Режимы бурения и производительность буровых станков

Режим бурения определяется величиной развиваемых на инструментеусилий или частотой ударов, частотой вращения рабочего инструмента и методом удаления буровой мелочи. Каждый вид бурения характеризуется определенными параметрами режима бурения.

У станков вращательного бурения шарошечными долотами основными факторами, определяющими рациональный режим бурения, являются: осевая нагрузка на долото Р_ос (Н), частота его вращения n (мин^-1) и расходом сжатого воздуха W_в, (м³/мин) влияющим на эффективность очистки забоя от буровой мелочи.

Осевая нагрузка на долото, её минимальное значение, определяется по формуле

Р_ос @(6…7)·10⁴·f·D,

где D - диаметр долота, м;

f – коэффициент крепости породы по шкале М.М. Протодьяконова;

Частота вращения долота принимается равной 80...150 мин^-1, иногда 300 мин^-1 и корректируется по технической характеристике бурового станка. Меньшие значения принимаются для крепких пород и больших диаметров долот, а большие значения частот вращения - для средней крепости пород и меньших значений диаметра.

Расход воздуха W_в, на продувку скважины от буровой мелочи зависит от объема выбуриваемой породы V_n, м³/мин., и удельного расхода e воздуха, потребного на 1 м³ буровой мелочи:

где V_б - механическая скорость бурения, м/мин;

D - диаметр скважины, м;

e - удельный расход воздуха, равный 80...150 м³/м³.

Подача компрессоров бурового станка принимается в 2-3 раза больше, чем расход воздуха W_в, рассчитанный по формуле, в связи с возможными большими утечками воздуха по трещинам при бурении трещиноватых пород.

Механическая скорость бурения шарошечным долотом V_б, м/мин, диаметром D, м, с осевым усилием Р_ос, Н, и частотой вращения п, мин^-1, определяется зависимостью

У станков вращательного бурения резцовыми долотами режим бурения характеризуется усилием подачи Р (Н) и частотой вращения бурового инструмента n (мин^-1), а также эффективностью удаления продуктов разрушения.

Усилие подачи определяется из неравенства

< P < ,

где F_з – проекция площадки затупления режущих кромок, мм²;

l_к – суммарная длина линии контакта инструмента с забоем, мм.

Частоту вращения бурового инструмента при бурении с продувкой рационально ограничить величиной 2.0...2.3 с^-1.

При шнековом удалении буровой мелочи минимальная частота вращения n₀ (мин^-1) определяется выражением

,

где β – угол подъема винтовой линии шнека, град;

m₁ и m₂ - соответственно коэффициенты трения породы о сталь и породы о породу; m₁=0,2…0,25; m₂=0,4…0,6;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

D_ш – диаметр шнека, м.

n₀ принимается равной не менее 150 мин^-1.

Потребная скорость вращения шнека n (мин^-1) из условия обеспечения транспортировки (выдачи) буровой мелочи

где К_p - коэффициент разрыхления породы;

V_б.max - максимальная механическая скорость бурения, м/мин;

k - коэффициент просыпания породы в зазор между шнеком и стенками скважины, k = 0,8...0,9;

y - коэффициент заполнения шнека, y = 0,2...0,4;

d_в - диаметр вала шнека, м;

S - шаг спирали (шнека), м

Из двух полученных значений n₀ и n в дальнейших расчетах принимается большее.

Механическая скорость бурения V_б, м/мин, определяется по зависимости

где D - диаметр коронки, м;

п - частота вращения коронки, мин^-1;

k - коэффициент учитывающий неполноту площадки контакта передней грани резца с породой, равный 0,5...0,7;

П_б - показатель трудности бурения породы

П_б = 0,07∙(σ_сж+ σ_сдв)+0,0007·γ,

где σ_сж – предел прочности породы на сжатие, МПа;

σ_сдв – предел прочности породы на сдвиг, МПа;

γ – плотность породы, кг/м³.

У станков ударно-вращательного бурения погружными пнемоударшками режим бурения характеризуется энергией А (кДж)единичного удара долота диаметром d (м) или ударной нагрузкой Р_у (кН), числом ударов пневмоударника Z в минуту и частотой вращения бурового става n₁, (с^-1 ), а также зависит от σ_м.б. (кПа), давления сжатого воздуха, полноты удаления продуктов разрушения из забоя, степени притупления угла заострения лезвии бурового долота и формы последнего.

Величина ударной нагрузки Р_у (кН) определяется по формуле:

где h – глубина погружения лезвия коронки в породу, м;

σ_м.б. – предел прочности породы при механическом способе её разрушения, МПа; σ_м.б.=0,5·(σ_сж.+σ_ск).

α – угол заострения лезвия коронки, град;

μ₁ – коэффициент трения коронки о породу (0,22…0,28);

K_з – коэффициент, учитывающий затупление лезвия коронки (1,2…1,3).

Число ударов пневмоударника Z принимается по технической характеристике пневмоударника.

Частота вращения бурового става n₁ определяется из выражения

n₁=Z/Z₀,

где Z₀ потребная частота ударов долота по забою за один его оборот.

,

θ – угол скола породы в сторону открытой плоскости, град; θ=(1,25…1,35)·α.

Механическая скорость бурения V_б, м/мин, ударно-вращательных станков с погружными пневмоударниками определяется по формуле

,

где m – число перьев коронки;

Современные буровые станки являются машинами циклического действия, что обусловлено технологией ведения горных работ и их конструктивным исполнением. В течение смены время Т_с расходуется как на бурение скважины, так и на выполнение многочисленных вспомогательных операций: установку станка на заданной отметке, наращивание бурового става по мере углубления скважины, разборку бурового става, замену изношенного инструмента, перемещение станка к отметке следующей скважины. Принятая технология в значительной степени определяет эксплуатационную (сменную) производительность, м/смену:

где Т_с - продолжительность смены, мин;

К_И - коэффициент использования станка во времени смены, К_И = 0,6¸0,8;

Т_п.з. - продолжительность подготовительно-заключительных операций, Т_п.з. = 30¸45мин;

t_б и t_в - удельные затраты времени на бурение и выполнение вспомогательных операций (на 1 м скважины) соответственно, мин/м.

В свою очередь величина t_б подсчитывается из выражения

где V_б - механическая скорость бурения, рассчитанная по одной из формул для конкретного типа бурового станка.

Величина t_в может быть подсчитана из выражения

где t₁ - удельные затраты времени на переезд от скважины к скважине с учётом установки (горизонтирования) и снятия станка с домкратов (t₁ = 0,4 1,5 мин/м);

t₂ - -"- на замену долота, мин/м;

t_з - -"- на подъём бурового става со скоростью маневровой подачи V_П.М. ,мин/м;

t₄ - -"- на перехват гидропатрона (для шпиндельной схемы подающего механизма t₄ = 0);

t₅ - -"- на сборку и разборку бурового става.

Таким образом, t_в можно представить выражением

где t_nep - время на переезд от скважины к скважине с учётом установки и снятия с домкратов, мин;

t_з.д. - время замены долота (t_з.д. = 2...3 для шарошечных станков и 3…4 для станков шнекового бурения), мин;

L_д - стойкость долота, м;

Н - глубина скважины, м;

L₀ - длина одной секции штанги, м;

t_k - время подвода и отвода кассеты, мин;

t_o.ш. - время отвинчивания штанги, мин;

t_о.в, t_п.в. - время соответственно, опускания и подъема вращателя или вертлюга, мин.

Для большинства современных буровых станков удельные затраты времени t_в на выполнение вспомогательных операций составляют 2 мин на 1 м пробуренной скважины.