Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор практики бурения скважин большого диаметра 6
1.1. Область применения и задачи, решаемые при бурении скважин большого диаметра 6
1.2. Обзор горно-геологических условий сооружения скважин большого диаметра 15
1.3. Конструкции и специфика сооружения скважин большого диаметра при возведении подземных сооружений и фундаментов зданий. 32
ГЛАВА II. Анализ способов, технических средств и технологических параметров процесса сооружения скважин большого диаметра в мягких горных породах 46
2.1. Анализ способов сооружения скважин большого диаметра в мягких
горных породах при создании фундаментов зданий 46
2.2. Существующее буровое оборудование для бурения скважин
большого диаметра, применяемое при создании фундаментов зданий 50
2.3. Исследование зависимости проходки в рейсе от времени бурения в производственных условиях 68
2.4. Задачи дальнейших исследований и методы проведения исследовательских работ..., 76 CLASS ГЛАВА III. Теоретические исследования процесса бурения скважин большого диаметра в мягких породах 78 CLASS
3.1. Обзор и анализ практики и научных исследований в области бурения скважин большого диаметра в мягких горных породах 78
3.2. Исследование величины крутящего момента, затрачиваемого на преодоление сил сопротивления в течение рейса 86
3.3. Исследование зависимости величины крутящего момента от продолжительности рейса в производственных условиях 94
3.4. Оптимальная величина рейсовой скорости бурения 99
3.5. Экономически обоснованная величина проходки за рейс 104
ГЛАВА IV. Рекомендации по определению некоторых технико-технологических параметров в производственных условиях 113
Заключение 118
Список литературы 120
- Обзор горно-геологических условий сооружения скважин большого диаметра
- Конструкции и специфика сооружения скважин большого диаметра при возведении подземных сооружений и фундаментов зданий.
- Исследование зависимости проходки в рейсе от времени бурения в производственных условиях
- Исследование зависимости величины крутящего момента от продолжительности рейса в производственных условиях
Введение к работе
Актуальность работы. Необходимое для расширения минерально-сырьевой базы страны ускорение научно-технического прогресса связано с дальнейшим развитием горнодобывающей промышленности, прежде всего в районах действующих горных предприятий, промышленное развитие которых наиболее выгодно экономически. Для выполнения поставленных задач необходимо полностью вскрыть резервы экономии, значительно повысить производительность труда, механизировать трудоемкие операции.
В процессе поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, а также реконструкции и строительства горных предприятий сооружаются скважины большого диаметра различного назначения. Скважины большого диаметра проходятся для опробования полезных ископаемых, для вентиляции разведочных горных выработок, для спуска материалов в горные выработки, для обеспечения дополнительных выходов на земную поверхность и других целей. Также скважины большого диаметра проходят при создании подземных сооружений и фундаментов зданий.
Большая часть скважин большого диаметра, имеющих различное целевое назначение, бурятся в мягких осадочных горных породах. В настоящее время, на практике бурения скважин большого диаметра в осадочных горных породах, наибольшее распространение получил вращательный способ бурения с использованием шнеков накопительного типа.
Исследованиями, проведенными в предыдущие годы, установлены различные технико-технологические параметры процесса бурения скважин большого диаметра. В то же время вопросы, касающиеся определения затрат мощности при медленновращательном способе бурения с применением накопительных шнеков, изучены не полностью. Так, например, не выявлена зависимость крутящего момента от продолжительности рейса, оптимальное значение величины рейсовой скорости и др.
Таким образом, исследование технико-технологических параметров сооружения скважин большого диаметра в осадочных горных породах является актуальной задачей, требующей решения.
Цель работы. Целью настоящей работы является повышение эффективности процеса сооружения скважин большого диаметра с применением шнеков накопительного типа за счет оптимизации основных технологических параметров бурения.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПетервлрг tfcfl
Основная идея работы. Идея работы заключается в том, что выявленная зависимость изменения величины проходки от продолжительности рейса была заложена в основу решения оптимизационных задач по нахождению основных технологических параметров процесса бурения скважин большого диаметра.
