С уменьшением диаметра долот приведенные значения удельной нагрузки снижаются: для долот диаметром 140 мм они ниже примерно в 1,5-2,0 раза.

Необходимая для эффективного разрушения горной породы осевая нагрузка F на долото режуще-скалывающего действия может быть определена произведением следующих сомножителей

F = a Р_аS_к,

где Р_а = (0.2 ¸ 0.6) H - удельная нагрузка, обеспечивающая объёмное разрушение при бурении долотами режуще-скалывающего действия. Окончательно величина требуемого осевого усилия уточняется по резуль-татам промыслового бурения.

Рекомендуемая удельная нагрузка на лопастное долото составляет 0,1 – 0,4 кН/мм.    

3.1.6. Крутящий момент на долоте. Чтобы эффективно разрушать горную породу на забое необходимо передать породоразрушающему инструменту крутящий момент M_д. Крутящий момент передается долоту или от ротора, находящегося на поверхности, через колонну бурильных труб или от забойного двигателя (турбобур, электробур, винтовой двигатель), расположенного в самой скважине над долотом.

Величина крутящего момента определяется мощностью бурового станка, прочностью оборудования и породоразрушающего инструмента и величиной действующего осевого усилия. Увеличение осевой нагрузки на долото приводит к росту момента на нем. Это связано с увеличением глубины внедрения зубков долота в породу, ростом сопротивления горных пород разрушению и ростом трения в опорах долота.

Зависимость величины момента от осевого усилия F имеет следующий вид:

M_д = M ₀ + M_удF,

где M ₀ – вращающий момент, затрачиваемый на преодоление сил сопро-тивления, обусловленный трением инструмента о жидкость и стенку сква-жины, M_уд - удельный момент на долоте (табличное значение), dim M_уд = Н×м/Н. Величина удельного момента определяется либо эксперимен-тально с помощью турботахометра при бурении скважин, либо прибли-женно по формуле

М_уд ≈ а_д (28/ n +0,14) D ²,

где а_д – коэффициент, величина которого зависит от использумого долота: а_д ≈ 1 для трехшарошечных долот типов М, МС, МСЗ, а_д ≈ 0,7- 0,8 для долот типов С, СЗ,СТ, СТЗ, а_д ≈ 0,5 - 0,6 для долот типов Т, ТЗ, а_д ≈ 2 – 2,5 для фрезерных долот, а_д ≈ 1,7 – 1,9 для алмазных долот.     

Первое слагаемое в приведенной выше формуле для момента M_д можно считать постоянной при бурении в одинаковых условиях. В при-ближенных расчетах слагаемым M ₀ можно даже пренебречь и возника-ющий на долоте момент определять произведением M_д = M_удF.

Величина удельного момента зависит от частоты вращения. С ростом частоты вращения удельный момент понижается. Максимальное его снижение наблюдается при увеличении частоты вращения до (360 - 420) об/мин. При дальнейшем росте частоты вращения величина удельного момента существенно не меняется.                                          

Выбор величины удельного момента определяется значением твер-дости разбуриваемой горной породы:

▪ при бурении шарошечными долотами горных пород, обладающих твердостью, меньшей 250 МПа, величина удельного момента составляет (15 ¸ 20) Н×м/кН,

▪ при бурении шарошечными долотами горных пород, твердость которых составляет 250 - 1000 МПа, величина удельного момента равна (8 ¸ 15) Н×м/кН,

▪ при бурении шарошечными долотами горных пород, твердость которых превышает 1000 МПа, величина удельного момента составляет (3 ¸ 15) Н×м/кН;

▪ при бурении алмазными долотами удельнй момент составляет (20 ¸ 40) Н×м/кН;

   ▪ при бурении лопастными долотами удельный момент составляет (30 ¸ 50) Н×м/кН.

При турбинном бурении расход промывочной жидкости, обеспечиваю-щий необходимый вращательный момент M_д, определяется из выражения

где Q _т – расход промывочной жидкости с плотностью ρ_ж, при котором турбобур развивает вращающий момент М_табл.  

Изменение крутящего момента на долоте происходит в процессе бурения и при фиксированных параметрах режима бурения. Это связано с неоднородностью структуры, текстуры разбуриваемых горных пород. Резкое повышение крутящего момента на долоте свидетельствует об износе подшипников шарошечных долот и заклинивании шарошек. При роторном бурении увеличение момента на долоте приводит к росту момента на роторе, при турбинном – к уменьшению частоты вращения инструмента.

