CC BY
25
© Ж.Б. Тошов, 2014
УЛК 622.235 Ж.Б. Тошов
ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН НА ПУТЯХ ОПТИМИЗАЦИИ ТРЕХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ДИНАМИКИ БУРОВЫХ ДОЛОТ
Рассмотрены вопросы повышения эффективности процессов бурения взрывных скважин по трем составляющим оптимизации: динамики вооружения, герметизация опор, промывочные узлы породоразрущаюших инструментов путем разработки новых технических решений в создании бурового долота режуще-истирающего типа нового поколения, с целью обеспечения эффективной работы долота в режиме пары вращения с заданным эксцентриситетом, выполненное с двумя параллельными осями вращения и рабочей поверхностью в форме матриц, полностью перекрывающих поверхность забоя скважины в режиме пары вращения. Ключевые слова: горная порода, бурение, буровое долото, затраты энергии, скважина, передаточное отношение, герметизация опор, промывочные жидкости площадь покрытия, пары вращения.
Обший объем шарошечного бурения достигает нескольких десятков миллионов метров. При таком объеме бурения проблема создания нового и совершенствования сушествуюшего породоразрушаюшего инструмента приобретает актуальное значение.
Со времен изобретения двух- и трехшарошечных долот с конусными шарошками, их геометрия постоянно совершенствуется. К настояшему времени уже всем понятно, что процесс бурения скважин любого назначения являет собой сложный динамический процесс. Во всех случаях при этом остаются неизменными критерии оценки буровых долот в форме механических скоростей бурения, проходок на долото, время нахождения бурового долота в рабочем состоянии на забое скважины. Так при бурении глубоких скважин до определенной глубины главным критерием является механическая скорость бурения, а затем проходка на долото [1]. При бурении же взрывных скважин неизменным всегда остается механическая
скорость бурения. В последнее время при совершенствовании буровых долот типа РДС большую роль стал играть критерий стоимости буровых долот. Это связано, в первую очередь, с использованием вольфрамо-кобальтовых и алмазосодержаших элементов в системе вооружения рабочих поверхностей таких долот, а также с процессами формирования многогранных поперечных сечений скважин и сальникообразования при бурении в пластах с содержанием глинистых примесей.
Буровики, как теоретики, так и практики о процессе сальникообра-зования прекрасно знали и ничего поделать не могли по причине того, что под эти и многие другие процессы и эффекты не была подведена теоретическая база. Все смирились с этим и большее внимание уделяли методам борьбы не с природой этих явлений, а с последствиями этих процессов.
Обрашение и к вариационным принципам классической механики тоже не давало внятливаемого ответа на поставленные вопросы относитель-
но природы наблюдаемых явлений. Единственное на что указывали все принципы так это на то, что даже в бесконечно малых отрезках времени единственно устойчивым состоянием является состояние наиболее энергетически выгодное. А коли так, то и на любом промежутке времени любая динамическая система будет затрачивать минимум энергии.
Но при этом встает вопрос о путях поиска наименьших затрат энергии. И с целью разрешения этого вопроса нами была выбрана элементарная динамическая система в форме круга с размешенными на его торце определенное количество выступов, контак-тируюших с шероховатой поверхностью. При этом в данной модели были заданы три возможные режима движения: центричный, эксцентричный и бицентричный с постоянной скоростью врашения вокруг неподвижного центра (оси) с вычислением путей контакта, что во всех случаях пропорционально затраченной энергии. При этом было доказано, что качественно результаты вычислений в любых формах дисков, при движении их в любой среде и в любом пространстве будут идентичными [2].
В области породоразрушаюшего бурового инструмента (бурового долота) на протяжении столетия практически всегда конкурировали три основных направления:
a. разработка, совершенствование и использование долот режуше-истираюшего типа;
b. разработка, совершенствование и рациональное использование трехшарошечных буровых долот;
c. разработка, совершенствование и эффективное использование одношарошечных буровых долот.
По пункту а. Изначально, при бурении взрывных скважин, долота режуше-истираюшего типа занимали монопольное положение и, следова-
тельно, были вне конкуренции. Следовательно, в более тяжелых условиях разрушение горных пород на забое скважин появились одно-, двух- и трехшарошечные долота, которые составили вполне серьезную конкуренцию долотам режуше-истираюшего типа. Тем не менее, этот тип долот периодически составляет определенную конкуренцию долотам шарошечного типа.
