Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время актуальна проблема бурения геологоразведочных скважин диаметрами от 0,19 м до 0,5 м для добычи питьевой воды особенно в отдаленных и малонаселённых районах. По ориентировочным данным, в стране ежегодно необходимо строить и сдавать в эксплуатацию около 3-4 миллионов метров скважин. Для этих целей в мировой практике бурения получило распространение пневмоударное бурение, в основе которого лежит ударно-вращательный способ с использованием забойных машин ударного действия с очисткой скважины сжатым воздухом. Наиболее перспективным способом является ударно-вращательный с использованием двойной колонны бурильных труб и специальных кольцевых пневмоударников, осевой канал которых, соединяясь с внутренней трубой двойной колонны бурильных труб, образует прямой шламонровод, служащий для непрерывного выносе разрушенной породы при бурении. В России бурение скважин осуществляется в основном вращательным способом. Наибольший объём работ по бурению и сооружению скважин приходится на районы со сложными горно-геологическими условиями, поэтому применение вращательного способа бурения не эффективно, ввиду большой энергоёмкости процесса. Реализация ударно-вращательного способа затруднена тем, что отечественной промышленностью выпускаются погружные пневмоударники для бурения геологоразведочных скважин в диапазоне диаметров от 0,065 м до 0,19 и. Применение их для бурения гидрогеологических
скважин не эффективно в связи с малыми диаметрами и малой энерги-'
ей удара.
В настоящее время ВНИВДефтемашем и ИГД СО РАН ведутся работы па созданию буровых комплексов роботизированного типа для бурения скважин диаметрами ст 0,19 м до 0,5 м- первого образца параметрического ряда буровых систем нового типа. В качестве забойного рабочего органа в числе других применяются специальные погружные кольцевые пнзвмоударники, разрабатываемые в ИГД СО РАН с учетом технологических особенностей построения и эксплуатации скважин.
В связи с этим диссертационная работа, посвященная установление рациональных параметров кольцевых погружных пневмоударников тяпо-размерного ряда, в соответствии с параметрическим рядом буровых ком-4 плексов роботизированного типа для сооружения скважин, а также определению конструктивных и энергетических параметров кольцевых по-
гружных пневмоударников типоразмерного ряда, обеспечивающих эффективное бурение скважин в сложных горногеологических условиях, является актуальной.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР и внедрения Института горного дела СО РАН по теме I.II.1.4 "Создание и совершенствование горных и строительных машин с различными энергоносителями" (номер го с регистрации OI860079I5I) и по плану МОКР ВНШНефтемаша в рамках темы 0251-89-004 "Мобильная гидрофицированная установка грузоподъёмностью 32 т.е. для бурения водозаборных скважин с высоким уровнем монтажеспобности, механизации СПО и автономности функционирования" на основе совместных научно-исследовательских работ по оптимизации параметрического ряда буровых роботозированных комплексов (РБК) и комплектов технологического инструмента (КИГ), по созданию экспериментальных образцов кольцевых погружных пневмоударников для бурения скважин (х/д № 537-39, х/д № 568-39).
Целью работы является обоснование параметров типоразмерного ряда погружных кольцевых пневмоударников к буровым комплексам и разра ботка методики расчёта их конструктивных и энергетических параметре
Основная идея работы состоит в моделировании типоразмерного ряда кольцевых погружных пнезмоударннков и в создании программных средств для оценки эффективности их применения в буровых комплексах роботизированного типа.
Задачи- исследования:
обоснование требований к типоразмерному ряду проектируемых кольцевых погружных пневмоударников с учетом условий работы и специфики выполняемых функций в составе роботизированных буровых комплекс-о-в;
репение задачи оптимизации и определение основных показателей кольцевых погружных пневмоударников параметрического ряда (рациональный диапазон диаметров бурения каждым типоразмером пневмоудар-ника и рациональную область его использования);
обоснование- выбора системы воздухораспределения и принципиаль н«й конструктивной схемы пневмоударного механизма для бурения скважин, в наибольшей мере отвечающей предъявленным требованиям;
исследование динамики пневмоударного механизма на математичес кой модели с целью определения его потенциально достижимых энергети ческих показателей;
- разработка методики расчета конструктивных и энергетических
гараметров погружных кольцевых пневмоударников типоразмерного ря-
ца для бурения скважин.
