Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии бурения скважин под опоры и сваи в мёрзлых грунтах
1.1. Состояние вопроса, область применения и условия эксплуатации строительной бурильной техники
1.2. Обзор параметров и конструкций бурильных машин и оборудования
1.3. Анализ конструкций режущего бурового инструмента 36
1.4. Обзор и анализ исследований процессов разрушения и транспортирования грунтов при бурении
1.5. Выводы и задачи исследований 69
2. Теоретические исследования процесса бурения и обоснование конструктивных параметров режущего бурового инструмента
2.1. Обоснование критерия оптимизации режимов бурения скважин в мёрзлых грунтах
2.2. Разработка исходных технических требований к конструкции бурового инструмента
2.3. Обоснование конструктивных параметров режущего бурового инструмента
2.4. Разработка методики конструирования грунторазрушающей части бурового инструмента
2.5.Выводы 106
3. Экспериментальные исследования процесса бурения скважин в мерзлых грунтах
3.1. Методика экспериментальных исследований 107
3.1.1. Порядок и условия проведения исследований 107
3.1.2. Выбор оборудования и измерительной аппаратуры 109
3.1.3. Описание экспериментального оборудования 122
3.1.4. Методика приготовления образцов мерзлого грунта 135
3.1.5. Методика проведения исследований и обработки результатов 137
3.2. Лабораторные экспериментальные исследования 149
3.2.1. Исследование и выбор рационального угла резания при бурении в мерзлых грунтах
3.2.2. Исследование и установление соотношения усилий на резцах при бурении в мерзлых грунтах
3.2.3. Исследование параметров режима бурения скважин в мерзлых грунтах
3.3. Полигонные экспериментальные исследования 168
3.3.1. Исследование линейного износа буровых резцов, наплавленных износостойкими материалами
3.3.2. Исследование и выбор твердосплавных пластин для бурового инструмента
3.3.3. Исследование и анализ затрат мощности от глубины бурения в вечномерзлых грунтах
3.3.4.Исследование зависимости скорости бурения от основных режимных параметров
3.4.Выводы 206
4. Разработка методики расчета параметров и конструкций, испытания и внедрение инструмента
4.1 Алгоритм расчета параметров и разработка рациональных конструкций инструмента
4.2 Эксплуатационные испытания режущего борового инструмента 230
4.2.1 Цель и задачи эксплуатационных испытаний 230
4.2.2 Описание средств и объектов испытаний 231
4.2.3 Анализ результатов предварительных испытаний 238
4.2.4 Анализ результатов эксплуатационных испытаний буров легкой 242 серии
4.2.5 Анализ результатов эксплуатационных испытаний буров средней 250 серии
4.3 Установление рациональных технологических режимов бурения скважин в мерзлых грунтах 256
4.4 Оценка технико-экономической эффективности и результаты внедрения в строительство нового бурового инструмента 269
4.5 Выводы 274
Общие выводы и результаты исследования 283
- Обзор и анализ исследований процессов разрушения и транспортирования грунтов при бурении
- Разработка исходных технических требований к конструкции бурового инструмента
- Исследование и выбор рационального угла резания при бурении в мерзлых грунтах
- Эксплуатационные испытания режущего борового инструмента
Введение к работе
В технологическом комплексе работ современного строительного
производства, например, при возведении линий связей и электропередач,
устройстве свайных фундаментов промышленных и гражданских зданий и
сооружений, строительстве нефтегазотрубопроводов и других объектов все
большее распространение получает технология строительства с применением
бурения скважин. Параметры строительных скважин в зависимости от
назначения изменяются в широких пределах: по глубине от 2 до 30 м и по
диаметру от 0,3 до 1,2 м. Этим обусловлено появление большого разнообразия
конструкций бурильных, бурильно-крановых машин и оборудования,
создаваемых и выпускаемых серийно специализированными
машиностроительными предприятиями, а также в ограниченном количестве различными организациями для собственных нужд. Дальнейшее развитие технологий строительного производства с применением буровых работ определяет необходимость создания строительной бурильной техники соответствующего типоразмера и значительного расширения масштабов её производства.
