Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и направления совершенствования технологии бурения на карьерах. задачи и методы исследования 12
1.1. Состояние, тенденции и проблемы развития буровой техники и технологии на открытых горных работах 13
1.2. Резюме. Задачи и методы исследования 35
Глава 2. Исследование основных факторов и критериев оценки эффективности технологического процесса шарошечного бурения на карьерах 38
2.1. Анализ структуры и критериев оценки эффективности функционирования технологической системы «горная порода -буровой инструмент - буровой станок» 39
2.2. Анализ технико-экономических показателей шарошечного бурения на карьерах с учетом влияния крепости горных пород 49
Выводы 73
Глава 3. Математическое моделирование и определение оптимальных параметров функционирования системы «горная порода - буровой инструмент -буровой станок» в условиях карьера 75
3.1. Оценка методических подходов к разработке математических моделей процесса бурения 75
3.2. Обоснование и выбор математических моделей базовых технологических зависимостей натурного процесса шарошечного бурения 77
3.3. Математические модели и решения по выбору рациональных типов долот и прогнозирование оптимальных технико-экономических показателей процесса бурения в условиях карьера 91
Выводы 96
Глава 4. Совершенствование технологии и средств очистки скважин при шарошечном бурении в условиях карьера 98
4.1. Вопросы теории и особенности технологии очистки скважин с использованием энергии сжатого воздуха 98
4.2. Теоретические предпосылки создания и сущность пневмо-эжекционного способа очистки скважин 107
4.3. Особенности и технические преимущества устройств для бурения с пневмо-эжекционной очисткой скважин 115
4.4. Опытно-промышленные испытания и определение технико-экономических показателей пневмо-эжекционной очистки взрывных скважин 122
Выводы 133
Глава 5. Оценка режимов и систематизация методов оптимизации процесса бурения в условиях карьера ... 135
5.1. Оценка режимных параметров разрушения горных пород
при шарошечном бурении в условиях карьера 136
5.2. Влияние особенностей специализированных шарошечных долг на выбор рациональных параметров и эффективность процесса бурения... 145
5.3. Обобщенная методическая схема оптимизации технологическогопроцесса бурения в условиях карьера 150
В ывод ы 156
Заключение 158
Библиографический список
- Резюме. Задачи и методы исследования
- Анализ технико-экономических показателей шарошечного бурения на карьерах с учетом влияния крепости горных пород
- Обоснование и выбор математических моделей базовых технологических зависимостей натурного процесса шарошечного бурения
- Теоретические предпосылки создания и сущность пневмо-эжекционного способа очистки скважин
Введение к работе
Актуальность и направленность работы. Первоочередным, весьма трудоемким и дорогостоящим производственным процессом на карьерах является высокомеханизированное бурение взрывных скважин, осуществляемое с использованием преимущественно шарошечных долот (более 85 % от всех объемов). На карьерах черной и цветной металлургии, в том числе на карьерах ОАО «Ачинский глиноземный комбинат», являющегося крупнейшим поставщиком глиноземного сырья, скважины бурят почти исключительно станками семейства СБШ-250-270 различных модификаций.
За последние годы экономические условия горного производства резко усложнились, производительность станков стабилизировалась, происходит непрерывное увеличение затрат на бурение, которые в крепких породах достигают 30-35 % от общих затрат на производство горных работ.
К снижению экономичности бурения привела совокупность таких факторов, как значительное удорожание сложных шарошечных долот (ЩД) и станков, рост тарифов на электроэнергию, нестабильность качества ЩД. Ослаблено было также внимание к правильному выбору типов и режимов эксплуатации буровых долот, на которые приходятся основные (до 65-70 %) расходы на бурение.
Имеют место высокие затраты на электроэнергию, главным образом, из-за несовершенства систем пневматической очистки скважин, в которых за всю историю применения станков СБШ принципиальных изменений не произошло. С проблемой оптимизации систем очистки скважин связано также отсутствие отработанной технологии проходки скважин в аномальных гидрогеологических условиях (закарстованные и глинистые зоны), которые характерны для отдельных участков карьеров ОАО «АГК» и других. Положение усугубляется тенденцией к приобретению не всегда выгодных, весьма дорогих зарубежных ШД, а также ростом масштабов применения долот увеличенного диаметра (250-270 мм против 160-216 мм), стоимость и энергоемкость которых возрастает в 1,5-2 раза.
