Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА . 11
1.1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований процесса разрушения горных пород при ударно-канатном бурении 12
1.2. Буровые снаряды для проходки крепких пород ударно-канатными станками 24
1.3. Выводы 34
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 37
2.1. Новые схемы буровых снарядов с подпружиненным ударником 37
2.2. Обоснование выбранного направления работы и основные задачи исследования 44
2.3. Выводы 55
3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ БУРОВОГО СНАРЯДА С ПОДПРУЖИНЕННЫМ УДАРНИКОМ 58
3.1. Расчетная модель системы буровой снаряд с подпружиненным ударником - заполненная шламом скважина - порода 59
3.2. Теоретическое исследование и анализ полученных результатов 73
3.3. Выводы 85
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ БУРОВОГО
СНАРЯДА С ПОДПРУЖИНЕННЫМ УДАРНИКОМ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЕГО ПАРАМЕТРОВ 89
4.1. Задачи и методика экспериментального исследования бурового снаряда с подпружиненным ударником 89
4.2. Результаты экспериментального исследования на лабораторном стенде и их анализ 105
4.3. Методика расчета параметров бурового снаряда с подпружиненным ударником и определение производительности ударно-канатных станков при его использовании 116
4.4. Исследование работы буровых снарядов с подпружиненным ударником в производственных условиях 121
4.5. Выводы 127
5. АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ БУРОВЫХ СНАРЯДОВ С ПОДПРУЖИНЕННЫМ УДАРНИКОМ ПРИ УДАРНО-КАНАТНОМ БУРЕНИИ СКВАЖИН 129
5.1.1 Технологические особенности использования буровых снарядов с подпружиненным ударником 129
5.2. Состояние и перспективы внедрения буровых снарядов с подпружиненным ударником в
практику строительства 135
5.3. Выводы 142
6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕНИЯ 158
- Обзор теоретических и экспериментальных исследований процесса разрушения горных пород при ударно-канатном бурении
- Новые схемы буровых снарядов с подпружиненным ударником
- Расчетная модель системы буровой снаряд с подпружиненным ударником - заполненная шламом скважина - порода
- Задачи и методика экспериментального исследования бурового снаряда с подпружиненным ударником
- Технологические особенности использования буровых снарядов с подпружиненным ударником
Обзор теоретических и экспериментальных исследований процесса разрушения горных пород при ударно-канатном бурении
Бурение скважин ударно-канатными станками основано на периодическом подъеме бурового снаряда на некоторую высоту и его последующем сбросе на забой скважины, при взаимодействии с которым происходит разрушение породы - Подъем и сброс бурового снаряда, подвешенного на тросе инструментальной лебедки станка, осуществляется ударным механизмом, выполненным в виде четырех » звенной шарнирной системы с несимметричным кривошипно-шатунным механизмом (рио.1.1).
При бурении скважин в крепких породах наиболее часто применяют буровой снаряд, включающий долото, ударную штангу ножницы и канатный замок, соединенные между собой с помощью конической замковой резьбы Канатный замок является соединительным звеном между буровым снарядом и инструментальным тросом станка и обеспечивает поворот снаряда между его ударами по забою.
Ножницы, выполненные в виде двух соединенных удлиненных колец, устанавливают между канатным замком и ударной штангой.: Наличие ножниц в составе бурового снаряда позволяет ликвидировать прихваты долота породой путем его выбивания ударным механизмом станка при движении вверх инструментального троса.
Ударная штанга представляет собой стержень круглого сече ния, назначение которого - увеличение массы бурового снаряда.
Породоразрушающим элементом бурового снаряда является долото. При ударе снаряда по забою скважины клинообразное лезвие долота заглубляется в породу и разрушает её» В результате по следующих ударов долота, поворачивающегооюсле каждого удара на некоторый угол, на забое скважины образуются врубы.1 При этом порода разрушается не только от сжимающих усилий, но и скалывается в сторону ближайшего вруба Поворот бурового снаряда после каждого удара обеспечивает равномерное разрушение породы по всему забою, а также получение цилиндрической формы скважины.? Частота ударов и высота подъема бурового снаряда над забоем должны обеспечивать наиболее свободное его падение и для большинства существующих типов станков находятся в пределах соответственно 40-60 ударов в минуту и 50-110 см /47/.
