Содержание к диссертации
Введение
1 Научное обобщение и анализ теоретических и экспериментальных данных об ударно-вращательном способе бурения геологоразведочных скважин малого диаметра 17
1.1 Область практического применения ударно-вращательного способа бурения геологоразведочных скважин 17
1.2 Характеристика динамических процессов в системах ударно-вращательного действия 26
1.3 Анализ результатов исследований в области применения ударно-вращательного способа бурения 30
1.4 Энергетические характеристики процесса ударного разрушения горных пород. Оценка эффективности ударно-вращательного способа бурения скважин 57
1.5 Выводы по главе 1. Формулировка задач исследований 64
2 Методика теоретических и экспериментальных исследований 66
2.1 Методы решения задач о продольном ударе применительно к процессу ударно-вращательного бурения скважин 66
2.2 Методика экспериментальных исследований по передаче энергии волны деформации по бурильной колонне и обработки результатов методами математической статистики 71
2.2.1 Методика эксперимента по передаче импульсов силы по бурильной колонне 71
2.2.2 Методика обработки результатов экспериментов методами математической статистики 74
2.3 Методика исследований волновых процессов в элементах бурильной колонны с ниппельным соединением и резьбой закрытого типа 76
2.3.1 Методика исследования циклических деформаций в резьбовых соединениях ниппелей и труб 76
2.3.2 Методика экспериментальных исследований нормальных напряжений от ударных и изгибных нагрузок в бурильной колонне с резьбовыми соединениями закрытого типа 80
2.4 Методика экспериментального определения рациональных параметров ударного взаимодействия и оценки эффективности породоразрушающего инструмента различного типа с горной породой 81
2.4.1. Характеристика породы, принятой для эксперимента 81
2.4.2 Методика проведения эксперимента по разрушению гранита энергией волны деформации 83
2.4.3 Методика анализа гранулометрического состава шлама при разрушении гранита 91
2.4.4. Обработка и анализ экспериментальных данных методами математической статистики 92
2.5 Методика исследования безбойкового гидравлического механизма формирования импульсов силы 94
3 Влияние волновых процессов на работу бурильной колонны при бурении скважин 98
3.1 Разработка новой конструкции бурильной колонны с ниппелями закрытого типа 98
3.2 Исследование влияния соотношения наружного и внутреннего диаметров бурильных труб на эффективность передачи энергии волны деформации 101
3.3 Исследование циклических деформаций в резьбовых соединениях закрытого типа 110
3.4 Результаты экспериментальных исследований передачи импульсов силы по бурильной колонне с ниппельными соединениями закрытого типа в процессе ударно-вращательного нагружения 119
3.5 Исследование волновых процессов в элементах бурильной колонны с ниппельными соединениями закрытого типа 122
3.5.1 Анализ результатов исследований нормальных напряжений, возникающих от действия ударных и изгибающих нагрузок в бурильной колонне новой конструкции 122
3.5.2 Анализ результатов исследований тангенциальных напряжений в элементах бурильных колонн с ниппельными соединениями закрытого типа 131
4 Экспериментальные исследования по определению рациональных параметров ударного взаимодействия породоразрушающего инструмента различного типа с горной породой 137
4.1 Оценка влияния параметров ударника на эффективность разрушения горных пород 145
4.2 Исследование влияния энергии волн деформаций при изменении скорости приложения ударной нагрузки на эффективность разрушения горных пород 150
4.3 Взаимосвязь скорости вращения бурильной колонны и частоты ударов на объем разрушаемой за удар горной породы 155
4.4 Анализ фракционного состава шлама и оценка эффективности работы буровых коронок различного типа 158
5 Разработка безбойкового гидравлического механизма генерирования импульсов силы для разрушения горных пород 173
5.1 Теоретическое обоснование применения безбойкового гидравлического механизма формирования импульсов силы 173
5.2 Устройство и принцип работы безбойкового гидравлического механизма формирования импульсов силы для разрушения горной породы 178
5.3 Результаты лабораторных испытаний безбойкового гидравлического механизма формирования импульсов силы и оценка его работоспособности 183
6 Моделирование и анализ рабочих процессов агрегатов для бурения скважин в условиях подземных рудников 192
6.1 Анализ структуры циклов бурения и затрат времени на их выполнение 193
6.2 Математическое представление затрат времени на выполнение технологических операций, связанных с бурением, от параметров бурового агрегата и приводов его механизмов 199
6.3 Выбор критерия сокращения времени подготовительно-заключительных и вспомогательных операций 201
6.4 Разработка и исследование технико-экономической модели процесса бурения скважин 202
6.5 Математическое представление экономических показателей бурения через параметры бурового агрегата и приводов его механизмов 205
6.6 Разработка алгоритма расчета рациональных параметров буровых агрегатов в соответствии с поставленными целями 207
6.7 Установление границ рационального применения буровых агрегатов с различными приводами для бурения скважин малого диаметра в подземных условиях 214
Заключение 219
Библиографический список 224
- Энергетические характеристики процесса ударного разрушения горных пород. Оценка эффективности ударно-вращательного способа бурения скважин
- Методика исследований волновых процессов в элементах бурильной колонны с ниппельным соединением и резьбой закрытого типа
- Результаты экспериментальных исследований передачи импульсов силы по бурильной колонне с ниппельными соединениями закрытого типа в процессе ударно-вращательного нагружения
- Анализ фракционного состава шлама и оценка эффективности работы буровых коронок различного типа
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях любой производственный процесс должен быть ориентирован на ресурсосбережение. При эксплуатационной разведке рудных месторождений (при проходке скважин в породах VI–XII категорий по буримости) важными направлениями ресурсосбережения могут быть:
уменьшение диаметра скважин (до 40 - 70 мм);
определение рациональной энергии удара при бурении;
использование безбойкового гидравлического механизма формирования импульсов силы для разрушения горных пород (ГП), обеспечивающего существенное повышение к.п.д. в сравнении со всеми современными гидроударными машинами;
определение и выбор рациональных параметров агрегатов для бурения скважин ударно-вращательным способом в условиях подземных рудников.
