Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии и техники бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок .
1.1. Способы и технические средства для бурения скважин из подземных горных выработок
1.2. Краткий анализ приводов буровых машин вращательно-ударного действия
1.3. Выводы. Цели и задачи исследований 22
2. Методика исследования влияния технологических факторов на параметры приводов буровых установок
2.1. Определение структуры рабочих операций по типам приводов, используемых в буровых установках
2.2. Выявление формы связи между рабочими операциями и параметрами привода
2.3. Методика определения последовательности и области рационального изменения параметров приводов отдельных механизмов машины, определяющих производительность бурения скважин из поземных горных выработок
3. Разработка технико-экономической модели буровых установок с различными типами приводов
3.1. Технико-экономическая модель выбора рациональных параметров буровых установок
3.2. Алгоритм выбора рациональных параметров буровых установок и их приводов
3.3. Выявление рациональных параметров буровых установок с различными типами приводов .
3.4. Выявление рациональных областей применения буровых установок с различными типами приводов
4. Использование силовых импульсов, формируемых специальным гидроприводом, для интенсификации разрушения горных пород при бурении .
4.1. Разработка и экспериментальные исследования механизма формирования силовых гидравлических импульсов в колонне бурильных труб
4.2. Разработка устройства для регулирования энергии силовых импульсов гидроимпульсного механизма бурового станка Заключение 117
Библиографический список 120
- Краткий анализ приводов буровых машин вращательно-ударного действия
- Выявление формы связи между рабочими операциями и параметрами привода
- Алгоритм выбора рациональных параметров буровых установок и их приводов
- Разработка и экспериментальные исследования механизма формирования силовых гидравлических импульсов в колонне бурильных труб
Краткий анализ приводов буровых машин вращательно-ударного действия
Интенсивность разработки месторождения полезного ископаемого в первую очередь определяется применяемыми способами и средствами бурения. Широкое распространение в горнорудной промышленности получили в наше время механические способы бурения геологоразведочных скважин, такие как вращательный, ударно-поворотный, ударно вращательный и вращательно-ударный [29].
Вращательное бурение твердосплавными коронками находит широкое применение в породах с коэффициентом крепости f до 68 (по шкале проф. М.М. Протодъконова). Интерес к вращательному бурению усиливает перспектива применения мощного регулируемого электропривода, обеспечивающего работу на оптимальных режимах. При этом первостепенное значение имеет экономичность вращательного бурения благодаря замене дорогостоящей пневматической энергии электрической. Возможности данного метода еще далеко не исчерпаны.
Шарошечное бурение скважин малого диаметра долотами, армированными зубками твердого сплава, широко применяются на полиметаллических рудниках в породе с f=1418. Область применения данного способа бурения ограничено возможностью создания прочных долот малого диаметра.
Одним из перспективных способов проходки скважин ограниченного диаметра в крепких породах является алмазное бурение [43, 63]. В породах с f = 1214 производительность бурения составляет 2532 м в смену даже при работе не на оптимальных режимах [76]. Ударно-поворотное бурение скважин породоразрушающим инструментом (ПРИ) диаметром 4685 мм обеспечивает эффективную проходку скважин только глубиной до 68 м и реже до 1214 м,. что значительно ограничивает область применения этого способа. Основной недостаток – резкое снижение производительности с глубиной бурения. Исследователями Института горного дела им. А.А. Скочинского установлено, что одной из причин подобного явления является хаотичное изменение угла поворота коронки, который существенно зависит от угла скручивания бурильных труб. Как показали исследования, проведенные в Национальном исследовательском Томском политехническом университете, другой причиной снижения производительности является отсутствие при ударно-поворотном способе бурения достаточной величины постоянно действующего на бурильную колонну крутящего момента.
Устранение этого недостатка приводит к резкому улучшению передачи энергии ударного импульса по бурильной колонне к ПРИ.
При проходке глубоких скважин диаметром 100160 мм в породах средней твердости и выше широкое распространение нашел ударно-вращательный способ бурения погружными пневмоударниками (BEEP-110П, НКР-100 [53, 55]). Однако объем геологоразведочного бурения данными машинами со временем будет сокращаться, так как технология разведки руд и особенно руд цветных металлов жильных месторождений требует создания новых высокопроизводительных станков для бурения скважин малого диаметра (4075 мм) [38].
