Обоснование параметров буровой установки для виброшнекового бурения Ковязин Роман Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 10

1.1. Области применения шнекового бурения 10

1.2. Обзор исследований в области шнекового бурения 30

1.3. Постановка задач исследований 50

ГЛАВА 2. Выбор энергосберегающей технологии и оборудования для бурения шнеками 55

2.1. Анализ энергопотребления по основным операциям технологического цикла шнекового бурения 55

2.2. Анализ путей снижения энергопотребления 74

2.3. Теоретическое исследование процесса транспортирования породы по шнеку с наложением вибрации 83

2.4. Обзор конструкций механизмов для реализации технологий и выбор рациональной конструкции 85

2.5. Выводы 96

ГЛАВА 3. Исследование процесса виброшнекового бурения

3.1. Выбор методики исследований 99

3.2. Исследования в производственных условиях 126

3.3. Оценка степени сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований 137

3.4. Выводы 138

ГЛАВА 4. Разработка методики выбора конструкции буровой установки и устройств для шнекового бурения с вибрацией 140

4.1. Приоритетные факторы при выборе буровой установки для виброшнекового бурения 140

4.2. Приоритетные факторы при выборе бурового инструмента для виброшнекового бурения 144

4.3. Рекомендации по совершенствованию бурового оборудования и инструмента для виброшнекового бурения 147

4.04. Выводы 154

Заключение 155

Список литературы 157

• Обзор исследований в области шнекового бурения
• Теоретическое исследование процесса транспортирования породы по шнеку с наложением вибрации
• Оценка степени сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований
• Рекомендации по совершенствованию бурового оборудования и инструмента для виброшнекового бурения

Введение к работе

Актуальность темы исследований

Территория РФ характеризуется большим количеством ресурсов, в том
числе запасами полезных ископаемых (ПИ). Разведка, добыча и переработка
ПИ практически всегда связана с бурением скважин. Бурение скважин
предполагает: разнообразие типов и размеров (глубин и диаметров) скважин,
их назначения и условий бурения, требующих применения различных способов
бурения; необходимость повышения эффективности буровых работ при
разведке ПИ и строительстве горнодобывающих предприятий в отдаленных и
труднодоступных районах, часто – по слабонесущим грунтам; необходимость
применения комплексного оборудования с наличием вспомогательных систем
для реализации технологий; значительный рост массы и энергоемкости

буровой техники.

Вращательный способ бурения станками типа СБР при бурении скважин в слабых породах на глубину не более 80 м составляет в России около 50 %. Материальные и энергетические затраты на ведение буровых работ составляют до 30 % всех затрат, приходящихся на добычу тонны ПИ.

Для повышения эффективности бурения необходимо решить следующие задачи:

- снизить массу бурового оборудования, повысив его мобильность;

- повысить технологические возможности бурового оборудования для
расширения области использования вращательного способа бурения;

- исключить необходимость в дополнительном энергоемком
оборудовании (например, компрессоры, насосы), сохранив базовую
конструкцию бурового станка без кардинальных изменений.

Станки вращательного (шнекового) бурения типа СБР имеют малую область применения, ограниченную мягкими и средними породами по буримости, а также сравнительно большое энергопотребление на бурение, что приводит к повышению массы оборудования с ростом диаметра и глубины скважин. Одним из вариантов решения этих проблем является применение вибрации при вращательном (шнековом) бурении (виброшнековое бурение).

В связи с этим разработка научно-технических мероприятий по
обоснованию и выбору параметров бурового станка виброшнекового бурения
для повышения его производительности и снижения удельного

энергопотребления является актуальной научной задачей.

Степень научной разработанности темы исследования

Вопросы взаимодействия шнекового бурового инструмента с породой, а также распределение мощностей и способы снижения энергопотребления при шнековом бурении нашли широкое отражение в научных трудах Ю.А. Олоновского, А.Д. Башкатова, Б.И. Воздвиженского, В.Я. Площадного, Б.М. Ребрика, A.M. Григорьева, В.Г. Кардыша, Н.А. Лапина и др.

В результате выполненных ими исследований были предложены различные пути повышения эффективности буровых установок за счет применения эмпирических зависимостей.