Как известно, в разведочном бурении одним из важнейших вопросов является качество извлекаемых из недр образцов горной породы. Очевидно, самым распространенным способом получения такой информации является разведочное колонковое бурение.
Однако, стоит отметить, что и бурение, дающее образцы в виде шлама, например, бурение с обратной циркуляцией воздуха, достаточно распространено, особенно в зарубежных странах (рисунок 1).
Традиционно для интенсификации бурения при проходке скважин в твердых породах применяют погружные пневматические и гидравлические ударные машины.
Результаты исследований,
Рисунок 1 – Соотношение бурения с RC (обратной циркуляцией воздуха) и колонкового (данные национальной статистики по общим затратам на разведку с поверхности и из подземных горных выработок) (Йонссон Я. Найти оптимальный баланс // Горное дело и строительство. Механизированная разработка пород с Atlas Copco, 2005. – № 3. – С. 18–20)
проводимые в Томском политехническом университете И.А. Нейште-тером, В.П. Рожковым и др., показали, что воздействие на породо-разрушающий инструмент (ПРИ) импульсов силы при вращательном бурении горных пород позволяет увеличить механическую скорость бурения от полутора до пяти раз.
Анализ геологоразведочного оборудования показал, что предлагаемые установки с погружными ударными механизмами в преобладающей своей части позволяют бурить скважины средних и больших диаметров.
Применение буровых установок с ударными механизмами вне
скважины и независимым вращением бурильной колонны может являться альтернативным вариантом бурения сравнительно неглубоких геологоразведочных скважин (до 50 м) малого диаметра (40-70 мм) на месторождениях с хорошо изученными геологическими разрезами (условия залегания, физико-химические свойства полезных ископаемых и горных пород, мощность отложений и т.п.) и при бурении по «пустым породам» как более экономичный и быстрый способ углубки до рудного тела; при бурении с отбором шлама для его последующего анализа при эксплуатационной разведке этажей, горизонтов, блоков с целью уточнения данных для планирования добычи, контроля за качеством отработки запасов полезного ископаемого (рисунок 2).
В данном случае реализуется ударно-вращательный способ бурения, основанный на волновом механизме передачи энергии удара на забой скважины.
Рисунок 2 – Структура запасов
рудного месторождения. Схема
бурения веера геологоразведочных
скважин
Большой вклад в исследование ударных процессов применительно к бурению скважин внесли работы отечественных и зарубежных ученых: Авакяна О.А., Алабужева П.М., Александрова Е.В., Алимова О.Д., Андреева В.Д., Арндта Ф.К., Барона Л.И., Бессонова Ю.Д., Бойкова В.В., Веселова Г.М., Горбунова В.Ф., Дата ПК, Дворникова Л.Т., Еремьянца В.Э., Жлобинского Б.А., Жукова И.А., Иванова К.И., Кашаева В.А., Кашкарова Г.М., Киселева А.Т., Климова Б.Г., Ко-няшина Ю.Г., Крусира И.Н., Крюкова Т.М., Кутузова Б.Н., Лазаревича Н.Д., Лисовского А.Ф., Лундберга Б., Мавлютова М.Р., Манжосова В.К., Медведева И.Ф., Михайлова А.В., Мясникова А.А, Нейштетера И.А., Никоно-вой И.П, Осипова Н.М., Павловой Н.Н., Покровского Г.Н., Пуляева А.И., Рейхмуса Д.Р., Рожкова В.П, Рындина В.П., Саруева Л.А., Сердечного А.С., Серова Я.А., Серпенинова Б.Н., Сирса А.Е., Слистина А.П, Смоляницкого Б.Н., Со-колинского В.Б., Сулакшина С.С., Тагаева Б.Т., Торгунакова Ю.Н., Тюнина А.А., Федорова В.Р., Ферхарста Е., Филиппова Г.С., Фишера Г., Хуструлида В., Цуканова А.Г., Чирьева В.И., Шапошникова И.Д., Шелковникова И.Г., Шрейнера Л.А., Эпштейна Е.Ф. и др.
Известно, что формируемый при ударе импульс силы представляет собой величину, характеризующую действие, оказываемое на бурильную колонну за некоторый промежуток времени At. В свою очередь импульс силы не характеризуется энергией удара, поэтому в дальнейших рассуждениях, говоря о передачи и потерях энергии удара в буровом инструменте, мы будем обращаться к термину «волна деформации», «силовой импульс».
Таким образом, на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложены новые технические решения, позволяющие решить проблему научно-обоснованного проектирования техники и ресурсосберегающей технологии бурения геологоразведочных скважин из подземных горных выработок, что имеет важное значение для развития технологии эксплуатационной разведки полезных ископаемых при подземной разработке рудных месторождений (рисунок 3).
Работа выполнена в соответствии с планом НИР в рамках государственных научных и научно-технических программ, в которых автор являлся руководителем или ответственным исполнителем: Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (мероприятие № 1.3.1 «Проведение научных исследований молодыми учеными - кандидатами наук» (ГК № П1328 от 11 июня 2010 г.)); программы «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект № 5208р/7638 от 25.06.2007 г., проект № 7340р/№10201 от 28.12.2009 г.). Кроме того, тема была поддержана грантом Томского политехнического университета молодым ученым для проведения научных исследований, 2005 г.
Идея работы состоит в научном обосновании ресурсосберегающей технологии бурения геологоразведочных скважин малого диаметра из подземных горных выработок, основанной на передаче импульсов силы (волн деформаций) от ударного механизма по бурильной колонне к ПРИ. Эффект достигается за счет новой конструкции бурильной колонны с ниппелями закрытого типа, а также безбойко-вого гидравлического механизма формирования импульсов силы, позволяющих получить импульсы по своим параметрам близким к оптимальным и передавать их на забой скважины с минимальными потерями.
