2.2.2 Визначення параметрів буріння
Продуктивність машин обертального буріння залежить від фортеці грунту, осьового навантаження на буровий інструмент, швидкості його обертання і конструкції бурового інструменту. Коефіцієнт використання за часом машин обертального буріння досягає 0,6.
Шнекове буріння (від йому. Schnecke — равлик, завиток, гвинт) є різновидом обертального буріння. Специфіка технології полягає в тому, що видалення із забою і транспортування по свердловини зруйнованої породи здійснюють одночасно з проходкою свердловини не потоком очисного агента, а за рахунок властивостей безперервного шнека, що обертається, або шнекової колони. Звичайне шнекове буріння здійснюють суцільним забоєм. Також можна вести шнекове буріння з відбором непорушених зразків породи (керна) за допомогою порожнистих магазинних шнеків або знімних грунтоносов.
Шнекове буріння — найбільш поширений і найбільш універсальний спосіб зі всіх видів неглибокого буріння. Його застосовують при бурінні свердловин глибиною до 50—80 м в породах від I до VIII категорій по буримості, зокрема в гравієво-галечних, в породах з включенням валунів, в грунтах з скельними включеннями. Однією з причин широкого розповсюдження шнекового буріння є і те, що при застосуванні даної технології в більшості порід відбувається попутно закріплення стінок свердловини породою, що піднімається. У будівельній галузі шнекове буріння використовують для буріння під різні види паль – під забивні палі (зокрема лидерное буріння), бурові набивні і ін'єкційні палі. Також шнекове буріння є стартовим майданчиком для застосування інших технологій пристрою фундаментів (струменева цементація грунтів (jet-grouting), «стіна в грунті» і ін.). Шнекове буріння проводиться також при виробництві робіт по зміцненню фундаментів і грунтів, вирішенні завдань підземного будівництва.
У геологічній галузі шнекове буріння використовують при сейсморозвідці (буріння для погружных зарядів ВВ), вибухових свердловинах при відкритій розробці вугільних кар'єрів, інженерно-геологічних, гидрогеологических, дрібних водозабірних свердловинах, розвідці будівельних матеріалів і деяких інших геологорозвідувальних свердловинах. Такий вид буріння можна успішно застосовувати в комбінації з геологорозвідувальним бурінням, для забурювання свердловини в початковому інтервалі, представленому рихлими найбільш важкими для буріння з промивкою породами.
Фізичні основи шнекового буріння
Фізику
процесу шнекового буріння відрізняють
три важливі моменти: охолоджування
породоразрушающего інструменту,
транспортування зруйнованої породи на
поверхню і закріплення стінок свердловини
породою, що піднімається. При обертальному
бурінні неминуче тертя породоразрушающего
інструменту об породу і його нагрівання:
чим швидше і більше сили тертя, тим
більше виділяється тепло і сильніше
нагрівається інструмент. При недостатньому
охолоджуванні, тобто відведенні
відбуватиметься значний знос інструменту
або навіть його розплавлення — «прижог».
У шнековому бурінні за відсутності
потоку очисного агента охолоджування
породоразрушающего інструменту
відбувається унаслідок віддачі тепла
безпосередньо породі, ефективність
охолоджування забезпечується високою
швидкістю буріння. У твердих скельних
породах, де швидкість буріння низка
із-за недостатнього охолоджування
інструменту, шнекове буріння зазвичай
не застосовують. Транспортування
зруйнованої породи здійснюється за
принципом шнекового транспортера.
Безперервне видалення
шнеком грунту зі свердловини можливо,
якщо сили тертя
грунту об стінку свердловини перевищують
зусилля підйому грунту по поверхні
гвинта.
Малюнок 2.1 Схема до пояснення руху грунту по поверхні шнека.
Сила тертя частинки грунту масою m, що виникає під дією відцентрової сили Fц (мал. 2.1)
(2.2.2.1)
(2.2.2.2)
де ? — кутова швидкість обертання гвинта;
R — радіус свердловини;
? і P — кути внутрішнього і зовнішнього тертя грунту;
— кут підйому
гвинтової лінії шнека;
g — прискорення вільного падіння.
З рівності цих двох сил визначається критична кутова швидкість
(2.2.2.3)
Грунт рухається вгору по поверхні гвинта, якщо ? > ?кр. При ?Ѕ?кр грунт віддаляється зі свердловини циклічно підйомом робочого органу.
Продуктивність шнека визначається по формулі
(2.2.2.4)
де kп — коефіцієнт втрат від розсипу грунту в зазор між шнеком і стінкою свердловини; 0,1
r — радіус валу шнека; 0,25 м
t — крок шнека; 0,33 м
8 — коефіцієнт заповнення; 0,45
n — частота обертання 74 об/мин
м3/мин
2.2.3 Визначення потужності двигуна
При обертальному бурінні ріжучими інструментами порода в свердловині руйнується в основному двома силами: осьовим зусиллям і окружним зусиллям.
Сумарна потужність з урахуванням втрат в передачах від двигуна до бурового снаряда буде рівна
кВт
(2.2.3.1)
де N1 — потужність, що витрачається на руйнування породи;
N2 — потужність на подолання сил тертя коронки об забій свердловини
N3 — потужність на подолання сил тертя колони штанг об стінки свердловини
п— до. п. д. передач.
кВт
(2.2.3.2)
де P0 — сила опору обертанню бурового снаряда в кг;
Vср — середня окружна швидкість обертання бурового снаряда в м/мін.
(2.2.3.3)
Н.
де F — середня площа перетину стружки, що знімається різцем, в м2;
m — число різців;
а — ширина різця в м;
h — глибина впровадження різця в м.
(2.2.3.4)
де Ру — осьове зусилля в Н;
а — кут заточування забурювальника.
Швидкість обертального буріння Vср визначається
(2.2.3.5)
де n — швидкість обертання бурового снаряда
кВт
(2.2.3.6)
де vср — середня окружна швидкість обертання бурового снаряда в м/сек;
Ру — осьове зусилля в Н;
f — коефіцієнт тертя різців об породу.
Sрез — ширина різців в м
(2.2.3.7)
де
а—опытный коефіцієнт (а = 1,25 + 10-6);
d — діаметр свердловини в м;
L— довжина свердловини в м;
n — швидкість обертання бурового снаряда в об/мин.
кВт
Необхідна потужність обертача бурової установки 107,3 кВт.