Создание работоспособных погружных пневмоударников уменьшенного диаметра пока затруднительно. Нужно отметить что установки зарубежного производства обеспечивают бурение геологоразведочных скважин среднего и большого диаметров (85160 мм, [53]), благодаря тому, что в последнее время как в нашей стране так и за границей созданы буровые агрегаты вращательно-ударного действия с независимым вращением бура и ударными узлами, расположенными вне скважины.
Следует отметить большое разнообразие типоразмеров (особенно за рубежом) машин вращательно-ударного действия, облегчающее их выбор для различных горнотехнических условий.
Таким образом, краткий анализ способов бурения подземных скважин, ограниченного диаметра показывает, что наиболее перспективным является ударно-вращательное бурение. Наилучшую эффективность обеспечивают машины типа БУ-80НБ на пневмоколесном ходу с достаточно высокой степенью механизации вспомогательных операций [14]. Анализ зарубежных станков показывает, что при их конструировании большое внимание также обращается на механизацию вспомогательных операций, маневренность, мобильность.
Выявление формы связи между рабочими операциями и параметрами привода
Перед разборкой бурильной колонны производится промывка скважины (tпр.ск.) и простукивание ее с помощью ударного узла для облегчения развинчивания бурильных труб (tпр.к.).
В процессе разборки колонны бурильных труб при существующем способе удержания труб в скважине (гидрозахват удерживает его за вторую от вращательно-ударного механизма трубу) имеет место ручная операция. Поясним на примере. После окончания бурения вращательно-ударный механизм с колонной бурильных труб подается в крайнее заднее положение. Гидрозахват зажимает бурильную колонну. С участием вращателя и податчика происходит развинчивание в одном из двух имеющихся соединений (трубы с хвостовиком или трубы с колонной бурильных труб). Для простоты принимаем развинчивание бурильной трубы с хвостовиком вращательно-ударного механизма как механизированную операцию (t св.н.), а развинчивание труб с колонной – ручную (t св.ш.).
После окончания разборки колонны бурильных труб направляющая рама с буровой группой (буровая группа - вращательно-ударный механизм, двигатель и редуктор податчика) поворачивается для бурения следующей скважины со временем (tпр).
Закрепление-раскрепление машины в забое и ее переезд на новый веер скважин учитывается соответственно временем (tз.м.) и (tпер). Для тех конструкций буровых установок, которые имеют для облегчения транспортировки механизм заваливания направляющей рамы с буровой группой, необходимо учесть время (tзав).
Как правило, большая твердость и абразивность горных пород не дает возможности пробурить одной коронкой скважину до проектной глубины. При этом значительная часть времени тратится на замену коронки (tкор) и связанные с ней спуско-подъемные операции. Вспомогательные операции, выполняемые при спуске и подъеме буровых труб, в явной форме не зависят от скорости бурения Vб, но их количество зависит от глубины скважины H и величины рейсовой проходки lр.
Для определения влияния типа привода и изменения параметров привода на производительность бурения, все вышеперечисленные операции представим по отношению их к работе привода бурового станка. С этой целью сгруппируем их на операции, не связанные с работой привода – Tнп (изменение типа и параметров привода не повлияет на продолжительность времени этих операций); операции, время которых косвенно зависит от работы привода – Tкзп (изменение параметров привода буровой установки не оказывает влияния на их величину, но тип привода – влияет); и операции, продолжительность времени которых напрямую зависит от привода – Tзп (изменение типа привода или его параметров влияет на изменение продолжительности операций). С учетом вышеизложенного сгруппируем операций следующим образом:
Из всех типов приводов (табл. 2.2) наибольшее время, расходуемое на вспомогательные работы, имеет пнемопривод (368 мин на скважину).
Продолжительность не связанных с работой привода (Тнп) операций, у всех типов привода занимает порядка 78% от общей продолжительности всех операций и составляет около 23,529,5 мин на одну скважину. По сравнению с другими группам операций (Ткзп и Тзп) оно наименьшее.
