Анализ зависимости скорости углубки от давления при дробовом бурении

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 81 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1955 г.

.АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ УГАУБКМ ОТ ДАВЛЕНИЯ

ЯРИ ДРОБОВОМ БУРЕНИИ

И. С. МИТЮШКИН и в. И. МОЛЧАНОВ

Летом 1952 года в условиях производства кафедрой разведочного дела были проведены эксперименты, направленные на исследование режимов дробового бурения. Данные экспериментов, проверенные дополнительными опытами на учебной буровой вышке, позволяют сделать некоторые выводы об оптимальном режиме бурения.

Под оптимальным режимом бурения подразумевается сочетание параметров, обеспечивающих максимальную скорость углубки при данных геологических и технических условиях.

Главнейшими параметрами режима являются:

а) число оборотов снаряда (коронки), п об/мин,

б) давление на коронку С кг,

в) промывка скважины IV л/мин,

г) способ питания и дозировки дроби <7 кг.

Настоящая статья посвящена исследованию вопроса о влиянии давления на скорость углубки. Характер этой зависимости может быть представлен некоторой кривой с отчетливо выраженным максимумом скорости углубки при некотором оптимальном давлении на коронку.

Падение скорости углубки при давлении свыше оптимального различными исследователями объясняется по-разному.

Существует три точки зрения.

1. Максимум на кривой соответствует пределу прочности дроби.

„Критическое давление для стандартной чугунной дроби составляет примерно 30 кг!см.-" и далее. „Критическое давление зависит не только от дроби, но также от материала коронки и свойств горной породы, хотя влияние последних в исследованных интервалах невелико" (И. А. Остроушко „Разрушение горных пород при бурении", стр. 235, 237).

2. Снижение скорости углубки при давлении свыше оптимального объясняется слишком быстрым раздавливанием дроби. На этой точке зрения стоят С. А. Волков и И. А. Остроушко. Они считают, что чугунная дробь при больших давлениях настолько быстро перемалывается, что не успевает совершить полезную работу разрушения породы. „Твердая и хрупкая стальная дробь быстро размалывается и поэтому не может работать при высоких нагрузках. Вообще с увеличением хрупкости стальная дробь по своим свойствам приближается к чугунной" (И. А. Остроушко, стр. 238).

Из рассмотрения этих двух точек зрения следует, что предельное давление на забой лимитируется дробью: оно должно быть таким, чтобы дробь под торцом коронки не раздавливалась, а оставалась круглой и для обеспечения максимальной углубки необходимо иметь прочную дробь (в частности стальную).

3. Низкая скорость углубки при высоком давлении на коронку объясняется выдавливанием дроби из-под торца коронки. По мнению сторонников этой точки зрения, дробь при больших давлениях не может находиться под торцом

коронки, а выдавливается в сторону. Между коронкой и породой не остается работающих частиц, и коронка непосредственно опирается, на породу. # При недостаточном количестве дроби нормальный процесс бурения нарушался из-за того, что дробь выходила из-под коронки" (И. А. Остроушко, стр. 237).

Излагаемая в данной статье точка зрения совершенно отличается от перечисленных выше.

Объяснение максимума на кривой в координатах „скорость углубки 1]—давление С" начнем с критического рассмотрения фактического материала.

Приведенные ниже графики (фиг. 1 и 2) получены на экспериментальной вышке бурового полигона кафедры разведочного дела ТПИ. Целью исследования было определение зависимости расхода дроби и скорости углубки от давления на коронку.

Результаты этих опытов приведены в виде таблицы наблюдений и гра-. •фиков (таблица 1, фиг. 1 и 2).

Прежде всего следует четко разграничить некоторые понятия и в первую очередь: а) почасовой расход дроби и б) пометровый расход дроби.

Первое дает представление о количестве дроби, реализуемой в час чистого бурения. Второе дает представление о количестве дроби, расходуемой на 1 лог. м. бурения. Эти два понятия отражают сущно'сть забойного процесса и позволяют рассматривать зависимость скорости углубки от давления с иной точки зрения.

Оптимальное давление на забой объяснить пределом прочности дроби не представляется возможным потому, что чугунная хрупкая дробь раскалывается в сущности при любом давлении на коронку. При давлении в 2 кг см2 торца коронки чугунная дробь дает частицы точно такие же, как и при давлении в 40 кг/см2, с той лишь разницей, что в первом случае для раскалывания дроби нужно больше времени.

Таблица 1

№ пп о и С2 ^ Чс* Число обор.! коронки об[мип Кор R ММ онка г мж Засыпка дроби кг Время бурения в минутах Пробурено в см Расход дроби кг|иог.ж. Расход дроби кг)час Скорость углубки см\мин.