Цель работы - теоретические и экспериментальные исследования волновых процессов в бурильной колонне, направленные на обоснование возможности использования энергии волн деформаций для интенсификации процесса разрушения горных пород.
Задачи исследований:
исследовать процессы формирования импульсов силы при ударе, передачи их по буровому снаряду и внедрения в горную породу. При этом должна решаться двуединая задача: обеспечение рационального силового воздействия на горную породу со стороны бурового инструмента, а также выявление основных факторов, влияющих на эффективность разрушения горной породы;
теоретически и экспериментально обосновать принципиально новую конструкцию бурильной колонны, обеспечивающей передачу волны деформации от ударно-вращательного механизма к ПРИ с минимальными потерями ее энергии и условия для повышения прочности элементов соединений бурильной колонны;
научно обосновать и разработать рекомендации по увеличению коэффициента передачи энергии волны деформации по бурильной колонне;
разработать стенд и методику экспериментальных исследований для определения рациональных параметров ударного взаимодействия ПРИ различного типа с горной породой;
Рисунок 3 – Факторы, определяющие ресурсоэффективность технологии бурения геологоразведочных скважин
ударно-вращательным способом
провести экспериментальные исследования разрушения гранита ПРИ различного типа, анализ полученных результатов, оценку энергоемкости процесса разрушения и сопоставить их с экспериментальными данными других авторов;
теоретически обосновать принципиально новый безбойковый гидравлический механизм формирования импульсов силы вместо ударных механизмов машин для бурения скважин малого диаметра, экспериментально исследовать его работу;
разработать метод расчета рациональных параметров буровых агрегатов с ударно-вращательными механизмами для бурения скважин в подземных условиях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Впервые разработаны научные основы ресурсосберегающей технологии бурения геологоразведочных скважин из подземных горных выработок, позволяющей интенсифицировать в несколько раз процесс разрушения горных пород за счет импульсов силы, передаваемых по бурильной колонны с ниппельными соединениями закрытого типа на забой скважин при эксплуатационной разведке твердых полезных ископаемых, что является существенным вкладом в решение проблемы повышения энерго- и ресурсоэффективности технологии и техники геологоразведочных работ.
-
Экспериментально выявлены закономерности распространения импульсов силы по бурильной колонне с закрытыми ниппельными соединениями, подтверждающие эффективность передачи энергии волны деформации на забой с потерями, не превышающими 25 - 30 % (при 28 - 30 соединениях бурильных труб в колонне).
-
Установлена аналитическая зависимость эффективности передачи энергии продольных волн деформации по бурильной колонне от соотношения наружного и внутреннего радиусов поперечного сечения бурильных труб.
-
На основе экспериментальных исследований резьбовых соединений установлен характер влияния жесткостей резьбовых участков бурильных труб, контактного взаимодействия витков резьбы трубы и ниппеля на передачу импульсов силы по бурильной колонне к ПРИ.
-
Установлена зависимость фракционного состава гранита при его разрушении от энергии волны деформации. Экспериментально уточнены закономерности изменения энергоемкости разрушения горной породы импульсами силы с бльшей длительностью переднего фронта при условии равной энергии удара.
-
Предложен новый способ генерирования импульсов силы в буровом инструменте на основе безбойковой гидромеханической системы, включающей упругий элемент с нелинейной зависимостью давления от объема жидкости, вытесняемой плунжером в замкнутую полость упругого элемента.
Практическая значимость работы заключается:
в использовании методики проведения экспериментальных исследований, позволяющей оценить эффективность передачи импульсов силы по колонне бурильных труб;
в научном обосновании влияния соотношения наружного и внутреннего диаметров бурильных труб на эффективность передачи энергии волны деформации;
в разработке принципиально нового безбойкового гидравлического механизма генерирования импульсов силы, имеющего существенно больший к.п.д., по сравнению с применяющимися в настоящее время механизмами ударного действия. Безбойковый гидравлический механизм представляет интерес для компаний и предприятий, занимающихся разработкой, созданием и производством техники бурения;
в разработке модели работы бурового агрегата и методики расчета его рациональных параметров для бурения скважин из подземных горных выработок, который уже на этапе проектирования позволяет оценить их ресурсоэффектив-ность на основе таких технико-экономических показателей, как производительность, удельные приведенные затраты, себестоимость метра пробуренной скважины, материалоемкость агрегата и бурового инструмента и т.д.
Методы исследования
Теоретические методы исследования включают:
научное обобщение и анализ результатов исследований по проблеме применения ударно-вращательного способа бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок ;
численные методы решения дифференциальных уравнений применительно к волновой теории Сен-Венана;
гармонический анализ функции, описывающей передачу волн деформаций по волноводам.
Экспериментальные методы включают:
тензометрирование процессов передачи упругих волн деформаций на стенде, имитирующем скважину диаметром 42 мм и глубиной 39 м с применением современных измерительных средств и обработкой полученных результатов (УИПУ-4М); тензометрирование динамических процессов в элементах резьбового соединения;
математическое моделирование процесса бурения скважин малого диаметра агрегатами ударно-вращательного действия;
методы обработки и анализа данных включают математико-статистические методы, в том числе корреляционно-регрессионный анализ, используемый для исследования влияния различных факторов (типа ПРИ, предударной скорости бойка, типа бойка, угла поворота инструмента) на энергоемкость разрушения горной породы, углубление скважины и гранулометрический состав разрушенной породы.