Вопросам воздействия вибраций на рабочее оборудование и горные породы посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов в различных областях техники: Я.Г. Пановко, В.Н. Челомея, Г.Г. Азбеля, В.В. Верстова, М.Г. Цейтлина, Д.А. Алексеева, В.А. Баумана, В.Г. Березанцева, И.И. Блехмана, И.И. Быховского, С.С. Вялова, Р.Ф. Ганиева, И.Ф. Гончаревича, Н.Е. Ромакина, А.О. Спиваковского.

В результате выполненных ими исследований были раскрыты вопросы взаимодействия сыпучих, пластичных и жидких сред в условиях вибрационного воздействия.

Однако в исследованиях вышеперечисленных авторов не раскрыт вопрос совместной работы шнекового бурового инструмента и вынужденных колебаний, накладываемых на инструмент, и возможные позитивные эффекты, возникающие в процессе такого симбиоза. Широко изучены воздействия вибрации на процесс бурения различным буровым инструментом, но шнековое бурение традиционно применяют с исключением собственных колебаний, не задавшись вопросом воздействия вынужденных колебаний, что должно быть следующим этапом в изучении процесса.

В связи с этим исследования, направленные на обоснование параметров буровой установки для виброшнекового бурения, являются актуальными и перспективными ввиду слабой изученности этого вопроса.

Объект исследования: буровая установка.

Предмет исследования: влияние вынужденных колебаний шнековой колонны на снижение крутящего момента при бурении.

Цель работы заключается в обосновании параметров буровых установок для виброшнекового бурения скважин в труднодоступных районах с учетом снижения энергопотребления.

Идея работы состоит в научном обосновании процесса виброшнекового бурения и снижении требуемой мощности машины за счет применения вынужденных колебаний на шнековой колонне и выбора рациональных параметров технологических режимов бурения.

Методы научных исследований

Исследование процессов шнекового и виброшнекового бурения осуществлялось путем проведения на реальной буровой установке серии экспериментов в условиях производственных объектов.

Исследования энергопотребления на строительство скважины способом шнекового и виброшнекового бурения, а также параметров работы инструмента и машины проводились путём регистрации и последующей обработки данных, полученных с аналоговых и дискретных датчиков, установленных на исполнительных механизмах специально разработанного стенда и на типовой буровой установке с регистрацией процесса эксперимента на цифровой многоканальный видеорегистратор. Обработка экспериментальных материалов проводилась методом математической статистики на ЭВМ с проведением

дисперсионного и корреляционного анализов. Разработке и внедрению нового
бурового оборудования виброшнекового бурения предшествовали

исследование патентных материалов и анализ научных данных, описанных в специализированной тематической литературе.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Требуемый крутящий момент и энергопотребление на транспортирование породы по шнеку к устью скважины, а также на очистку шнека сокращаются за счет уменьшения сил трения породы о полки шнека, что может быть достигнуто наложением вынужденных осевых колебаний на колонну шнеков в процессе бурения.

2. Уменьшение массы требуемого рабочего оборудования с одновременным повышением удельной мощности бурового станка достигается применением рейсовой технологии бурения в устойчивых породах.

3. Повышение производительности или снижение удельного энергопотребления для каждого типоразмера скважины и модели бурового станка можно достичь подбором режимов виброшнекового бурения.

Научная новизна выполненной работы заключается в обосновании
области эффективного применения вибрации при шнековом бурении и
обосновании рациональных параметров буровой установки для

виброшнекового бурения. Вынужденные колебания широко применяются в различных технологиях бурения; шнековое бурение традиционно проводится с намеренным исключением собственных колебаний. Борьба за отсутствие собственных колебаний выразилась в непринятии также и вынужденных колебаний, что, в свою очередь, является недопустимым с точки зрения развития технологии.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обоснована: комплексным подходом к проведению исследований, включающих
в себя теоретические изыскания, лабораторные эксперименты и

промышленную апробацию технических решений; применением методов

математического анализа; рациональным планированием эксперимента;

современными методами регистрации параметров и обработки полученной
информации с использованием микроконтроллеров и ЭВМ;

удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и

экспериментальных исследований при сравнении параметров буровой установки на различных режимах бурения в условиях промышленного эксперимента (погрешность до 20 %); наличием достаточного объема экспериментальных данных. В ходе исследований пробурено свыше 300 м скважин в песчано-глинистых отложениях диаметром от 50 до 250 мм.

