Тимофеев Николай Гаврильевич

ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет

им. М.К. Аммосова», Россия

Обоснование технических требований к конструкции породоразрушающего инструмента.

Успешное бурение скважин становится возможным только при достижении соответствия между интенсивностью разрушения горных пород на забое и транспортирования выбуренной породы на поверхность. Эффективность разрушения мерзлых пород на забое скважины и режим очистки призабойной зоны от буровой мелочи прямо зависят от типа и конструкции бурового породоразрушающего инструмента [2,3,5].

На выбор параметров породоразрушающего инструмента решающее влияние оказывают свойства многолетнемерзлых пород. Из свойств, характеризующих сопротивляемость мерзлых пород резанию, следует выделить плотность, влажность, температуру и гранулометрический состав, а из свойств, характеризующих степень воздействия пород на инструмент - абразивность или изнашивающую способность мерзлых пород. Поэтому при разработке конструкций режущего бурового инструмента важно учитывать физико-механические свойства мерзлых пород [4,5].

Под параметрами породоразрушающего инструмента понимаются такие конструктивные особенности, как геометрия режущих элементов, схема расстановки резцов на буре, размеры, форма резцов и корпуса, а также транспортирующие лопасти бура.

Бугаев В.Г. в своей диссертационной работе [2] отмечает, что «одним из важных параметров, который влияет на эффективность бурения скважин в мерзлых грунтах это - геометрия (углы) режущих элементов в корпусе бура».

На эффективность разрушения забоя скважины по мёрзлым породам существенное влияние оказывают форма и размеры резцов породоразрушающего инструмента. Выбор рациональной формы режущей части бурового инструмента, обеспечивающей минимальную энергоёмкость разрушения, особенно важен при создании новых типов бурового режущего инструмента. Одной из важнейших характеристик инструмента при этом является форма передней грани.

В настоящее время практика создания бурильных режущих инструментов накопила достаточный опыт по формам передней грани и размерам резцов, которые можно разделить на следующие основные типы: с плоской передней гранью; с овальной передней гранью; с передней гранью в виде двухстороннего симметричного клина; с передней гранью в виде трёхгранной трапеции или призмы и др. В работах ряда авторов [1,3,4,5,6] проанализировано влияние формы передней грани на процесс разрушения в различных горно-геологических условиях. Но до сих пор нет единого мнения о формах резцов для конкретных горно-геологических условий работ.

Одним из основным определяющим элементом породоразрушающего инструмента, от которого зависит эффективность всего процесса бурения, является забурник.

Забурник при бурении выполняет функцию центрирующего элемента, обеспечивающего прямолинейность скважины. Наибольшее распространение получили забурники в виде плоских стальных треугольных перок, режущие кромки которых армированы твердосплавными пластинами [3].

Диаметр Д_з и высота Н_з забурника принимаются в зависимости от диаметра d_o конусной части остова бура в следующем соотношении:

(2.5)

Благодаря такой зависимости, обеспечивается бесперебойное удаление бурового шлама из центральной части скважины.

На основании анализа литературных данных, изучения процессов взаимодействия инструмента с разрушаемой средой и очистки призабойной зоны от буровой мелочи, анализа лучших отечественных и зарубежных конструкций буров, а также опыта создания твердосплавного инструмента для бурения разведочных скважин, учитывая суровые климатические и горно-геологические условия работ, необходим особый подход к конструкции породоразрушающего инструмента для бурения шурфоскважин при разведке россыпных месторождений в условиях криолитозоны, а именно:

1. Рациональная форма, размеры и геометрия режущих элементов породоразрушающего инструмента должны обеспечивать минимальные энергозатраты при разрушении мерзлых пород. В этом направлении наиболее эффективным является цилиндрическая остроконечная форма резца [5] (см. рис.1.).

Рис.1. Форма цилиндрического остроконечного резца. 1 – корпус резца; 2 –резец, армированный твердым сплавом.