В настоящее время, в обстановке эволюционного изменения качества и параметров буровых станков и долот, основным резервом повышения эффективности буровых работ является оптимизация процесса бурения непосредственно на карьерах. Только путем экспериментов на буровых станках могут быть получены адекватные технологические зависимости для определения оптимальных параметров процесса бурения, обеспечивающих существенное повышение производительности и экономичности буровых работ.
Таким образом, проведение исследований, направленных на обоснование и выбор рациональных параметров процесса шарошечного бурения непосредственно в условиях действующего карьера, является актуальной научной задачей.
Объект исследования - техника и технология бурения на карьерах.
Предмет исследования - технологический процесс бурения в условиях производства.
Диссертация основана на материалах и результатах исследований, проведенных с участием автора в течение 1999-2005 гг. на кафедре «Горные машины и комплексы» ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ» по научно-техническим программам Минобразования РФ («Разработка перспективных способов и устройств для бурения крепких пород», 1999 г.), НТП («Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2003-2004 гг.), заказчик: Минобразования и науки РФ (№ гос. регистрации 01200309829) и по прямым договорам с ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» и ООО «Черногорская угольная компания» (№ 852/00,2000-2002 гг.; № М-04-01, 2004 г.).
Целью диссертационной работы является повышение производительности и экономичности буровых работ за счет установления рациональных параметров технологического процесса бурения непосредственно в условиях карьера.
Основная идея работы состоит в максимальной адаптации математической модели системы «горная порода - буровое долото - буровой станок» к горно-геологическим и горнотехническим условиям действующего горнодобывающего предприятия.
Основными задачами исследований являются:
оценка современного состояния буровой техники и технологии и определение приоритетных направлений совершенствования технологического процесса бурения на карьерах;
исследование основных факторов и критериев оценки эффективности процесса бурения взрывных скважин для построения целевой функции;
обоснование выбора математических моделей процессов, происходящих в натурной системе «горная порода - буровой инструмент - буровой станок» и разработка алгоритмов оптимизации процесса бурения в условиях карьера;
разработка способов и средств совершенствования процесса очистки скважин с учетом особенностей бурения в осложненных гидрогеологических условиях;
разработка инженерных методик выбора в условиях карьера рациональных режимов бурения, типов шарошечных долот и прогнозирования оптимальных параметров и показателей процесса бурения.
Методы исследований: анализ и обобщение опубликованных теоретических разработок, а также производственных данных по применению и испытаниям средств бурения отечественного и зарубежного производства; проведение производственных экспериментов на буровых станках СБШ-250МНА и РД-10 для получения характеристик процесса бурения; лабораторный эксперимент; математическое моделирование натурного процесса шарошечного бурения; технико-экономический анализ; обработка, анализ и обобщение экспери-
ментальных данных с помощью методов математического анализа, математической статистики и графоаналитических методов, расчетов на ЭВМ и другие (с использованием компьютерных программ в системе STATISTICA-StatSoft). Основные научные положения, представленные к защите:
-
Вследствие квадратичной зависимости удельных затрат на бурение от коэффициента крепости пород и преобладания расходов на ШД основным источником повышения эффективности функционирования всей буровой системы «горная порода - буровое долото - буровой станок» является выбор типа долота и параметров его отработки в соответствии с физико-механическими свойствами пород конкретного месторождения.
-
В условиях карьера оптимизацию процесса шарошечного бурения целесообразно осуществлять на основе базовой технологической зависимости механической скорости бурения от текущей проходки долота с экспериментальным определением показателя интенсивности износа долота в натурных условиях. Оптимальный процесс бурения достигается в области объемного разрушения пород при соответствии соотношения скорости бурения и стойкости долота минимуму удельных затрат на бурение.