Математические расчеты выполнялись в программном продукте MathCAD 13.0. Визуализация и статистический анализ экспериментальных данных осуществлялся с использованием программного пакета Statistica 7.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Конструкция бурильной колонны с ниппельными соединениями закрытого типа позволяет передавать к ПРИ порядка 70 % энергии волны деформации на глубину 40 м. Теоретически и экспериментально определены условия эффективной передачи импульсов силы в буровом инструменте. Установлено, что передача амплитуды и энергии волн деформаций по колонне с ниппельными соединениями закрытого типа осуществляется с меньшими потерями энергии за счет:
- применения бурильных труб с бльшей относительной толщиной стенки;
повышения жесткости резьбовых участков бурильных труб, жесткости контактного взаимодействия рабочих поверхностей витков резьбы бурильных труб и ниппеля, а также снижения жесткости ниппеля;
уменьшения в элементах ниппельных соединений закрытого типа тангенциальных напряжений.
2. Безбойковая гидромеханическая система, включающая упругий элемент с
нелинейной зависимостью давления от объема жидкости, вытесняемой плунже
ром в замкнутую полость упругого элемента, может быть использована вместо
ударных механизмов буровых установок ударно-вращательного действия, а так
же как дополнительный компоновочный элемент, приводящий к интенсификации
вращательного бурения, путем формирования направленных, высокоэнергетиче
ских силовых импульсов.
3. Закономерности изменения энергоемкости разрушения горной породы от
параметров ударной системы определяются особенностями взаимодействия им
пульсов силы в бурильной колонне с горной породой:
при равной энергии удара для штыревой коронки импульс силы с более продолжительным передним фронтом обеспечивает меньшую энергоемкость разрушения за счет выкола крупных фракций; для долотчатой и крестовой коронок отмечается обратная зависимость;
при энергии удара более 60 Дж и скорости приложения ударной нагрузки 5 м/с штыревая коронка формирует частицы шлама бльшей крупности по сравнению с долотчатой и крестовой коронками. При скорости удара 7 м/с показатели фракционного состава шлама приближаются к значениям для долотчатой и крестовой коронок.
4. Разработанная модель работы бурового агрегата, методика расчета и
обоснования его рациональных параметров для бурения скважин из подземных
горных выработок позволяет на этапе проектирования оценить их ресурсоэффек-
тивность на основе таких технико-экономических показателей, как производи
тельность, удельные приведенные затраты, себестоимость метра пробуренной
скважины, материалоемкость станка и бурового инструмента и т.д.
Достоверность результатов и научных положений обеспечена значительным объемом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на натурных образцах бурового оборудования с использованием современного метрологического оборудования, программного обеспечения, методов статистической обработки экспериментальных материалов, сходимостью результатов исследований с данными других авторов.
Реализация выводов и рекомендаций.
Разработанный метод расчета и обоснования рациональных параметров агрегатов для бурения геологоразведочных скважин в условиях подземных рудников принят к внедрению в ООО «Юргинский машиностроительный завод» (г. Юрга), ЗАО «Институт промышленного проектирования угольных предприятий» (г. Новокузнецк), получены соответствующие акты внедрения.
Апробация работы.
Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на: заседании объединенного научного семинара специалистов Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Томского науч-
ного центра СО РАН, Научно-исследовательского института прикладной математики и механики при Томском государственном университете; научных семинарах в Институте природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета; на заседании научного семинара в Институте горного дела СО РАН (г. Новосибирск); на международных симпозиумах и научно-практических конференциях: «Проблемы геологии и освоения недр», 1998, 2003 - 2011, 2014 гг. (г. Томск); «Современные проблемы машиностроения», 2011 гг. (г. Томск); «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕ-СУРС - 12 - 2006)», 2006 г. (г. Тюмень); «Science and Technology. KORUS-2005», 2005 г. (г. Новосибирск); «Динамика и прочность горных машин», 2003 г. (г. Новосибирск); «Современные техника и технологии 2003», 2003 г. (г. Томск); «Science and Technology. KORUS-2003», 2003 г. (г. Ульсан, Южная Корея); «Наука и инновации XXI века», 2005 г. (г. Сургут). Личный вклад автора состоит:
в формулировке проблемы и задач исследований; выборе методов и разработке методик исследований;
в проведении теоретических исследований передачи импульсов силы по бурильной колонне, экспериментальных исследований по оценке потерь энергии при передаче волн деформаций через резьбовые соединения на основе гистере-зисных диаграмм;
в обработке осциллограмм импульсов силы и получении графических зависимостей изменения их амплитуды, энергии, длительности в процессе распространения по бурильной колонне;
в разработке стенда и создании методики экспериментальных исследований для определения рациональных параметров ударного взаимодействия ПРИ различного типа с горной породой (на примере гранита);
в разработке экспериментального стенда для исследования возможностей безбойкового гидравлического механизма формирования импульсов силы;
в проведении экспериментальных исследований разрушения гранита ПРИ различного типа, обработке и анализе полученных результатов;
в проведении экспериментальных исследований работы безбойкового гидравлического механизма формирования импульсов силы, обработке и анализе полученных результатов;
в разработке математической модели работы бурового агрегата и методики расчета и обоснования рациональных параметров агрегатов для бурения скважин в условиях подземных рудников.
Часть исследований выполнена при непосредственном участии автора совместно с Л.А. Саруевым, А.И. Авдеевой, А.Л. Саруевым, А.А. Казанцевым, А.П. Колодиным, В.Г. Крец, Д.В. Фединым.
Публикации. Результаты диссертационного исследования изложены в 55 печатных работах:
в изданиях перечня ВАК Министерства образования и науки РФ - 21 публикация;
в 3-х монографиях, одна из которых единоличная;
в других изданиях - 24 публикации;
в 7-ми патентах на полезную модель РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа объемом 272 страницы содержит введение, шесть глав, заключение и библиографический список из 271 наименования, включает 71 рисунок, 27 таблиц и 9 приложений.
Энергетические характеристики процесса ударного разрушения горных пород. Оценка эффективности ударно-вращательного способа бурения скважин
Ценным практическим результатом исследований процессов ударно-вращательного способа бурения является разработка метода расчета ударных систем «ударно-вращательный механизм – буровой снаряд – горная порода». Особое внимание уделяется как математическому, так и компьютерному моделированию процессов при продольном ударе. Математические модели, алгоритмы, программы и программные комплексы позволяют существенно облегчить и ускорить процессы моделирования и расчета систем, реализующих продольный удар.