2. Резцы должны быть сменными и удобными для быстрой замены при износе или поломках.

3. Закрепление резцов в держателях должно быть простым и надежным.

4. Резцы должны обладать достаточной прочностью и износостойкостью для различных условий эксплуатации.

5. Необходим правильный выбор оптимального угла резания γ каждых резцов. Именно от эффективности угла резания, тем насколько отделяется грунт от массива зависят основные показатели бурения.

Вопросами влияния оптимального угла резания γ при бурении скважин в мерзлых породах занималось не малое количество исследователей. В настоящее время не даны четкие рекомендации по выбору оптимального угла резания и с учетом заключений авторов, оптимальным считается угол от 30° до 40°.

6. Расположение резцов по высоте должно обеспечивать эффективное разрушение горной породы на забое. Схема расстановки резцов по концентрическим рядам является важнейшим элементом конструкции породоразрушающего инструмента. Чем больше в бурильной головке режущих элементов в одной плоскости забоя, тем увеличивается площадь контакта с забоем скважины, возрастает крутящий момент, что приводит к повышению интенсивности нагрева резцов и мерзлого массива и к соответствующим осложнениям. Во избежание таких осложнений и для обеспечения ступенчатой формы забоя необходима разная высота выступа рядов резцов рис.2.

Рис.2. Работа остроконечных резцов на забое.

7. Для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях должен применяться буровой инструмент со специальными режущими элементами. Породоразрушающая часть инструмента должна иметь минимальную и достаточную площадь контакта с поверхностью забоя скважины рис.3: минимальную - для обеспечения объемного разрушения мерзлых пород и достаточную - для поддержания высокой износостойкости режущих частей инструмента.

Рис.3. Работа остроконечного резца.

8. Конструкция периферийной части бура должна обеспечивать минимальную потерю диаметра при бурении скважин.

9. Забурник в процессе бурения обеспечивает центрирование породоразрушающего инструмента в скважине. Но как показывает практика, чем больше диаметр породоразрушающего инструмента, тем малоэффективна функция забурника. Это связано с тем, что при резании резцами, расположенными по концентрическим кругам с разной угловой скоростью (ω), понижающейся от периферии к центру забоя скважины достигая 0 по оси забурника, разрушение породы происходит только за счет раздавливания под осевой нагрузкой (С_о) без резания. Таким образом центральная часть забурника превращается в своего рода опорный элемент вращающегося породоразрушающего инструмента и замедляет механическую скорость бурения (V_мех). Исходя из этого необходимо видоизменить конструкцию породоразрушающего инструмента устранив центрирующую часть (забурник).

10. Форма и размеры корпуса бура должны способствовать беспрепятственному удалению буровой мелочи из забоя скважины.

11. Должна быть обеспечена простота конструкции, минимальная материалоемкость, технологичность и невысокая стоимость изготовления.

Литература:

1. Басов И. Г. Исследование влияния формы режущей части инструмента на износостойкость при разрушении мерзлых грунтов / И. Г. Басов, В. Б. Лещинер // Исследование землеройных машин: сб. – Томск: Изд-во ТПУ, 1977. – С. 39-44.

2. Брылин В. И. Бурение скважин на россыпи: учеб. пособие / В. И. Брылин. – Томск: Изд-во ТПУ, 2000. – С. 3-65.

3. Бугаев В. Г. Исследование процесса, разработка конструкции режущего инструмента и обоснование режимов вращательного бурения скважин: дис. … канд. техн. наук. – Красноярск, 2004. – 307 с.

4. Куличихин Н. И. К вопросу о выборе рациональной формы инструмента при бурении шурфов в крепких породах / Н. И. Куличихин и др. // Геология и разведка. – 1972. – № 5. – С. 41-55.

5. Линьков С.А. Разработка конструкции и обоснование параметров рабочего органа для бурения скважин в мерзлых грунтах: дис. … канд. техн. наук. – Омск.: Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, 2007. – 185 с.