разрушения породы при использовании коронок, оснащенных крупными алмазами (однослойные коронки), состоит в том, что в породу излучается относительно низкочастотная упругая волна с большой амплитудой, которая обладает достаточной энергией и распространяется на значительные расстояния. Развитие трещин обусловлено прочностью связей между зёрнами кристаллов, которые значительно менее прочные, чем внутри кристаллов. В результате от забоя отделяются крупные частицы породы.

При бурении коронками, оснащенных мелкими алмазами (импригнированные коронки) генерируется относительно высокочастотная волна с малой амплитудой. Энергия высокочастотной волны поглощается в тонком приповерхностном слое и сопровождается в основном развитием микротрещин внутри кристаллов. При этом от массива отделяются мелкие частицы породы.

 

2.7. Разрушение горных пород при бурении шарошечными долотами.

Бурение шарошечными долотами имеет широкую область применения. Главную долю бурения шарошечными долотами составляют разведочные и эксплуатационные скважины на нефть, газ и воду в породах любой твердости. При бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые шарошечные долота применяются, как правило, на верхних интервалах геологического разреза, по которому по ранее пробуренным с отбором керна скважинам накоплена исчерпывающая информация. Шарошечные долота в больших объемах используются при бурении взрывных скважин как в карьерах, так и при подземной разработке месторождений. Кроме того, шарошечные долота применяются для бурения поисковых, опорных, инженерно-геологических, гидрогеологических, геотехнологических, гидротехнических, строительных, вентиляционных и др. Наибольшее распространение получили долота, которые применяют при бурении пород различной твердости от мягких до самых крепких, это долота дробяще-скалывающего действия.

       Рассмотрим характер разрушения породы забоя шарошечными долотами. При перекатывании шарошки по забою ее зубья внедряются в горную породу, которая разрушается в режиме смятия и дробления. В мягких и средних по твердости породах осуществляется так называемый режим проскальзывания зубьев, при котором происходит скалывание (срезание) стружки породы.       Конструктивно шарошки располагают в долоте по двум схемам:

       1. с пересечением осей шарошек с осью долота в одной точке, (рис. 2.27, а)

       2. со смещением осей шарошек по направлению вращения долота параллельно положению при котором их оси пересекаются в одной точке. Такое смещение на величину l называют положительным, (рис. 2.27, б)

Рис. 2.27. Схемы расположения шарошек в долоте.

а - с пересечением осей шарошек с осью долота;

б - со смещением осей шарошек по направлению вращения долота (положительное смещение) на величину l.

       По первой схеме сконструированы долота типов СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К и ОК, а по второй схеме – долота типов М, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ

Рис. 2.28. Кинематические схемы работы шарошек.

а - одноконусные с пересечением оси и образующих конуса с осью долота;

б - одноконусные с пересечением оси с осью долота, а образующих – за осью долота.

 

       Проанализируем, при каких условиях шарошечные долота разрушают породу только дроблением, и при каких – дроблением и скалыванием.

       Допустим, что шарошки имеют форму гладкого конуса, ось и образующие которого пересекаются с осью долота в одной точке 0, рис. 2.28, а. Отложим от точки О вектор угловой скорости шарошки ω_ш вокруг оси ОБ и вектор угловой скорости долота ω_g вокруг оси ОА. Геометрическая сумма этих векторов представляет собой вектор абсолютной угловой скости шарошки ω_ша  вокруг перемещающейся мгновенной оси МN. Эта ось в данном случае совпадает с образующей шарошки, по которой она соприкасается с плоскостью забоя.

       Таким образом, конические поверхности движущихся шарошек, имеющих вершины в неподвижной точке О, представляют собой геометрическое место мгновенных осей и поэтому шарошки у такого долота катятся по забою без скольжения (см. рис. 28, а).

       В случае, если шарошка имеет форму гладкого конуса, ось которого пересекается с осью долота в точке О. а образующие пересекаются за осью (или до оси) долота, мгновенная ось МN (рис. 2.28, б) проходит через точки О и О₁. Точка О₁ лежит на образующей конуса шарошки и в момент ее контакта с забоем неподвижна, а все другие точки, расположенные на образующей шарошки, описывают дуги окружностей, радиусы которых равны расстоянию этих точек до мгновенной оси. В результате все точки, расположенные слева и справа от точки О₁, проскальзывают по забою. След, остающийся при этом на забое, показан на рис. 2.28, б.

       Условия работы многоконусных шарошек аналогичны описанным применительно к схеме на рис.2.28, б.

       У долот со смещенными осями шарошек (см. рис. 2.27, б) скольжение шарошек по забою значительно увеличивается и поэтому усиливается эффект скалывания породы. Чем крепче горная порода тем меньше должно проскальзывать долото, - разрушение забоя осуществляется в основном за счет дробления. Эффект скольжения решается за счет выполнения шарошек многоконусными, выносом их вершин за ось долота и смещением осей шарошек в плане на некоторую величину в направлении вращения долота. Чем больше величина смещения осей шарошек, тем больше проскальзывает долото, осуществляя скалывание породы.

       Интенсивность проскальзывания породоразрушающих элементов шарошек по забою оценивается коэффициентом скольжения, получаемым в результате деления суммы площадей, описываемых за один оборот долота проскальзывающими породоразрушающими элементами шарошек, на площадь забоя скважины.

       Следовательно, у долот, соответствующих рис. 2.28, а, коэффициент скольжения равен нулю. Во всех других случаях коэффициент скольжения колеблется от 0,01 до 0,15.

       Таким образом, шарошечные долота, характеризующиеся коэффициентом скольжения, равным нулю, только дробят породу, а долота с проскальзывающими шарошками дробят и скалывают ее.

       Рассмотрим кинематику шарошечного долота. Шарошки вращаются вокруг своей оси и вокруг оси долота. Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно касаются забоя то одним, то двумя зубьями. То есть шарошка при своем качении по забою то поднимается, то опускается, производя при этом удары по забою. В результате зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динамическое воздействие. На рис 3 показана схема работы шарошечного долота. Определим работу одного удара А, наносимого зубом шарошки по забою, определяемого произведением силы на путь:

                                          Α = h P_y                      (2.108),

      где h – путь совершаемый зубом при ударе по забою (высота падения зуба)

                P_у - удельная нагрузка на зуб.

Рис.2.29. Схема работы шарошечного долота.

R – радиус шарошки.

Из рис. 2.29 следует: h = 2 R (2.109),

    где    - число зубьев шарошки, 

              R - радиус шар