Повышение производительности вращательно-ударного бурения скважин рабочим инструментом шпилечного соединения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

--------------------------------------- © Л.А. Саруев, А.А. Казанцев,

2011

УДК 622.233.4

Л.А. Саруев, А.А. Казанцев

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН РАБО ЧИМ ИНСТРУМЕНТОМ ШПИЛЕЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Предложена новая концепция резьбового соединения буровых штанг — шпилькой. Приведены результаты исследований, доказывающие работоспособность и эффективность нового типа соединения буровых штанг, позволяющего повысить производительность буровых работ.

Ключевые слова: бурение скважин малых диаметров, соединение штанг. шпилечное резьбовое соединение.

Я а современном этапе формирования рыночной экономики основой эффективного функционирования и развития горной промышленности страны является широко применяемый подземный способ добычи твердых полезных ископаемых. В настоящее время в России подземным способом добывается около 10 % железных руд около 40 % руд цветных металлов [4].

Наиболее распространенным и эффективным способом разрушения горных пород средней и высокой крепости является буровзрывной, этим способом отбивается около 50% руды, из них скважинами малого диаметра - 15 % [4]. Трудоемкость буровзрывных работ составляет 15-30 % общей трудоемкости очистной выемки руды. С увеличением крепости пород в первую очередь возрастает трудоемкость буровых работ при разработке подземных руд. Сокращение сроков их проведения и увеличение производительности труда требуют непрерывного совершенствования буровой техники.

Известно, что основным характером разрушений узлов и деталей машин в горной промышленности является усталостный. Это характерно и для составных элементов бурового инструмента. В процессе бурения скважины буровой став вращается, изгибается, сжимается и растягивается, что приводит к возникновению знакопеременных нагрузок, которые, в свою очередь, приводят к разрушению отдельных элементов става в

Добыча ид подїємшм способом, %

■ИЗО -1--------------------------------------------------

40-------------------------------^-----------------------

30-------------------------------------------------------

20-------------------------------------------------------—

10------------------------------- -----------------------

о -I-----------------------------------------------------

1

□ Железные руды ■ Ру ды цре™ы* неталлое

Доля скважинной оюойки руд, %

■№ 60--------------------------------------------------

ЭО--------------------------------------------------

40------------------------------—

30------------------------------—

20--------------------------------------------------

ю--------------—

о -I------------------------------------------------

1

■ Скважины малого диаметра ИВсего

Рис. 1. Доля добычи руд поземтш способом и доля скважинной отбойки

местах концентрации напряжений - соединениях штанг. Поскольку составные части бурового инструмента имеют прочность существенно меньшую, чем основное тело штанги, то основная несущая способность става штанг сдерживается именно их соединениями. Поломка соединений штанг при работе бурового става приводит к безвозвратной потере части става в скважине и необходимости бурить рядом еще одну скважину, поэтому безвозвратно теряется еще и время, что может вызвать простои и другого оборудования, так как на горных предприятиях бурение - процесс чаще всего вспомогательный, составляющий до 30% от трудоемкости добычных работ.

За последние годы технический прогресс больше коснулся модернизации буровых машин - возросла их мощность и передаваемый крутящий момент. Буровой инструмент остается слабым звеном в этой цепочке, поскольку никогда не подвергался существенной модернизации. Большую передаваемую мощность и крутящий момент передают через штангу и соединение прежних размеров и конструкций, поэтому производительность буровых работ существенно зависит и от качественных характеристик бурового инструмента. В связи с этим весьма актуальным становится вопрос о модернизации бурового инструмента, которая позволила бы увеличить его работоспособность и увеличить производительность труда при бурении скважин.

Долговечность и надежность работы соединений буровых штанг, работающих при ударных способах бурения, в значительной степени определяется потерей в них энергии силового импульса, которая расходуется в основном на многократные циклические деформации и нагрев элементов резьбовых соединений [2]. Очевидно, разработка научно обоснованных конструкций соединений с малыми потерями в них энергии силовых импульсов является одним из рациональных направлений одновременного увеличения их стойкости.

Учитывая, что вся мощность от машины к забою при бурении скважин малого диаметра передается по составным длинным стержням - буровым штангам, имеющим относительно малые поперечные сечения, вопросы исследования, научного обоснования и правильного выбора конструкции и параметров става штанг являются весьма важными. Однако, судя по литературным источникам, данной проблеме не уделялось должного внимания. Так, например, еще несколько лет назад на некоторых горнорудных предприятиях, стремясь повысить стойкость соединений штанг, шли по пути увеличения поперечных сечений муфт и резьбовой части штанг, что значительно снижало коэффициент передачи энергии удара и повышало напряжения в переходных сечениях штанг возле соединений, а также вызывало появление циклических напряжений растяжения, которые являются основной причиной разрушения элементов става [2, 5].