Основные задачи исследований. Дня достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
провести детальное исследование условий сооружения скважин большого диаметра.
исследовать конструктивные и технологические особенности применяемого современного бурового оборудования для создания скважин большого диаметра.
аналитически и экспериментально исследовать изменение величины крутящего момента на преодоление сил сопротивления в зависимости от продолжительности рейса.
исследовать и установить оптимальное значение основных технологических параметров процесса бурения скважин большого диаметра.
аналитически определить экономически обоснованную величину проходки за рейс.
разработать практические рекомендации по совершенствованию способов бурения скважин большого диаметра в мягких горных породах.
Методика исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, который включает в себя обобщение и анализ литературных источников по данной теме, проведение аналитических и экспериментальных исследований.
Правильность основных теоретических положений, возможность практической реализации предложенных решений проверялась постановкой экспериментальных наблюдений в производственных условиях при сооружении скважин большого диаметра для создания фундаментов зданий.
При проведении исследований применялась современная контрольно-измерительная аппаратура. Обработка результатов экспериментальных исследований вьтолнена известными методами математической статистики с применением компьютерной техники.
Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций обоснована теоретически и подтверждается достаточной сходимостью с результатами опытно-производственных исследований.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, чіо для бурения скважин большого диаметра в мягких горных породах шнеком накопительного типа:
-
Выявлена зависимость величины проходки от продолжительности рейса.
-
Установлена зависимость величины крутящего момента на преодоление сил сопротивления от продолжительности рейса.
-
Обоснована зависимость рейсовой скорости бурения от продолжительности рейса. Нахождение экстремума данной зависимости позволяет определять оптимальную продолжительность рейса.
-
Выявлена зависимость технико-экономических показателей сооружения скважины (стоимости сооружения скважины, суммарных затрат времени на сооружение скважины и прибыли) от технических параметров бурения. Решение оптимизационной задачи по данным критериям позволяет определять оптимальную (экономически выгодную) продолжительность рейса.
Практическая ценность: На основании теоретических и экспериментальных исследований процесса бурения скважин большого диаметра в мягких горных породах:
Предложена зависимость, позволяющая определять значение величины крутящего момента от продолжительности рейса. Данная зависимость позволит облегчить выбор мощности привода буровых установок.
Разработана методика, позволяющая определять значение оптимальной величины рейсовой скорости бурения и значение показателя степени, характеризующего снижение механической скорости бурения.
Предложена зависимость для определения экономически обоснованной проходки за рейс по нескольким критериям.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского и аспирантского состава "Наука и новейшие технологии при освоении месторождений полезных ископаемых
на рубеже XX - ХХГ', Московского государственного геологоразведочного университета в 2002 г. и на международных конференциях "Новые достижения в науках о Земле" в 2001-2003гг.
Реализация результатов работы. Эффективность предлагаемой методики определения оптимальной величины проходки за рейс была подтверждена при бурении скважин большого диаметра под буронабивные сваи на одном из производственных объектов ОАО "ВИЗВАС".
Настоящая работа может быть использована в учебном процессе в рамках курса " Бурение специальных скважин ".
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ (5 статей и 3 доклада, тезисы которых опубликованы), в которых раскрываются основные теоретические положения и результаты проведенных исследований.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Обзор горно-геологических условий сооружения скважин большого диаметра
На рубеже веков подземное строительство инженерно-технических, транспортных, коммунально-складских и других сооружений в крупных городах, особенно в Москве и Санкт-Петербурге, приобрело огромный размах. К одному из методов обеспечения устойчивости зданий и подземных сооружений большой этажности, а также опор для транспортных сооружений различного вида и при проходке вблизи подземных коллекторов и тоннелей относится устройство фундаментов, оснований и разделительных стенок из свай различных типов.