По пункту Ь. С момента появления трехшарошечных долот (первое десятилетие XX века) они так или иначе, в определенных условиях и при определенном способе бурения были и остаются вне конкуренции. И сейчас из обшего объема бурения взрывных скважин порядка 80-90 % приходится на трехшарошечные долота.
Прорывными этапами совершенствования трехшарошечных долот были:
• выполнение шарошек в форме несовершенного конуса;
• разработка этих долот с само-очишаюшимися шарошками;
• использование для вооружения шарошек твердосплавные элементы (наплавка стальных зубьев шарошек твердым сплавом, использование вольфрамокобальтовых (ВК) вставных зубков);
• герметизация опор шарошек;
• использование определенных (высокотехнологичных) опор скольжения при использовании твердосплавного материала и драгоценных металлов.
Естественно, при этом встает вопрос не только о преимушестве, но и о недостатках трехшарошечных буровых долот. Недостатки трехшарошечных буровых долот заключаются в следуюшем:
• трехшарошечные буровые долота эффективны при соблюдении высокотехнологичных процессов на всех этапах их изготовления;
• сравнительно высокая стоимость;
• как правило, шарошки разнона-гружены, что приводит к опережаю-шему выходу одной из шарошек и долота в целом;
• ограниченность прочностных характеристик опор шарошек;
• не рациональная (не равнозначимая в количественном выражении) динамика вооружения смежных венцов шарошек и всех шарошек в целом;
• динамика смежных шарошек конструктивно у трехшарошечных долот такова, что она способствует процессу сальникообразования (шламовая подушка, засаливание шарошек, сальникообразование в наддолотном пространстве);
• не эффективный процесс разрушения горной породы (вдавливание) вооружением трехшарошечных долот;
• динамическая неустойчивость трехшарошечных долот на поверхности забоя скважины, в результате чего поперечные сечения скважины получаются не круглые (чаше всего в форме четырехгранного многоугольника с выпухлыми сторонами).
По пункту с. Одношарошечные буровые долота, т.е. их изобретение и налаживание серийного выпуска, связаны с исследователем Зублиным (США). Долота его конструкции широко использовались во всем мире, в том числе и в бывшем Советском Союзе в 30-40 гг. ХХ-го столетия.
По вопросам динамики вооружения рабочих поверхностей породо-разрушающих инструментов нами рассматривались совершенно объективные кинетические критерии оценки работоспособности буровых долот шарошечного типа любых модификаций вычисляемых на базе уникальных аналитических математических моделей. Не раскрывая аналитической структуры этих критериев и алгоритмы их вычисления, остановимся лишь на их физической сушности [3, 4].
Критерий в форме относительной удельной контактной работы разрушения - A.. По этому критерию, а точнее по его максимальному значению A'., , можно судить об относительной
j(max) J
износостойкости вооружения тех или иных венцов смежных шарошек однотипных шарошечных долот.
Критерий в форме относительной удельной объемной работы разрушения - A"k. По этому критерию можно оценивать относительную интенсивность разрушения горной породы (механическую скорость бурения) на k-ых венцах шарошек. В данном случае определяющими являются их минимальные значения - A",, .,.
k(min)
Кинетический критерий в форме i ■ z. ф n,0 (1)
где i - передаточное отношение шарошки; z - количество зубьев на j-ом венце, шт.; n - целое число.
Очевидно, при «п» равном целому числу, мы будем иметь перекатывание зубчатых венцов «след в след». Этот критерий имеет чрезвычайно важное значение при оценке работоспособности одношарошечных буровых долот. Он представляется в следующей форме
п,5 ф i ■ z. ф п,0
j
при 0,3 < i < 0,8 (2)
Заметим, что, не умея вычислять передаточное отношение - i и не придавая значения физической сущности этого критерия, проектирование одношарошечных долот со ступенчатой формой шарошки и с большим межосевым углом зашло в тупик. Но это стало очевидным только после разработки методологии построения реальных сеток перекрытия на реальных сферических поверхностях забоев скважин, что дало нам право более детально судить о динамике вооружения по критерию - сетка перекрытия.
Теперь о динамике промывочной жидкости в конструктивных схемах породоразрушаюших инструментов при наличии на вооружении методику сравнительного анализа основанной на тандеме в форме принципа наименьшего действия и закономерности затрат энергии динамических систем.