Анализ проведенных исследований по факту надежности работы става штанг показывает, что в подавляющем большинстве случаев, при любом способе бурения поломка происходит в местах со-

единения двух штанг, поэтому для повышения надежности работы бурового става необходимо, прежде всего, повысить надежность резьбовых соединений штанг, что, в свою очередь, невозможно без научного обоснования конструкции соединения штанг.

Для этого необходимо обозначить основные тенденции к совершенствованию конструкций соединительных узлов буровых штанг:

а) для повышения надежности работы соединения

• Необходимость симметричного распределения нагрузки на витки резьбы обеих штанг относительно контакта их торцев, т.е. четкой фиксации соединительного элемента относительно соединяемых штанг.

• Необходимость снижения радиальных нагрузок на торцы штанг из-за противонаправленного взаимодействия витков резьбы штанги и соединительного элемента.

б) для ускорения операций сборки-разборки става

• Необходимость определенного положения соединительного элемента при развинчивании соединения относительно забоя.

• Возможность автоматизированного или механизированного процесса сборки-разборки соединения.

Согласно исследованиям [1-3, 6, 7] в резьбовых соединениях добиться симметричного распределения нагрузки на витки резьбы применительно к гайке (в данном случае - муфты) можно за счет упорного буртика или фаски, либо применением ниппелей, либо с использованием шпилечного соединения двух элементов с центрирующим элементом относительно контактного торца. Учитывая большие потери энергии удара при передаче ее через тело муфты и неэффективном, по сравнению с замковым типом, применении муфт при вращательном способе бурения, низкой надежности ниппелей при любых способах бурения и замков при ударных способах, наиболее эффективным и наименее изученным остается тип соединения шпилькой.

В этом случае соединительный элемент (шпилька) находится полностью внутри соединения штанг и штанги соединяются стык в стык. Такая конструкция также имеет свои преимущества и недостатки.

19 19

(

_____■

Рис. 2. Соединение буровых штанг шпилькой

Преимущества:

- конструкция соединительного элемента уменьшает вероятность заклинивания става штанг в скважине;

- при использовании штанг одинакового диаметра возможно использование коронок диаметром на 5-10 мм меньше, чем при использовании штанг, соединяемых муфтой;

- облегчение выноса буровой мелочи из скважины;

Недостатки:

- необходима высадка штанг внутрь, либо сварка трением резьбовых участков, изготавливаемых отдельно;

- у большинства буровых станков хвостовик соединяется с буровым ставом муфтой, что при применении шпилек потребует либо замены хвостовика, либо изготовление переходника.

Наличие одного стыка между штангами благоприятно способствует передаче нагрузки непосредственно от штанги к штанге (хотя нужно учитывать и качество поверхности торцев: шероховатости поверхности, наличие микротрещин), а отсутствие значительных изгибающих нагрузок на шпильку, за счет того, что она имеет гораздо меньший диаметр, чем штанга способствует продолжительной работе соединения при любых способах бурения. То есть, в данном случае, деформация заменяется перемещением.

Применение шпилек в качестве соединительного элемента позволит уменьшить диаметр скважины, что, в свою очередь, позволит эффективно расходовать производственные мощности, так как для разведки мест полезных ископаемых диаметр скважины не столь важен [8, 9]. Важно, что бурение скважин малых диаметров дается легче и быстрее. Более того, универсальность этого типа соединения позволяет использовать его как для ударных способов бурения, так и просто для вращательного бурения, при этом изги-

бающие нагрузки в большей степени будут воздействовать на наружный диаметр штанги, чем на шпильку.

Основываясь на научных экспериментах можно сказать, что потери ударных импульсов происходят в соединениях буровых штанг за счет трения в витках резьбы, за счет трения о стенки скважины, но существуют также потери за счет отражения волн от различных конструктивных элементов - буртиков, лысок под захват, резких перемен поперечного сечения, как штанг, так и соединительных элементов. Это означает, что при проектировании новых типов соединений буровых штанг необходимо руководствоваться следующими рекомендациями [8, 9]:

1) по возможности исключать конструктивные элементы: лы-ски, пазы, буртики, применять гладкие штанги, что также обуславливает применение и создание мобильных буровых машин с гидро-, пневмозахватом штанги для выемки из скважины и развинчивания соединения буровых штанг;

Таблица 1

Параметры бойков

№ бойка 1 2 3 4 5 6

Диаметр, мм 34 34 38 Поршень бурильной машины БУ-70У 74 75

Длина, мм 330 700 450 309 255 450

Вес бойка, кг 2,4 5 6,4 7,4 8,15 15,45

Таблица 2

Относительное изменение энергии, амплитуды и длительности ударных импульсов в ставах штанг на длине 36 м