1 15 08 86 76 2,0 50 8 25 2,4 0,15

2/20 08 86 76 1,0 50 12 -8,2 1,2 0,23

3 25 08 86 76 1,0 60  17 5,9 1,0 0,27

•У '5 15 08 86 76 1,5 50 13,5 10 1,5 0,24

20 08 86 76 1,0 50 19,5 5,0 1,2 0,38

6 25 08 86 76 1,5 60 29,0 5,4 1,5 0,46

7 39 08 86 76 1,0 60 26,5 4,0 1,0 0,43

8' 30 08 86 76 1,5 40 18,5 5,0 1,4 0,46

9 35 08 86 76 1,5 60 26 5,7 1,5 0,42

Ю 40 08 86 76 1,5 60 1 150 1,5 0,008

Предел прочности дроби есть величина постоянная. Если максимум кривой объяснить пределом прочности дроби, то почему при одной и той же дроби, при одной и той же коронке, но при разных числах оборотов коронки, максимум кривых, полученных в одинаковых условиях, не постоянен, а закономерно убывает с увеличением числа оборотов?

При числе оборотов п == 90 об/мин максимум отбивается при давлении С = 32 кг/см2, а при п — 380 об/мин ему соответствует давление С~ 22 кг/см2.

В других опытах это расхождение лежит еще в большем интервале (график 1 в статье В. И. Молчанова, помещенной в этом же сборнике).

OfiS-1 30 i

«5

fete «1

q

4 rrMí

Моблешс но каронкц к г/см*

Я ?5 да

Фиг ^

Фиг. 1

Фиг. 2

Максимум на кривых нельзя также объяснить слишком быстрым раздавливанием дроби при давлении свыше оптимального. Если допустить, что это явление имеет место, то несомненно здесь наблюдалось бы резкое увеличение почасового расхода дроби. Почасовой же расход дроби, при изменении давления в пределах от 15 до 40 кг[см2, остается постоянным.

Если бы почасовой расход дроби зависел от давления на коронку и от скорости ее вращения, то это бы нашло отражение в инструкции по дробовому бурению. Инструкция же рекомендует норму засыпки дроби лишь в зависимости от диаметра бурения и от крепости пород. Фактический материал, полученный при проведении опытов, отрицает также и выдавливание дроби из-под коронки при давлении свыше оптимального.

Если бы оно наблюдалось, то, во-первых, в интервале давлений свыше оптимального почасовой расход дроби при этом был бы равен нулю, но в этом интервале дробь все-таки расходуется в таком же количестве.

Во-вторых, торец коронки имел бы во всех случаях отшлифованную породой поверхность. Отшлифованной же поверхность торца бывает лишь в случаях полного отсутствия дроби, а при наличии даже незначительного количества дроби она имеет шероховатый характер.

Выдавливание дроби из-под торца коронки, как таковое, действительно имеет место в случаях аномального износа коронки (образуется стрелка).

Как видно из сказанного выше, ни одна из перечисленных выше точек зрения не является достаточно убедительной. Более убедительное объяснение максимума на кривой может быть найдено из рассмотрения соотношения сил, действующих на коронку. Воздействие дроби на породу через коронку будет, очевидно, не безразлично к характеру соотношения этих сил.

На коронку действуют: 1) вращающаяся сила Рвр, передаваемая двигателем установки и равная ——. ч\; 2) сила трения Fmp, обусловленная осе-

Т ср

вым давлением С и характером трущихся поверхностей. Вычисленная как сила трения кольцевой пяты, она равна / С; 3) сцепленность А, равная Рвр—Fmp; 4) осевое давление С.

Собственно разрушающей силой является равнодействующая двух сил: сцепленности А и осевого давления С

R = А + С.

При изменении осевого давления С изменяется сила трения, а следовательно, и разность Рер — Fmp — А, что ведет к изменению величины и направления равнодействующей R.

При некотором значении С сила трения уравновесит вращающую силу. Сцепленность А при этом стремится к О (А —>- О), а равнодействующая R по величине и направлению приблизится к нормали

» 90°.

При С = О, разность Рдр — Fmp—A также стремится к О.

/о — О.

В первом случае разрушение породы мало производительно, потому что имеет место лишь сила прямого сжатия; во втором—разрушения породы совершенно не будет, потому что коронка не касается породы.

Полезная работа, очевидно, может быть получена при каком-то промежуточном значении С, то есть разрушающая сила должна быть приложена под некоторым углом р.

Наивыгоднейшим углом приложения разрушающей силы R является угол дополнительный к углу трения р = 90—где <р — угол трения.

6. Изв. ТПИ, т. 81.

81