Введение к работе
Актуальность работы . Большая роль в расширении минерально-ірьевой базы страны принадлежит геологоразведочной службе , разве-ічному бурению на твёрдые полезные ископаемые . Объёмы геолого-ізведочного бурения с целью обеспечения необходимого прироста залов и добычи сырья для чёрной и цветной металлургии должны быть сличены в несколько раз . Повышение эффективности геологоразве-эчного бурения может быть обеспечено созданием математических мо-;лей , расширением использования современных средств вычислитель-зй техники для определения оптимальных режимов и времени отработки эродоразрушающего инструмента, а также для контроля и управления юцессом бурения.
Развитие методов анализа, синтеза, оптимизации и имитационного оделирования сложных систем даёт возможность широкого их внедре-\9і в практику буровых работ . В настоящее время большое значение эиобретает компьютеризация производства и технологических процесів, которая обуславливает наибольший эффект при относительно не-эльших затратах . Внедрение микропроцессорной техники и мини-ЭВМ эзволяет по-новому подойти к автоматизации и контролю протекания зхнологического процесса при проходке геологоразведочных скважин .
В этих условиях большое значение приобретает конкретизация мето-ов математического моделирования , анализа и синтеза при решении здач по определению параметров и режимов эксплуатации станков гео-огоразведочного бурения . Разработка методики расчёта параметров тематических моделей процесса бурения позволяет существенно со-оатить время определения статических и динамических характеристик бъекта , оценить область их применения , уменьшить время регулиро-ания , увеличить точность определения и поддержания оптимальных рентных параметров , сократить время на рысканье системы. Таким обра-ом повышается качество проектирования системы .
Комплексное решение задач, связанных с созданием математической юдели, системы сбора и обработки первичной информации и оптимиза-іией режима бурения, является крупной научной проблемой, имеющей іольшое народнохозяйственное значение.
Актуальность проблемы комплексного решения задач по разработке математической модели, оптимизации режимных параметров, создания ;истемы сбора и обработки первичной информации подтверждается пуб-іикациями в научно-технической литературе.
Работа выполнялась в соответствии с координационными планами Минвуза РСФСР, ГКНТ при СМ СССР, по созданию автоматизированной ;истемы управления процессом бурения геологоразведочных скважин, а 'акже планами исследований УГГГА (бывший Свердловский горный ин-
ститут им. В.В.Вахрушева) на основании хоздоговоров, выполняемы Уральской государственной горно - геологической академией по тема! 42-202-75 (№ГР 70040702) ; 42-204-79 ; 42-20184 (№ГР01840022806) ; 42 201-85 (№ГР 01850076756); 42-205-86 (№ГР01900245768)
Целью работы является повышение эффективности поисков разведки твердых полезных ископаемых посредством комплексной опті^ мизации параметров режима отработки породоразрушающего инструмеї-та при бурении геологоразведочных скважин.
Научная новизна состоит в создании общей математической моде ли процесса бурения геологоразведочных скважин, на основе, которо исследовались его общие свойства и зависимости показателей процесс бурения от режимных параметров и времени бурения, а также в разрг ботке методик определения характеристик объекта и значений режимны параметров, оптимальных по тому или иному показателю процесса буре ния.
Идея работы состоит в системном исследовании и оптимизации ре жимов работы станка геологоразведочного бурения на основании мате матической модели общего вида с учетом наложенных ограничений, спс соба бурения и горно-технологических условий.
Защищаемые научные положения и результаты-Положения:
Разработанная математическая модель процесса вращательног бурения геологоразведочных скважин общего вида, основными элемеь тами которой являются зависимости механической скорости бурения не затупленным породоразрушающим инструментом и функции износа с технологических параметров, свойств пары «породоразрушающий инс" румент - порода забоя» и времени чистого бурения, которая используе' ся для описания процесса бурения и его оптимизации .
Полученное уравнение оптимали, выражающее необходимые у( ловия экстремума основных показателей процесса вращательного буре ния, которое предлагается использовать для определения значений те: нологических параметров, оптимальных по тому или иному локазател эффективности .