-
При использовании на станках СБШ нового пневмо-эжекциошюго способа очистки скважин достигается существенное снижение энергоемкости и увеличение скорости бурения как сухих, так и закарстованных массивов за счет искусственного создания винтообразного движения шлама в затрубном пространстве скважины и более интенсивного и безвозвратного удаления выбуренной породы из призабойной зоны. По сравнению с пневмоочисткой обеспечивается возможность повышения скорости бурения и снижения необходимой энергии в 1,2-1,3 раза.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются следующим: сочетанием теоретических исследований, экспериментов на буровых станках и опытно-промышленных испытаний различных ШД, новых способов и устройств очистки скважин, проведенными на карьерах ОАО «АГК» и разрезе «Черногорский»; применением апробированных методов идентификации процессов бурения и построения математических моделей базовых технологических зависимостей; удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования с опытными данными и результатами экспериментов в производственных условиях (с точностью до 10-15 %). Использованные в расчетах корреляционные зависимости соответствуют преимущественно II классу стабильности (точности) горнотехнических показателей и расчетов (коэффициент вариации 10-20 и < 10 %), считающиеся в горном деле «практически точными».
Научная новизна работы состоит в следующем:
в обосновании целесообразности использования экспериментально-аналитической зависимости скорости бурения от текущей проходки шарошечного долота в качестве базовой для оценки эффективности разрушения горных пород и интенсивности износа бурового инструмента при промышленном бурении взрывных скважин;
в обосновании принципа соответствия соотношения механической скорости шарошечного бурения и стойкости ШД минимуму удельных затрат на бурение в качестве основного для оптимизации процесса бурения в реальных условиях проходки скважин;
в совершенствовании экономико-математической модели функционирования технологической системы «горная порода - буровой инструмент -буровой станок», отображающей закономерности физических процессов разрушения породы и износа долота в скважине, их взаимосвязь с технико-технологическими параметрами и условиями эксплуатации средств бурения;
разработке нового пневмо-эжекционного способа очистки скважин и выяснении его технологических особенностей и эффективности;
установлении квадратичной зависимости удельных затрат на бурение от коэффициента крепости горных пород;
разработке алгоритмов выбора рациональных типов шарошечных долот и определения оптимальной их стойкости и продолжительности работы в натурных условиях.
Практическая полезность исследования состоит в разработке:
методики выбора рациональных типов шарошечных долот и параметров технологического процесса бурения в условиях действующих карьеров;
методики оценки ресурса и эффективности специализированных ШД;
пневмоэжекционного способа и устройства очистки скважин (патент № 2281378 РФ от 10.08.2006 г.), значительно улучшающих технико-экономические показатели работы буровых станков типа СБШ и расширяющих их технологические возможности, включая бурение в осложненных гидрогеологических условиях;
новых моделей специализированных буровых долот (патенты № 2257457 РФ, № 2264521 РФ и № 2250344 РФ), повышающих эффективность бурения скважин в сложноструктурных породных массивах и в закар-стованных зонах;
методики экспериментального определения параметров базовых технологических зависимостей на буровых станках.
Реализация результатов работы. Научные разработки и рекомендации работы осваиваются на карьерах ОАО «АГК», в частности:
методические рекомендации используются при выборе рациональных типов долот, что позволило определить модели ШД типа 244,5ТКЗ-ПВ и 250,8ТКЗ-ПВ в качестве основных для Мазульского карьера, обеспечивающих экономический эффект более 1,5 млн руб. в год;
пневмо-эжекционный способ очистки скважин с устройством ШПЭ-244,5 испытан на станках СБШ-250МНА в различных горно-геологических условиях на Мазульском карьере. Его применение в сравнении с пневматической очисткой повышает скорость бурения на 14-33 %, снижает расход электроэнергии на 16-32 %, что позволяет получить годовой экономический эффект по карьеру более 4 млн руб.
испытаны и намечены к реализации высокоскоростные долота ДЗДШ-244,5-У, применение которых в сочетании с пневмо-эжекционной очисткой скважин при бурении на участках с осложненными гидрогеологическими условиями позволяет получить годовой экономический эффект более 3 млн руб.
