CC BY
50
УДК 622.234.5 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-1-107-110
БУРОВОЕ ДОЛОТО РЕЖУЩЕГО ТИПА С ГИДРОМОНИТОРНЫМ ПРИВОДОМ ДЛЯ СКВАЖИННОЙ ГИДРОДОБЫЧИ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД
DRILL BIT CUTTING TYPE WITH THE JETTING DRIVE FOR HYDRAULIC BOREHOLE IRON ORE
© 2015 г. А.Я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, И.К. Сапожников, А.Н. Гроссу
Третьяк Александр Яковлевич - д-р техн. наук, профессор, академик РАЕН, зав. кафедрой «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863) 525-50-57. E-mail: 13050465@mail.ru
Литкевич Юрий Федорович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863) 525-53-57. E-mail: 13050465@mail.ru
Сапожников Игорь Константинович - директор ООО «ДонНЭСК». Тел. (863) 229-55-80. E-mail: donnesk@rambler.ru
Гроссу Анна Николаевна - ст. преподаватель, кафедра «Бурение нефтегазовых скважин и геофизика», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863) 525-53-57. E-mail: A.Grossu@mail.ru
Tretyak Alexandr Yakovlevich - Doctor of Technical Sciences, professor, Akademik RAEN, head of department «Drilling Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863) 525-50-57. E-mail: 13050465@mail.ru
Litkevich Yurij Fedorovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Drilling Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863) 525-53-57. E-mail: 13050465@mail.ru
Sapozhnikov Igor Konstantinovich - direktor OOO «Don-NESK». Ph. (863) 229-55-80. E-mail: donnesk@rambler.ru
Grossu Anna Nikolaevna - senior lector, department «Drilling Oil and Gas Wells and Geophysics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863) 525-53-57. E-mail:A.Grossu@mail.ru
Известные технологии скважинной гидродобычи железных руд, применявшиеся на Шемраевском месторождении КМА, оказались малоэффективными для применения на Гостищевском месторождении из-за прослоев горных пород толщиной до 90 см, разделяющих мощные пласты рыхлых железных руд. В статье рассматривается возможность применения в компоновке гидродобычного агрегата -бурового долота режущего типа с гидромониторным приводом для разбуривания прослоев и приготовления пульпы. Представлена конструктивная схема долота и необходимые технологические расчеты. Обоснована возможность применения долота с гидромониторным приводом для разбуривания пород с контактной прочностью Рк = 450 МПа, что соответствует средней крепости прослоев на Гостищев-ском месторождении.
Ключевые слова: Гостищевское месторождение железных руд; буровое долото; гидромониторный привод; расчеты сил резания.
The known technologies of hydraulic borehole mining of iron ores used in Shemraevskoye ore deposit proved ineffective for use on Gostischevskoye field due to layers of rocks up to 90 cm of thickness, separating the thick layers of loose iron ore. The article discusses the possibility of applying the hydromining plant - drilling bit of cutting type with hydraulic monitor drive for the drilling of interlayers and preparation of the pulp. The structural layout of the drilling bit and еngineering calculations are made. The author proves the possibility of applying the drilling bit with hydraulic monitor drive for drilling rocks with the contact strength of Рк = 450 MPa which corresponds to average strength of interlayers on Gostischevskoye field.
Keywords: Gostischevskoe deposit of iron-stones; boring chisel; hydromonitor drive; calculations of cutting forces.
В Белгородской области на Гостищевском месторождении Курской магнитной аномалии (КМА) запасы богатых железных руд исчисляются многими миллиардами тонн. Однако сложность их добычи заключается в том, что геологический разрез представлен мощными отложениями гематито-мартитовой руды в интервале 530 - 795 м с чередующимися прослоями железной слюдки мощностью до 90 см.
Анализ существующих гидродобычных снарядов, которые применялись на Шемраевском месторождении, позволил выявить присущие им недостатки и сконструировать новое устройство для скважинной гидродобычи железной руды применительно к геологическим условиям Гостищевского месторождения, с помощью которого происходит не только разрушение породы, но также и прорезание породных прослоев [1, 2].
Буровое долото режущего типа с гидромониторным приводом (рис. 1) состоит из: забуривающей части 1, выполненной в виде бурового резца для пород мягких и средней крепости (категория бури-мости IV - V), разбуривающей части - корпуса долота 4 с твердосплавными режущими элементами 2 и каналами 3, формирующими высоконапорную струю. Сопрягается долото 4 с переводником 7 с помощью втулки 5, выполненной из антифрикционного материала типа «Маслянит» и присоединительной гайки 6.
В режиме приготовления пульпы из рыхлых железных руд разбуривающее долото торцом втулки 5 прижимается к переводнику 7 силой -осевой составляющей от гидромониторных струй, направленных под углом к диаметральной плоскости.
При разбуривании прослоев буровое долото
Рис. 1. Буровое долото ре- вращается и поступатель-
жущего типа с гидромони-
но перемещается вдоль
жинной гидродобычи полезных ископаемых 1 - забуривающая часть бурового долота; 2 - твердосплавные режущие элементы; 3 - каналы для формирования гидромониторных струй; 4 - разбуривающая часть долота; 5 -втулка; 6 - присоединительная гайка; 7 - переводник
По данным исследований [3 - 5] они пропорциональны контактной прочности породы Рк и определяются зависимостями:
Rд = 0,24РК; ^к = 0,06РК.
Сила трения цсРуз принимается равномерно распределенной по торцевой площадке, а ее равнодействующая приложена в центре тяжести проекции торцевой площадки. Коэффициент трения дс принимается равным 0,35 (ц1 ~ 0,35).
Коэффициент трения ц1 на передней плоскости резца не оказывает существенного влияния на усилия резания, исследован недостаточно и в первом приближении принимается ц1 = 0,4. Тогда усилие резания Р2 и осевая нагрузка Ру на режущих элементах забуривающей части бурового долота определяются по формулам [3]:
Pz = Hc Rx F33T +
RCKh (r - rp )(sin S + Hl c0s 8)
2sin x sin (x + S)
P = R F -
y д зат
RCKh (r - rp ) (C0S S - Hisin S) sin Фс:
2sin x sin (x + S)
где Fзат - площадка затупления, мм (для острых породных резцов; Fзат = 4^6 мм2); h - толщина срезаемого слоя породы, мм; г, гр - радиус резца и радиус его раствора, мм; т = 25° - угол скалывания; 5, фср -угол резания и концевой угол соответственно.
Принимая угол резания 5 = 90°, можно полагать, что усилие сопротивления сколу и дроблению Р2 разрушаемой породы, действующее на переднюю грань режущих элементов, составит:
Pz H-c Rx F3aT +
RCK h (r - rp )
2sin x sin (x + S)
(1)
а усилие, действующее в осевом направлении, составит:
P = R F +
y ~ д зат
RCKh (r - rp )Hl sin Ф,
2sin x sin (x + S)
торным приводом для сква- оси вращения, тогда схему
взаимодействия режущих элементов с породой можно представить следующим образом (рис. 2).
Со стороны породы на режущие элементы действуют силы сопротивления скалыванию Rск и дроблению Rд (рис. 3).
Для режущего долота, состоящего из забуривающей части и разбуривающих резцов, крутящий момент складывается из сил режущих элементов шириной В, установленных на разных радиусах [6 -10].
При допущении, что силы трения на торцевой площадке и по передней грани равномерно распределены, тогда равнодействующая приложена в центре тяжести проекции торцовой площадки, а момент
Мг = Кр^ , Н-м,
где Ri - расстояние от оси бурового долота до центра проекции торцовой площадки режущего элемента.
Рис. 2. Схема сил, действующих на
Скол 2 Скол 1 jK. /
t h r i ш
~R д b2 -b_ bi
Рис. 3. Схема сил на резце при скалывании и дроблении породы
Для режущих элементов забуривающей части радиус Rl центра приложения силы Р2 будет равен
R1 = гр + В2, мм, где гр - радиус раствора, мм; В - ширина режущих элементов, мм.
Тогда для разбуривающих резцов
R2 = R1 + В ; R3 = R1 + 2В ; R4 = ^ + 3В;
R5 = R1 + 4В ;.......; Rn = R1 +(п -1)В , мм.
Результирующий крутящий момент на буровом долоте
Мр = 2Рг ^ + R2 + R3 + ••• + Rn ), Н-м. (2)
Для определения необходимого крутящего момента на буровом долоте с острыми резцами в формулу расчета Рг (1) вместо Fзат следует принять равным
режущие элементы бурового долота
значение F0 = 4^6 мм2. Остальные величины выражены: Rд - в мегапаскалях, г, гр и h - в миллиметрах.
Для определения параметров гидромониторного воздействия на забой из слоистых пород рассмотрим известные значения скорости и давления струй гидромониторных долот.
Эффективно разрушают забой из слоистых песчаников и известняков струи с начальной скоростью Vн >70 м/с. При истечении жидкости через затопленное отверстие (долото в скважине) скорость струи определяется выражением
V, = ф^2яДР , м/с,
где ф = 0,7^0,8 - коэффициент скорости; g = 9,81 м/с2 -ускорение силы тяжести; ДР = Рн - Рск; Рск - давление в скважине, МВС (метры водяного столба); Рн - давление, развиваемое насосом, МПа (МВС).
Зная расход Q, давление Рн, развиваемое насосом, высоту Н столба жидкости в скважине и начальную площадь сечения 5", диаметр выходного отверстия гидромониторных струй определяем из формулы расхода
0 = 2gДP , л/с,
где д = 0,7 - коэффициент расхода; 5 - площадь сечения двух струй с начальным диаметром d (см), см2,
5 = 1020 ^2gДP '
Диаметр выходного отверстия гидромониторных струй находим по формуле
A in 2S d = 10. /— , мм.
V л
Крутящий момент на долоте с гидромониторным приводом определяется по формуле
Мк = Fl cos у0, Н-м, (3)
где F - реактивная сила от гидромониторной струи,
F = --102 АР, Н, 2
S - площадь сечений двух струй, м2; АР - давление на выходе струи из долота, МПа; l - плечо силы F от оси долота, м; у° - угол наклона гидромониторной струи к плоскости груди забоя, град.