Методика определения зависимости механической скорости бур< ния от времени, отличающаяся тем, что первоначально определяется х; рактер зависимости (показатель степени), а затем оптимальные параме' ры: коэффициент износа и начальное значение механической скорости .
Обоснование установленного экспериментально взаимного расп< ложения технологических параметров, принадлежащих уравнению опті мали и глобальнооптимальных по различным показателям процесса 6] рения скважин самозатачивающимся породоразрушающим инструмента)*
Графический способ установления наличия (или отсутствия) мак-иума проходки на один оборот породоразрушающего инструмента .
Полученные в общем виде выражения необходимых и достаточных ювий экстремума основных показателей процесса бурения геологораз-дочных скважин , которые предлагается использовать не только для оп-мизации , но и для сравнительной оценки качества породоразрушающе-инструмента .
Возможность компенсации отрицательного влияния регулярного ейфа статической характеристики объекта , вызванного износом (зату-ением) вооружения породоразрушающего инструмента , посредством равления процесса бурения в режиме переменных (во времени) значе-й технологических параметров .
Методики определения значений коэффициентов математической )дели , технологических параметров и времени чистого бурения , опти-шьных по любому показателю процесса отработки породоразрушающе-инструмента разного типа .
Результаты
Построена математическая модель процесса бурения геологоразведочных скважин общего вида с учётом наложенных на него ограничений, позволяющая имитировать на ЭВМ цикл отработки породоразрушающего инструмента при постоянных и переменных значениях режимных параметров .
На основании общей математической модели получен критерий , который может быть использован для проверки любой частной модели процесса бурения на адекватность и непротиворечивость; получена методика определения оптимальных ( по любому критерию) значений режимных параметров и времени отработки породоразрушающего инструмента; выполнен системный анализ большинства критериев оптимизации , предложенных к настоящему времени разными авторами . I. Исследован дрейф статической характеристики объекта , вызванный износом породоразрушающего инструмента ( регулярный дрейф) . Определены уравнения линии дрейфа статической характеристики объекта , а также показателя проходки на 1 оборот породоразрушающего инструмента (ПРИ). 5. Определены в общем виде достаточные условия экстремума основных показателей процесса бурения самозатачивающимся ПРИ ; установлено, что при отработке затупляющегося породоразрушающегося инструмента достаточные условия экстремума стоимости проходки 1 метра скважины и рейсовой скорости всегда выполняются ; достаточные условия экстремума проходки на ПРИ в этом случае также выполняются» если выполняются необходимые условия экстремума по времени чис-
того бурения, когда показатель степени в формуле Р.А. Бадалова n<1 , Получены методики определения оптимальных (по любому критерию] значений режимных параметров и времени чистого бурения.
Разработаны методики определения статических характеристик объекта (механической скорости в функции режимных параметров и времен чистого бурения); решен вопрос о лучшем представлении механической скорости как функции времени.
Разработаны структура и алгоритм функционирования автоматизиро-ванной микропроцессорной системы управления процессом бурениу геологоразведочных скважин по любому известному критерию оптимизации при отработке как затупляющегося, так и самозатачивающегосу ПРИ.
Научная значимость результатов работы заключается в создании теоретической основы для установления адекватности и непротиворечивости любой конкретной математической модели процесса бурения геологоразведочной скважины, а также в определении взаимосвязей технологических параметров с основными показателями процесса бурени; глубоких скважин в общем виде, что позволяет решить научную пробле му оптимизации параметров режима бурения различным ПРИ с цельк повышения эффективности процесса проходки геологоразведочны) скважин.
Обоснованность и достоверность научных положений, выво дов и рекомендаций подтверждается использованием классических ме тодов решения задач оптимизации показателей процесса бурения, срав нением результатов моделирования с данными промышленных экспери ментов и с результатами работы автоматизированной микропроцессор ной системы измерения, контроля и документирования основных показа телей работы бурового станка в условиях геологоразведочной партии, г также с результатами экспериментов и выводов, сделанных другими ис следователями.