использование принципа разборности ШД характеризуется снижением удельных затрат на бурение в условиях карьеров ОАО «АГК» на 15-20 %.
В учебном процессе материалы исследования используются при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных работ. Стенд «пневмо-эжекци-онный способ очистки скважин» применяется в научно-исследовательских работах студентов и аспирантов. Разработанные новые технические решения по конструкциям ПІД являются предметом НИР студентов и аспирантов.
Личный вклад соискателя в работу состоит: в сборе и анализе информации о показателях бурения на различных карьерах; проведении экспериментов на буровых станках; выборе базовых технологических зависимостей и методов определения их параметров; в математическом моделировании процесса бурения; проектировании элементов новых моделей специализированных ШД; в разработке, испытаниях и выяснении особенностей и эффективности пневмо-эжекционного способа очистки скважин.
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее результаты представлялись, докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Красноярск, 2005 г.); на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2005 г.); на совещаниях ОАО «АГК» (Ачинск, 2004 г.); на научных заседаниях кафедры ГМиК «ГУЦМиЗ» (Красноярск, 2005, 2006 гг.); на межвузовской научно-практической конференции «Инновационные процессы в современном образовании России как важнейшая предпосылка социально-экономического развития общества» (Красноярск 2006 г.); на научно-практической конференции «Игошинские чтения» (Иркутск, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Ряд аспектов освещен в двух монографиях, восьми статьях (3 из них в центральных технических журналах) и четырех патентах на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 177 страниц машинописного текста, включая 42 рисунка, 30 таблиц и библиографический список из 115 наименований.
Резюме. Задачи и методы исследования
В настоящее время при переходе производства на рыночные принципы хозяйствования произошло кризисное удорожание буровых работ на карьерах, особенно в цветной и черной металлургии. В связи с этим проблема повышения эффективности техники и технологии шарошечного бурения на открытых горных разработках страны приобрела важнейшее хозяйственное значение. Для ее решения можно выделить следующие неравнозначные основные направления:
1. Совершенствование конструкций буровых станков с целью повышения их надежности, оснащения САУ и бортовыми ЭВМ, развития модульной комплектации на основе базовых моделей с тем, чтобы параметры модификаций БС позволяли эффективно использовать различные виды БИ и способы очистки скважин, максимально соответствующие конкретным условиям применения.
2. Совершенствование и создание новых скоростных и износостойких конструкций буровых инструментов для ряда типизированных горно-геологических и технологических условий карьеров.
3. Совершенствование организации управления буровыми работами и форм сервисного технического обслуживания БС на крупных карьерах, внедре ниє систем диспетчерского телеконтроля работы БС, перевод БС на обслуживание одним оператором и т.д.
4. Оптимизация технологического процесса бурения скважин непосредственно в промышленных условиях действующих карьеров.
Два первых направления осуществляются вне карьеров, отличаются эво-люционностью развития и являются предметом в основном конструкторских разработок на фирмах-изготовителях БС и ШД. Что касается третьего направления, то буровые станки типа СБШ технически и организационно освоены на карьерах достаточно полно.
Центральным в буровой системе «горная порода - буровой инструмент -буровой станок» является технологический процесс бурения, так как в нем интегрируется взаимодействие главных элементов, определяющих производительность и себестоимость проходки скважин. К таким элементам относятся свойства пород, типомодель (конструкция и качество) бурового долота и параметры его силового разрушающего воздействия на забой с учетом степени очистки скважины от шлама.
Анализ практических данных буровых работ свидетельствует о больших экономических потерях, которые имеют место на карьерах из-за значительного отставания существующей практики в применении научных методов оптимизации процессов производства. Отставание объясняется не только субъективными причинами, но и тем обстоятельством, что при существующем уровне знаний оптимизировать процесс бурения скважин возможно только на основе экспериментального определения параметров базовых технологических зависимостей на действующем объекте в конкретных горно-геологических условиях. Необходимость такого подхода подтверждается самыми последними исследованиями в области разрушения горных пород при их бурении, экскавации и взрывании [29-31]. Сказанное подтверждает актуальность технологических исследований в производственных условиях карьеров, на уровне которых, в конечном счете, реализуются все новшества буровой техники и технологии.