Научное значение работы заключается в разработке основ

виброшнекового бурения по мягким породам, а именно:

создании рекомендаций по расчету и выбору технологических режимов бурения и конструкции бурового оборудования;

установлении закономерностей между мощностью и энергией,

затраченной на вынос породы при бурении в условиях вибрации и без неё;

обосновании целесообразности применения вибрации в процессах шнекового бурения.

Практическое значение работы:

предложен метод оперативного контроля параметров буровой установки и параметров процесса бурения без вмешательства в конструкцию машины;

разработана конструктивная схема виброгенератора с гидроприводом для создания осевых и крутильных колебаний;

разработана методика выбора параметров режимов виброшнекового бурения;

подана заявка на полезную модель «Пневматический вибратор» № 2015151506/12(079359) от 28.04.2016.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы приняты для внедрения на ООО «Геомаш-Владимир» (г. Владимир).

Апробация работы.

Результаты настоящей работы были представлены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека. Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» в 2012, 2013, 2014, 2015 гг. (г. Екатеринбург, УГГУ); Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» в 2012, 2013 гг. (г. Москва, МГТУ), 2014, 2015, 2016 гг. (г. Москва, НИТУ «МИСиС») и на научно-инновационном конкурсе по программе «УМНИК» в 2010, 2011, 2012 гг. (г. Екатеринбург, УГГУ).

Личный вклад автора заключается в разработке:

- методики проведения замеров мощности в процессе бурения;

- методики оперативного контроля параметров буровой установки и
процесса бурения без вмешательства в конструкцию машины;

- конструктивной схемы виброгенератора с гидроприводом для создания
осевых и крутильных колебаний;

- методики выбора режимов бурения и инструкции по эксплуатации
буровой установки виброшнекового бурения;

- специализированного измерительно-регистрирующего оборудования на
основе микроконтроллеров.

Публикации

По материалам работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 158 наименований. Работа изложена на 196 страницах, в том числе содержит 44 рисунка, 18 таблиц, 5 приложений.

Обзор исследований в области шнекового бурения

Для проходки скважин, в зависимости от глубин и от горно-геологических условий применяется различное буровое оборудование. При бурении скважин с поверхности земли применяются передвижные и мобильные буровые установки на собственном шасси и на прицепах. [43]

При шнековом бурении колонна шнеков приводится в движение от вращателя, который, передавая крутящий момент, не препятствует осевому перемещению колонны. В зависимости от конструктивного исполнения, вращатели разделяют на три типа: шпиндельные, роторные и подвижные [137].

Для шнекового бурения как правило применяются только подвижные вращатели различных типов с принудительной или плавающей подачей.

Стандартизации буровых станков прежде всею требует определения их номенклатуры по целевому назначению. По этому признаку могут быть выделены станки для геологической съемки, поисков и картировании, разведки твердых полезных ископаемых, инженерно-геологических изысканий и гидрогеологических исследований, бурения разведочных и эксплуатационных скважин на воду [51,66], взрывных и других технических скважин.

Целевое назначение предопределяет также типовые геологические разрезы, диапазоны глубин и характерные конструкции скважин, требования к их опробованию или проведению скважинных исследований, а также к самому оборудованию и, в частности, к его транспортабельности [79]. Важным требованием к оборудованию является его высокая транспортабельность, что может достигается созданием модульных буровых установок, приспособленных для транспортирования вручную, гужевым, автомобильным, водным и авиационным (вертолеты) транспортом. Преимущество имеют установки, в которых обеспечена простота разборки и сборки узлов в полевых условиях. Возможно создание самоходных буровых установок на транспортных базах высокой проходимости, в том числе на разборных транспортных базах [79].

Основными параметрами шнекового бурения являются осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент и частота вращения шнековой колонны. Частоту вращения выбирают наиболее высокую, ограниченную мощностью двигателя. При снижении частоты вращения до 150 об/мин скорость подъема выбуренной породы уменьшается, в результате она скапливается на забое и снижает скорость бурения [49]. В мягких и сыпучих породах осевая нагрузка на забой принимается минимальной, т. е. равной массе шнековой колонны. Частоту вращения увеличивают до 200-300 об/мин.

В более крепких породах осевую нагрузку на забой увеличивают до 7…10 кН, а частоту вращения долота снижают до 80…130 об/мин.

Долото и шнеки охлаждаются буримой породой вследствие большой скорости углубки. В твердых породах скорость углубки мала, долота быстро нагреваются и выходят из строя. Поэтому в твердых породах шнековое бурение не применяется [49].