Новые схемы буровых снарядов с подпружиненным ударником
Основываясь на выводах теоретических и экспериментальных исследований по разрушению горных пород, а также учитывая современные тенденции развития бурового инструмента для проходки крепких пород ударно канатными станками и общие недостатки, присущие известным схемам буровых снарядов, ВЙИИГСом при участии автора предложены буровые снаряды с подпружиненным ударником, работа которых сопровождается дополнительным динамическим воздействием на забой скважины. Основными требованиями при разработке этих схем были:
- обеспечение технологической совместимости с работой ударно-канатного станка (отсутствие дополнительной связи бурового снаряда с наземным оборудованием, кроме троса инструментальной лебедки);
- снижение энергетических затрат на привод механизма, обеспечивающего дополнительное динамическое воздействие (уменьшение числа подвижных элементов в захватах, защелках и т.п.);
- повышение надежности работы бурового снаряда (сокращение количества наружных узлов, элементы которых совершают взаимные перемещения в заполненной шламом скважине).
Принципиальная схема бурового снаряда ВЙИИГС с подпружиненным ударником, работа которого характеризуется дополнительными продольными ударами, передающимися породе всей площадью долота, приведена на рис.2.1 /7/.
Принципиальная схема бурового снаряда с подпружиненным ударником, обеспечивающего дополнительные продольные удары I - долото, 2 - ударная штанга, 3 - ножницы, 4 - канатный замок, 5 - герметичный корпус, 6 - пружина, 7 ударник, 8 - боек, 9 - наковальня
Этот буровой снаряд (рис.2Д) состоит из долота I, ударной штанги 2, ножниц 3 и канатного замка 4» Ударная штанга 2 вклю-чает герметичный корпус 5, в котором с помощью пружин 6 смонтирован ударник 7. На верхнем и нижнем торцах подпружиненного ударника 7 размещены бойки 8, а в нижнем и верхнем основаниях корпуса 5 смонтированы наковальни 9. Бойки 8 и наковальни 9 предназначены для передачи разнонаправленных ударов подпружиненного ударника 7 герметичному корпусу 5 и жестко связанному с ним долоту I» В рабочем режиме снаряд с помощью ударного механизма бурового станка периодически поднимается и сбрасывается на забой. В момент удара долота по забою подпружиненный ударник 7 по инерции движется вниз и наносит дополнительный удар нижним бойком 8 по наковальне 9, после чего под действием упругости пружины, а также упругости соударяющихся бойка и наковальни, ударник движется вверх и наносит удар по верхней наковальне, совершая затухающие колебания в ударном режиме.
Расчетная модель системы буровой снаряд с подпружиненным ударником - заполненная шламом скважина - порода
О - ускорение свободного падения; /У - высота сброса снаряда; Xj ъ Xz - текущие координаты центров масс соответственно корпуса и ударника; ь - время Действующими силами при работе бурового снаряда с подпружиненным ударником являются сила тяжести корпуса с жестко присоединенным к нему долотом, сила тяжести ударника, продольные ударные импульсы, реакция пружин, установленных между корпусом и ударником. Со стороны шламового столба на буровой снаряд действуют гидростатические, вязкие и инерционные силы сопротивления, а со стороны забоя скважины силы сопротивления породы.
Силы сопротивления движению бурового снаряда со стороны шламового столба определяются по методике /48/, основанной на экспериментальных данных, которые были получены при изучении буровых режимов и условий движения снаряда в скважине.
Определение сил сопротивления породы заглублению долота в забой скважины осуществляется на основе равенства:
Используемая схема сил сопротивления является общепринятой и широко применяется при изучении вопросов разрушения горных пород ударными нагрузками /47,78/.