Вопросы разработки методов расчета ударных систем для бурения скважин представлены в работах [9, 11, 12, 72, 82, 158, 191, 192, 246, 249] и получили развитие в [79, 104, 120, 121].
Как правило, аналитические решения подобных задач представляют собой громоздкие формулы, а в некоторых случаях найти такое решение практически невозможно. Это обуславливает перспективность применения при расчетах численных методов [65], например, графодинамического метода, представленного в работе [11]. Данный метод позволяет проводить расчеты ударных систем, включающих элементы сложной конфигурации. Анализ примера расчета ударных систем с бойками различной формы по предлагаемому методу, показал, что в рассматриваемом интервале параметров бойков их длина в большей степени влияет на эффективность передачи энергии волны деформации в ГП, по сравнению с формой.
В работе [246] приведен метод расчета формы импульса силы и величины напряжения в буровом инструменте на основе графодинамического метода. Автор привел ряд наиболее часто встречающихся в практике бурения случаев представления импульсов напряжения: ударник равного со штангой поперечного сечения и акустической жесткостью; ударник с бльшим поперечным сечением и акустической жесткостью, чем у штанги; ударник сложной конфигурации; конический ударник.
В работе [82] также на основе графодинамического метода приведен расчет формирования импульсов силы и его распространения по буровому снаряду. Расчет сводится к определению величин силы, напряжения, а также энергии в элементах системы «ударник – хвостовик – буровая штанга». Элементы системы – стержни переменного сечения, а сама система представляет собой целое, не размыкается в процессе прохождения импульса силы.
В работе [182] приведена методика определения максимальных напряжений в резьбовых соединениях труб в зависимости от энергетических параметров ударного механизма, величины крутящего момента и осевой нагрузки, создаваемых буровыми агрегатами.
В работе [121] математически представлено множество частных случаев расчета ударных систем.
Авторами работ [3] предложен метод расчета распространяющихся импульсов силы по бурильной колонне, позволяющий с относительной погрешностью, не превышающей 10 %, получить: коэффициенты прохождения и отражения импульса силы в реальном буровом инструменте; частоту волны деформации, при которой в буровом снаряде появляются волны деформации, не способствующие его продольному перемещению, а значит и разрушению горной породы; значение продольного смещения бурового снаряда и продольной силы; энергию волны деформации, в т. ч. энергию, переносимую ее гармоническими составляющими. С развитием компьютерных технологий исследователи получили возможность разрабатывать методы, уточняющие механизмы формирования и передачи импульсов силы, как по буровому снаряду, так и в горную породу, реализовывать данные методы в программных продуктах.
Так разработки, представленные в работе [190], позволяют повысить точность вычислений волновых процессов в стержневых неоднородных системах от 20 до 40 % за счет учета волновых состояний внутри каждого элемента, возникновения повторных ударов и т.п. Алгоритмы вычисления позволяют повысить в 2,5 раз производительность моделирования и анализа полученных результатов, а сами результаты – дать новые представления о состоянии стержней до и после нанесения продольного удара.
Кроме этого, в последнее время актуальными являются разработки, связанные с исследованиями взаимодействия ПРИ различного типа с разрушаемой горной породой, механизма разрушения на основе метода конечных элементов, реализованном в компьютерных программах фирмы «Ansys», «Abaqus».
В работах Куклина С.А. [103, 104] приводятся результаты исследований особенностей воздействия на горную породу безлезвийного ПРИ (инденторов-эллипсоидов) и сравнительный анализ напряженного состояния одиночных твердосплавных вставок различных форм (сферической, баллистической, тороидальной, клиновой). В работе Жукова И.А. [79] приведена зависимость «сила – внедрение» для буровых коронок с числом инденторов 1, 2, 3 и 4, дается оценка влияния количества инденторов на объем разрушенной породы, рекомендованы рациональные схемы размещения инденторов.
Вычислительные эксперименты на основе метода конечных элементов позволили проводить расчеты на новом уровне: определять и оценивать напряженно-деформированное состояние бойков ударных механизмов [72], инденторов [103, 104], а также горных пород [104]. Определение энергетических параметров буровых агрегатов
Вопросам разработки методов определения энергии волн деформаций, направленных для разрушения горных пород, посвящена работа Рындина В.П. [171]. Автор приводит классификацию и анализ всех доступных в настоящее время методов измерения энергии удара буровых агрегатов. Частота и энергия удара – одни из основных параметров, которые определяют производительность буровой машины. Методы и технические средства для измерения энергии и частоты ударов постоянно совершенствуются. Особенно острым стал этот вопрос при создании мощных буровых машин (с энергией удара 300 Дж и выше).
Разработанные автором новый метод определения энергетических параметров буровых агрегатов и экспериментальная аппаратура для его реализации основаны на интегральных характеристиках импульсов и позволяют определять энергию волны деформации, распространяющейся к буровой коронке, независимо от типа генератора этих импульсов, с приемлемой для практики точностью и надежностью.
Энергоемкость процесса разрушения, характеризующаяся отношением работы удара (его энергии) к разрушенному коронкой объему породы, применяется в качестве показателя разрушения горных пород. При этом выделяется критическая энергия удара и критическое осевое усилие, ниже которых данный способ бурения считается нерациональным [82].
Распространение волны деформации, формируемой при ударе, представляет процесс распространения возмущения частиц в упругой среде при одновременном движении самих частиц около своих положений равновесия.
Таким образом, очевидно разделение энергии удара на кинетическую и потенциальную. Аналитически покажем, что полная энергия волны деформации состоит из равных долей кинетической и потенциальной энергии. Приведем доказательство равенства указанных энергий для импульса прямоугольной формы.