Осуществляя осевую нагрузку, рекомендуется по возможности обеспечивать равномерную подачу инструмента. При резкой подаче инструмента вниз, с одной стороны, создаются неблагоприятные условия работы для двигателя, а с другой, например, в вязких глинистых породах, между скважиной и спиралями шнеков образуются пробки из спрессованной глины [49].

При бурении по сухим глинам, суглинкам и другим породам для уменьшения трения при перемещении породы между шнеками и стенками скважины подают воду [71]. При бурении в вязких породах на шнеках образуются сальники из-за сильного прилипания к ним разрушенного липкого шлама. Такие сальники зачастую приводят к прихвату бурового инструмента, поэтому рейс приходится прерывать через каждые 1,5…2 м. Это резко сокращает производительность, кроме того, требуется немало труда и времени на очистку шнеков от породы, даже при использовании специального устройства [49].

Процесс углубления скважины обычно состоит из периодически повторяющихся рейсов породоразрушающего инструмента на забой.

Каждый рейс включает о себя ряд операций, выполняемых в определенной последовательности. К числу этих операций относятся: подготовительные работы и сборка бурильного инструмента; спуск инструмента в скважину; бурение; вспомогательные операции — наращивание шнека; подъем инструмента; извлечение пробы и смена коронки или долота.

Время спуска и подъема шнековой колонны состоит из машинного времени и ручного времени.

Машинное время затрачивается при спуске инструмента и на подъем шне-ковой колонны при расхаживании. На выполнение других элементов при спуско-подъемных операциях затрачивается машинно-ручное время [124].

При спускоподъемных операциях сокращение машинно-ручного и ручного времени достигается правильной организацией труда и механизацией этих работ. Часть вспомогательных работ выполняется параллельно с основными рабочими операциями (проверка оборудования, подготовка и сборка инструмента) [124].

Весомую долю времени при выполнении вспомогательных операций составляет очистка поднятой шнековой колонны от налипшей или примерзшей породы, которые составляют до 50 % времени цикла бурения.

Теоретическое исследование процесса транспортирования породы по шнеку с наложением вибрации

Недостаточная изученность комбинированного способа бурения затрудняет создание эффективных конструкций, препятствует правильному выбору основных параметров бурового комплекса и рациональному регулированию технологических режимов шнекового бурения.

Анализ методов, применяемых для снижения затрат мощности, а также анализ технических средств для их реализации показывает, что применяемые приемы не позволяют достичь существенного повышения производительности, что особенно усложняется наличием разнообразия геолого-технических условий бурения. Главные применяемые методы: добавление в скважину воды, применение продувки, расхаживание. Непременным требованием, которое предъявляют пользователи бурового оборудования на сегодняшний день является комбинирование в рамках единого бурового комплекса нескольких устройств, повышающих производительность шнекового бурения.

Применение продувки снижает затраты мощности на непосредственно процесс бурения, но необходим компрессор большой мощности, т.к. обычно скважины, проходимые шнеками, имеют в несколько раз большее поперечное сечение, по сравнению со скважинами под пневмоударник, а значит и больший расход воздуха.

Добавление воды для смазывания шнека тоже не всегда возможно, особенно в мерзлых грунтах или зимой.

Наибольшие перспективы при создании новой или модификации уже существующей модели буровой установки имеет сочетание шнекового бурения всухую подвижным вращателем с надвращательным генератором синусоидальных неударных колебаний (вибрации). При этом направление колебаний может быть, как вдоль оси скважины, так и вокруг неё (крутильные колебания). Многие смежные горные процессы применяют аналогичные приёмы для интенсификации процессов транспортирования, обработки или сепарации горной массы. Это виб 52 ротранспортеры такие как горизонтальный вибростол, и шнековый вибротранспортер с вертикальной осью. Для проходки плывунов и водоносных горизонтов в бурении широко применяют вибратор, с помощью которого одновременно опускают обсадную колонну для крепления стенок скважины [43].

Преимущества комбинированной технологии бурения заключаются в возможности широкого регулирования параметров, а также внедрении системы контроля параметров без внесения существенных изменений в конструкцию оригинальной буровой установки. Также преимуществом является применение имеющихся источников энергии, преимущественно гидравлической, и во вторую очередь – пневматической [89].

