Технология и техника бурения в 2 частях Часть Горные породы

лом усталости — наибольшим напряжением, при котором тело 
нельзя разрушить. Зависимость числа циклов нагружения до раз-
рушения N от величины напряжения 
V (рис. 4.4) по своему харак-
теру напоминает зависимость v
м
= f(р) (см. рис. 4.2) в области II. 
Если под циклами нагружения понимать число ударов зуба долота 
о породу, а под напряжением — величину контактного давления, 
то, как видно из графика, число ударов уменьшается быстрее, чем 
увеличивается контактное давление. Поэтому в области усталост-
ного разрушения II зависимости v
м
= f(р) скорости разрушения 
растут быстрее, чем увеличивается нагрузка. Удельная нагрузка в 
точке А (см. рис. 3.5) будет соответствовать пределу усталости по-
роды, а в точке Б — пределу прочности (твердости) разрушаемой 
горной породы.
Предел прочности
Предел усталости
Число циклов до разрушения, N
s
s
о
Рис. 4.4. Зависимость числа циклов нагружения 
от разрушающих напряжений
Отношение предела прочности к пределу усталости для мра-
мора, доломита и известняка колеблется в пределах 20–30, а число 
циклов нагружения до разрушения равно примерно 100–120, тог-

---

132 
II. Способы разрушения горных пород при бурении скважин
да как для металлов число циклов нагружения до разрушения при 
напряжениях, близких к пределу усталости, колеблется в пределах 
(5–10) · 10
6
, а отношение предела прочности к пределу усталости 
равно примерно 5.
Такая большая разница в указанных пределах для металлов и 
горных пород связана с тем, что горные породы менее пластичны и 
более неоднородны по структуре.
Таким образом, горные породы, как и металлы, после много-
кратных приложений нагрузки могут разрушаться при напряже-
ниях, меньших предела прочности, т.е. процесс их разрушения 
может носить усталостный характер, причем при значительно 
меньшем числе циклов нагружения, чем у металлов. В свою оче-
редь, для хрупких и малопластичных пород число циклов нагру-
жения, необходимое для доведения пород до разрушения при на-
пряжениях, близких к пределу усталости, меньше, чем для пород 
пластичных.
Зависимость скорости проходки от скорости вращения долота 
для различных пород (рис. 4.5) получена в стендовых условиях 
бурения шарошечными долотами различными исследователями. 
Из графиков видно, что эффективность процесса разрушения в 
зависимости от скорости вращения долота различна для пород, 
имеющих также различные механические свойства. Для пород 
малопластичных (мрамор) и хрупких (гранит) в исследованном 
диапазоне чисел оборотов зависимость механической скорости 
близка к линейной. Для пород пористых и высокопластичных 
(мел и известняк) уже при малых числах оборотов наблюдается 
отклонение от линейной зависимости, что связано с уменьшением 
времени, необходимого для доведения породы до разрушения, и с 
уменьшением глубины разрушения, приходящейся на один обо-
рот долота.
Уменьшение глубины разрушения за один оборот долота с 
увеличением числа оборотов при постоянной нагрузке на долото 
связано с временным фактором (рис. 4.6); 
W — долговечность ма-
териала, т.е. время от начала нагружения до момента разрушения. 
Исходя из этой зависимости, скорость разрушения определяется 
действующими напряжениями. Чем выше напряжения, тем бы-
стрее идет процесс разрушения. 

---

4. Разрушение горных пород при бурении 
133
1
2
3
4
0
200
400
600
800
Скорость вращения долота, об./мин
Механическая скорость, м/ч
40
20
0
Рис. 4.5. Зависимость скорости проходки от скорости 
вращения долота для различных пород:
1 — мел; 2 — известняк; 3 — мрамор; 4 — гранит
s
lg
t
Рис. 4.6. Зависимость предела прочности 
V 
твердого тела от долговечности материала
Применительно к процессу разрушения горных пород буровы-
ми долотами это означает, что чем больше число оборотов долота, 
тем меньше время контакта зубьев с породой и тем меньше (при 
постоянной нагрузке) глубина разрушения породы за один оборот. 
Чтобы при увеличении числа оборотов долота сохранить глубину 
разрушения за один оборот, необходимо увеличить нагрузку; тогда 
кратковременность контакта компенсируется повышенной нагруз-
кой. Если нагрузка на долото обеспечивает контактные давления, 
меньшие предела усталости, т.е. недостаточные для объемного раз-
рушения, то зависимость скорости разрушения от скорости вра-