В мировой практике строительства свайные фундаменты получили широкое распространение. По материалу изготовления сваи подразделяются на: грунтовые, деревянные, металлические, бетонные и железобетонные. Они могут быть круглыми, многогранными и с профилированной поверхностью (винтовые, с уширениями и т.д.), конические, пирамидальные. По способу сооружения сваи подразделяются на две основные группы: забивные (готовые) и буронабивные (сооружаемые на месте). Сваи называются забивными, когда они предварительно изготавливаются на специальных заводах, затем перевозятся на строительную площадку и в готовом виде погружаются в грунт различными способами. Буронабивные сваи изготавливают непосредственно в грунте, заполняя пробуренную любым способом скважину бетонной смесью. Буронабивные сваи по способу расположения в грунте подразделяются на: прерывисто расположенные; касающиеся и секущие друг друга.
В настоящее время свайные фундаменты широко применяются в строительстве и позволяют проводить работы по устройству нулевого цикла индустриальными способами. Свайные фундаменты позволяют избежать больших неравномерных осадок сооружений посредством прорезания слабых верхних слоев грунта сваями и их опиранием на более прочные нижние грунты. Необходимо отметить, что в последние годы нагрузки на фундаменты промышленных и гражданских сооружений значительно возросли, что объясняется применением более мощного и тяжелого промышленного оборудования, ростом этажности зданий и т.п. В связи с этим применение свай повышенной несущей способности становится все более массовым и эффективным.
Наибольшее распространение получили забивные железобетонные сваи, однако, в практике современного строительства довольно часто встречаются случаи, когда применение забивных свай связано с большими трудностями или вовсе невозможно. Так, например, при сооружении фундаментов вблизи существующих сооружений, плохо воспринимающих динамические нагрузки, возникающие при забивке свай, при строительстве на слабых грунтах большой мощности, когда значительно усложняется изготовление и доставка на площадку забивных свай требуемой длины и т.д.
В таких случаях наиболее целесообразным является применение сооружаемых на месте свай. Среди сооружаемых свай на месте принято различать следующие группы: S Сваи-оболочки железобетонные, заглубленные вибропогружателем без выемки или с частичной выемкой грунта и не заполняемые бетонной смесью. S Сваи-оболочки железобетонные, заглубленные вибропогружателем с выемкой грунта и заполненные частично или полностью бетонной смесью. S Буронабивные бетонные или железобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного отжатая (вытеснения) грунта. S Буронабивные железобетонные, устраиваемые в грунте путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов. S Буроинъекционные сваи. S Винтовые сваи.
Наиболее оптимальное и щадящее решение для устройства свайных фундаментов, сооружаемых на месте, - применение механического вращательного способа их сооружения1, который предусматривает вращательное бурение скважины с дальнейшим размещением в ней металлического каркаса и последующим заполнением бетонной смесью. Данный способ наиболее полно соответствует современным экологическим требованиям, в частности, достигается значительное снижение уровней шума и вибрации на производственном объекте. Механический вращательный способ
Далее в тексте параграфа пойдет речь о применении именно механического вращательного способа. бурения наиболее часто применяется при сооружении буронабивных свай. Свайные скважины для решения поставленных задач должны иметь глубину 10—30 метров, реже до 40 метров и диаметр, находящийся в интервале 500-2500 мм.
Общий объем применения свайных фундаментов только в бывшем СССР составлял до 4 миллионов метров кубических железобетона в год [92]. В основном это фундаменты из забивных свай, хотя в ряде случаев применение набивных и буронабивных свай может дать наибольший эффект. Крупные и ответственные стройки последних десятилетий - Камский комплекс большегрузных автомобилей (КамАЗ) и Волгодонский завод атомного энергомашиностроения (Атоммаш) характерны массовым применением буронабивных свай. На строительстве КамАЗа от применения буронабивных свай экономия прямых затрат составила до 7 миллионов рублей, трудозатраты уменьшились более чем на 280 тыс. чел. дней. На строительстве Атоммаша из-за мощной толщи просадочных грунтов до 20 метров и больших нагрузок на колонны фундаменты из буронабивных свай являлись практически единственным видом возможных фундаментов.