Методика исследований волновых процессов в элементах бурильной колонны с ниппельным соединением и резьбой закрытого типа
Методика исследования циклических деформаций в резьбовых соединениях ниппелей и труб Рассматривая процессы передачи импульсов силы по бурильной колонне в рамках теории упругости [122], отметим, что при эксплуатации бурильных колонн кроме восстанавливающих (упругих) сил, неизбежно развиваются силы сопротивления [143] –диссипативные силы, на их преодоление расходуется энергия системы.
В процессе эксплуатации на напряженное состояние резьбовых соединений влияет целый ряд факторов, который существенно усложняет возможность аналитического определения диссипативных сил при динамических нагрузках. Получить представление о качественном характере изменения восстанавливающих (упругих) и диссипативных сил при динамических нагрузках резьбовых соединений возможно при их квазистатическом нагружении [153].
Квазистатическое нагружение ниппельных соединений труб осуществлялось на гидропрессе, представленном на рисунке 2.3.1, технические характеристики которого приведены в таблице 2.3.1.
Количественная оценка напряженного состояния труб и ниппеля закрытого типа производилась на основе тензометрического метода [151, 162] с применением проволочных тензорезисторов, имеющих малые размеры и позволяющих измерять различные деформации [247, 248].
Для измерения продольной силы, действующей на соединение, тензодатчики Rр 9 наклеивались на противоположенные стороны наружной поверхности бурильной трубы. Для измерения относительного смещения последних тензодатчики наклеивались по обеим сторонам измерительной пластины. Компенсационные датчики Rк фиксировались на дополнительном элементе из аналогичного материала (рисунок 2.3.1 б).
Питание мостов и усилителей осциллографа осуществлялось от постоянного источника напряжения . Сигналы с мостовой схемы подключения тензодатчиков (рисунок 2.3.1 б) поступают на вход усилителей осциллографа.
Петлевые диаграммы на силовой установке получали следующим образом. Укороченные трубы фиксировались в зажимных устройствах 7, устанавливалась скоба 12.
Испытываемое ниппельное соединение в течение 10-12 циклов нагружали максимально возможными для данного типа резьбового соединения крутящим моментом и продольной силой для исключения влияния на результаты остаточных деформаций и обеспечения стабильности упругих свойств ниппельного соединения закрытого типа. Перед получением петлевой диаграммы к резьбовому соединению прикладывался крутящий момент. Выполнялась балансировка мостовых схем и осциллографа С1 - 117.
При получении петлевой диаграммы сигналы импульса силы и относительного смещения труб выводились соответственно на ось у и х экрана. При этом отключалась развертка лучей осциллографа. Петлевая диаграмма фиксировалась фотоаппаратом с экрана осциллографа. 2.3.2 Методика экспериментальных исследований нормальных напряжений от ударных и изгибных нагрузок в бурильной колонне с резьбовыми соединениями закрытого типа
Исследования проводились на стенде, представленном на рисунке 2.2.1. Осевая нагрузка создавалось пневмоподатчиком в пределах от 3,4 до 11,3кН.
Скорость приложения нагрузки регулировалась за счет изменения подводимого к ударно-вращательному механизму давления сжатого воздуха. Крутящий момент на бурильную колонну создавался рычагом с грузом в пределах от 49 до 245 Hм. Получаемые импульсы снимались фотоаппаратом с экрана осциллографа.
Шаг резьбы в ниппельном соединении равный 12 мм делает возможным использование фольговых тензодатчиков с базой 5 мм.
Для определения осевых деформаций статических идинамических нагрузках на ниппеле с веревочной резьбой круглого профиля выполнялись продольные канавки, в которых наклеивались тензодатчики с сопротивлением 100 Ом (рисунок 2.3.2).
Для фиксирования изгибных и тангенциальных напряжений в средней части ниппеля наклеивались тензодатчики с базой 10 мм и сопротивлением 100 Ом (рисунок 2.3.3). Необходимость наклейки тензодатчиков в центре обусловлена тем, что в указанном сечении соединительного элемента при статических и динамических нагрузках возникают максимальные изгибные и тангенциальные напряжения.
Построение тарировочных графиков для всех видов нагрузок производилось с применением гидропресса (рисунок 2.3.1).
Для исследования работы нового ниппельного соединения в отсутствии буртика данный упорный элемент срезался, и эксперимент проводился с соединительным элементом, имеющим кольцевую проточку.
Наименование породы: биотит роговообманковый щелочной гранит (рисунок 2.4.1).
Под микроскопом текстура породы однородная, структура гипидиоморфная (гранитовая) с характерным ксеноморфизмом кварца по отношению к зернам полевых шпатов, вы делившихся ранее. По размерам кристаллических зерен структура крупнозернистая с размером зерен от 0,5 до 15 мм.
Породообразующие минералы представлены кварцем, калиевым полевым шпатом, кислым плагиоклазом, при подчиненном содержании биотита и роговой обманки. Среди акцессориев преобладают циркон, магнетит, эпидот, апатит.
Калиевый полевой шпат является самым распространенным компонентом породы (35 %).
Плагиоклаз (25 %) представлен короткопризматическими, таблитчатыми, субизометричными и неправильными зернами. В основном зерна однородны, но иногда обнаруживают зональное строение.
Кварц слагает 20 % породы. Крупные зерна кварца имеют ксеноморфную форму, зерна мелких размеров – имеют субизометричную форму.
Биотит (14 %) образует правильные пластинки, удлиненные и неправильной формы зерна, форма которых определяется расположением и конфигурацией соседних зерен.
Роговая обманка (5 %) представлена слабо удлиненными неправильными, реже идиоморфными зернами.
Акцессорные минералы составляют менее 1 % и представлены цирконом, эпидотом, магнетитом, апатитом.
Порода плотная, не содержит пустот, обладает незакономерной анизотропией: минеральные компоненты в ней распределены неравномерно: отмечается незакономерное чередование салических устойчивых твердых (кварц – твердость по шкале Мооса, равна 7) и менее устойчивых и менее твердых (плагиоклаз, микроклин – твердость 6–6,5) минералов с фемическими: твердыми (роговая обманка, твердость 5–6) и мягкими (биотит, твердость 2–3).