Центральным вопросом в этом сравнительном анализе рассматриваемых конструктивных схем является процесс сальникообразования. Именно с этим процессом сегодня объективно связаны такие негативные последствия как чрезмерные энергозатраты при бурении, сравнительно низкие механические скорости бурения, прихваты буровых инструментов на забое скважин и т.д.
В аспекте указанного тандема процесс сальникообразования напрямую связан с высокими давлениями среды сопротивления движению шламовых частиц, коей является промывочная жидкость, с высокими скоростями закрученных потоков, содержаших более тяжелые частицы, коими являются частицы шлама.
Еше одним из основных динамик является герметизация опор поро-доразрушаюших инструментов [5]. Выполнение уплотнения опоры шарошечного долота в предлагаемой форме решает вопрос повышения ее износостойкости. Недостатком этого технического решения является ничем не гарантированная подача смазочного материала из кольцевой выемки под смазочный материал поскольку относительные радиальные смешения контактируюших металлических колец весьма ограничены конструктивно при жестком поджатия друг к другу.
Основной задачей является создание опоры шарошечного долота с надежной подпиткой смазочным материалом из кольцевой выемки кон-тактируюших металлических колец в
процессе кругового движения их относительно друг друга [5, 6].
И еше на наш взгляд бурить сравнительно мелкие взрывные скважины по сравнению с нефтяными и газовыми, не совсем целесообразно. И здесь просматривается интересная и экономически выгодная задача о замене до-рогостояших буровых долот более дешевыми, но при условии высоких механических скоростей и с проходками на целое число скважин: на одну, две, три. Мы видим разрешение этой задачи как ранее упоминались, на путях использования сушности закономерности затрат энергии динамических систем от сил сопротивления движению. А сушность ее заключается в том, что любая динамическая система в каждый момент времени замкнута в трех энергетически разнозатратных и постоянных по форме в центричном, эксцентричном и бицентричном режимах движения. При этом в бицентрич-ном режиме находится область с минимальными затратами энергии. Эта область именуется как энергозатратная ловушка. Причинно-следственными связями здесь являются потенциальная цикличность функционирования всех динамических систем при наличии бифуркационных состояний и катастроф соразмерных уровню затрат энергии в центричном режиме. При этом нами теоретически доказывается и экспериментально подтверждено, что при предоставлении динамической системе возможности врашения вокруг двух параллельных осей, эта система мгновенно войдет в режим пары врашений, т.е. в режим когда отношения угловых скоростей будут равняться минус единице. Но ведь буровые долота самых разных конструкций и модификаций являются по определению динамическими системами. А если так, то задавая буровому долоту вторую ось врашения, оно мгновенно выйдет в режим пары
врашений. Вследствие этого каждый элемент торцевой поверхности такого долота будет описывать окружность радиусом равным межосевому эксцентриситету. Подчеркнем еше раз, что и центральные и периферийные рабочие выступы будут иметь равные скорости и пути контакта при разрушении горной породы.
Необходимо при этом использовать сравнительный анализ кинетических критериев оценки работоспособности вооружения таких долот с вооружением долот шарошечного типа и типа РДС. И всегда при этом есть возможность спроектировать буровое долото с двумя параллельными осями с лучшими кинетическими критериями оценки их эффективности.
Нами была сделана попытка разработки технических решений в создании бурового долота режуше-исти-раюшего типа, с целью обеспечения эффективной работы долота в режиме пары врашения с заданным эксцентриситетом, выполненное с двумя параллельными осями врашения и рабочей поверхностью в форме матриц, полностью перекрываюших по-
верхность забоя скважины в режиме пары вращения. Разработка заявлена на изобретение.
В конструкциях таких долот просматриваются следующие моменты:
1. Буровое долото с двумя параллельными осями изготавливается с подвижной в корпусе долота осью и возможен ее опережающий, по сравнению с вооружением, износ. Но эта задача уже сейчас разрешима, поскольку диаметр этих осей варьируется в достаточно больших пределах и легко герметизируется в силу того, что она будет испытывать в основном осевое усилие. Да и герметизация таких осей не представляет больших трудностей.
2. Небольшую но опасность представляет процесс сальникообразова-ния. Но в этом случае нисходящие и восходящие потоки промывочной жидкости замкнуты внутри конструкции долота, т.е. будут возможности формирования устойчивых вихревых потоков, по причине чего и формируются сальники. Да и в случаях появления признаков проявления этого процесса в резерве у нас есть решения.