став ’/’о А/Ао Т/То

033,5 0,7-0,75 0,75-0,85 1,03-1,12

032 0,57-0,73 0,68-0,8 1,3-1,62

040 0,34-0,82 0,45-0,82 1,2-1,42

1

Рис. 3. Места наклейки тензорезисторов

А, г гл А, г m А,п m А, и т А, г т

10 Л 14.3$ ш hi 10 061 ш № 10 9.71

0 1 А л^- 3 л ч 0 /х S 0 / \ о / \ N \

■10 гч J ч/-1 ■10 ■10 ■10 ■10

0 0.1 0.3 0.5 0.7 msec 0 0.1 0.3 0.5 0.7 ) 1, msec 0 0.1 0.3 0.5 0.7 1 1, msec 0 0.1 0.3 0.5 0.7 ) L, тис 0 0.1 0.3 0.5 0.7 f 1, msec

Шпилечный став 033,5 мм

А,п т А, г т A,n т А, п|т А, л т

10 10.5? 10 0 й [ 10 6.4 101 7.8 10

'• / Q / ч 0 Г 0 / ДЭ5

-10 -10 -10 -10 -10

0 0.1 0.3 0,5 071 msec 0 0.1 0.3 0.5 0.71 msec 0.1 0.3 0.5 0 7 t, тмс 0 0.1 0.3 0.5 07 t шс 0 0.1 0.3 0.5 07( т$«

Муфтовый став 040 мм

Рис. 4. Ударные импульсы в буровых ставах при ударах бойком №1 (боек 034 мм, длиной 300 мм Ууд=7 м/с 1 см = 10 т)

Шпилечный став 033,5мм

А, п т 189 А, г |т А, п т А, п |т А, г |т

10 г \ 10 / 0 10 18.9 / \ 10 / 15.50 Л 10 ; 14.! Л 7 Л

0 1 0 / 0 / 0 У 1

-10 ,.,-10 -10 -10

0 0.1 0.3 0.5 0.7 * 1, тгес 0 0.1 0.3 0.5 0.7 * 1,1тес 0 0.1 0.3 0.5 0.7 + 1, гтоес 0 0,1 0,3 0.5 0.7 4 1, тэес 0 0.1 0.3 0.5 0.7 * 1, тэес

Муфтовый став 032 мм

А, п т / ■Ш % А, г |т / 25.5 Л А, п 1П1 Г 24.82 Л А, п |т 23 42 А, г |т 21.0

10 :/ 1 10 10 / \ 10 / / \ 10 / Л \ г

0 *1 \у V к , Л г 0 / \ 0 и ч п У 0 / Ч У

-10 V -10 -10 -10 -10

0 0.1 0.3 0.5 0.7 + 1, тэес 0 0.1 0.3 0.5 0.7 t 1, тэес 0 0.1 0.3 0.5 0.7 + 1, тзес 0 0.1 0.3 0.5 0.7 4 1, тэес 0 0.1 0.3 0.5 0.7 \ 1, тэес

Муфтовый став 040мм

Рис. 5. Ударные импульсы в буровых ставах при ударах бойком №6 (боек 075мм, длиной 450 мм Ууд=7м/с 1 см = 10 т)

Боек №1

-і- , **«г-3

1 ’•Тт "'—■ •

і— ■■ •

Боек Ж«6

1,4 Ті/То

1,3

0,8

36 Ці

Шпилечный став 033,5 мм

Муфтовый став 032 мм

Муфтовый став 040 мм

■Энергия ударного импульса \^уд=7 м/с ■Амплитуда ударного импульса \/уд=7 м/с -Длительность ударного импульса \^уд=7 м/с

-Энергия ударного импульса Х^уд^ м/с

— Амплитуда ударного импульса ^-/уц=Б м/с -Длительность ударного импульса Ч^уд^ м/с

Рис. 6. Зависимости относительного изменения энергии, амплитуды и длительности ударных импульсов в ставах штанг

2) делать плавные переходы поперечного сечения штанг и их соединений, чтобы избежать воздействия отраженных волн;

3) снижать высоту профиля резьбы соединений;

4) увеличивать жесткость резьбовых частей штанг и контактов витков резьбы и снижать жесткость соединительного элемента.

Для количественной оценки потерь энергии и анализа эффективности передачи ударных импульсов по ставу штанг шпилечного соединения были использованы 3 различных става: 033,5 мм, соединенный шпильками, и для сравнения взяты результаты работы [10] с двумя ставами 032 мм и 040 мм, соединенными муфтами. Для формирования бурового става использовались стандартные бурильные трубы. Резьба стандартная круглого профиля с шагом 12 мм. Нагружение ударами производилось с помощью 6 цилиндрических бойков различных диаметров, длины и массы, размеры даны в табл. 1. Для сравнения результатов были использованы 2 буровых става диаметром 32 и 40 мм, соединенные муфтами. Длины буровых ставов были одинаковы и составляли 39 м каждый. В результате чего с помощью тензорезисторов (рис. 3) снимались осциллограммы (на рис. 4 и 5 представлены в обработанном виде) силовых импульсов в пяти точках бурового става на длине - 1, 9, 18, 27 и 36 м.