Операции (Ткзп), на продолжительность которых тип привода оказывает косвенное влияние, отличаются между собой, так как на значение их величины уже оказывает влияние вид применяемой энергии. К примеру, для буровой установки, имеющей гидропривод, отсутствуют операции, связанные с подключением к пневмосети (табл. 2.1). Таблица 2.1 Состав и структура операций в зависимости от типа привода буровых установок
Для операций, величины которых напрямую зависит от типа привода, наибольшую абсолютную величину (Тзп) имеет пневмопривод. Анализ продолжительности операций, составляющих данное время, показывает, что сравнительно большие затраты времени составляют операции поворота рамы на следующую скважину tпр = 56% и переезда (tпер) от Тзп. У других типов приводов такие затраты составляют 0,08 и 0,3% соответственно.
В процессе анализа операций группы (Тзп), установлено, что от 51 до 54% времени уходит на бурение для всех типов приводов, а остальное время затрачивается вспомогательные операции, выполняемые приводами. В составе вспомогательных операций максимальный удельный вес имеют операции по свинчиванию и развинчиванию бурильных труб (2127%). Холостой ход буровой установки занимает 817% времени, закрепление и раскрепление бурильной колонны – 46%. Для установок с пневмоприводом (колонковые) значительным являются затраты времени переезда на новый веер скважин 5%, время поворота установки на следующую скважину 6% и время закрепления – 2%.
Учитывая отличный друг от друга удельный вес операций в группе (Tзп) очевидно, что каждая отдельная операция при своем изменении по-разному оказывает влияние на производительность бурения. Также следует отметить, что сокращение одних операций может привести к изменению времени других вспомогательных операций. Следовательно для того, чтобы четко представлять характер изменения производительности бурения при сокращениях продолжительности операций, на нее влияющих, необходима дальнейшая детализация уравнения производительности (2.17) с целью выявления взаимосвязи между этими операциями и наиболее целесообразной последовательности совершенствования буровых установок и их приводов.
Алгоритм выбора рациональных параметров буровых установок и их приводов
Тогда для всех вспомогательных операций всп n tхх вр tсв н 2 пер tпер н tзм tл tзав , (3.19) где tхх, tсв н , tпер, tзм, tл, tзав – вспомогательные операции, затрагиваемые на бурение скважин длиной H, величина которых определена в (2.50), (2.34), (2.77), (2.29), (2.54), (2.64). Воспользовавшись зависимостью стоимости воздуха от давления [92], имеем Ц 1 t t 2 t t t t уд э nхх врсв н пер пер н зм л зав э в п 3 , 10 H руб./п.м., (3.20) где ( ) – выражение, учитывающее увеличение мощности пневмодвигателей с ростом давления в сети [20]. В практических расчетах прочие расходы ( ) принимаются равными 10% от суммы остальных элементов себестоимости. Следующим этапом разработки технико-экономической модели является установление зависимости первоначальной стоимости буровых машин от параметров привода. Величина капитальных затрат на оснащение забоя K Ц тр м н Цгор Цстр, (3.21) где Ц – цена оборудования; тр – коэффициент, включающий в себя стоимость транспортировки оборудования от изготовителя до места производства работ (если этого не учитывает цена оборудования); м – коэффициент, учитывающий затраты на транспортировку оборудования к месту монтажа и его монтаж; н – коэффициент, учитывающий необходимый резерв оборудования для подмены работающего в период его ремонта; Цгор – стоимость горных работ, производство которых необходимо в связи с применением данного вида оборудования; Цстр – стоимость строительных работ, производство которых необходимо в связи с применением данного вида оборудования. Используя удельный показатель цен, рассчитанный на 1 кг. веса определенного ряда машин, выразим цену машины как Ц Цм м В свою очередь вес машины выражается через её параметры и параметры привода в зависимости (2.75). Тогда, подставив выражения (3.10) и (2.75) в (3.21), имеем удельные кап. вложения qp lш 0 5l lг l1 l2 qn n np н 2 n Qн qn г л 1 Цм Tнп Tкзп ton n К у тр 60 Фг к вр H м н Цгор Цстр, руб/ п.м. (3.22) Удельные приведенные затраты определяются по формуле Зпр С Ен Ку, (3.23) где Eн – нормативный коэффициент экономической эффективности.
Таким образом, выразив удельные приведенные затраты через основные параметры машины и привода, можно считать законченным описание первой части технико-экономической модели конструкции буровой установки.
Для выявления областей рационального применения приводов буровых установок в зависимости от конкретных условий, составление технико-экономической модели наряду с моделью затрат предусматривает наличие дополнительных показателей эффективности приводов, которые в зависимости от поставленной задачи могут выступать ограничениями в модели, либо частными критериями эффективности.
В качестве ограничения и дополнительных показателей эффективности выбраны условия, которые связаны с параметрами машины и при изменении последних могут меняться сами. Такими являются сечение горной выработки, относительный вес буровой машины, удельная мощность привода. Сечение горной выработки определяется габаритами бурового оборудования в рабочем положении и задается проектом.
Рациональная величина сечения определяется с учетом стоимости ее проходки и поддержания, а так же производительностью применяемого для этого оборудования. C одной стороны, для повышения производительности станков и снижения затрат на бурение скважин, требуется увеличение сечения выработок, а с другой стороны, сечение их ограничивается сравнительно высокой стойкостью проходки и затратами на поддержание.
В зависимости от применяемых способов проходки, поддержания выработок и применяемых средств бурения скважин экономически целесообразные сеченая их могут меняться. С применением самоходного оборудования экономически целесообразное сечение выработки лежит в пределах 67 м2 с размерами 2,5х2,5 – 2,7x2,7 м.
Высота и ширина выработки лимитирует длину рамы буровой установки, из рис.2.4 (глава 2) видно, что H l 0 5lм lг lл l2. (3.24) Относительный вес буровой машины . Достаточно объективным показателем, отражающем уровень технического совершенства и экономичность машин, а так же динамику технического прогресса в создании буровых установок является относительный вес машины. Этот показатель характеризуется отношением абсолютного веса машины м к одному из эксплуатационных ее параметров. Как и для большинства рабочих машин показатель для буровых установок определяется отношением веса машины к ее производительности в единицу времени (смена).
Чем ниже абсолютный вес буровой машины и чем выше ее производительность, тем меньше значение будет иметь показатель относительного веса, тем, при прочих равных условиях, прогрессивнее и эффективнее машина.
Производительность буровых установок, предназначенных для выполнения сравниваемых видов работ, возрастает по мере увеличения мощности их привода. С тем, чтобы тенденция развития машин была прогрессивной, необходим опережающий рост производительности машин по сравнению с ростом их энергетической мощности [57].
Если новый экземпляр буровой установки равной базовой мощностью дает увеличение производительности, то такое направление развитая данной техники является вполне прогрессивным. Оно отражает совершенствование системы передачи и использования энергии привода.
Цель исследования технико-экономической модели для конкретных типов приводов и определенных условий (твердость породы, число скважин в веере и их глубина) - определить такие параметры привода и машины, которые обеспечивали бы максимальную или близкую в к ней производительность бурения, но при этом удельные приведенные затраты и себестоимость пог. метра скважины не превышали бы предельного уровня. Затем, на основании определенных таким образом параметров привода установить рациональные области их применения.
Для проведения таких расчетов задаются начальными значениями параметров. При этих значениях определяется величина удельных приведенных затрат Зп , себестоимость погонного метра скважины C, относительный вес и удельная мощность привода (эти значения назовем "исходным уровнем").
Разработка и экспериментальные исследования механизма формирования силовых гидравлических импульсов в колонне бурильных труб
При проведении опытов на экспериментальной установке перепад давления P в силовом гидроцилиндре составлял более 12 МПа (с 0,50,7 до 13 МПа) при длине и диаметре РВД L=1,16 м, D=20 мм, вынужденной частоте гидропульсатора =50 Гц и объеме жидкости, вытесняемой плунжером гидропульсатора в замкнутую полость V=18 см3.
Исследования [43], проведенные в Томском политехническом университете показали, что наибольшая эффективность от ударно вращательного способа бурения с использованием гидроимпульсного механизма достигается в сочетании с алмазным бурением. В виду того, что алмаз является хрупким материалом, в алмазном бурении стремятся избегать динамических нагрузок на породоразрушающий инструмент. Применение бойков при алмазном ударно-вращательном бурении способствует быстрому выходу из строя породоразрушающего инструмента. При передаче алмазной коронке вертикальной импульсной нагрузки между алмазной коронкой и породой не образуется изгибающая нагрузка ударного характера, наиболее опасная для прочности алмазов. Напряжения сжатия в зерне алмаза в момент ударной нагрузки (при современных высокочастотных гидроударниках) намного больше критического. Использование алмазных коронок при ударно-вращательном бурении гидроимпульсным механизмом будет способствовать увеличению скорости бурения от двух до пяти раз [43, 63].