Однако, учитывая, что с начала широкого внедрения современных конструкций и методов изготовления набивных и буронабивных свай прошло немного времени, есть все основания по мере накопления опыта и совершенствования технологии ожидать устранение этих недостатков. Более того, опыт массового изготовления свай показал, что уже сейчас эти недостатки большей частью поддаются устранению. Практика подтверждает это.
В современном строительстве протяженность трубопроводов различного назначения и их количество бывает весьма многочисленным, и они прокладываются на поверхности земли на специальных опорах, которые получили название коммуникационных эстакад.
Возведение монолитных фундаментов эстакад на естественном основании связано с разработкой котлованов или траншей, что перерезает строительную площадку на всем протяжении эстакады, нарушает транспортные связи. Поэтому более целесообразно применение фундаментов из буронабивных свай. Широкий диапазон нагрузок от эстакад потребовал применения одно- двух- и трехсвайных фундаментов со сваями длиной от 14 до 18 метров, диаметром 1000 и 1200 мм. Если на промышленных площадках изготовление свай производилось с отметки низа ростверка, что приводило к отрывке котлована на глубину, соответствующую высоте ростверка, и обратной его засыпке после изготовления свай и ростверков, то здесь устраивали фундаменты непосредственно с планировочных отметок грунта. Примененный на строительстве коммуникационных эстакад способ возведения свайных фундаментов позволил полностью исключить земляные работы ниже планировочной отметки грунта, составляющие около 150 тысяч кубических метров выемки и такой же объем обратной засыпки. Кроме того, за счет выгрузки смеси непосредственно в котлован ростверка полностью исключены опалубочные работы и снижены трудозатраты при бетонировании ростверков. Трудозатраты на выполнение работ нулевого цикла были сокращены более чем на 2400 чел. дней.
Конструкции и специфика сооружения скважин большого диаметра при возведении подземных сооружений и фундаментов зданий.
При сооружении фундаментов из свай, устраиваемых на месте, одной из важнейших операций является бурение скважины. В данной части диссертационной работы будут описаны и обобщены наиболее часто применяемые в практике современного строительства способы бурения скважин для целей фундаментостроения.
Фирмы, сооружающие буровые сваи, применяют различные технологические схемы и буровое оборудование, порой не оптимальные для данных условий строительства. Это повышает себестоимость работ, поскольку отсутствуют единые технико-технологические рекомендации по сооружению буровых свай. Для выбора оптимальной технологии рассмотрим основные способы сооружения буровых свай.
Среди способов бурения для сооружения скважин под сваи, широко распространены два - вращательный и ударный. Нами предложена классификация способов сооружения буровых свай по характеру движения и типу бурового инструмента (рис. 3).
Наиболее часто буровые сваи сооружают вращательным бескерновым способом с помощью шнекового бура накопительного типа. Шнековый способ бурения скважин, обеспечивающий большие механические скорости бурения, наиболее широко применяют в отечественной и зарубежной строительных практиках.
Шнековый способ бурения позволяет вести проходку в грунтах неустойчивых различной плотности, водонасыщенных и склонных к обрушению. Бурение скважин шнековым способом можно производить как всухую, так и с промывкой глинистым раствором или технической водой, возможно, также совмещать бурение с одновременной обсадкой ствола скважины. Шнековый способ сооружения дает возможность бурить скважины глубиной 10-40 м и диаметром 500-1500 мм
В качестве бурового инструмента наиболее часто используют телескопические бурильные трубы с троссовой и гидравлической системами подачи инструмента. Как породоразрушающий инструмент применяют одно и двузаходные шнеки (длиной 1,0 м) накопительного типа, армированные разнообразными насадками из твердого сплава2. При бурении в водонасыщенных неустойчивых грунтах с плывунными свойствами можно использовать буры ковшового типа, которые позволяют вести проходку в тех случаях, когда с помощью шнековых буров не удается полностью извлечь разрушенную породу. Однако при бурении скважин в валунно-галечниковых отложениях и прослойках скальных пород применение шнекового способа либо затруднительно, либо невозможно.