Практическая ценность работы. Создана математическая моделі процесса бурения геологоразведочных скважин самозатачивающимся і затупляющимся ПРИ общего вида , применение которой сокращает вре мя определения оптимальных режимов , обеспечивает возможность по лучения статической. характеристики , определяющей свойства парь "ПРИ- порода забоя скважины".
На основе теоретических исследований разработаны инженерны* методы определения режимных параметров работы бурового станка в за данных горно-технологических условиях, оптимальных по тому или ином; показателю процесса бурения (рейсовой скорости, стоимости проходки ' метра скважины, проходки на ПРИ).
Исследован регулярный дрейф статической характеристики объекта, бусловленный износом ПРИ; определены соотношения между опти-іальньїми значениями параметров режима бурения; выявлена роль огра-ичений, наложенных на процесс бурения скважин различными типами урового инструмента, на возможность оптимизации процесса бурения по ому или иному показателю.
Разработана алгоритмическая система сбора и обработки экспери-іентальньїх данных по результатам отработки ПРИ, позволяющая опре-(елить статическую характеристику объекта в области допустимых значе-іий параметров функционирования бурового станка, а также оптималь-іьіе значения режимных параметров и времени чистого бурения в зави-;имости от конкретных горно-технологических условий, свойств пород и лубины скважины.
Реализация результатов работы. Результаты работы представлены в форме, удобной для практического использования, доведены до инженерных зависимостей и программ для ЭВМ. На основе результатов исследований изготовлены экспериментальные образцы различного рода устройств автоматизации процесса бурения . Цифровое устройство для экстремального регулятора , стабилизатор нагрузки и датчик механической скорости бурения прошли экспериментальную проверку в условиях бурения взрывных скважин на карьерах Бакальского рудоуправления и завода «Магнезит» . Регулятор мощности , экстремальная система регулирования процесса бурения глубоких скважин с переменной структурой и датчик механической скорости проходки , не чувствительный к вибрации буровой колонны , испытаны в условиях Степной экспедиции первого главного геологоразведочного управления . Плавнорегулируемый привод усилия подачи на забой скважины испытан на станках , серийно выпускаемых машиностроительным заводом им. Воровского
Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы в промышленности составляет в ценах 1985 г. 445 тыс. руб.
Теоретические результаты работы (математическая модель , алгоритм функционирования автоматизированной микропроцессорной системы) используются в курсах лекций и в дипломном проектировании .
Апробация работы .Основные положения диссертационной работы докладывались : на совещании представителей производственных геологических и научно-исследовательских организаций по развитию работ є области автоматизации процесса разведочного бурения (г. Челябинск, 1969г.) ; на научно-технической конференции по проблемам тиристорного управляемого асинхронного электропривода (г. Свердловск 1971г.) ; на Всесоюзной научно-технической конференции по автоматизации производственных процессов в асбестовой промышленности (г. Асбест, 1971 г.) ; на Всесоюзном совещании по автоматизации нефтедобьь
вающей , нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленное (г. Баку, 1971 г.) ; на Всесоюзной научно-технической конференщ' "Разрушение горных пород при бурении скважин" (г. Уфа, 1973 г.) ; е Всесоюзном научно-исследовательском институте методики и техн№ разведки ( ВИТР ) ( г. Ленинград, 1982 г.) ; на научно-технической конфі ренции " Современное состояние и перспективы развития бурового об< рудования нового типа " (г. Челябинск, 1988 г.); на 5 научно-техническс конференции " Разрушение горных пород при бурении скважин " (г. Уф. 1990 г.); на научно-технических конференциях Уральской государственнс горно - геологической академии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 работы, в том числе 5 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения четырёх глав и заключения , изложенных на 350 страницах машинописні го текста , содержит 28 рисунков и 22 таблицы , список литературы \ 205 наименований и приложения.