Основу современной строительной бурильной техники, применяемой при образовании скважин различного назначения в строительном производстве, составляет механическое разрушение мерзлых и не мерзлых грунтов, которое сохранит свое значение и в будущем. В связи с этим, конструкции современных бурильных, бурильно-крановых машин и оборудования разработаны с использованием, преимущественно, механических способов разрушения грунтов на забое скважины. Наибольшее распространение в строительстве получил вращательный способ с использованием бурильных и бурильно-крановых машин и оборудования вращательного действия, оснащенных буровым инструментом режущего типа. Поскольку механическое разрушение грунтов осуществляется с помощью инструментов, то они играют весьма важную, а иногда и решающую роль, как средство воздействия на разрушаемую
среду. Серийно выпускаемый, в настоящее время, буровой инструмент имеет недостаточно совершенную конструкцию, неудовлетворительное качество изготовления, низкую стойкость, высокую стоимость, и несоответствующую технологию эксплуатации, что приводит к значительному перерасходу материальных ресурсов, снижению производительности машин и оборудования, к повышению себестоимости буровых работ в строительном производстве.
Это в значительной степени связано с тем, что многие теоретические и
практические положения конструирования бурового инструмента и технологии
бурения скважин большого диаметра в мёрзлых грунтах, до настоящего
времени, остаются не исследованными. Не обоснованны критерии оптимизации
и не установлены рациональные параметры режимов бурения скважин в
мёрзлых грунтах. Не исследованы зависимости изменения основных
показателей процесса бурения от конструктивных параметров буров, режимов
бурения и свойств разбуриваемых мёрзлых грунтов. Оснащение современных
бурильных, бурильно-крановых машин и оборудования
высокопроизводительным, износостойким и прочным инструментом стало одним из главных вопросом при их создании и внедрении. Однако, без учёта конструктивных особенностей , геометрии и явления изнашивания режущих элементов, рациональной схемы расстановки их на корпусе бура, а так же без глубокого изучения механизма взаимодействия инструмента с разрушаемой средой нельзя обоснованно выбрать рациональные конструктивные и режимные параметры режущего бурового инструмента.
Отмеченные обстоятельства обуславливают наличие актуальной научно-технической задачи разработки высокопроизводительного режущего инструмента и установление рациональных технологических режимов бурения скважин в различных мёрзлых грунтах, в том числе с гравийно-галечниковыми включениями и слабыми скальными прослойками. Так же, исследование зависимости механической скорости от основных режимных
параметров и установление технологических рациональных режимов бурения скважин большого диаметра в различных мёрзлых грунтах позволит обоснованно выбрать оптимальные параметры перспективных бурильных и бурильно-крановых машин и оборудования, рассчитать их возможную техническую производительность, правильно установить экономически целесообразную область применения, и в дальнейшем решить задачу автоматического управления процессом их работы.
Цель работы . Повышение эффективности проходки скважин большого
диаметра в мёрзлых грунтах путём разработки и внедрения
высокопроизводительного бурового инструмента и установления
рациональных технологических режимов бурения .
Идея работы. Заключается в исследовании и обеспечении соответствия совместного воздействия рациональных разрушающих параметров режущих элементов и статических нагрузок условиям объёмного разрушения грунтов, характеризующегося, минимальной энергоёмкостью процесса бурения.
Представляется целесообразным исследования проводить по двум основным направлениям обоснование конструктивных параметров режущего бурового инструмента и установление рациональных технологических режимов бурения скважин большого диаметра в различных мёрзлых грунтах .
Выполнение комплекса исследований по созданию и освоению перспективной бурильной техники позволит решить проблему повышения производительности и эффективности буровых работ в строительном производстве.
Обзор и анализ исследований процессов разрушения и транспортирования грунтов при бурении
Расширенное производство отечественных и зарубежных бурильных, бурильно-крановых машин и оборудования обусловлено их разнообразными технологическими возможностями и экономической целесообразностью применения для выполнения различных строительных и специальных работ [9,29,33,36,55,73,86,103,169,183,195].