---

134 
II. Способы разрушения горных пород при бурении скважин
щения долота будет иметь линейный характер для различных по 
механическим свойствам пород (рис. 4.7). В этом случае процесс 
разрушения носит поверхностный характер, а увеличение скорости 
разрушения связано с увеличением объема породы, разрушенной 
за единицу времени истиранием.
10
5
0
Скорость вращения долота, об./мин
Механическая
скорость, м/ч
1500
3000
1
2
3
Рис. 4.7. Зависимость скорости проходки 
от числа оборотов долота при малых контактных давлениях:
1 — известняк; 2 — мрамор; 3 — гранит
В реальных условиях бурения разрушение пород на забое сква-
жин происходит при наличии противодавления промывочной 
жидкости, заполняющей скважину. В этих условиях зависимость 
скорости разрушения от скорости вращения долота отклоняется от 
линейной (рис. 4.8), причем как для пластичных, так и для хрупких 
пород. Это связано с тем, что с ростом противодавления на забой 
скважины у всех пород увеличивается способность к пластической 
деформации, поэтому глубина разрушения за один оборот долота 
уменьшается с увеличением скорости вращения. В связи с этим 
следует учитывать, что для достижения разрушающей нагрузки 
при бурении пластичных пород требуется больше времени, чем при 
бурении хрупких.
Для эффективного разрушения горных пород в процессе буре-
ния скважин надо, чтобы время контакта зуба долота с породой со-
ответствовало времени, необходимому для ее разрушения.

---

4. Разрушение горных пород при бурении 
135
Скорость вращения долота, об./мин
Механическая скорость, м/ч
0
100
200
300
1
2
1,63
1,22
0,91
0,61
0,35
Проходка за 1 об. долота, мм
9,75
7,31
4,88
2,44
0
400
Рис. 4.8. Зависимость скорости и глубины разрушения гранита 
(сплошные линии) и песчаника (пунктирные) за один оборот
от скорости вращения долота при гидростатическом давлении
промывочной жидкости 350 кГ/см
2
:
1 — механическая скорость; 2 — глубина разрушения
Время достижения разрушающей нагрузки зависит главным 
образом от пластических свойств горных пород. Установлено, что 
при вдавливании штампа диаметром 10 мм в мрамор со скоростью 
20 м/с для достижения разрушающей нагрузки требуется 2 · 10
–4
с, 
для кварцита (породы хрупкой) при тех же условиях время умень-
шается до 10
–4
с, а для каменной соли и пористого известняка 
(пород высокопластичных) время возрастает соответственно до 
3,6 · 10
–4
и 4 · 10
–4
с. 
Время, необходимое для достижения разрушающей нагрузки, 
зависит от скорости, величины и формы площадки контакта. С по-
вышением скорости оно уменьшается, а с увеличением размеров 
площадки контакта — увеличивается.
Время контакта 
W
к
зуба долота с породой 
W
к
 =
30
,
n
д
zk

---

136 
II. Способы разрушения горных пород при бурении скважин
где n
д 
— число оборотов долота; z — число зубьев на периферийном 
венце шарошек долота; k — отношение диаметра долота к диаметру 
шарошки.
Исследования по изучению влияния скорости вращения доло-
та на скорость разрушения пород при бурении с учетом влияния 
противодавления жидкости и горного давления, соответствующих 
разным глубинам залегания пород, показали, что скорость разру-
шения с увеличением числа оборотов долота снижается при повы-
шении противодавления столба жидкости и горного давления. 
С увеличением глубины бурения целесообразнее увеличивать 
нагрузку на долото, чем повышать скорость его вращения, что 
уменьшает продолжительность контакта зуба долота с породой.
Таким образом, скорость вращения оказывает неодинаковое, 
но значительное влияние на скорость разрушения горных пород. 
Эффективность разрушения пород при бурении скважин главным 
образом зависит от механизма разрушения и создаваемых контакт-
ных давлений.

---