§ 6. Влияние диаметра породоразрушающего инструмента на эффективность процесса бурения

Диаметр ПРИ играет большую роль при бурении геологоразведочных скважин. От этого параметра зависят, с одной стороны, количество и качество получаемого кернового материала, а с другой, — расход ресурсов — энергии и материалов и, наконец, скорость бурения.

Как было показано ранее, механическая скорость углубки скважины при бурении твердосплавной коронкой является функцией параметров ряда величин — формулы (7.13) или (7.15). Известно, что необходимую скорость резания можно получить за счет частоты вращения диаметра ПРИ — формула (7.14). При одинаковой частоте вращения v_M выше у ПРИ ббльшего диаметра, так как в этом случае реализуется более высокая скорость резания v_p (рис. 15,а). Но такая зависимость проявляется до определенного значения v_p. Следовательно, для того, чтобы сохранить рациональное значение v_p при значительном диаметре ПРИ, как видно из выражения (7.14), надо снижать частоту вращения, а это противоречит зависимости v_M -f(n), определяемой выражением (7.13).

Кроме того, с увеличением диаметра ПРИ связывается увеличение числа резцов и, соответственно, уменьшение удельной нагрузки на резец G_y при постоянном уровне усилия подачи G₀, величина которого практически не достигает рациональных значений, необходимых для эффективного разрушения породы. Этим можно объяснить необычные на первый взгляд закономерности изменения v_M в зависимости от диаметра ПРИ режуще-скалыва- ющего действия (рис. 15, б). При одном и том же уровне усилия подачи механическая скорость бурения больше для коронок, имеющих меньший диаметр, что противоречит закономерности, показанной на рис. 15, а, но согласуется с выражением (7.17). Вполне бчевидно, что увеличение числа резцов в коронках большего диаметра не компенсирует снижения эффективности разрушения породы, так как с этим связано снижение удельных нагрузок на породоразрушающие элементы и глубины их внедрения h.

Известно, что величина G₀ ограничивается прочностью элементов бурового снаряда, недостаточной жесткостью бурильных труб, возможностью искривления скважины и другими факторами. Скорость перемещения резцов по забою тоже имеет рациональные

значения. Кроме того, с увеличением диаметра коронки увеличивается объем разрушаемой породы, а следовательно, и расход энергии, а также увеличивается расход резцов на единицу углубки скважины за счет ббльшего пути их движения (по окружности, имеющей ббльший диаметр). Вот почему эффективность работы коронок

а

{Г_м, см/мин

Рис. 7.5. Зависимость скорости бурения v_M от частоты вращения и, осевой нагрузки Go и диаметра коронки Х>_к при бурении твердосплавными коронками:

1—Dk-46 мм; 2 — Ок * 59 мм; 3 — Dk = 76 мм

ib,*j/н

Рис. 7.6. Зависимость скорости бурения v_M алмазными коронками от их диаметра £к и скорости резания vp:

1—Dк-46 мм; 2—Ок-76 мм

оказывается тем ниже, чем больше их диаметр и меньше частота вращения при одинаковой скорости резания, что подтверждается фактическими данными (рис. 7.6). Анализируя эту зависимость, можно сделать важный вывод, что при равной окружной скорости вращения достигается ббльший эффект в случае работы коронки меньшего диаметра, но с большей частотой вращения, значение которой определяется выражением (исходя из равенства окружных скоростей)

(7.22)

"м = D^₆/D_m,

где л_м — частота вращения коронки соответственно малого и большого диаметра; D₆₎ D_M — большой и малый диаметры.

Отсюда видно, что при уменьшении диаметра ПРИ должна увеличиваться частота вращения не только для сохранения рациональной окружной скорости, но и получения дополнительного эффекта за счет частоты вращения в единицу времени (табл. 7.3).

Таблица 7.3.

Параметр бурения			Диаметр коронок» мм
		46				76
Окружная скорость, м/с	0,266	0,495	0,719	0,268		0,452		0,941
Частота вращения, об/мин	128	238	346	67		128		238
Механическая скорость, см/мин	1,61	2,90	4,75	0,97		1,85		3,85

Как видно из табл. 7.3 при близких значениях окружных скоростей, но при разной частоте вращения, механическая скорость бурения у коронок разного диаметра существенно отличается. Таким образом, из краткого анализа рассматриваемого вопроса можно сделать ряд практически важных выводов.

1. Одним из основных резервов повышения эффективности бурения скважин является использование ПРИ малого диаметра, так как это позволяет реализовать форсированные режимы бурения на действующем буровом оборудовании, характеризующимся, в первую очередь, большой частотой вращения.

2. Увеличение окружной скорости коронки рациональнее осуществлять не за счет увеличения ее диаметра, а за счет увеличения частоты вращения.