Вращательный способ с использованием шарошечных долот используют крайне редко, так как необходимы дополнительные технические средства, а диаметры шарошечных долот по технологии не соответствуют требуемым.
Столь же редко при фундаментостроении возникает необходимость в применении вращательного колонкового способа бурения, поскольку буровые работы зачастую ведутся на хорошо изученной, с геологической точки зрения, местности. Однако при возникновении такой необходимости зарубежные фирмы, сооружающие свайные конструкции, предлагают большой выбор коротких (до 1,5 м) колонковых труб с наружным диаметром до 650 мм.
С помощью ударного способа проходки грунтов также возможно сооружение скважин под свайные конструкции, однако, область его применения существенно ограничена. В связи с тем, что основные объемы работ приходятся на городские кварталы, а большие возникающие при ударном бурении динамические нагрузки могут служить источниками неравномерных осадок зданий.
Вместе с тем, на практике, часто применяют разновидность данного способа -грейферную проходку грунтов. Рассмотрим ее детальнее. Буровые грейферы относят к новому виду породоразрушающего инструмента, получившему распространение в связи с необходимостью бурения скважин большого диаметра. Буровые грейферы успешно применяют для бурения скважин в песчано-галечниковых отложениях, а также для разрушения валунов и прослоек скальных пород с извлечением разрушенного материала на поверхность. Известно несколько разновидностей грейферных буровых систем.
Подробное описание применяющегося бурового инструмента будет приведено в следующем параграфе. Так, для бурения скважин в обводненных рыхлых отложениях с включением валунов размером до 500 мм используют канатные грейферные системы: их сбрасывают на забой, при натяжении каната подвижные челюсти закрываются, забирая породу из забоя, затем грейфер извлекают и освобождают от породы.
Для бурения скважин большого диаметра в мягких грунтах, преимущественно в обводненных песчаных и валунно-галечниковых отложениях, применяют виброгрейферы. Они состоят из электропривода, вибратора, амортизирующей подвески и породоразрушающего инструмента. На забой грейфер опускают на канате лебедки и под действием вибрации он погружается в грунт. В грунтах с большим количеством гальки, гравия и валунов описанные способы проходки неэффективны.
Целесообразно применять напорные вращающиеся и невращающиеся грейферы, поскольку у данных систем челюсти смыкаются под действием осевой силы, передаваемой по колонне труб. Зарубежные фирмы, например, Бауэр (Bauer) и Касаграндэ (Casagrande), производящие буровое оборудование для создания буровых свай различного типа, предлагают широкий выбор буровых грейферных систем как ударного, так и напорного действия. Грейферные системы указанных фирм позволяют сооружать скважины глубиной 40-50 м и диаметром 2000-3000 мм.
При бурении в мягких грунтах нередко применяют вибрационный способ проходки: грунтонос погружается под действием вибрации или серии ударов, наносимых вибромолотом. Однако использование данного способа исключено в валунно-галечниковых отложениях и обводненных грунтах (при извлечении инструмента стенки скважины обрушаются).
Иногда при проходке устойчивых грунтов небольшой твердости целесообразнее статическое вдавливание, что предусматривает погружение трубчатой оболочки (колонковой трубы) либо грунтоноса, путем задавливания специальными домкратами. Часть грунта при этом остается внутри грунтоноса, а часть залавливается в стенки скважины, уплотняя окружающий грунт.
В условиях современного строительства наибольшее распространение получил механический медленновращательный способ бурения с применением в качестве бурового инструмента шнеков накопительного типа. Это объясняется тем, что данный способ, наиболее дешевый и легко реализуемый, позволяет вести работы в непосредственной близости к существующим строениям. Его применение сводит на нет вредные динамические колебания окружающего грунта, что исключает неравномерные осадки и возможность разрушения зданий. Существующее буровое оборудование для бурения скважин большого диаметра, применяемое при создании фундаментов зданий. Анализ бурового оборудования посвящен зарубежной буровой технике как наиболее часто применяемой в настоящее время для условий подземного строительства.