В настоящее время данные машины и оборудование применяются для бурения скважин и установки в них опор при строительстве, ремонте и обслуживании радиотрансляционных, телефонно-телеграфных линий связи и низковольтных линий электропередач; для бурения скважин и котлованов под фундаменты подстанционного пускового оборудования, различных нефтегазотрубопроводов и опоры высоковольтных линий электропередач; для бурения скважин под свайные фундаменты, столбы ограждений в промышленном и гражданском строительстве; для бурения скважин под километровые столбы и дорожные знаки при строительстве и ремонте дорог и при подготовке ям под посадку деревьев и кустарников. Данные машины и оборудование являются наиболее эффективными и перспективными для бурения скважин в мёрзлых и немёрзлых грунтах с содержанием крупнообломочных скальных включений до 30% к объёму грунта. Они обеспечивают производительность до 60 - 100 м в смену при бурении скважин в мёрзлых и немёрзлых грунтах под забивные, набивные и погружные сваи, опоры линий связи и электропередач и т.п. Поэтому в нашей стране и за рубежом вопросам производства и совершенствования конструкций данных машин и оборудования уделяется самое пристальное внимание. За последние годы бурильные, бурильно-крановые машины и оборудование вращательного действия получили широкое применение почти во всех регионах Российской Федерации для проходки скважин строительного назначения в разнообразных грунтовых условиях. Поэтому условия эксплуатации данных машин и оборудования самые различные и определяются природно-климатическими условиями территории района строительства. В связи с этим, необходима полная информация об ожидаемом комплексе факторов условий эксплуатации всей гаммы эксплуатируемых, серийно выпускаемых и вновь осваиваемых машин и оборудования, включающем температурно-радиационные, влажностно-ветровые и геокриологические (мерзлотно-грунтовые), среди которых определяющими являются мерзлотно-грунтовые условия эксплуатации [139, 143].
В сведениях об условиях эксплуатации землеройных машин и оборудования должен быть дан более детальный анализ мерзлотно-грунтовых условий, позволяющий установить возможные пределы изменения показателей их физического состояния (температуры, влажности, прочности и гранулометрического состава) как по площади, так и по глубине, с тем чтобы получить исходные данные о вероятных нагрузках на режущем инструменте и в основных узлах бурового оборудования. При большом разнообразии грунтовых условий эксплуатации машин и оборудования необходимо объединять грунты в группы по принципу обеспечения внутри групп близости физико-механических свойств мерзлых грунтов, необходимо также иметь сведения о наличии твердых включений в различных неоднородных грунтах, устанавливающие их количество и размеры [62,113, 140,163, 172].
Исследования мерзлотно-грунтовых условий эксплуатации землеройных машин и оборудования освещены в работах В.И.Баловнева, А.Н.Зеленина, И.А.Недорезова, И.К.Растегаева, Д.И.Федорова, Э.А.Кравцова, Р.А.Кабашева, Р.К.Кудайбергенова, В.Н.Вильдермана, В.Г. Жубрина и в ряде работ других авторов [11, 62, 66,119, 120, 13У, 140, 143, 172]. В работах [11, 66, 119] авторами выявлены распределения типов грунтов в общем фоне эксплуатации землеройно-транспортных машин по территории бывшего СССР, определены законы распределения влажности и прочности различных типов грунтов по числу ударов плотномера ДорНИИ, выполненного с применением различных методов. При этом установлено, что наиболее представительными являются песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые грунты практически без каменистых включений. В 80-85% случаев прочность талых грунтов по территории бывшего СССР изменялась от 3 до 12 ударов плотномера ДорНИИ. Относительно грунтов, характерных для районов Сибири, Севера и Дальнего Востока, и их свойств в мёрзлом состоянии вышеперечисленные работы сведений не содержат.
Однако следует отметить, что в данной работе в качестве представительной выборки для Сибири взяты в основном районы Красноярского края, что далеко не охватывает зону распространения мёрзлых грунтов по территории нашей страны. В работе [62] приведены результаты исследований количественных показателей вероятных грунтовых условий эксплуатации землеройных машин для районов Сибири и Севера, выполненных с учетом распределения перспективных объёмов строительно-монтажных работ по региону. В качестве представительной выборки рассмотрены территории 16 административных единиц общей площадью около 13 млн.км2, что составляет 57,8% территории страны. К количественным показателям грунтовых условии машин отнесены распределения вероятностей разработки грунтов с различными гранулометрическими составами, вероятностей разработки в зимний период мёрзлых грунтов с различными значениями температур и влажностей. В связи со значительным разнообразием грунтовых условий рассматриваемого региона, в работе осуществлена типизация их по ряду признаков, влияющих на силовые, прочностные, энергетические и эксплуатационные показатели машин и оборудования, стойкость и расход режущего инструмента.