Слагаемые выражения (3.1) в соответствии с принятой упруго-пластичной или хрупко-пластичной моделью сопротивления породы состоят из сил сопротивления по преодолению зоны упругих деформаций и зоны пластических деформащй и с учетом равентва (1.3) имеют вид.
class4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ БУРОВОГО
СНАРЯДА С ПОДПРУЖИНЕННЫМ УДАРНИКОМ И ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЕГО ПАРАМЕТРОВ class4
Задачи и методика экспериментального исследования бурового снаряда с подпружиненным ударником
Задачи исследования бурового снаряда на лабораторном стенде заключались в следующем:
- экспериментально проверить и уточнить влияние на процесс разрушения забоя скважины долотом бурового снаряда дополнительных ударов, наносимых подпружиненным ударником, а также сопоставить полученные теоретические зависимости величины заглубления долота в породу от соотношения масс ударника и корпуса с экспериментальными результатами;
- получить опытные данные по объему разрушения породы в ходе бурения скважины при изменении жесткости пружин снаряда и зазоров между ограничителями его корпуса и подпружиненного ударника;
- определить оптимальную величину вертикального перемещения подпружиненного ударника относительно корпуса бурового снаряда, работа которого характеризуется разворотом долота на забое скважины;
- получить сравнительные данные по удельной работе, затрачиваемой на разрушение забоя, при использовании буровых снарядов с подпружиненным ударником и бурового снаряда обычной конструкции.
Для анализа результатов экспериментальных исследований использована схема определения точности и надежности опытных данных для. задачи малой выборки (при числе повторных опытов Ноп 20), предложенная в работе /46/,:
Согласно предложенной схемы первоначально задаемся числом повторных опытов Поп. Выбираем Поп = 5. Затем определяем надежность факта, при котором истинное значение признака находится в каких-то пределах» Вероятность (надежность) того, что гене-ральная средняя X находится в определенных границах, определяем следующим образом /32/: 0 - нормированное отклонение; ос - среднее арифметическое признака из 5 замеров; , - - ошибка среднего арифметического. В руководствах, например,/32/, приводятся значения интеграла Стюдента в зависимости от величины нормированного отклонения 0 и числа наблюдений. Пользуясь табличными данными и уравнением (4,1), определяем достоверность того или иного отклонения от генеральной средней при заданном числе наблюдений (опытов).
Технологические особенности использования буровых снарядов с подпружиненным ударником
Производственные испытания и последующая эксплуатация буровых снарядов с подпружиненным ударником типа BG, проводимые на объектах специализированных управлений треста Промбурвод (см.рис.5.1), показали, что порядок выполнения операций при бурении скважин с применением этих снарядов сохраняется таким же, как и при использовании буровых снарядов обычной конструкции.
Одним из технологических параметров, который в значительной степени определяет эффективность разрушения забоя скважины при ударно-канатном бурении, является навеска долота. В процессе бурения снаряд проходит это расстояние и заглубляется в породу за счет сжатия амортизатора ударного механизма и растяжения инструментального троса. При этом увеличение высоты навески долота приводит к снижению доли полезной работы при ударе, а уменьшение повышает вероятность заклинивания долота на забое. В обоих случаях скорость бурения падает.
Как установлено при работе буровыми снарядами с дополнительными продольными ударами, наибольшая скорость проходки крепких пород достигается при нулевой навеске долота вместо навески, равной 4 5 см, которую устанавливают при бурении снарядом обычной конструкции. Положительное влияние уменьшения высоты навески на скорость бурения объясняется увеличением времени контакта долота с породой, при котором происходит ударное взаимодействие подпружиненного ударника с нижним и верхним ограничителями корпуса. При этом дополнительное динамическое воздействие, с одной стороны, способствует интенсификации процесса разрушения породы за счет проявления её усталостных свойств, а с другой стороны, препятствует заклиниванию долота на забое. Последнее обстоятельство позволяет исключить из состава снаряда буровые ножницы, что сокращает его длину, массу, время на сборку и разборку и уменьшает количество резьбовых соединений в снаряде. Кроме того, отсутствие заклиниваний долота на забое позволяет существенно сократить продолжительность бурения, т.к. затраты времени на ликвидацию заклиниваний долота при использовании бурового снаряда обычной конструкции составляют до 30$ времени бурения крепких пород.