В настоящем разделе будет приведено описание бурового инструмента для механического вращательного способа бурения скважин для создания фундаментов зданий, его разновидностей и вопросов, связанных с их непосредственным применением в различных геолого-технических условиях строительства.
Обзор будет вестись на примере бурового оборудования, производимого германской фирмой "Бауэр" по следующей схеме:
В системах вращательного бурения, использующих ведущую трубу (келли труба) (рис. 4) является соединительным звеном между буровым инструментом и вращателем. Многосекционная телескопическая труба соединена через вертлюг с тросом главной лебедки и при установке на станке заводится сверху через вращатель. Каждая трубная секция трубы имеет направляющие планки (шлицы), идущие вдоль нее. Крутящий момент передается с вращателя на каждую секцию телескопа при зацеплении планок ее со шпоночными канавками во вращателе. Внутренняя труба телескопа заканчивается короткой квадратной секцией, называемой квадрат. Квадрат вводится в охватывающую его муфту с приемным отверстием квадратного сечения. Все типы бурового инструмента, присоединяемые к трубе, имеют соединительные муфты. Фиксация квадрата в муфте производится двумя болтами. Болты обязательно должны шплинтоваться.
Исследование зависимости проходки в рейсе от времени бурения в производственных условиях
В.И.Несмотряевым проведены экспериментальные исследования на моделях и в натурных условиях по изучению разрушения породы на забое шурфа и заполнению буров породой. В лабораторных условиях автор выполнил две серии экспериментов по изучению разрушения пород резанием. По результатам этих экспериментов автор делает ряд выводов, главные из которых следующие: с изменением угла приострения напряжения в материале значительно перераспределяются; поперечные деформации ядра уплотнения приводят к возникновению зоны растяжения в срезаемом материале, находящейся выше режущей кромки. В этой зоне зарождается трещина отрыва, которая по линии скольжения окантуривает стружку; нормальные напряжения, наряду с касательными, играют важную роль в механизме разрушения горной породы; изменение толщины отделяемой стружки не вносит заметных изменений в картину распределений напряжений в разрушаемом резцом материале. Выводы автора справедливы лишь для конкретных условий данного эксперимента, выполняемого при определенных режимах резания, и не могут быть распространены на весь комплекс мягких пород.
Следующим этапом в области научных исследований процесса бурения шурфов является работа АЖКабанцева. Автором в большом объеме выполнены экспериментальные исследования на моделях буров различных конструкций по естественным породам и эквивалентным материалам. Необходимо отметить, что моделирование проведено без учета теории подобия и размерностей, так как при наличии большого количества размерных параметров, определяющих систему порода-бур соблюдение одного лишь критерия Ньютона нельзя считать достаточным для подобия модели и натуры. Наряду с недостатками в работе автора имеется ряд интересных исследований. Например, определение скорости сооружения шурфа при бурении различными установками в зависимости от его глубины. Приводится также обширный фактический материал по бурению шурфов различными установками в разнообразных горно-геологических условиях, который может быть использован для дальнейших исследований. Дается четкая методика оценки экономической эффективности бурения шурфов различными установками.
А.НПоповым в работе [63] рекомендована методика расчета сил, действующих на нож шурфобура, подтверждающаяся данными экспериментальных исследований. Теоретически и экспериментально изучены вопросы резания, даны рекомендации по выбору оптимальных углов резания для мягких пород. Предложена методика расчета сил, перемещающих породу в бур, и установлена их зависимость от конструктивных параметров шурфобуров, свойств пород и режимов бурения. Доказано, что наибольшие силы, перемещающие породу в бур, создаются у однозаходных шнековых буров. Дисковый бур имеет лучшие условия для размещения породы, чем цилиндрический. На основе результатов анализа экспериментальных и производственных испытаний даны рекомендации по использованию шурфобуров в конкретных горно-геологических условиях. Разработаны рекомендации по технологии бурения шурфобурами различных конструкций.