Разработка исходных технических требований к конструкции бурового инструмента
Проведенными исследованиями установлено, что процесс механического вращательного бурения скважин является сложным, многофакторным и экстремальным процессом [22, 31, 49, 128, 149, 170, 188]. Изучение таких сложных процессов целесообразно выполнять с привлечением математических методов исследований. Для этого первоначально необходимо решить вопрос о выборе критерия оптимизации во взаимосвязи с номенклатурой различных факторов, определяющих процесс вращательного бурения.
В общем виде процесс механического вращательного бурения скважин можно представить в виде обобщенной модели (рис. 2.1,а), которая имитирует реальные связи между факторами, влияющими на процесс бурения, и группой критериев оптимизации,- характеризующих количественную и качественную сторону ведения процесса бурения.
Исследованию прежде всего подлежат факторы, связанные с выбором соотношений параметров бурения, обеспечивающих получение наилучших количественных показателей бурения, то есть те, которые могут изменяться и контролироваться бурильщиком в процессе бурения с пульта управления. К ним обычно относят нагрузку на инструмент, частоту вращения инструмента, количество и качество промывочной жидкости. Можно ограничиться только этими факторами при оптимизации режимов бурения, но тогда задача будет решена недостаточно полно. Поэтому переходя от одних управляемых факторов к другим с учетом различных неуправляемых факторов при исследовании процесса бурения, можно исследовать критерий оптимизации от большего числа факторов.
Оптимизация режимов вращательного бурения скважин производится по следующим критериям: максимуму механической скорости бурения (V), максимуму рейсовой скорости бурения (Vp), максимуму проходки на долото (Н) , максимуму сменной производительности (П) и минимуму стоимости одного метра бурения (См) . Использование одного из перечисленных критериев оптимизации зависит от конкретных геологических, технических и технологических факторов. В определенных условиях бурения скважин каждый из этих перечисленных критериев может быть главным.
При выборе критерия оптимизации обычно исходят из условия возможности технической реализации системы регулирования рабочего процесса, а также из экономических соображений наличия экстремума у выбранного критерия в функциональной зависимости от параметров режима работы исследуемого объекта [43, 49, 79, 150, 177]
Известно, что бурение глубоких скважин на нефть и газ характеризуется высокой трудоёмкостью и стоимостью выполняемых работ. Поэтому бурение глубоких скважин стремятся вести таким образом, чтобы обеспечивался максимум рейсовой скорости бурения или минимум стоимости проходки одного метра скважины.
В отечественной практике глубокого бурения наиболее приемлемым считается критерий максимума рейсовой скорости бурения [151]. Наиболее эффективным считается такой режим бурения, при котором достигаются наиболее высокие показатели рейсовой скорости бурения. Для практической реализации оптимальных режимов бурения необходимо было создание специальной техники для осуществления автоматического регулирования основных режимных параметров. Большинство созданных регуляторов режимов бурения предназначалось для поддержания осевой нагрузки на долото или скорости подачи долота.
В связи с трудностями регулирования по скорости подачи долота на данном этапе регулирование процесса бурения осуществлялось по осевой нагрузке. В этом направлении разработана система технологических критериев и условий рациональной эксплуатации шарошечных долот, начиная от выбора типа долота и кончая моментом его подъёма. Однако регулирование процесса бурения по одной осевой нагрузке является недостаточно обоснованным [43, 80,144,177,181]. Не получили промышленного применения и устройства для отработки конструкции долот по наиболее универсальному критерию оптимизации -максимуму рейсовой скорости бурения. Созданный индикатор рейсовой скорости ИРС-1 долго не применялся на буровых из-за довольно низкого качества шарошечных долот, у большинства которых время износа опор оказывалось меньшим времени износа вооружения.