Порода имеет относительно свежий облик. Процессы вторичного изменения и разрушения проявлены слабо в виде пелитизации калиевых полевых шпатов, серицитизации плагиоклазов, радиоактивного распада циркона. Наблюдается слабо проявленная кальцитизация в виде тонкой сыпи.
Результаты экспериментальных исследований передачи импульсов силы по бурильной колонне с ниппельными соединениями закрытого типа в процессе ударно-вращательного нагружения
Экспериментальные исследования распространения волны деформации вдоль бурильной колонны с соединениями ниппелем закрытого типа проводились в соответствии с методикой, изложенной в разделе 2.2.1. Результаты изменения таких параметров импульсов как амплитуда силы, энергия, длительность в процессе их распространения вдоль бурильной колонны с ниппельными резьбовыми соединениями приведены на рисунках 3.4.1, 3.4.2 [170, 173, 212, 215]. Из графических зависимостей видно, что при прохождении импульсов силы через первые 7 ниппельных соединений (9 метров бурильной колонны) уменьшение амплитуды силы и энергии волны сжатия происходит более интенсивно. Как отмечалось ранее, это связано с волнами поперечной деформации, распространяющимися в материале бурильных труб со скоростью около 3 000 м/с. Наибольшие нагрузки действуют у устья скважины. На первых метрах бурильной колонны происходит совместное воздействие деформации сжатия и изгиба, а далее волна деформации изгиба начинает отставать. Повышение предударной скорости бойка приводит к более существенному уменьшению амплитуды силы (у пяти бойков из шести) и энергии (у четырех бойков из шести) импульсов. Таким образом, согласно экспериментам, доля энергии, переданной на забой 40-метровой скважины, составляет 0,65 – 0,70 от исходного значения. Результаты исследований, представленных в данном разделе, охватывают вопросы, связанные с распределением нагрузок в новой конструкции бурильной колонны с ниппелями закрытого типа. Как показали результаты экспериментов, выполненных ранее [50, 177, 182, 218], при распространении импульса силы через данное резьбовое соединение происходит постепенная разгрузка контактов витков резьбы.
Изначально, при сборке бурильной колонны, ниппельное соединение труб подвергается деформации от действия осевой силы на упорный стык соединения (бз) . Усилие затяжки, действующее в ниппельном соединении закрытого типа в начальный момент, вызывает сжатие последних и растяжение ниппеля (рисунок 3.5.1).
В процессе распространения импульса силы, сформированного после механического удара (кривая 1), происходит увеличение усилия сжатия в бурильных трубах до значений самого импульса силы (кривая 2) и снижение усилия растяжения в ниппеле, полностью скрытом внутри соединяемых труб (кривая 3).
После полного освобождения ниппеля от нагрузки появляется зазор между смежными витками резьбы ниппеля и бурильных труб, который приводит к дополнительному осевому перемещению ниппеля относительно трубы за счет крутящего момента. Это вызывает в результате прохождения импульса дополнительное растяжение ниппеля (А/н) и сжатие трубы (А/тр), равных по величине, поскольку обеспечивается совместное равное перемещение контакта витка трубы со смежным витком ниппеля до тех пор, пока ниппель не освободится от усилия затяжки, созданного крутящим моментом. Жесткости бурильной трубы и ниппеля разные, а дополнительные перемещения контакта витков одинаковые. Под жесткостью тела понимаем его способность сопротивляться образованию деформации. В пределах закона Гука данный показатель определяется через коэффициент жесткости, который равен силе, приводящей к перемещению сечения стержня на единицу длины. Для принятых в исследовании параметров бурильных труб и ниппелей (таблица 2.2.1) жесткость трубы Стр= 1,6109 Н/м, жесткость ниппеля Сн
Для оценки эффективности новой бурильной колонны ранее были проведены производственные испытания на Хайдарканском ртутном комбинате (Кыргызстан) [117]. Бурильная колонна была изготовлена в механических мастерских из геологоразведочных бурильных труб, имеющих наружный диаметр 33,5 мм, внутренний – 24 мм. В процессе бурения 925 м геологоразведочных скважин в породах высокой твердости на шахте «Новая» не было отмечено ни одного случая выхода из строя ниппельного соединения, хотя семь других известных конструкций соединений в тех же условиях не выдержали испытаний.
На руднике «Риддерский» в Казахстане проводились аналогичные сравнительные испытания бурильных колонн с муфтовыми соединениями и ниппелями. При бурении нисходящих скважин испытания бурильной колонны нового типа подтвердили положительные результаты.
Важно отметить, что изначально предлагаемый тип соединения бурильных труб разработан исходя из чисто интуитивных конструкторских соображений, без достаточного научного обоснования параметров соединения, без оценки коэффициента передачи энергии импульсов силы по бурильной колонне [51]. Кроме того, не был решен один из основных вопросов фиксирования ниппеля в одной из соединяемых бурильных труб с обеспечением возможности небольшого свободного перемещения (до 2 мм) относительно труб и при этом беспрепятственного распространения импульсов силы по бурильной колонне от ударного механизма к породоразрушающему инструменту. Однако отсутствие фиксированного положения ниппеля не позволяло автоматизировать свинчивание и развинчивание бурильной колонны. К настоящему времени данный недостаток устранен, научно обоснованы параметры бурильной колонны с соединительными элементами закрытого типа. Найдено конструктивное решение, защищенное патентом Российской Федерации, позволяющее фиксировать ниппель в одной из бурильных труб при развинчивании соединений без какого-либо негативного влияния на динамику процесса распространения волны деформации через соединение труб (Приложение 7, 9) [149, 224, 237, 238].