С помощью известных методов математической статистики определены доверительные интервалы математического ожидания, необходимое и достаточное число опытов (не менее четырех).

Как показали результаты исследования (рис. 6) наиболее стабильные и высокие коэффициенты передачи энергии и амплитуды ударных импульсов были у бурового става шпилечного соединения, кроме случая при ударе самым тяжелым бойком. Отсутствие преимущества в этом случае объясняется высокими удельными нагрузками в шпилечном соединении, так как площадь поперечного сечения последнего меньше в 1,7 и 2,5 раза соответственно для муфтовых ставов диаметрами 32 и 40 мм. Величина коэффициентов передачи энергии, амплитуды и длительности ударных импульсов приведена в табл. 2.

Как видно из табл. 2 и рис. 6, параметры ударного импульса определяются параметрами соединения буровых штанг и ударника и зависят от типа резьбового соединения штанг, причем коэффициент передачи энергии в буровом ставе с соединениями шпи-

лечного типа в меньшей степени зависит от параметров ударника, что позволяет сделать вывод о лучшей прогнозируемости потерь энергии в резьбовых соединениях при вращательноударном бурении скважин и о том, что передача энергии ударного импульса происходит без значительного рассеивания в сопряжении штанг и соединительного элемента. Коэффициент передачи энергии силовых импульсов в ставе штанг со шпилечными соединениями довольно стабильный, что позволяет его легче прогнозировать по сравнению с другими типами резьбовых соединений, так как его значение изменялось незначительно в пределах 0,7...0,75, тогда как в ставах муфтовым соединением его значение изменялось в более широких пределах - 0,35.0,82.

Новый тип резьбового соединения - шпилечный, приме-ительно к технике бурения, доказал свою эффективность и преимущество перед известными аналогами при вращательноударном бурении скважин малых диаметров (36.54 мм), что характерно для скважинной отбойки руд цветных, редких и драгоценных металлов.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биргер И.А. Резьбовые и фланцевые соединения / И.А. Биргер Г.Б., Иосилевич. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 364 с.

2. Казанцев А.А. Техника бурения подземных скважин и анализ динамики колонны штанг малого диаметра при вращательно-ударном нагружении: Монография / А. А. Казанцев, Л. А. Саруев, А. Л. Саруев. - Юрга: Изд-во ЮТИ ТПУ, 2007. - 127 с.

3. Казанцев А.А. Зависимость работы буровой колонны при вращательном бурении от конструкции резьбовых соединений штанг / Проблемы геологии и освоения недр :Х международный симпозиум имени ак. М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: 3-7 апр. 2006 г. Томск: Изд-во ТПУ, с. 476-478.

4. Порцевский А.К. Подземные горные работы. Часть 1 и 2 - М.: МГОУ. -2005. - 78 с.

5. Рындин В.П. Определение энергетических параметров и совершенствование динамики ударных систем бурильных машин: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук: 01.02.06. Защищена 1.07.2005 г. - Кемерово, 2005. - 330 с.: ил.

6. Саруев А.Л. Динамические процессы в резьбовых соединениях штанг при вращательно-ударном способе бурения: Дисс. канд. техн. наук. - Томск. 2005. -140 с.

7. Саруев Л.А. Рабочие процессы и выбор параметров станков для бурения взрывных скважин малого диаметра: Дисс. докт. техн. наук.- Новосибирск, 1986.

- 268 с.

8. Саруев Л.А. Влияние конструкции резьбовых соединений буровых штанг на эффективность работы буровой колонны / Л. А. Саруев, А. А. Казанцев // Г ор-ное оборудование и электромеханика №3. - 2007. с. 18-20

9. Саруев Л.А. Совершенствование вращательно-ударного бурения скважин малого диаметра / Л.А. Саруев, А. А. Казанцев // «Г орный Журнал». Специальный выпуск. «Цветные металлы». №4. - 2006. с. 42.

10. Шадрина А.В. Исследование закономерностей процесса распространения силовых импульсов по колонне труб при бурении скважин ударно-вращательным способом: Дисс. канд. техн. наук. - Томск. - 2007. - 150 с. шы=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Саруев Л.А. - доктор технических наук, Национальный исследовательский Томский политехнический университет,

Казанцев А.А. - кандидат технических наук, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета.