Введение к работе
Актуальность темы. Бурение горизонтальных скважин находит все более широкое применение в геологоразведке, горнодобывающей промышленности и строительстве. Использование при этом средств и методов направленного бурения, поднимает на качественно новый уровень технологию ведения работ и их эффективность. Так, применение направленных горизонтальных скважин в геологии позволяет более детально производить разведку полезного ископаемого, а также снижает затраты и объемы бурения при его поиске. В горнодобывающей промышленности, где горизонтальные скважины используются для ведения дегазационных и дренажных работ, они позволяют улучшить условия труда и снизить аварийность на очистных и проходческих работах. Применение средств направленного горизонтального бурения в строительстве дает возможность осуществлять прокладку коммуникаций в случаях, когда открытый способ ее укладки затруднен или невозможен, а также использовать опережающие горизонтальные скважины при проходке тоннелей и различных горных выработок. Однако ограниченность существующих средств бурения направленных горизонтальных скважин в осложненных горно-геологических условиях, затрудняет широкое использование этого метода в указанных отраслях промышленности. Необходимо отметить, что до настоящего времени ни в отечественной, ни в зарубежной практике бурения направленных скважин, не разработано технических средств и методов проходки высокоточных глубоких горизонтальных скважин в осложненных условиях. Одной из задач в области военного строительства является бурение глубоких направленных горизонтальных скважин в осложненных условиях. К основным требованиям решаемой задачи относятся: высокая точность проходки (I % от глубины),низкие энергозатраты на бурение и небольшая масса бурового оборудования.
Исследования, связанные с разработкой техники и технологии подобного назначения, актуальны не только для задач военного строительства, но и для гражданских отраслей промышленности, что позволит получить значительный экономический эффект.
Диссертиу'омкая работа непосредственно связана с программой НИР Фрунзенского политехнического института и выполнялась по темам: "Выбор и обоснование технологии бурения и конструкции бурового станка для бурения глубоких горизонтальных направленных
скважин" - № ГР 79079970; "Исследование процессов бурения прямолинейных горизонтальных скважин глубиной до 200 метров" -№ ГР О1Ы30О0797; "Исследование и разработка грунтопроходческих машин буровых станков и агрегатов, а также высокопроизводительного бурового инструмента к ним по условиям оптимального взаимодействия со средой" № ГР 01670081464. Научная консультация проводилась доцентом ФІШ к.т.н. Донченко B.C.
Цель работы: разработка и создание бурових станков направленного горизонтального бурения с использованием комплекса новых технических средств и метопов, обеспечивающих заданную точность проходки глубоких скважин в осложненных условиях.
Идея работы: Использование в конструкции буровых станков двойного раздельноприводного бурового става, обеспечивающего устойчивость всей колонны за счет применения центрирующей медленно вращающейся наружной колонны труб, разгрукенной от передачи нагрузок на инструмент и внутреннего центрируемого бурового става, установленного относительно наружного на подшипниковых опорах.
Научные положения:
классификация разделения скважин по углу наклона, отличающаяся тем, что в качестве критерия, характеризующего равнозначность процессов бурения в данном диапазоне углов наклона скважин, принята сила трения, препятствующая продвижению бурового става в скважине;
технологический метод бурения направленных скважин двойным раэдельноприводным ставом, отличающийся тем, что наружная центрирующая колонна труб разгружена от передачи осевой нагрузки и крутящего момента на инструмент, а внутренняя, центрируемая является рабочей и установлена относительно наружной в подшипниковых опорах! .
впервые установлено, что устойчивость двойного бурового става с заданными жесткостными и силовыми параметрами определяет-ря рациональным соотношением количества промежуточных опор, устанавливаемых на центрирующей колонне, и тем, что эта колонна разгружена от передачи осевого усилия и крутящего момента на инструмент;
установлено впервые, что необходимым условием снижения энергозатрат на бурение является обеспечение передачи энергии к забою через внутренний центрируемый буровой став, имеющий возможность свободного осевого и вращательного перемещения относительно подшипниковых опор центрирующей колонны;
впервые установлено, что проходка прямолинейных скважин глубиной до 100 метров в осложненных условиях возможна без применения специальных корректирующих устройств.
Научная новизна работы. Впервые предложен и разработан способ и с устройства для бурения прямолинейных горизонтальных скважин в перемежающихся горных породах для различных технологий проходки.
Разработана классификация скважин по углу наклона и длине.