Эффективно применение комбинированной технологии при бурении шнеками по породам с высокими адгезивными свойствами и склонностью к смерзае-мости. К таким породам относятся влажные глины и вечная мерзлота. Основными препятствиями широкого распространения технологии виброш-некового бурения являются: 1. Недостаточная изученность процессов, происходящих в скважине при на ложении колебаний на шнек, заполненный породой. 2. Недостаточная изученность влияния колебаний на устойчивость стенок скважины. 3. Недостаточно адаптированная конструкция бурового инструмента, в частности, замковых соединений. 4. Отсутствие на рынке готового решения (буровой установки) для виброш-некового бурения.

Слабая изученность является следствием осмысленного избегания или даже борьбы с колебаниями инструмента в скважине. Зачастую колебания шнека приводят к увеличению диаметра скважины, поломке инструмента, снижению производительности, излишнему шуму, и даже прекращению выноса разбуренной породы, т.е. остановке бурения. Умышленное игнорирование положительных сторон вибрации привело к устойчивому мнению, что любые колебания шнекового инструмента резко негативно сказываются на производительности процесса бурения и ресурсе оборудования.

В настоящее время, наиболее нуждаются в механизации подготовительно-заключительные операции (смена бурового инструмента, наращивание колонны шнеков, перестановка на новую скважину и др.), удельный вес которых в общем времени работы бригады достигает 40-60 %. Увеличение в 2 раза механической скорости бурения станка разрешит увеличить производительность труда в 1,2-1,3, а механизация вспомогательных операций, разрешающая обслуживание хотя бы двух станков (двух шпинделей), приведет к повышению производительности труда не менее, чем в 2 раза [43].

Рациональным считается такой режим бурения, при котором числовые значения его параметров подбирают с учетом возможностей, имеющихся технических средств и породоразрушающих инструментов, обеспечивающих получение наиболее высоких показателей в данных конкретных условиях. Рациональные режимы далеко не всегда соответствуют оптимальным.

Специальный режим определяется значениями параметров, которые подби рают с учетом необходимости получения высоких качественных показателей, часто в ущерб количественным. В этом случае выбираемые числовые значения параметров режима бурения могут быть не рациональными в отношении получе ния высокой производительности труда и экономической эффективности. К спе циальным режимам прибегают, например, при бурении шнеками прослоек твер дых пород, толщина которых составляет не более 0,5 м. При этом нет необходимости использовать другую буровую установку или инструмент. Несмотря на сниженную скорость бурения в этом интервале, общая производительность снижается незначительно, по сравнению с решением о заме не буровой или инструмента.

Оценка степени сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований

Удельное энергопотребление является одним из критериев эффективности процесса шнекового бурения. Как показывают приведенные в главе 2.1 исследования, основные затраты энергии при шнековом бурении связаны с удалением разрушенной породы из ствола скважины.

Снижение энергопотребления - это комплексное мероприятие, основная задача которого уменьшить величину удельного энергопотребления при сохранении производительности процесса бурения без внесения кардинальных изменений в технологию или конструкцию бурового оборудования. Изменение конструкции приводит к появлению нового оборудования, что является затратным. Внесение изменений в технологию или параметры уже существующей машины обходятся значительно дешевле, особенно, если эти изменения, в одиночку малоэффективные, а вместе – создают синергетический эффект [87].

Снижение энергопотребления также несет и косвенную пользу, заключающуюся в появлении возможности снизить мощность привода, и, таким образом, применять установки меньшей массы и более высокой транспортабельности. Рассмотрим пути снижения энергопотребления, применяемые в современной практике при шнековом бурении: 1. Добавление воды в скважину — по данным Башкатова [19, 24], добавление воды уменьшает требуемый крутящий момент и улучшает производительность шнекового транспортера до 30 %; 2. Полировка витков шнека — снижение коэффициента трения на полках шнека с созданием эффекта аналогичного первому варианту приводит к снижению мощности на транспортирование; 3. Подбор инструмента и шнеков с рациональной геометрией; 4. Подбор оптимальных параметров процесса бурения (скорость подачи, частота вращения); 5. Выбор рейсовой или поточной технологии проходки скважины по критерию минимизации энергопотребления при сохранении скорости бурения; 6. Применение вибрации для снижения крутящего момента; 7. Уменьшение энергопотребления на выполнение вспомогательных операций. Рассмотрим предложенные пути, при этом отметим, что бурение скважин малой и средней глубины (до 100 м) отличается разнообразием структуры буримых пород. Верхние слои составляют осадочные породы, в основном пески, глины, суглинки, породы средней крепости. Причем чередование слоев на каждом участке проведения буровых работ уникально, а значит предсказать и подобрать один оптимальный режим бурения зачастую невозможно. Это вызвано чередованием слоев мягких пород с породами средней крепости и несвязными грунтами (песок).