Из всех имеющихся работ по бурению шурфоскважин наибольшего внимания и изучения заслуживает работа проф. Л.Г.Грабчака [25]. Автором разработана и проверена на опыте теория бурения шурфов в мягких породах, позволяющая рассчитать сопротивления резанию (в том числе динамическую составляющую), силу перемещения породы в шурфобуры и силу сопротивления движению породы по винтовой поверхности шнековых буров с учетом свойств пород, геометрии ножей и особенностей процесса бурения шурфов. Дана методика расчета механической скорости, критического радиуса движения породы, коэффициента заполнения шнекового транспортера и оптимального давления на днище аккумулирующих буров. Выведены формулы для определения технической скорости бурения шурфов бурами разных конструкций.
Как указывалось выше, несмотря на специфику бурения шурфов, процессы, проходящие на забое при работе шурфобуров, имеют много общего с условиями работы режущих органов других машин. Поэтому для более полного и всестороннего понимания этих процессов следует принять во внимание работы АН.Зеленина и Ю.АВетрова.
В работах А.Н.Зеленина основное внимание уделяется установлению зависимости сил резания от геометрических параметров ножей. В качестве разрушаемых материалов используются супеси и суглинки. Исследуется взаимное расположение режущих зубьев, их форма, размер, предлагаются формулы для определения усилий резания.
В работах Ю.АВетрова и В.И.Баловнева предлагается методика расчета сил копания с учетом "призмы волочения", или по-другому объема волочения, под которым понимается часть срезанной или выбуренной породы, перемещающейся перед режущим органом. Обзор исследований затрат мощности при бурении скважин
Эффективность буровых станков в значительной мере обусловлена тем, насколько мощность их привода отвечает требованиям бурения и как полно она может быть реализована в тех или иных конкретных условиях. В связи с этим возникает необходимость оценки затрат мощности на бурение как при проектировании оборудования, так и при его выборе и эксплуатации. Вопросы оценки затрат мощности при бурении рассматривались в трудах многих исследователей. Широко известны работы в этой области В.В.Алексеева, В.Н.Алексеева, Б.А.Арифулина, Д.Н.Башкатова, Ф.АБобылева, М.Ю.Богачева, Ю.А.Бурмистрова, Б.И.Воздвиженского, Л.Г.Грабчака, В.П.Зиненко, ИСКалинина, В.Г.Кардыша, Б.АЛСатанова, АН.Кирсанова, Ю.АОлоновского, АС.Окмянского, И.А.Остроушко, Б.М.Ребрика, И.Н.Страбыкина, Н-М.Скорнякова, В.Г.Фоминых, В.В.Царицына, Ф.А.Шамшева, Е.Ф.Эпштейна.
Известные формулы для определения затрат мощности при бурении основаны на различных принципах. Одни имеют аналитический характер, другие (большинство) являются эмпирическими и базируются на результатах статистической обработки экспериментальных данных. Большинство исследований посвящено определению затрат мощности в условиях, отличных от изучаемых в работе условий: при бурении разведочных скважин небольшого диаметра, значительной протяженности, с использованием шарошечных долот или алмазных коронок при относительно высоких числах оборотов бурового снаряда. Поэтому при анализе существующих методик и расчетных формул основное внимание обращено на те, которые могут быть экстраполированы на интересующие нас условия и режимы бурения, имеют достаточно завершенный характер, прошли широкую апробацию, подтверждены опытными данными и достаточно просты для использования.
Одна из таких методик разработана проф. Л.Г.Грабчаком применительно к проходке буровым способом разведочных шурфов и позволяет определить затраты мощности при медленновращательном бурении неглубоких скважин большого диаметра, в том числе шнековым буровым инструментом. Достоинством этой методики является то, что кроме физико-механических свойств пород она учитывает и конструктивные параметры шнека. Однако при этом в расчетные формулы вводится ряд коэффициентов, значения которых для конкретных условий определить оказывается затруднительным и для расчетов приходится принимать их усредненные величины, которые для различных пород рекомендуются в работе [25].