Таким образом, выделяется актуальная научная задача обоснования и выбора рациональных параметров процесса шарошечного бурения непосредственно в условиях действующего карьера. Для ее решения формируются следующие задачи данной работы: оценка современного состояния буровой техники и технологии и определение приоритетных направлений совершенствования процесса бурения на карьерах;
исследование основных факторов и критериев оценки эффективности процесса бурения взрывных скважин для построения целевой функции;
обоснование выбора математических моделей процессов, происходящих в натурной системе «горная порода - буровой инструмент - буровой станок», и разработка алгоритмов оптимизации процесса бурения в условиях карьера;
разработка способов и средств совершенствования процесса очистки скважин с учетом особенностей бурения в осложненных гидрогеологических условиях;
разработка инженерных методик выбора в условиях карьера рациональных режимов бурения, типов шарошечных долот и прогнозирования оптимальных параметров и показателей процесса бурения.
Для решения поставленных задач в работе использовалось сочетание различных методов исследования, в том числе: научный анализ и обобщение опубликованных в литературе теоретических разработок и патентных материалов; технико-экономический анализ производственных данных по эксплуатации бурового оборудования на карьерах, включая карьеры ОАО «АГК»; эксперименты непосредственно в промышленных условиях (на массивах горных пород) на буровых станках СБШ-250МНА и РД-10, с применением для описания закономерностей натурного процесса бурения методов математического анализа, метода смещенных гипербол, методов математической статистики и других; математическое моделирование технологической системы «забой скважины - буровой инструмент - буровой станок», с отражением в модели как физических закономерностей разрушения пород и износа долота, так и основных технико-экономические связей и конструктивно-технологических параметров системы; опытно-промышленные испытания разработанных объектов и технологий; наблюдения за отработкой породоразрушающих инструментов на буровых станках; при обработке экспериментальных данных использовались методы корреляционного анализа, графо-аналитические, наименьших квадратов, расчеты на ЭВМ и др.
Анализ технико-экономических показателей шарошечного бурения на карьерах с учетом влияния крепости горных пород
Как было отмечено, к анализу привлекаются промышленные данные по десяткам карьеров и более подробно по карьерам ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» (АГК), на которых выполнялись экспериментальные исследования.
ОАО «АГК» является одним из крупнейших в России поставщиков глинозема - сырья для производства алюминия. В последние годы, в связи с рос том цен на оборудование, материалы, инструменты и услуги, резко повысились затраты производства, в связи с чем вопросы снижения издержек производства являются весьма актуальными. Значительную долю затрат (до 20 %) в себестоимости добычи известняка на предприятии составляют расходы на буровзрывные работы [22].
Комбинат имеет два карьера: Мазульский известняковый рудник (карьер) и Кия-Шалтырский нефелиновый рудник (карьер). По мощности и технологическим комплексам карьеры АГК сходны со многими отечественными и зарубежными (например, карьер «Эрденет» в Монголии) горнорудными карьерами. Выемочно-погрузочно-транспортные работы построены на технологической моносхеме «Экскаватор ЭКГ-автосамосвал». Подготовка горных пород к выемке осуществляется с использованием буровзрывного рыхления, методом скважин-ных зарядов скважинами диаметром 250 м м. На обоих карьерах для бурения взрывных скважин применяются однотипные буровые станки СБШ-250МНА общей численностью 15 единиц.
В первую очередь важно исследовать практические данные о влиянии свойств горных пород на показатели забойного процесса бурения (V и д) и закономерности изменения критериев оптимизации буровой системы.