Зачастую бурение производится в труднодоступных районах с ограниченным доступом к воде, плохими транспортными условиями и с ограничением по арсеналу применяемого (имеющегося) бурового инструмента. Вариант 1. Добавление воды – не всегда возможно найти воду на участке проведения буровых работ, увеличивается время бурения из-за необходимости обратного вращения шнеков в течение нескольких минут для равномерного увлажнения породы. Также, при использовании шнеков с резьбовым соединением обратное вращение становится недоступно. Вариант 2. Полировка шнека – эта операция малопроизводительна и трудозатратна. При бурении в липких породах полировка может наоборот привести к увеличению сил адгезии, а при бурении в песках и суглинках шнеки полируются самостоятельно за счет высокой абразивности пород. Вариант 3. Подбор инструмента – поскольку главным критерием является скважина, то инструмент подбирается под обеспечение требований, предъявляемых к скважине, зачастую независимо от особенностей пород, в которых проходит бурение. Создание инструмента под каждый тип пород и условия бурения расширяет номенклатуру конструкций, что нерационально с экономических позиций и затрат на транспортировку. Вариант 4. Подбор рационального режима бурения – подобно подбору инструмента, потребует расширения диапазона регулирования параметров буровой установки и усложнения конструкции бурового оборудования. Вариант 5. Использование рейсовой или поточной технологии бурения — самый легко достижимый вариант, так как не требует дополнительного оборудования или материалов, а также не требует существенного изменения конструкции или параметров буровой установки и инструмента. Вариант 6. Применение вибрации — на наш взгляд, является наиболее перспективным. Поэтому далее рассмотрим вариант бурения с наложением осевых синусоидальных колебаний на буровой инструмент и колонну шнеков. В отличие от иных форм и направлений колебаний (радиальные), современное техническое обеспечение буровых установок позволяет получать требуемые колебания за счет уже созданных устройств, широко используемых при пневмоударном, вибрационном и вибровращательном бурении, вибропогружении стаканов и свай [3, 32].

Таким образом, с 1 по 5 варианты не являются кардинально повышающими эффективность и снижающими энергопотребление.

Различают следующие разновидности технологии шнекового бурения: поточное (скважина проходится одним рейсом) с непрерывной транспортировкой породы шнеками, рейсовое соответственно короткими, (не более 1…1,5 м) рейсами с транспортировкой породы спускоподъемным комплексом буровой установки (винтовое и кольцевым забоем) [126].

При поточном бурении шнек непрерывно выносит шлам и наращивается по мере увеличения глубины скважины, соответственно, растет и требуемая мощность. Её рост обусловлен увеличением мощности на транспортирование породы. Рассмотрим характер увеличения мощности при бурении с учетом теории Башкатова [25].

Рекомендации по совершенствованию бурового оборудования и инструмента для виброшнекового бурения

Привод вращателя осуществляется регулируемым гидромотором с помощью блока управления.

Управление приводом вращателя осуществляется золотником рабочей секции блока управления. При этом осуществляется правое или левое вращение гидромотора вращателя.

Установленный регулятор потока позволяет осуществлять плавную ручную регулировку объема подачи рабочей жидкости независимо от нагрузки в напорные линии гидромотора. Примененный для привода вращателя гидромотор снабжен ручным регулятором объема, который обеспечивает изменение частоты вращения шпинделя при регулировке. Диапазон регулирования – 6…350 об/мин. Мачта c механизмом подачи совмещает функции направляющей стойки механизма подачи и собственно буровой мачты для работы с лебедкой в составе буровой установки. Внутри каркаса мачты закреплен гидроцилиндр подачи, приводящий в действие цепной полиспаст, соединенный с кареткой подвижного вращателя, смонтированной на направляющих планках на наружной передней плоскости каркаса. Вращатель представляет собой двухступенчатый понижающий редуктор с передаточным отношением i = 7,83, смонтированный в корпусе, на верхней крышке которого закреплен гидромотор.