Как было отмечено ранее, элементы конструкции резьбового соединения определяют величину и характер изменения механических напряжений при динамических нагрузках. Анализ результатов экспериментов, показал, что применяемый для фиксации ниппеля в трубе буртик увеличивает напряжения в резьбовом соединении за счет отражения и наложения волн деформаций непосредственно в резьбовом соединении.
Традиционно в механике принято обозначать нормальное напряжение при сжатии отрицательным, а при растяжении - положительным.
В силу того, что действие статического момента силы, осевой нагрузки и предыдущих ударных нагрузок вызвало предварительную деформацию резьбового соединения (рисунок 3.5.2, точка 0 на вертикальной оси) и, соответственно, тензодатчиков сопротивления, была произведена балансировка сопротивления датчиков: значение 0 соответствовало полной разгрузке соединительного ниппеля в результате воздействия импульса силы сжатия [218].
Исследования показали, что при совместном воздействии момента силы и волн деформаций сжатия от продольного удара происходит дозатяжка соединения бурильных труб, которая вызывает повышение статических нормальных напряжений в элементах бурильной колонны.
Следует заметить, что и в геологоразведочном бурении при механизированной сборке и разборке замков труб применяются многократные удары для соответствующего изменения крутящего момента и вызывающие затяжку или раскрепление замков [111, 112].
Анализ показал, что в момент освобождения ниппеля от продольной осевой нагрузки, на витках исчезают нормальные контактные нагрузки и силы трения, вследствие этого практически весь крутящий момент передается через упорный стык бурильных труб без участия соединительного ниппеля в передаче момента.
Анализ фракционного состава шлама и оценка эффективности работы буровых коронок различного типа
Важной характеристикой шлама, определяемой конструктивными параметрами бурового инструмента, является его крупность.
Были построены и проанализированы графики зависимости фракционного состава от диаметра выбуренных частиц для различных условий эксперимента.
Анализ литературных источников по данному направлению исследований показал, что применительно к бурению скважин отсутствуют систематические исследования по данному вопросу. Значительный вклад в этом направлении внесли работы, выполненные в Томском политехническом университете Рожковым В.П., Сулакшиным С.С. и др. [163, 164], Рябчиковым С.Я. [172], Важовым В.Ф., Дацке-вичем С.Ю. и др. [37]. Кроме того, исследованиями проб шлама при бурении занимались Лопатин Ю.С., Филатов Б.С. [115, 116], Шашилов В.П., Кузнецов В.Н. [245], Кулиев А.Э., Ахундов У.Х. [105] и др.
Приведенные работы посвящены, главным образом, экспериментальному изучению гранулометрического состава бурового шлама, полученного при вращательном бурении твердосплавными коронками, шарошечными долотами, а также при электроимпульсном бурении скважин и лишь в работе [163] приведены результаты оценки влияния технических и технологических факторов на величину частиц продуктов разрушения и их распределение, в том числе, и при ударно-вращательном способе бурения.
В настоящей работе были проведены исследования зависимости объем и удельной энергоемкости разрушения горной породы от уровней фракционного состава гранита (частицы диаметром менее 0,25 мм; 0,25–0,5 мм; 0,5–1,0 мм; 1,0– 2,0 мм; более 2 мм).
Предварительно провели проверку указанных уровней на соответствие нормальному распределению (таблица 4.4.1). Так как не для всех показателей выполнена нормальность (уровни фракционного состава горной породы: 0,5 – 1,0; 1,0 – 2,0, таблица 4.4.1), применение парного коэффициента корреляции Пирсона ко всему набору данных некорректно. В данном случае для проверки корреляции показателей необходимо основываться на коэффициенте корреляции Спирмена.
Анализ показал, что уровни фракционного состава сильно коррелированны. Следовательно, при рассмотрении регрессионной модели будет силен эффект мультиколлинеарности факторов, выраженный в линейной функциональной связи между независимыми переменными. Необходимо было выполнить пошаговую регрессию, оставляя только самые значимые факторы.
Анализ данных методом пошаговой регрессии показал, что, единственным значимым фактором, влияющим на «энергоемкость разрушения», является фракция частиц диаметром 0,25–0,5, остальные факторы линейно зависят от него.
Для уточнения модели проведена парная регрессия только для значимого фактора (0,25–0,5) (таблица 4.4.2).
Аналогичный анализ провели и для переменной «объем разрушения». В данном случае уровни фракционного состава – частицы диаметром «менее 0,25», «0,25– 0,5», «0,5–1,0» определяют «объем разрушения» (таблица 4.4.3).В связи с тем, что для оценки удельной энергоемкости разрушения горной породы выбран уровень фракционного состава «0,25–0,5», провели проверку влияния на него исследуемых факторов. Была установлена зависимость скорости приложения ударной нагрузки, энергии удара и угла поворота на процентное содержание частиц диаметрами 0,25–0,5 мм.
На графиках видно (рисунки 4.4.1– 4.4.4), что из всех фракций максимальной по процентному содержанию является фракция 0,25-мм. Все указанные зависимости имеют выраженный гиперболический характер и стабильное процентное содержание выбуренных частиц определенного диаметра: 0,25–мм фракция – от 42 до 62 %; частицы диаметром 0,25–0,5 мм – от 17до 22 %; частицы диаметром 0,5– 1,0 мм – от 12 до 16 %; частицы диаметром 1,0–2,0 мм – от 5 до 13 %; частицы диаметром более 2 мм – от 1 до 13 % (рисунки 4.4.1–4.4.8).
Отметим, что при малой энергии удара (31,25 Дж, боек С1) крестовая коронка дает частицы большей крупности по сравнению с долотчатой и штыревой коронками (рисунок 4.4.1). Во всех остальных случаях при скорости приложения ударной нагрузки 5 м/с штыревая коронка дает уменьшение доли 0,25 мм-фракции (не превышает 49 %) и увеличение доли частиц диаметром более 2 мм (до 10 %). При скорости приложения удара 7 м/с показатели штыревой коронки по фракционному составу приближаются к показателям долотчатой и крестовой коронок.