Так, для долота диаметром D = 250 мм и расстоянием между струями l = 0,2 м при работе насоса с расходом Q = 50 л/с и рабочим давлением Рн = = 10 МПа в скважине на глубине Н = 500 м крутящий момент будет равен Мк = 357 Н-м. Это обеспечит устойчивую работу долота на породах с контактной прочностью Рк = 450 МПа с осевым перемещением (подачей) h = 1 мм/об.
Расчеты по формулам (2) и (3) дают в подавляющем большинстве случаев коэффициенты вариации, равные 10^25 %, считаемые в горном деле практически точными.
Проверку расчетных значений скорости и напора гидромониторных струй, а также крутящего момента на долоте проводили на экспериментальном стенде.
Выполненные исследования позволили предложить конструкцию бурового долота с гидромониторным приводом для разрушения прослоев горных пород и приготовления пульпы из рыхлых железных руд
для Гостищевского месторождения. Технология гидродобычи железной руды с применением нового бурового долота позволяет значительно повысить извле-каемость руды из мощных пластов, разделенных прослоями горных пород IV и V категорий по буримости.
На буровое долото режущего типа подана заявка на изобретение.
Литература
1. Аренс В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов А.Д., Гридин О.М., Хрулев А.С., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых : учеб. пособие. М., 2007. 295 с.
2. Аренс В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М., 1980. 229 с.
3. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты: 3-е изд., перераб. и доп. М., 1990. 256 с.
4. Катанов Б.А., Сафохин М.С. Режущий буровой инструмент : Расчет и проектирование. М., 1976. 168 с.
5. Букреев П.И. Бурение скважин гидромониторными пико-бурами. М., 1986. 190 с.
6. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы : учебник для втузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов [и др.]: 5-е изд., стереот. М., 2011. 423 с.
7. Пушкарев А.Е., Щеголевский М.М. Бреннер В.А., Жабин А.Б. Гидромеханическое разрушение горных пород М., 2000. 343 с.
8. Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород : учеб. пособие. М., 2004. 222 с.
9. Зорин А.Н., Халимендик Ю.М., Колесников В.Г. Механика разрушения горного массива и использование его энергии при добыче полезных ископаемых. М., 2001. 413 с.
10. Сологуб С.Н. [и др.] Механизм разрушения горных пород при вращательном бурении. Киев, 1980. 194 с.
References
1. Arens V. Zh., Babichev N. I., Bashkatov A. D. Skvazhinnaya gidrodobychapoleznyh iskopaemyh. Ucheb. posobie [Downhole hydraulic output of minerals. Studies. manual]. Moscow, MGGU Publ, 2007, 295 p.
2. Arens V.Zh., Ismagilov B.V., Shpak D.N. Skvazhinnaya gidrodobycha tverdyh poleznyh iskopaemyh [Downhole hydraulic output of hard minerals]. Moscow, Nedra Publ, 1980, 229 p.
3. Krapivin M.G., Rakov I.Ya, Sysoev N. I. Gornye instrument [Mountain Tools]. Moscow, Nedra Publ, 1990, 256 p.
4. Katanov B.A., Safohin M.S. Rezhuschij burovoj instrument. (Raschet iproektirovanie) [Cutting and drilling tools. (Calculation and proektirovation)]. Moscow, Mashinostroenie Publ, 1976, 168 p.
5. Bukreev P. I. Burenie skvazhin gidromonitornymi pikoburami [Well Drilling hydromonitor pikoburami]. Moscow, Nedra Publ, 1986, 190 p.
6. Bashta T.M., Rudnev S.S., Nekrasov B.B. Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody. Uchebnik dlya vtuzov [Hydraulics, hydro-mashines and gidroprivody : textbook for university]. Moscow, Al'yans Publ, 2011, 423 p.
7. Brenner V.A., Zhabin A.B, Pushkarev A.E., Schegolevskij M.M. Gidromehanicheskoe razrushenie gornyh porod [The hydro-mechanical destruction of rocks]. Moscow, Akad.gor.nauk Publ, 2000, 343p.
8. Karkashadze G.G. Mehanicheskoe razrushenie gornyh porod. Ucheb. posobie [Mechanical destruction of rocks. Textbook]. Moscow, MGGU Publ, 2004, 222 p.
9. Zorin A. N., Halimendik Yu.M., Kolesnikov V.G. Mehanika razrusheniya gornogo massiva i ispol'zovanie ego 'energiipri dobychepoleznyh iskopaemyh [Mechanics of destruction of mountain range and use of his energy at mining]. Moscow, Nedra Publ, 2001, 413 p.
10. Sologub S.N. Mehanizm razrusheniya gornyh porod pri vraschatel'nom bureni [The mechanism of destruction of rocks during rotary drilling]. Kiev, Naukova dumka Publ, 1980, 194 p.
Поступила в редакцию 8 декабря 2014 г.