Принципиальное значение имеет вопрос о методе оценки сопротивляемости пород разрушению. В работах [33-35 и др.] доказано, что для количественной оценки свойств горных пород в инженерных расчетах необходимо применять интегральные показатели, отражающие тесную и непосредственную связь между технологией и объектом разрушения. Наибольшим подобием технологическому процессу бурения обладает метод определения контактной прочности Рк горной породы [27, 33]. Однако в практике карьеров и в подавляющем большинстве литературных источников одним из наиболее распространенных интегральных показателей сопротивляемости пород разрушению является простой, удобный и универсальный коэффициент крепости /, предложенный проф. М.М. Протодьяконовым. Часто используют показатель прочности породы при бурении обур, показатель трудности бурения Пб (по В.В. Ржевскому) и другие [36, 37]. Эти показатели имеют тесные корреляционные связи: РК = Ы?Ж, (2.15) /= W" , (2.16) =055(аСЛС + ас/с), (2.17) где асж - предел прочности породы при одноосном сжатии, МПа; 5СК - предел прочности породы при сколе, МПа.
На Мазульском карьере продуктивная толща слагается следующими породами: известняки кондиционные - 71,1 %, известняки некондиционные - 20,1 %, дайки - 8,1 %, карст - 0,7 %. Известняки представлены в основном мономинеральными разностями, реже содержат кварц, глинистые материалы, углистое графитизированное вещество.
Внутренне строение известнякового массива осложнено наличием дай-кообразных тел порфиритов и диабазов, продуктов карстообразования и брекчий на интрузивном, кальцитовом и смешанном цементе, с которыми связано повышенное содержание Si02 и S03. Средние показатели прочности пород, естественно, меняются, зависят от времени и глубины разработки. Свойства горных пород карьера (в период до 2000 г.) приведены в табл. 2.1.
Основная продуктивная порода - известняк имеет (по данным карьера) среднюю плотность 2,69 г/см , предел прочности при сжатии (в сухом состоянии) от 76,5 до 134,1 в среднем 108,9 МПа, в водонасыщенном состоянии от 41,8 до 127,1 в среднем 85,3 МПа; предел прочности при растяжении от 3 до 16,3 в среднем 8 МПа.
Породы даек (диабазы, порфириты) имеют плотность 2,77 г/см3, их прочность на сжатие в среднем составляет 81,6, достигая 176,1 МПа, а прочность при растяжении в среднем 3,3, достигая 5,6 МПа.
Обоснование и выбор математических моделей базовых технологических зависимостей натурного процесса шарошечного бурения
Для построения экономико-математической модели S -критерия центральное значение имеет базовая технологическая зависимость, отражающая закономерность протекания забойного процесса взаимодействия ШД с горной породой, характеризуемого показателями скорости бурения V и проходки долота I. Последние органически взаимосвязаны, так как при бурении одновре менно происходит разрушение породы и изнашивание долота. Эти физические процессы, точнее непрерывно изменяющееся соотношение показателей V и , в сочетании с экономическими затратами на бурение оказывают основное влияние на уровень S-критерия и обуславливает его экстремальные (оптимальные) значения.
Объективную картину взаимосвязи скорости разрушения горных пород и интенсивности изнашивания ШД дает зависимость текущей проходки долота і от времени бурения t. Графики зависимости i(t) в теории бурения получили название кривых бурения или кривых проходки.
Определение конкретного вида функции (t) и связанной с ней функции V{t) является важной задачей в теории бурения. Большинство исследователей (B.C. Фёдоров, B.C. Владиславлев, К.А. Чефранов и др.) для изнашивающихся буровых долот заранее задаются экспоненциальным законом падения механической скорости V бурения в процессе работы долота в виде /if = V=VQe vt, (3.4) at где У0 -начальная механическая скорость бурения новым (незатупленным) долотом; /-время чистого бурения; ф - коэффициент (декремент) интенсивности падения скорости бурения во времени вследствие изнашивания долота.