Исследование и выбор рационального угла резания при бурении в мерзлых грунтах
Лабораторные экспериментальные исследования позволяют изучать отдельное влияние каждого параметра, изменять его в широком диапазоне и по возможности исключать одновременное взаимное влияние других факторов. Поэтому экспериментальные исследования по решению отдельных намеченных задач считаем целесообразнее проводить в лабораторных условиях. При этом эксперименты по исследованию процесса бурения проводятся в искусственно приготовленных образцах однородных мерзлых грунтов с изменением их температуры и влажности в диапазоне, характерном для грунтов сезонного промерзания различных регионов России. Измерение основных параметров режимов бурения и нагружения режущих элементов буров считаем предпочтительнее проводить тензометрическим методом, как наиболее приемлемым в данных условиях, поскольку буровой инструмент в процессе бурения скважин испытывает резкие динамические нагрузки.
Хотя полевые (полигонные) экспериментальные исследования и позволяют получать более достоверные результаты о процессе бурения, однако в ряде случаев очень сложно, а порой и невозможно исключить одновременное взаимное влияние других факторов, учесть неоднородность разбуриваемых грунтов и в широком диапазоне изменять исследуемые параметры. Последние обстоятельства объясняются техническими возможностями используемых для экспериментов машин и оборудования, а также зависимостью физико-механических свойств мерзлых грунтов от параметров их состояния (температуры, влажности и плотности).
Наряду с этим, решение ряда намеченных задач возможно только при проведении исследований процесса бурения в естественных полевых условиях. При этом опыты проводятся в реальных мерзлых грунтах различного гранулометрического состава, температура и влажность которых определяются природными условиями. В качестве основного метода измерений исследуемых параметров был принят метод выборочного хронометража пооперационных затрат времени в процессе бурения скважин. Выбранный метод при сравнительно небольших затратах времени позволяет достаточно точно установить скорость бурения и производительность машин, свидетельствующих об эффективности процесса бурения. Точность измерений при выборочном хронометрировании должна быть не ниже 0,5 - 1,0 с. Для реализации указанного метода были намечены определенные глубины бурения скважин, на которых с помощью секундомера фиксировались затраты времени на чистое бурение, на выполнение вспомогательных и подготовительно-заключительных операций. В результате оперативно определялись средняя механическая скорость бурения, техническая и сменная производительности буровых машин и оборудования.
Наряду с хронометражными наблюдениями при проведении полигонных экспериментальных исследований измерение основных параметров режима бурения и крутящего момента на буре осуществлялось тензометрическим методом. Это позволило определить затраты мощности по глубине скважины и установить зависимость скорости бурения от основных режимных параметров.
Полигонные экспериментальные исследования позволяют также осуществить проверку закономерностей, установленных при выполнении лабораторных исследований, В нашем случае, исходя из конечной цели работы, представляется целесообразным провести в полевых условиях проверку рекомендаций по рациональным конструктивным параметрам режущего бурового инструмента.
Исходя из вышеизложенного и перечня решаемых задач, при проведении экспериментальных исследований должны соблюдаться следующие условия: 1. Лабораторные и полигонные экспериментальные исследования проводятся соответственно в искусственно приготовленных образцах и естественных мерзлых грунтах, наиболее типичных для условий строительного производства. Диапазон изменения их физико-механических свойств характерен в основном для слоя сезонного промерзания . 2. При проведении лабораторных экспериментальных исследований измерение основных исследуемых параметров производится тензометрическим методом. З.При проведении полигонных экспериментальных исследований для измерения исследуемых параметров принят в основном метод выборочного хронометража пооперационных затрат времени с параллельными тензометрическими измерениями основных параметров режима бурения. 4 Диапазон изменения параметров бурения в процессе исследований должен соответствовать параметрам режимов работы существующих бурильно-крановых машин и оборудования. 5. Результаты лабораторных экспериментальных исследований проверяются в реальных условиях эксплуатации серийных бурильных, бурильно-крановых машин и оборудования.
Эксплуатационные испытания режущего борового инструмента
Установление достоверных эмпирических зависимостей, отражающих закономерности изменения показателей работы инструмента от параметров режима бурения - важная задача совершенствования технологии бурения скважин. Решение этой задачи с помощью применения традиционных для подобных случаев эмпирических методов классического математического анализа на основе всестороннего изучения механизма разрушения мерзлых грунтов при бурении весьма затруднительно, так как невозможно выразить аналитически функциональную связь с критерием оценки многих существенных факторов - грунтовых, технических, технологических, организационных и экономических.
