Главная
Глубина внедрения бура в породу определится так:
где b — длина лезвия коронки (долота) в мм;
σв — предел прочности породы при сжатии в кг/мм2;
α — угол приострения лезвия долота в град.;
φ — угол трения долота о породу в град.
Несовершенство этой теории заключается в упрощении процесса внедрения бура в породу и скалывания ее. Сила удара бура о породу и скорость бурения одним буром приняты постоянными, а лезвие бура — идеально острым.
В действительности лезвие бура непрерывно притупляется. Наличие притупленного лезвия, различная структура пород и другие факторы позволяют считать, что механизм разрушения породы во время бурения значительно сложнее.
Наиболее обоснованной из теорий, рассматривающих механизм разрушения пород при ударном бурении, является теория проф. И.А. Остроушко, базирующаяся на следующих основных положениях. Под действием внешней силы Py на цилиндрический пуансон под ним деформируется объем в виде клина aob, названный автором главным объемом давления (фиг. 2, а).
Сила Py определяется по формуле
При формировании объема под жесткими плоскостями материал внутри него не разрушается. Предполагается следующая последовательность развития деформаций. Упругие деформации: формирование главного объема давления aob и сферических объемов материала, напряженного в различной степени; деформация разделения на части, при которой происходит отделение главного объема давления, объема скалывания топ и образование трещин на поверхности первого сферического объема. Доказано, что роль главных объемов давления в разрушении твердых тел не зависит от их физических свойств и формы. Формирование главного объема давления происходит путем нарушения целости тела сдвигами, проходящими по образующим поверхностям главных объемов, в условиях всестороннего сжатия. После отделения первого объема скалывания инструмент погружается в материал и действует на нижнюю часть освободившегося пространства. Вначале происходит уплотнение зажатого под инструментом материала, а затем формируется новый главный объем давления — I. Далее отделяются конусы обрушения kac и k'a'c' и выдавливаются объемы II и III. Выдавливание этих объемов сопровождается смятием некоторого количества породы за пределами внешних граней конусов скалывания.
Частным случаем разрушения породы раздавливанием является разрушение ее острым лезвием инструмента. Рабочая кромка лезвия рассматривается как площадка с закругленными краями.
Под лезвием инструмента формируются главные объемы давления и происходит отделение объемов скалывания (фиг. 2, б). После отделения первого объема скалывания и погружения инструмента произойдет второй цикл разрушения, потом третий и т. д.
Отделение мелких объемов продолжается до тех пор, пока боковые грани инструмента не придут в тесное соприкосновение с неразрушенной породой, после чего произойдет отделение большого объема скалывания. Во время последней деформации нижняя часть инструмента, соприкасающаяся боковыми гранями с породой, будет выполнять роль главного объема давления.
Углы α0 и φ0 не зависят от угла приострения инструмента и определяются только свойствами породы. Угол приострения инструмента αu (фиг. 2, б), a следовательно, угол наклона граней инструмента оказывает существенное влияние на эффект разрушения. При αu ≤ α0 после отделения первого и последующих объемов скалывания поверхность соприкосновения инструмента с породой возрастает; погружение инструмента сопровождается повторным зажимом разрушенной породы и ее дополнительным дроблением.
При αu ≈ α0 (см. фиг. 2, в) острая часть инструмента при отделении больших объемов скалывания полностью выполняет роль главного объема давления.
При дальнейшем увеличении угла наклона граней инструмента (αu ≥ α0) увеличивается глубина погружения инструмента в течение каждого цикла разрушения.
Процесс разрушения породы в забое шпура (скважины) автор объясняет так же, как проф. Н.С. Успенский.
Наибольшее усилие Py в конце цикла погружения инструмента при αu ≥ α0 определяется по формуле
Для острого инструмента с длиной рабочей кромки (лезвия) b и формула примет вид
где d — диаметр основания главного объема в мм;
αu — угол наклона граней инструмента в град.;
φ0 — угол наклона образующей поверхности объема скалывания на поверхность образца в град.;
μ — коэффициент Пуассона, μ = 0,25;
μ2 — коэффициент трения породы об инструмент;
μ3 — коэффициент трения между образующими поверхностями главного объема давления и объема скалывания;
ψ — угол между этими поверхностями.
Пренебрегая уменьшением расхода работы из-за перекрытия площадей в центре шпура при повторных ударах (фиг. 1,б), И.А. Остроушко определяет общую площадь S скалываемых секторов с учетом боковых поверхностей по формуле
где ω — угол поворота долота или бура в град.;
h — глубина внедрения инструмента в мм;
b — длина лезвия инструмента в мм.
Отделение секторов должно происходить по поверхности линий ak и по поверхности дуг bс и b'с' (см. фиг. 1). Сопротивление этих элементов отделению будет
где τв скал — предел прочности породы при скалывании в кг/см2.
Для того, чтобы преодолеть это сопротивление инструментом, должна быть применена сила P', равная
Так как P' = Py/2, имеем
Из этого выражения определяем ω:
Заменив d = 2h/tg α0 и приняв, что
Число ударов nu инструмента, нужное для снятия с забоя шпура слоя породы высотой h, равно
где а — число лезвий в долоте или головке бура.
Теоретический расход мощности на собственно бурение
где все обозначения прежние.
Фактический расход мощности больше теоретического и определяется по формуле
где ηз — коэффициент затупления лезвия головки бура;
ηи — коэффициент, учитывающий угол заточки и конструкцию инструмента;
ηв — коэффициент, учитывающий вредные сопротивления движению бура.
Коэффициенты ηз и ηи учитывают работу, затраченную на дополнительное измельчение сколотой породы.
Работа объемного разрушения определяется по формуле
Для наиболее благоприятных условий, когда b = ∞ и ηз = ηи = ηв = 1, работа объемного разрушения
Эта работа соответствует разрушению свободной поверхностью инструмента, у которого αu ≤ α0. Недостатками этой теории являются: неправильное утверждение, что разрушение хрупких тел происходит так же, как пластичных и упругих; что при повороте бура и нанесений нового удара происходит скалывание секторов породы под действием горизонтальных сил; значительная часть работы, затрачиваемая на дополнительное измельчение разрушений при ударе породы, учитывается коэффициентами, величина которых не выяснена; действие торцов лезвия учитывается только при разрушении на свободной поверхности, а оно имеет место и в шпуре.
Вопрос о механизме разрушения породы при ударном бурении еще требует дальнейшей разработки. В частности, подлежат выяснению влияние находящейся в шпуре буровой мелочи на процесс разрушения и на скорость бурения; оптимальное соотношение между работой одного удара и числом ударов в единицу времени, которое обеспечивает наибольшую скорость бурения; изменение скорости бурения с увеличением глубины шпуров и их диаметра. Несмотря на некоторые неточности, теория И.А. Остроушко дает удовлетворительные результаты.