Информация об изменении крутящего момента на долоте позволяет определить мощность, необходимую для разрушения горной породы.

3.1.7. Мощность на долоте. Мгновенная мощность P, реализуемая на долоте, определяется уравнением P = dW /dt, где W - произведенная работа. Подставляя в эту формулу значение работы при вращательном движении долота W = M_дj, где M_д - величина крутящего момента на долоте, j - угловое перемещение, получаем выражение для мощности

P = M _д w,

где w - мгновенная угловая скорость. Угловая скорость связана с частотой (числом оборотов n, dim n = об/мин) формулой w = 2 p n. Это позволяет определить мощность выражением

P = 2pnM_д = 2pnM_удF.

Эта формула используется для определения частоты вращения n долота.

     Разделив обе части предыдущего выражения на площадь контакта породоразрушающего инструмента с горной породой S_к, получим выраже-ние для удельной контактной мощности, реализуемой на долоте

P_уд = P / S_к = 2pn.M_удF / S_к,

Так как величина F / S_к определяет контактное давление P_к, то можно записать следующее выражение удельной мощности, при которой происходит усталостно-объёмное и объёмное разрушение породы, соот-ветственно:

                                      P_уд = 2pnM_удP_к,

P_уд = 2pnM_удH.

Частота вращения породоразрушающего инструмента при реализации усталостно-объёмного и объёмного разрушения породы определится из выражений:

n = P_уд / (2pM_удP_к),

n = P_уд / (2pkM_удH),

где k есть поправочный коэффициент. Его величина для долот режуще-скалывающего действия изменяется в пределах 0,2 - 0,6. Для шарошечных долот выполняется условие k > 0,9.

Мощность, подведенная к долоту, реализуется с разной эффек-тивностью. Объём V горной породы, разрушенной в единицу времени, связан с подведенной мощностью соотношением V = P / A_v, где A_v - удельная объёмная энергия разрушения при данном способе бурения. С другой стороны, V = V_мехS_з, где S_з -площадь забоя. Приравняв правые части двух последних выражений, получим уравнение для механической скорости бурения:

V_мех = P / (A_v×S_з).

Из этого выражения следует, что более эффективно мощность, подведенная к долоту, будет расходоваться в том случае, когда инструмент обеспечивает разрушение горной породы при минимальном значении удельной объёмной энергии.

Энергоёмкость разрушения горных пород при бурении различным породоразрушающим инструментом зависит от свойств пород, способа бурения, параметров режима бурения и характеризует затраты энергии на разрушение. Так как вдавливание элементов вооружения породо-разрушающего инструмента в поверхность горной породы забоя скважины является непременным условием эффективного разрушения горной породы при бурении, то энергоёмкость разрушения горных пород при бурении будет определяться суммой составляющих, одна из которых велика (энергоёмкость разрушения горной породы вдавливанием), а другая, связанная с резанием породы, на порядок меньше.

При прочих равных условиях (свойства горных пород, параметры режима бурения, способ бурения) по величине энергоёмкости процесса разрушения можно выбирать рациональный тип долота (шарошечное или лопастное): следует применять те долота, которые имеют меньшую энергоёмкость процесса разрушения.

Величина подводимой механической энергии к горной породе на забое ограничена прочностью породоразрушающего инструмента и бурильной колонны. В настоящее время предел прочности используемых материалов составляет (12 ¸ 13) МПа.

Величина удельной объемной энергии разрушения зависит от формы рабочей поверхности породоразрушающих элементов вооружения. Уде-льная мощность в каждой точке забоя не должна превосходить предельно допустимое значение. В противном случае происходит сильный разогрев породоразрушающего инструмента, его быстрое изнашивание в результате абразивного действия шлама и преждевременный выход из строя инструмента.

Температура поверхности породоразрушающего инструмента при его работе на забое зависит как от роста удельной нагрузки (в меньшей степени), так и от увеличения скорости взаимодействия инструмента с породой (в большей степени).

Расход промывочной жидкости, а точнее скорость ее обтекания породоразрушающего инструмента, должен быть достаточным не только для очистки забоя и выноса шлама на поверхность, но и достаточным для охлаждения инструмента.