Для оценки эффективности таких сложных процессов, как вращательное бурение скважин в мерзлых грунтах, наиболее целесообразно построение математической модели с использованием, универсального математического метода планирования эксперимента [2, 79, 144, 184, 186], которая позволяет провести детальный его количественный анализ и спрогнозировать результаты последующих наблюдений. Основным преимуществом математических методов планирования экспериментов является значительное сокращение затрат времени и средств за счет минимизации числа опытов и увеличения доли аналитической работы, которая выполняется при помощи ЭВМ. Сокращение числа опытов при проведении исследований достигается благодаря переходу от изучения двухфакторных процессов к одновременному изменению нескольких факторов по выбранному плану эксперимента. При этом в результате исследований находится многофакторная математическая модель, которая имеет вид многочлена заданной степени и точности.
При построении математической модели процесса вращательного бурения необходимо выявить функциональную зависимость выбранного критерия оптимизации от основных параметров режима бурения, т.е. провести формализацию процесса вращательного бурения скважин в мерзлых грунтах. Поставленная задача построения математической модели процесса вращательного бурения весьма сложная, так как получаемая модель должна отражать многообразие различных факторов, прямо или косвенно влияющих на буровой процесс, и позволять анализировать их взаимодействие. Нами для изучения процесса вращательного бурения в качестве критерия оптимизации была принята механическая скорость бурения.
При неполном знании механизма процесса вращательного бурения аналитическое выражение для параметра оптимизации неизвестно. Предполагаем, что между величиной механической скорости бурения и основными параметрами режима бурения имеется корреляционная зависимость, поэтому связь между средним значением механической скорости бурения (V) и независимыми переменными (%i, Xj, ..., хп) может быть представлена в общем виде полиномом определенной степени.
Данное уравнение называется функцией отклика, а независимые переменные - факторами, представленными в кодированном виде. Геометрический образ, соответствующий функции отклика, именуется поверхностью отклика [2, 184, 186].
Комплексное влияние частоты вращения бура п и усилия подачи PQ на механическую скорость бурения V исследовали на машине-стенде БМ-ЗОЗИ в наиболее характерных грунтовых условиях. Бурение скважин производили твердосплавным режущим буровым инструментом диаметром 360, 500, 630 и 800 мм. Прочность мерзлого грунта - глин, супесей и суглинков - характеризуемая числом С ударов плотномера ДорНИИ, изменялась от 75 до 350. Глубина промерзания колебалась от 1,5 до 2 м. Температура наружного воздуха изменялась от -7 до 24 С0, а температура грунтов - от -5 до -20 С0. Влажность грунтов составляла 8,1 - 19,8 %. Грунты были представлены однородными тяжелыми глинами и суглинками, лишь в супеси содержалось незначительное количество мелкого гравия.
Управляемые параметры определяли в границах, выбранных с учетом технических возможностей машины-стенда БМ-ЗОЗИ: частота вращения бурового инструмента 100 ... 180 мин"1, усилие подачи 13,5 ... 38,5 кН, подача бура за цикл 0,5 ... 0,75 м. При этом режущие кромки резцов и" забурников бурового инструмента были в остром состоянии и ширина их площадок притупления не превышала 2мм.
Вначале был произведен выбор основного уровня и интервалов варьирования для основных управляемых параметров. Пользуясь формулой (3.4). и результатами опытного бурения, были определены ошибки фиксации, которые составили для п=5 мин"1 и Ро=1,0 кН. Тогда самые малые интервалы варьирования, определенные но формуле (3.3), составили Лі(л)=10 мин"1 и А .(Ро) =2,0 кН . Для выбора более широких интервалов варьирования произведено опытное бурение скважин на 1-й и 2-й передачах раздаточной коробки и осевых усилиях подачи на бур до " 27 кН, обеспечивающих устойчивый режим бурения. По техническим же возможностям машины-стенда БМ-ЗОЗИ максимальное осевое усилие подачи на бур может быть увеличено до 40 кН без изменения конструктивной её массы.
