CC BY
17
- © В.И. Клишин, Д.И. Кокоулин,
C.B. Клишин, А.П. Гуртенко, 2012
В.И. Клишин, Д.И. Кокоулин, С.В. Клишин, А.П. Гуртенко
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БУРОВОГО СТАВА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ И ГЛУБИНЫ СКВАЖИН
Проведены исследования по определению рактера изменения прочности бурового става при бурении скважин в подземных условиях угольных шахт, на основании которых выявлены причины поломок буровых ставов и разработаны рекомендации по технологии бурения и совершенствованию конструкций буровых штанг с целью увеличения их прочности. Ключевые слова: буровой станок, изгиб, напряжение, горная порода.
Наиболее результативным методом предварительной дегазации отрабатываемого механизированным способом угольного пласта является метод обуривания подготавливаемого очистного блока сеткой подземных дегазационных скважин из оконтуривающих выработок. Этот процесс осуществляется одновременно с ведением как горно-подготовительных, так и очистных работ. В связи с тем, что в современных лавах длина очистных забоев достигает 200—300 м, возникает необходимость увеличения длины дегазационных скважин, что в свою очередь требует как создания новых мощных буровых станков с прочными буровыми ставами, так и разработки рекомендаций по способу бурения глубоких скважин в горных массивах различной крепости.
В ИУ и ИГЛ СО РАН совместно с ООО «Спецгидравлика» создан буровой станок СБР-400. Ланный станок испытан на шахте «Романовская» ООО «Кокс», одобрен междуведомственной комиссией и получил разрешение на применение в угольных шахтах, опасных по газу и пыли. В настоящее время три буровых станка СБР-400 работают на шахтах «Октябрьская» и «Заречная» ООО «Георесурс». В период с февраля по октябрь 2011 г. ими пробурено 40 км дегазационных и технических скважин, как по углю, так и по породе крепостью до /л = 8 ед. по шкале М.М. Протодьяконова. При этом бурение скважин диаметром 93 мм осуществлялось штангами диаметром 50 мм с
шарошечными долотами. Шарошечные долота применялись с целью обеспечения прямолинейности проходимых скважин, при этом скорость бурения достигала 1,5 м/мин по углю и 0,8 м/мин по породе.
Наряду с успешной эксплуатацией станков СБР-400, не обошлось и без аварий. В процессе эксплуатации произошло шесть порывов буровых штанг, которые приводили к непроизводительным затратам времени на демонтаж бурового става с помощью инструментов (колокол, метчик). С целью определения причин этих порывов были проведены исследования характера изменения прочности бурового става в зависимости от режимов бурения, геометрических параметров бурового оборудования, а также глубины скважины.
Известно, что при бурении штанга находится под воздействием крутящего момента, продольных сжимающих усилий, а также центробежных сил, стремящихся отклонить ее к стенкам скважин. Под действием этих сил ось бурового става принимает форму винтовой спирали переменного шага с уменьшением его по направлению от забоя к устью скважины [1]. В случае прилегания витков спирали к стенкам скважины возникает общая сила сопротивления как продольному перемещению бурового става, так и его вращению. Аналитические исследования по изучению поведения бурового става в скважине позволили выразить зависимость усилия подачи Рп для образования п-ой полуволны в буровом ставе [2]:
Р = Р . + /
п п-1
2Рп-1 со;5^ - а п-1) ± я!п-1 соз у + ри
+ д1п-1 у, (1)
ап-1 = агаЪ^» , (2)
2
р = тг ю (3)
ри =~9\Т , (3)
г, (4)
где 1п — длина п-й полуволны; / — коэффициент трения; ап — угол между осью полуволны бурового става и осью скважины; т — масса, ц — вес одного погонного метра бурового става; у — угол наклона скважины к горизонту; Ри —центробежная си-
ла, образующаяся при вращении полуволны бурового става в скважине; ю — скорость вращения бурового става, об/мин; Д — диаметр скважины; О — наружный диаметр штанги.
Последовательно вычисляя Рп и 1п по мере удаления от забоя скважины до значения максимального усилия подачи, создаваемого буровым станком и суммируя их значения, можно получить зависимости Р = РР) и М = МР) (здесь Р — длина скважины) для различных значений крепости горной среды, геометрических параметров бурового става и диаметров скважины.
Воспользовавшись результатом исследований характера механических сопротивлений, возникающих при бурении глубоких скважин [2], определим характер изменения напряжений, возникающих в буровом ставе в зависимости от режимов бурения и параметров бурового става и скважины.
На шахтах «Октябрьская» и «Заречная» бурились скважины диаметром 93 мм шарошечными долотами, а буровой став был составлен из штанг диаметром 50 мм. Поскольку в качестве режущего органа применялись шарошечные долота, то осевое усилие, необходимое для объемного разрушения угля или мягких пород крепостью ц = 1,5—2 должно быть не менее Р = 1800 кг [3, 4]. Подставляя значения усилия подачи и параметров бурового става, применяемых при бурении скважин диаметром 93 мм в выражение (1) и произведя соответствующие вычисления, получим зависимости Р = РР) и М = МР), соответствующие конкретным условиям, в которых использовалось буровое оборудование (рис. 1).
Из графика видно, что использование в качестве забурника шарошечного долота значительно увеличило нагрузку как на буровой станок, так и на буровой став, в результате чего при усилии подачи 50 кН глубина бурения составила всего 130 м. Поскольку станками бурили скважины 200 м, то можно сделать вывод, что это достигалось за счет несоблюдения рекомендуемых режимов бурения, например путем увеличения скорости вращения штанги, что приводило к быстрому износу шарошечного долота.