Параметр ф характеризует тип и качество породоразрушающего инструмента и физико-механические свойства породы при воздействии определённого режима, включая степень очистки скважины. Уравнение (3.4) является одним из промежуточных решений известного дифференциального уравнения, предложенного Р.А. Бадаловым [90]. На основании (3.4) функция i(t) аппроксимируется выражением (і)=\УА=\Уіїґ Ь = -(\-е- ). (3.5) 0 0 т Использовать формулу (3.5) бывает неудобно и сложно. Предложен ряд других формул для функций t(t) и V{t), как правило, степенных с трудно опре деляемыми эмпирическими коэффициентами и имеющих узкую область использования. В области бурения взрывных шпуров и скважин функцию l(t) чаще всего выражают уравнением в показательной форме = аґ. (3.6)
Построение этого уравнения по опытным данным выполняют путём искусственного спрямления зависимости с помощью двойной логарифмической сетки. Показатель степени в полученном уравнении параболы обычно получается дробным. Формула эта не имеет размерности и физического смысла. Использование ПЭВМ, облегчая трудоёмкие операции, не устраняет отмеченные недостатки.
Проф. М.М. Протодьяконов (младший) установил, что при бурении резанием шпуров и скважин твердосплавными коронками зависимости (t) и V{t) носят асимптотический характер и хорошо описываются уравнением смещенных гипербол вида (0 = — - -, (3-7) t + t0 где VK - конечная скорость бурения; 0 - начальная ордината наклонной асимптоты; /0 - постоянная времени бурения (по определению М.М. Протодьяконова).
Обработка нами экспериментальных данных по методу смещенных гипербол показала, что процесс бурения современными ШД (как классического типа, так и с зубчато-дисковыми шарошками) можно аппроксимировать частным видом уравнения (3.7) (t) = T/{t + t0), (3.8) где т -теоретическая максимальная проходка долота.
Теоретические предпосылки создания и сущность пневмо-эжекционного способа очистки скважин
Применительно к пневмо-эжекционной очистке скважин можно говорить об особом буровом снаряде, содержащем кроме става обычных трубчатых штанг шнеко-пневматический эвакуатор и специализированное шарошечное долото.
Выше описан (рис. 4.4) наиболее простой и успешно испытанный на Ма-зульском карьере вариант ШПЭ. В проектном варианте, защищенном патентами ГУЦМиЗ и подробно описанном в [109], конструкция ШПЭ дополнена ме ханизмом управления, с помощью которого в процессе бурения осуществляется регулирование параметров сжатого воздуха и концентрации воздушно-шламового потока в скважине.
В буровом снаряде используется разработанное в ГУЦМиЗ ШД разборной конструкции [58], схема которого представлена на рис. 4.6. часть забоя
В отличие от известных буровых долот отсутствие больших открытых межсекционных пространств обусловливает повышенное избыточное давление сжатого воздуха в торцевой выемке долота, поэтому каналы 5 обеспечивают создание дополнительного потока Е, направленного под углом а к оси долота в сторону вращения долота.
Этот поток эжектирует призабойную зону скважины, суммируется потоком воздуха К, поднимающимся от забоя, увеличивает скорость восходящего общего потока И в призабойной зоне, активизирует удаление буровой мелочи в периферийной части забоя 7, препятствует возвращению буровой мелочи на забой и образованию «сальников». Косая направленность дополнительных воздушных струй под углом а к оси долота создает при вращении долота спиральный поток с большой скоростью вдоль штанги, который улучшает процесс эвакуации буровой мелочи из скважины. В снаряде могут использоваться другие долота. Буровой став (рис. 4.7) также содержит гладкоствольные штанги 1, из которых концевая штанга соединена со шнековым пневмо-эжекционным эвакуатором 2 (рис. 4,7), Гладкоствольные штанги 1 со стенкой скважины 3 образуют затрубную зону I—II, а шнековый пневмо-эжекционный эвакуатор 2 (ШПЭ) со стенкой скважины 3 - шнековую зону ІІ-ІІІ. На ШПЭ установлены верхний конус 4 и нижний конус 5, которые со стенками скважины 3 образуют, соответственно, конфузорный (в области сечения II—II) и диффузорный участки (в области сечения Ш-Ш). (рис. 4.7, а). В верхнем конусе 4 ШПЭ установлен механизм управления, содержащий подвижный клапан 10, расположенный непосредственно под эжек-ционными каналами 11. ШПЭ содержит спираль 14, витки которой расположены под острым углом к горизонтальной плоскости. Механизм управления в ШПЭ достаточно подробно исследован и описан проф. А.В. Гилевым [8], поэтому ограничимся кратким рассмотрением особенностей работы этого механизма.