Выполнен обзор и проведен анализ тенденции развития буровой техники по зарубежным источникам и промышленным каталогам.
Обоснованы и рассчитаны режимные и энергетические параметры буровых комплексов для различных технологических вариантов проходки.
Установлено влияние конструктивных размеров и компоновок некоторых узлов и элементов бурового снаряда на точность, производительность и энергозатраты бурения.
Разработана программа расчета на ЭВМ устойчивости многопролетного бурового става для двойной колонны труб, в зависимости от осевой нагрузки, расстояния между центрирующими опорами и жест-костных параметров става.
Выполнены аналитические решения задач динамической устойчивости бурового стаэа двойной колонны труб и установлены зависимости частотных колебаний става от режимных нагрузок, глубины скважины и длины пролета между центрирующими опорами.
Разработана методика экспериментальных исследований по испытаниям буровых комплексов направленного горизонтального бурения и создан полигон для испытаний.
Созданы принципиально новые буровые комплексы направленного горизонтального бурения для различных условий применения.
Экспериментально доказана возможность проходки абсолютно прямолинейных скважин глубиной до 100 метров в перемежающихся породах и грунтах с минимальными энергозатратами на бурение.
Общая методика исследований. Дня решения поставленных задач применен комплексный метод,включающий аналитические и экспериментально-статистические исследования влияния режимных параметров процесса бурения и конструктивных параметров буровых комплексоз на глубину и точность проходки скважины. Методика и аппаратура экспериментальных исследований основаны на применении натурного моделирования и статистической обработки информации.
Достоверность научных положений выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждается необходимым объемом теоретических исследований по обобщению и анализу накопленного опыта при создании буровых станков горизонтального бурения, обоснованием выбора рекомендуемых режимов бурения, проведением достаточного объема экспериментальных и натурных исследований по макетированию различных узлов и механизмов буровых комплексов, а также их испытаниям в полевых условиях. Объективность и.достоверность получения экспериментальных данных достигается использованием современной регистрирующей и записывающей тензометрической аппаратуры и датчиков, применяемых в авиационной технике, а также геодезическими методами замеров отклонения снаряда от заданного направления.
Практическая ценность. Результаты исследований могут быть рекомендованы организациям, занимающимся проектированием и созданием буровых станков горизонтального бурения. Предлагаемый способ может быть реализован в буровых станках различного назначения. Созданные рабочие макеты буровых комплексов позволяют бурить глубокие направленные горизонтальные скважины в породах П-ІУ категорий буримости с нулевым отклонением по азимуту и углу наклона на глубину до 100 м. Ожидаемый годовой экономический эффект в расчете на один станок составляет 6700 руб. для станка СГД-І и 17 тыс. руб. для станка СГД-З. Созданный полигон с монтажно-испытательным боксом позволяет проводить испытания буровой техники подобного назначения.
Реализация работы. Основные результаты исследований реализованы в созданных буровых комплексах СГД-І и СГД-З. Результаты полигонных испытаний нашли практическое применение при разработке
"Обоснования" и Технического задания на опытно-конструкторские работы по программе "Стрела" (ТЗ ОКР) для в/ч 68240 по созданию опытной партии станков для бурения глубоких горизонтальных направленных скважин. Конструкторские и технологические рекомендации, разработанные в процессе проектирования и натурных испытаний макетов бурового става и бурильной машины были учтены при изготовлении буровых комплексов на машиностроительном заводе им. В.И.Ленина (г. Фрунзе), а также в экспериментально-конструкторском бюро при Фрунзенском политехническом институте.
Апробация работы. Основные результаты и отдельные полокения диссертационной работы докладывались и были одобрены на научных сессиях НГСФІМ 1980-1986 гг., на приемо-сдаточных этапах ведомственной комиссии из представителей заказчика в/ч 68240, гг.Москва, Фрунзе 1980-1986 гг., а также в открытой части на Республиканской научно-технической конференции "Теория машин и систем машин" г. Фрунзе, I960 г.; I Всесоюзном семинаре:"Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья" г. Фрунзе, 1987 г.; П Республиканском семинаре "Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья", г. Фрунзе, 1990 г.; на научных семинарах в Иркутском политехническом институте в 1990 и 1991 гг.
Публикация. По результатам выполненных исследований опубликовано II печатных и 6 рукописных работ..
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 5 приложений, содержит 237 страниц машинописного текста, II таблиц, 48 рисунков, список используемой литературы из 106 наименований. '