Таким образом, при бурении скважин в таком режиме буровой став уже на глубине 130 м находился под максимально возможной нагрузкой. При этом, поскольку буровой став в про-
1400.00
Рис. 1. Графики зависимостей М = М(Ь) (а) и Р = Р(Ь) (б) при бурении скважин по углю и по породе буровым ставом с наружным диаметром штанги О = 50 мм
цессе бурения приобретает вил вращающейся в скважине спирали, то он нагружен сжимающими, изгибающими и скручивающими усилиями. Слеловательно, суммарные напряжения оЕ, возникающие в буровом ставе необхолимо опрелелять по формуле
■уК
*«)2 + 3т2 ,
гле оизг — напряжения в буровом ставе от изгибающих нагрузок, кг/см2; осж — напряжения в буровом ставе от сжимающих нагрузок, кг/см2, т — напряжения в буровом ставе от скручивающих нагрузок, кг/см2.
Для опрелеления о сж и т залаем усилия полачи бурового става Р и пользуясь графиками зависимости Р = Р(Ь) и М = М(Ь) (рис. 1), нахолим соответствующие усилия и момент вращения. 12
Рис. 2. Взаимодействие бурового става со стенками скважины
1500x20 _
150
Рис. 3. Штанга бурового става
Для определения оизг определяем изгибающий момент Мизг i_i = Р-Д — D), возникающий в буровом ставе при образовании волн в скважине диаметром Д. Для этого выделяем отдельную часть бурового става с верхним и нижним соприкосновением вершинами волны стенок скважины (рис. 2):
Результаты расчетов по определению напряжений в сечениях «а-а» и «б-б» штанги (рис. 3) сводим в таблицу, на основании данных которых строим график зависимости оs = a^(P) (рис. 4).
Анализ результатов исследований показывает, что при бурении скважин с использованием в качестве бурового инструмента шарошечных долот, значительно возрастают нагрузки на буровой став и возникающие в его штангах напряжения выходят за пределы прочности [о] = 3600 кг/см (для стали 45). Это является основной причиной поломок штанг и обрывов бурового става. Увеличение нагрузок в буровом ставне объясняется тем, что, при использовании в качестве бурового инструмента шарошечных долот возникает необходимость в большом осевом
Напряжения, кг/см2 Усилие полачи Р, кН
3,5 10 20 30 40 50
Секция штанги
а-а б-б а-а б-б а-а б-б а-а б-б а-а б-б а-а б-б
Мизг 192 318 550 910 1100 1820 1650 2730 2200 3640 2750 4550
с™г " И/ РЛД-О) 0.1 (¿?3 - с/3)
Р Р 37 42 105 122 211 244 317 366 423 488 529 610
Мкр х и/р 16Л - - 122 220 144 260 167 300 311 560 448 806
266 360 688 1100 1339 2151 1988 3139 2678 4240 3369 5345
ov, кг/см
4000
3000
2000
1000
3.5 10
20
30
40
50 Р. KH
Рис. 4. Изменение напряжений в теле штанги диаметром 50 мм в зависимости от усилия подачи: сечение «а-а» (а) и сечение «б-б» (б) на рис. 3
усилии для объемного разрушения горного массива, что приводит к преждевременному принятию осью бурового става формы винтовой спирали уменьшенного шага. Это увеличивает сопротивление продольному перемещению и, как следствие, уменьшает глубину бурения самой скважины.
Выводы
На основании проведенных исследований и анализа полученных результатов разработаны рекомендации с целью эффективного использования станков СБР-400 при бурении глубоких скважин.
Для предотвращения поломок штанг бурового става необходимо:
• увеличить толщину стенки трубы штанги в месте сварки трением с ниппелями;
• ленточную резьбу на ниппелях штанги с канавкой под выход резца заменить на резьбу конусную замковую.
Бурение глубоких скважин как по углю, так и по породе с обеспечением их прямолинейности производить:
• резцовыми буровыми головками различного диаметра с применением удлиненной направляющей штангой;
• пневмоударниками с буровыми коронками обеспечивающими эффективное вращательно-ударное бурение с минимальными отклонениями бурового става за счет незначительного осевого усилия для его подачи на забой;
С целью уменьшения возможности изгиба бурового става под воздействием осевых нагрузок применять опорные фонари, устанавливаемые в буровом ставе с шагом, определяемым усилием подачи става на забой, зависящим от крепости горного массива.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бирюков Н.М. Шарошечное бурение в горном деле. Госгортехиздат, 1962. — 153 с.
2. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Гуртенко А.П. Исследование характера механических сопротивлений, возникающих при бурении глубоких скважин / Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск 9. Горный инженер. — М.: Изд-во МГГУ. — 2011. — С. 113—130.
3. Есин Н.Н., Чернилов Э.Г. Усилие подачи при вращательном и шарошечном бурении скважин. Подающие устройства буровых машин для подземных работ. — Новосибирск, 1970. — С. 44—66.
4. Остроушко И.А. Процессы и инструменты при бурении горных пород. Госгортехиздат, 1962. — 271 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Клишин В. И. — доктор технических наук, профессор, директор Института угля СО РАН, vklishin@misd.nsc.ru,
Кокоулин Д.И. — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, konstruktor430@yandex.ru,
Клишин С.В. — член-корреспондент РАН, Институт горного дела СО РАН, Гуртенко А.П. — технический директор ОАО «Спецгидравлика», gurtenko@rambler.ru.
д