Сжатый воздух с расходом FK от компрессора бурового станка подается через центральный канал 7 гладкоствольной штанги 1 в верхний конус 4 ШПЭ (рис. 4.7, а), где распределяется на два потока с расходами F\ и F2 с помощью подвижного клапана 10 (рис. 4.7, б).
Один поток воздуха с расходом \ , отражаясь от конусной части подвижного клапана 10, поступает через эжекционные каналы И и насадки (на рис. не показаны) в затрубную зону I—II. Другой поток воздуха с расходом F2 поступает на забой скважины (сечение IV-IV, рис. 4.7, а).
В призабойной зоне III—IV скважины воздух с расходом F2 поднимает буровой шлам и подает его на первый виток ШПЭ. Далее воздушно-шламовый поток перемещается вверх по межвитковому пространству ШПЭ. В шнековой зоне скважины эвакуация бурового шлама, таким образом, происходит комбинированно: за счет потока сжатого воздуха, создающего силу давления, действующую на частицы бурового шлама, и за счет сил трения этих частиц о витки спирали 14 и стенку скважины 3.
Поток сжатого воздуха с расходом Fi при выходе с большой скоростью из эжекционных каналов 11 и насадок ШПЭ поступает в конфузорный участок, образуемый верхним конусом 4 и стенкой скважины 3, где давление воздуха за счет увеличения его скорости оказывается ниже давления воздушно-шламового потока, поступающего из шнековой зоны П-Ш.
В эжекционное сечение ІІ-П устремляется воздушно-шламовый поток, скорость которого при этом увеличивается, растет порозность шламового слоя и снижается концентрация твердой фазы (шлама). Далее, в затрубной зоне I—II до устья скважины, эвакуация шлама осуществляется энергией объединенных потоков сжатого воздуха с расходом FK= F\ + F2. Для обеспечения устойчивого режима шламоудаления обеспечивается равенство F\ = Fj- 0,5FK за счет равенства площадей сечений эжекционных каналов ШПЭ и долота.
При нарушении устойчивого режима эвакуации бурового шлама из скважины (например, при увеличении скорости проходки скважины во встретившихся прослойках пород с небольшим коэффициентом крепости) повысится стесненность его движения, и расход сжатого воздуха на выходе из долота 6 снизится. В результате этого в центральном канале 19 ШПЭ, а следовательно, в области Ж (рис. 4.7, б) давление воздуха возрастет по сравнению с давлением в области Е и поднимет клапан вверх.
В этом случае включается в работу механизм управления: подвижный клапан перекрывает часть площади сечений эжекционных каналов, что приводит к снижению расхода воздуха, поступающего в конфузорный участок, на величину AF. Вместе с этим при подъеме подвижного клапана увеличивается ширина проходных каналов. В этом случае происходит перераспределение расходов F\ и F2 потоков сжатого воздуха. В зону забоя поступает воздух с расходом Fi Fi + AF, который увеличит скорость воздушно-шламового потока в приза-бойной и шнековой зонах и стабилизирует режим эвакуации бурового шлама, снижая уровень стесненности движения за счет увеличения порозности шламового слоя и уменьшения объемной концентрации. Давление в надцолотной части и центральном канале ШПЭ понижается, подвижный клапан увеличивает сечение эжекционных каналов. Это приводит к выравниванию расходов F\ и F2 потоков сжатого воздуха и их давлений в областях Е и Ж и обеспечивает устойчивый режим эвакуации шлама.
Параметры ШПЭ, такие как угол подъема спирали, шаг спирали, диаметр шнека и диаметр вала, устанавливают с учетом работы [11] из условия обеспечения максимальной скорости потока сжатого воздуха в шнековой зоне скважины.
