Введение к работе
Актуальность работы. Применение погружных гидроударных машин при бурении скважин существенно улучшает показатели эффективности бурения: повышается процент выхода керна, возрастает скорость бурения, снижаются энергозатраты и стоимость, уменьшается влияние структурных особенностей геологического разреза на эффективность бурения. Гидроударники обеспечивают хорошее сохранение заданного направления скважины, что обусловлено ударным методом разрушения породы на забое, большой жесткостью снаряда, небольшой величиной разработки ствола скважины по диаметру и высокой механической скоростью бурения. Однако, распространенные во всем мире погружные гидроударники используют кинетическую энергию жидкости для преобразования ее в удар и являются машинами динамического типа. Они имеют высокий непроизводительный расход рабочей жидкости, приводящий к размыву стенок скважины в неустойчивых зонах слабых пород, а также низкие значения к.п.д. и энергии удара, недостаточные для реализации эффективного бурения крепких горных пород. Улучшение этих показателей возможно путем создания принципиально новых гидроударников, основанных на использовании потенциальной энергии рабочего тела, т.е. гидрообъемных машин. Они обладают потенциально более высокими энергетическими параметрами и технологическими возможностями.
Самым распространенным и наиболее перспективным породоразрушаю-щим буровым инструментом на сегодня является штыревой. Известно, что при использовании штыревого инструмента происходит значительное снижение энергоемкости процесса бурения, но при этом требуется приложение определенной энергии к штырю. Поэтому при создании высокоэффективной гидрообъемной погружной ударной машины актуальной задачей является согласование энергии удара с конструктивными параметрами бурового инструмента. Это предполагает проведение экспериментальных исследований, направленных на определение достаточной энергии удара, обеспечивающей объемное разрушение породы при минимальных энергозатратах, и поиск рационального расположения штырей в буровом инструменте.
Целью диссертационной работы является обоснование рациональных, с позиции минимизации энергозатрат, параметров бурового инструмента и принципиальной конструктивной схемы погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом для бурения скважин в горных породах средней и высокой крепости.
Идея работы заключается в применении объемного привода в погружной гидравлической ударной машине, а также расположении штыревых инденторов породоразрушающего инструмента в соответствии с условиями обеспечения бурения с минимальной энергоемкостью.
Объект исследования - гидравлическая ударная машина с объемным приводом и геосреда при их взаимодействии.
Предмет исследований - характер взаимодействия инденторов породоразрушающего инструмента с геосредой, рабочий цикл гидравлической ударной машины.
Задачи исследования:
установить закономерность изменения энергоемкости процесса разрушения горной породы от геометрических параметров вооружения штыревого породоразрушающего инструмента и разработать практические рекомендации по их использованию при проектировании инструмента;
обосновать принципиальную схему погружной гидравлической ударной машины и экспериментально определить рациональные соотношения площадей рабочих элементов машины для её работы в широком (0,5-4,0 МПа) диапазоне давлений энергоносителя;
испытать экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины в стендовых условиях, уточнить её рациональные настройки;
разработать методику расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины с целью обеспечения минимальной энергоемкости процесса разрушения горной породы.
Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта в области создания гидравлических ударных машин и породоразрушающих инструментов к ним; экспериментальные исследования процесса динамического внедрения инденторов в породу и рабочего цикла погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом с применением современных методов и технических средств. Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. При ударном взаимодействии геоматериала (мрамор, гранит) с инструментом, оснащенным разрушающими инденторами со сферической торцевой поверхностью, не зависимо от количества инденторов в группе (от 1 до 3 шт.) и расстояния между ними (15-25 мм) существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение материала с минимальной энергоемкостью.
Для оценки рационального расположения породоразрушающих инден-торов по торцу инструмента и энергетического воздействия на него следует использовать безразмерный энергетический критерий возникновения волн маятникового типа и квазирезонансных явлений в массиве горных пород, зона минимальных значений которого совпадает с зоной минимальной энергоемкости разрушения породного массива.
Устойчивая работа гидравлической ударной машины с одной управляемой камерой и автономной системой её питания-разрядки на всем пути движения ударника при давлении энергоносителя в напорной магистрали в диапазоне 0,5-4,0 МПа обеспечивается соотношением рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала («SWx. ^зжр.) / (Дизр." Snp.x.) = 1,2-1,8, при
*^закр. ' *^разр. = 4,U—Ь,1).
Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований.
Научная новизна диссертации:
установлены условия ударного разрушения горной породы с минимальной энергоемкостью и безразмерный энергетический критерий разрушения породного массива при бурении скважин, позволяющий оценить эффективность использования энергии удара, подведенной к забою;
установлено совпадение безразмерного энергетического критерия оценки разрушения породного массива и энергетического условия возникновения волн маятникового типа, что свидетельствует о возникновении в зоне минимальной энергоемкости разрушения породы геомеханических квазирезонансных явлений;
экспериментально доказана работоспособность гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в системе распределения энергоносителя и автономной системой ее питания-разрядки на всем пути движения ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника и увеличение мощности машины путем сохранения площади сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника;
- определены рациональные геометрические соотношения размеров ос
новных элементов системы распределения энергоносителя, оказывающие наи
большее влияние на устойчивость работы гидравлической ударной машины, и
разработан метод расчета ее основных характеристик и параметров породораз-
рушающего инструмента, обеспечивающие бурение скважин с минимальной энергоемкостью.
Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования особенностей процесса разрушения горных пород при динамическом вдавливании группы инденторов, оценке процесса разрушения с точки зрения нелинейной геомеханики; в обработке и интерпретации экспериментальных данных; в разработке конструкции погружной гидравлической ударной машины.
Практическая ценность работы:
разработана методика расчета погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента к ней для обеспечения бурения скважин с минимальной энергоемкостью в породах средней и высокой крепости;
создан и опробован экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины, позволяющий максимально полно использовать энергию рабочей жидкости.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на третьей международной конференции «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2006 г.; Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды», Новосибирск, 2006 г., 2008 г.; Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 2007 г.; работа диссертанта отмечена в номинации «Лучшие аспиранты РАН 2007 года».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 129 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 85 наименований; содержит 36 рисунков, 24 таблицы.
Автор благодарен своему научному руководителю член-корреспонденту РАН, д.ф.-м.н., профессору В.Н. Опарину за помощь при выполнении работы и осмыслении результатов проведенных исследований, д.т.н., профессору Б.Н. Смоляницкому за отеческую поддержку и внимание, к.т.н. А.А. Липину за научную поддержку. Отдельную благодарность хочется выразить всем сотрудникам лаборатории бурения ИГД СО РАН.