Исследование зависимости величины крутящего момента от продолжительности рейса в производственных условиях
Таким образом, приведено частное решение оптимизационной задачи по нахождению некоторых оптимизационных параметров процесса бурения: оптимальной рейсовой скорости бурения, проходки за рейс и т.п., когда принимается или устанавливается вид зависимости проходки за рейс от времени бурения.
Установлено, что оптимальное время бурения, при котором функция рейсовой скорости принимает максимальное значение, определяется только затратами времени на проведение спуско-подъемных операций и интенсивностью снижения величины механической скорости.
Предложен алгоритм, позволяющий определять для конкретных усредненных условий или текущего рейса показатель, характеризующий интенсивность снижения величины механической скорости. Данная методика может быть использована и для условий бурения, например в случае снижения механической скорости, за счет затупления породоразрушающего инструмента.
Оценка эффективности и управление процессом бурения может проводиться по различным оценочным и управляющим величинам — критериям, в том числе по минимальной стоимости бурения, по минимальным затратам времени на сооружение скважины и по максимальной прибыли.
При помощи этих критериев можно решить обратную оптимизационную задачу по нахождению оптимальной проходки за рейс для условий медленновращательного бурения шнеками накопительного типа. В качестве изменяемого (управляющего) параметра можно рассматривать или величину проходки за рейс, или продолжительность рейса, связанные между собой определенной зависимостью.
Теория и практика буровых работ показывает, что эта зависимость может быть выражена функцией вида lp=atxp (приу 1) (54) где /р - проходка за рейс, а — постоянная зависящая от параметров режима бурения, fy — время бурения в рейсе, которое может быть определено по критериям оптимизации процесса (далее время бурения в рейсе), х - показатель степени. Определим оптимальную проходку за рейс по трем вышеуказанным критериям.
Первый критерий - стоимость сооружения скважины Sz (ед.) [46] (Рис. 20). Стоимость сооружения скважины Sz может быть выражена "2 = "ЭЛЭН +"ЧЕ +"СПО "ОШ "ЗОК \р- ) где S элэн, S ЧБ., S спо, S ош, S зок - стоимость затрат электроэнергии; стоимости затрат времени: чистого бурения; операций спуско-подъема бурового инструмента; очистки шнека и задавливания секций обсадной колонны.
Если известна стоимость 1 киловатт часа - q\ и 1 ч работы буровой установки -#2, то стоимость сооружения скважины (55) по всем технологическим операциям с отдельным учетом затрат электроэнергии в рейсе может быть записана в виде:
Продолжительность рейса, ч. Рис. 20. График зависимости стоимости бурения скважины от времени бурения в рейсе. где L - конечная глубина скважины, /р - проходка за рейс, tv — время бурения в рейсе, ош - время очистки шнека, /зок - время задавливания секции обсадной колонны, Рспо - скорость спуско-подъемных операций, ІУБУР - мгновенные затраты мощности.
Основываясь на опытных данных [63], с определенной долей уверенности можно сказать, что А ур является функцией затрат времени в рейсе и близка к виду NB№=A+BtT{y \t -var) (57) Тогда затраты электроэнергии в рейсе где А — постоянные затраты мощности, не зависящие от времени бурения в рейсе, В - переменные затраты мощности, зависящие от продолжительности рейса, t - текущее время, у - показатель степени.
Для данной глубины стоимость всей скважины (59) - функция одной из возможных переменных -1 (tp). Ищем минимум значения функции (рис. 19), Sz при
Критерием эффективности бурения в данном случае будет минимальная стоимость сооружения скважины - функция затрат времени в рейсе при всех прочих постоянных. Минимум стоимости скважины можно найти численным методом из уравнения (61), полученного из решения (60) с учетом (59), по переменной величине оптимального времени бурения в рейсе. Отметим, что расчетное значение оптимального времени бурения в рейсе (61), при котором необходимые затраты на бурение всей скважины будут минимальны, не зависит напрямую от значения коэффициента - а (начальной механической скорости бурения), которое необходимо установить при анализе (59). Естественно, значение а должно быть ограничено допустимой величиной tp, не приводящей к аномальному износу бурового и породоразрушающего инструмента.