1. Бингхем Н.Г. Проблемы буримости горных пород. Обзор зарубежной литературы, РИТС, серия «Бурение». - М., 1966. с. 127.
2. Стеклянов Б.Ё. О закономерности затрат энергии динамических систем в среде сопротивления. // Материалы VI международной научно-технической конференции на тему «Современные технологии и инновации горно-металлургической отрасли». - Навои, 2013.- С. 64-65.
3. Рахимов P.M. Разработка метода оценки работоспособности одношарошечных долот. Лис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Ташкент. 2002.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Стеклянов Б.П. От Как?... к Почему?... / Аспекты динамики буровых долот и других физических моделей. - Ташкент: ГФНТИ, 2001. - 68 с.
5. Штейнерт В.А., Стеклянов Б.Ё., Закн-ров A.A., Ибрагнмова П.И., Рахнмов P.M. Патент на изобретение № IAP 03953. Опора шарошечного долота.
6. Тошов Ж.Б. Основы совершенствование конструктивных параметров шарошечных долот // Горный вестник Узбекистана. -2012. - № 3. - С. 68-71. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Тошов Жавохир Буриевич - кандидат технических наук, доцент, докторант, e-mail: [email protected], Навоийский государственный горный институт, Узбекистан.
UDC 622.235
IMPROVE WAYS OF DRILLING IN BLAST HOLES BY ON WAYS OPTIMIZATION THREE DYNAMIC PARAMETERS OF THE DRILL BITS
Toshov J.B., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Post Doctoral Research Fellow, e-mail: [email protected], Navoi State Mining Institute, Uzbekistan, Узбекистан.
The paper discusses the issues of improving the drilling blast holes efficiency in three dynamic parameters: fitting-out, sealing of mainstay and flushing knots of rock-destroying tools by developing new technical solutions for creation of the new drill bit cutting-abrasive types in order to ensure efficient operation of the bit pairs in rotation mode with a given eccentricity, that made with two parallel axes of rotation and work surface in the form of matrices, completely overlapping surface downhole mode couples rotation allows perspective pose and solving optimize process problems the destruction at rock drilling.
Key words: rock, drilling, drill bit, energy costs, borehole, gear ratio, sealed mainstay, flushing liquids, coverage area, a pair of rotation.
REFERENCES
1. Binghem N.G. Problemy burimosti gornyh porod. Obzor zarubezhnoj literatury, RITS, serija «Burenie» (The Problem of rock drilling. International Literature Review, RITS, series «Drilling»). Moscow, 1966, p. 127.
2. Stekljanov B.L. Materialy VI mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii na temu «Sovremen-nye tehnologii i innovacii gorno-metallurgicheskoj otrasli» (Thesis collection, VI-International scientific conference «Modern technologies and innovations mining industry»), Navoi, 2013, pp. 64-65.
3. Rahimov P.M. Razrabotka metoda ocenki rabotosposobnosti odnosharoshechnyh dolot (Development of method for estimating working ability of monocone bits), Candidate's thesis, Tashkent, 2002.
4. Stekljanov B.L. Ot Kak?... k Pochemu?... Aspekty dinamiki burovyh dolot i drugih fizicheskih modelej (From How? ... till Why? ... Aspects of drilling bit's and other physical models), Tashkent, GFNTI, 2001, 68 p.
5. Shtejnert V.A., Stekljanov B.L., Zakirov A.A., Ibragimova P.I., Rahimov R.M. Patent IAP 03953. Opora sharoshechnogo dolota (Prop rock bit).
6. Toshov Zh.B. Gornyj vestnik Uzbekistana, 2012, no 3, pp. 68-71.
УПРАВЛЕНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКИМИ РЕСУРСАМИ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ В РАМКАХ ПОЭТАПНОГО РАЗВИТИЯ
(1014/06-14 от 19.02.14, 3 с.)
Романова Ë.B. - кандидат экономических наук, e-mail: [email protected], Тверской государственный технический университет.
MANAGEMENT BY HUMAN CAPITALS OF MOUNTAIN ENTERPRISE WITHIN THE FRAMEWORK OF STAGE-BY-STAGE DEVELOPMENT
Romanova L.V.
_ РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