Разработка устройства для регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма бурового станка
При бурении слоев породы различной твердости возникают сложности в выборе режима бурения. При проходке слоев горной породы высокой твердости требуется увеличение интенсивности бурения, при бурении породы низкой твердости – уменьшение. В связи с этим возникает необходимость в регулировании силового воздействия на горную породу в процессе бурения. С этой целью было разработано устройство для регулирования энергии силовых импульсов, формируемых гидроимпульсным механизмом [50, 83].
Устройство для регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма бурового станка представлено в виде генератора формирования импульсов давления в замкнутой полости (рис. 4.8), состоящего из нерегулируемых генераторов 19, 20. Генератор 19 выполнен в виде кулачкового механизма, генератор 20 представлен в виде плунжера и соединен с электродвигателем 21 кривошипно-шатунным механизмом 22. Концы валов 23 нерегулируемых генераторов имеют винтовые шлицы противоположного наклона и шлицевую муфту 24. Устройство для коррекции формы гидравлических импульсов представляет собой полый упругий элемент 17, который заполнен жидкостью, имеет нелинейную характеристику и посредством патрубка 25 соединен с силовым гидроцилиндром 18. Этот полый упругий элемент с помощью пружины 26 зажат между инерционной массой 27 и днищем гидроцилиндра 18, вследствие чего в поперечном сечении он приобретает эллипсовидную форму. При этом поршень 28 силового гидроцилиндра 18 оперт о хвостовик 29 колонны бурильных труб 29.
При включении привода 21 генератора формирования импульсов давления в замкнутой полости нерегулируемые генераторы 19, 20 совершают возвратно-поступательные движения (рис. 4.8), которые вызывают образование гидравлических импульсов, в том числе в полости силового гидроцилиндра 18.
Сформированный ударный гидравлический импульс поступает в силовой гидравлический цилиндр 18, воздействует на поршень 28 и через хвостовик 29 по колонне бурильных труб 2 достигает бурового долота 3. Под его воздействием буровое долото 3 внедряется в горную породу забоя скважины 5 и тем самым обеспечивает повышение эффективности процесса бурения.
Если между перемещениями плунжеров генераторов колебаний 2 и 3 нарушена синфазность, т.е. верхние и нижние «мертвые точки» они проходят неодновременно, то это рассогласование характеризуется углом сдвига фаз ц/ и является углом относительного поворота валов генераторов колебаний 2 и 3.
Так как генераторы колебаний 2 и 3 имеют общий приводной двигатель 4, вращающий их с угловой скоростью со, а валы 6 генераторов рассогласованы на угол ці муфтой 7, то суммарный пульсирующий поток определится теперь как геометрическая сумма Q = QX+Q или как сумма сдвинутых на угол ц/ синусоид одинаковой частоты
Изменение объема пульсирующей жидкости способствует изменению амплитуды формируемого импульса давления в замкнутой полости, а соответственно и энергии силового импульса в бурильной колонне. Увеличение объема пульсирующего потока при неизменных параметрах рукава высокого давления (полый упругий элемент 17, (рис. 4.8)) приводит к увеличению интенсивности бурения, при уменьшении наоборот - импульсное силовое воздействие на горную породу снижается.
В условиях сложного геологического строения исследуемого контура залегания горной породы оператор может регулировать интенсивность бурения, опираясь на возможности разработанного устройства, то есть подбирать оптимальную величину механической скорости бурения.
Выводы: Применение разработанного устройства регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма позволяет выбрать оптимальный режим бурения при проходке горных пород различной твердости за счет изменения подаваемого объема пульсирующей жидкости генераторами колебаний в замкнутую полость силового гидроцилиндра.
Устройство регулирования энергии импульса гидроимпульсного механизма позволяет производить регулирование в пределах от 0 до 2Q (где Q -объем жидкости вытесняемой в замкнутую полость генератором колебаний) при условии равенства объемов используемых генераторов колебаний.