Методы исследований. При решении поставленных задач применяются методы математического моделирования и оптимизации с использо-занием ЭВМ.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
метод оптимизации одномерных параметрических рядов с двумя компонентами применим при разработке параметрических рядов кольцевых погружных пневмоударников, в процессе обоснования которых учитываются минимальные приведенные суммарные затраты на разработку, зсвоение серийного производства, изготовление и эксплуатацию бурового оборудования;
при поиске рациональных значений параметров типоразмерного ряда кольцевых погружных пневмоударников вычислительной эксперимент на математической модели пневмоударного механизма с использованием градиентного метода Бонса-Уилсона обеспечивает уменьшение объёма работ;
- формированием в пневмоударном механизме трёх рабочих камер,
а,ве из которых управляемые, обеспечивается полное использование ра
бочей площади, при его рабочем ходе и достигается повышение эффек
тивности применения кольцевых погружных пневмоударников в буровых
комплексах.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается достаточным объёмом теоретических исследований, выполненных с применением современной вычислительной техники, результатами исследований, основанных на использовании классических численных методов решения-оптимизационных задач и дифференциальных уравнений, а также результатами реализации исследований при разработке экспериментального образца кольцевого погружного пневмоударника и достаточной сходимостью расчетных данных с результатами исследований физической модели.
Научная новизна заключается в:
разработке и применении методики оптимизации одномерного параметрического ряда с двумя компонентами;
решении задачи оптимизации параметрического ряда кольцевых погружных пневмоударников в соответствии с параметрическим рядом
буровых комплексов роботизированного типа для-бурения скважин;
- разработке методики расчета конструктивных и энергетических >
параметров кольцевых погружных пневмоударников типоразмерного ряда.
Личный вклад автора состоит в:
обосновании возможности применения методики оптимизации одномерных параметрических рядов с двумя компонентами для оптимизации типоразмерного ряда кольцевых погружных пневмоударников к буровым комплексам типа РБК;
проведении исследований по оптимизации параметрического ряда кольцевых погружных пневмоударников в соответствии с параметрическим рядом буровых комплексов;
выборе конструктивной схемы пневмоударного механизма для бурения скважин;
проведении исследований динамики разработанного пневмоударного механизма с целью создания типоразмерного ряда кольцевых погружных пневмоударников в соответствии с технологией бурения и эксплуатации;
разработке методики инженерного расчета конструктивных и энер' гетических параметров типоразмерного ряда кольцевых погружных пневмоударников к буровым комплексам роботизированного типа.
Практическая ценность результатов работы заключается в:
обосновании основных показателей кольцевых погружных пневмоударников, образующих типоразмерный ряд, рациональных диапазонов диаметров бурения каждым тияоразмером пневмоударника, входящего в комплект технологического инструмента бурового комплекса роботизированного типа;
разработке методики инженерного расчёта энергетических и конструктивных параметров типоразмерного ряда кольцевых погружных пнев моударников;
повышении эффективности работы буровых комплексов роботизированного типа за счёт применения в них в качестве рабочего органа кольцевого погружного пневмоударника.
Реализация результатов работы. Результаты оптимизации параметри ческого ряда кольцевых погружных пневмоударников использованы при разработке и создании нового бурового комплекса роботизированного типа длк бурения и построения скважин, а также используются при про ведении опытно-конструкторских работ по разработке кольцевых погруж
ных пневмоударников, выполняемых ВНИИНефтемашем и ИГД СО РАН.
Апробация работы. Работа и отдельные её разделы докладывались автором и обсуждались:
на ученом совете "ВНИИНефтемаш" Сг.Москва, 1989, 1991 г.г.);
на координационном совещании в СКВ НПО "Геотехника" Сг. Москва, 1991 г.);
на заседании технологической секции ученого совета ДБИМСа (г. Хабаровск, ДВИМС, 1991 г.);
на объединенных научно-технических семинарах лабораторий механизации, вибротехники, динамики пневматических машин, горного машиноведения ( г. Новосибирск, ИГД СО РАН, 1992 г.);
на семинаре "Машиноведение" (г. Новосибирск, ИГД СО РАН, 1992 г.).
Публикации. Содержание основных разделов диссертации опубликованы в 9 печатных работах.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из четырёх глав, введения, заключения, списка литературы и приложений. Основной материал изложен на 142 с. машинописного текста, иллюстрируется 29 рис, и 17 табл., сопровождается списком литературы из ИЗ наименований. Приложения представлены на 57 с.