Пульт управления смонтирован в едином каркасе (рисунок 3.14, поз. 1), на котором размещены панель управления (рисунок 3.14, поз. 2) и панель контрольно-измерительных приборов (рисунок 3.14, поз. 3).

Органы управления и циферблаты контрольно-измерительных приборов на панелях пульта снабжены пояснительными табличками, указывающими их назначение и направления перемещения выключателей и регуляторов. На панели управления размещены органы управления основными и вспомогательными механизмами буровой установки.

Для проведения экспериментов установка дополнительно укомплектована двухмассным дебалансным вибратором с гидроприводом от аксиально-поршневых гидромоторов. (рисунок 3.15) Вибратор по своей конструкции является аналогом буровой виброустановки фирмы “SonicSampDrill BV” (Netherlands) (рисунок 3.16).

Вибратор является экспериментальным прототипом, поэтому подробное его описание в диссертации не приводится. Вибратор разработан специально для этой модели буровой, т. е. является полностью совместимым. Основное его предназначение – бурение погружными стаканами для отбора керна с ненарушенной структурой в мягких породах, а также для вибровращательного бурения в твердых породах. Также возможно применение для погружения труб.

Регулировка параметров вибратора (частота колебаний) производится с пульта бурильщика путем изменения объема подаваемой жидкости к гидромоторам вращения дебалансов.

При проверке работоспособности вибратора при различных частотах было выявлено нарушение фазировки при малейшем случайном воздействии на вибратор, работающий на частотах ниже 22 Гц. Были зафиксированы следующие эффекты: - падение оборотов гидромоторов привода дебалансов и, соответственно, оборотов ДВС от роста нагрузки (эффект Зоммерфельда); - увеличенные амплитуды колебаний вибратора, в том числе не только в осевом (вертикальном) направлении, но и в горизонтальном, что приводило к раскачиванию мачты буровой установки, несмотря на установленные домкраты.

При работе вибратора на частотах от 40 до 120 Гц наблюдались следующие эффекты: - амплитуда колебаний составила менее 2 мм (т.е. в пределах паспортной величины) при нагрузке на инструмент и без неё; - вибрация, несмотря на демпфирование в кожухе через резиновые буфера, частично передавалась на кожух вибратора и на каретку. От этого болтовые соединения, удерживающие кожух, нагревались. Отвинчивания не наблюдалось, но были заметны воздействия высоких температур в области шайб на краску металлоконструкций; - при ненагруженном буровом инструменте (свободно вывешенный шнек) вибрация приводит к интенсивному нагреву резьбовых соединений переходника и износу шестигранника; - при бурении в глинах, температура которых не выше 15 оС наблюдалось активное испарение влаги. Наиболее заметен этот эффект при попытках очистить поднятый шнек, забитый породой путем включения вибратора на максимальную частоту. Порода нагревалась от воздействия вибрации.

Для целей эксперимента вращатель и вибратор были дополнительно укомплектованы переходниками-адаптерами, для возможности бурения шнеками с одновременным наложением вибрации. Кинематическая схема буровой установки представлена на рисунке 3.17. В качестве бурового инструмента использовались стандартные однозаход-ные шнеки диаметром 135, 180 и 230 мм с длиной рабочей части по 1,5 м. Замковые соединения шнеков представляют собой шестигранник S55 с фиксацией зашплинтованным пальцем. В качестве долот применялись трехлопастные долота для мягких пород режущего типа.

Для регистрации параметров бурения использовался набор оборудования, включающий в себя: блок видео-регистрации (видеокамеры и фотокамеры); блок регистрации сигналов с датчиков; ноутбук со специализированным ПО; блок отображения параметров.

Блок видеорегистрации представляет собой набор видеокамер высокого разрешения (HD CVI) и многоканальный видеорегистратор (DVR) с функцией синхронной записи видео (рисунок 3.18) с разрешением 1280х720 точек на встроенный жесткий диск с частотой до 25 кадров в секунду на каждый видеоканал.

Записанный видеоряд позволяет уже после эксперимента провести заполнение протоколов испытаний и фото-видео хронометраж, что исключает человеческий фактор и ошибки в зарегистрированных на бумаге показаниях. Также видеофиксация процесса бурения позволяет детально изучить возникающие нештатные ситуации и предшествующие им действия оператора.