Пути повышения эффективности ударно-вращательного бурения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 4 (2012 5) 397-403

УДК 622.243.(075.8)

Пути повышения эффективности ударно-вращательного бурения

С.О. Леонов, В.В. Нескоромных*

Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 13.08.2012, received in revised form 20.08.2012, accepted 27.08.2012

На основе анализа факторов, влияющих на эффективность ударно-вращательного бурения, и данных стендовых испытаний при проведении разрушений горных пород, предложен метод повышения эффективности буровых ¡работ при нанесении внецентренных ударных импульсов по буровому инструменту.

Ключевые слова: ударно-вращательное бурение, разрушение горных пород, буровой инструмент.

Производительность бурения, как известно, определяется в первую очередь эффективностью разрушения горных пород на забое. Наиболее производительным в настоящее время является ударно-вращательтый способ, осуществляемый с помощью погружных ударных машин. Сочетание статических и динамических нагрузок, приводящих к смятию-резанию и дроблению-скалыванию обеспечивает [1] эффективное разрушение пород на забое. Ведущую роль при этом играют ударные импульсы, а осевая нагру зка и вращение бурового инструмента выполняют вспомогательную роль, обеспечивая постоянный контакт инструмента с породой. Ударно -вращательный способ характеризуется высо кими значениями энергии удара (не менее 40 Дж), малыми зночеьиями частоты вращения (10-60 мин-1) и осевой нагрузки (300-600 даН на инструмент диаметром 59-105 мм). Наиболее полно он реализуотся с помощью гидро- и пневмоударников.

Практические данные свидетельствуют о возрастании эффективности данного способа с повышением энергии ударо. Это следует и из анализа зависимости [2] механической скорости блрения от параметров пр оцесса розрушения

AZMn.g (1)

м чрзаб (( - к)

где А - энергия удара, Дж/см3; 2 - число породоразрушающих элементов на торце инструмента; пуд - частота ударов по забою, уд/мин; q - удельная энергоёмкость разрушения породы, ДЖм3; Рза6 - площадь забоя скважины, м2; Е) - диаметр) бурового инструмента, м; К - расстояние, равное (0,6-0,75) интервала между соседними лунками, м.

Corresponding author E-mail address: [email protected] © Sib erian Federal University. All rights reserved

0,5 с, 6

Рис. 1. Зависимость механической скорости бурения от давления воздуха в различных породах: 1 - VIII; 2 - IX; 3 - X; 4 - IX; 5 - X категорий по буримости

м/ч Здесь определяющими факторами, прямо пропорцио-

нально влияющими на механическую скорость бурения, являются энергия и частота ударов по забою, число поро-доразрушающих вставок на торце инструмента. Обратно пропорциональны скорости бурения, энергоёмкость разрушения и величина площади забоя.

К такому же выводу приводит и анализ графика зависимости механической скорости бурения от рабочего давления в пневмоударниках отечественного (рис. 1) и зарубежного производства (рис. 2).

Из этих графиков следует, что происходит практически прямо пропорциональный рост скорости бурения при повышении давления сжатого воздуха.

С учётом этих зависимостей и данных производственного опыта можно сделать вывод о том, что ударно-вращательный способ имеет существенные ограничения для повышения производительности работы. При использовании гидроударников необходимо увеличение подачи, что требует применения более мощных буровых насосов, приводящих к дополнительным осложнениям - размыву стенок скважин большим потоком промывочной жидкости, ухудшению качества кернового материала - как следствие, использованию устройств для организации призабойной о братной циркуляции для отвода излишней жидкости. Таким образом, движение в этом направлении практически исчерпало себя и значительно сузило область применения гидроударного способа бурения.

Повышение эффективности пневмоударного бурения требует применения более мощных пневмоударников и компрессоров.

Иными словами, повышение энергии удара и увеличение давления рабочего агента неизбежно приводят к росту энергозатрат и увеличению себестоимости работ, что значительно сдерживает развитие и использование ударно-вращательного способа бурения.

Одним из путей повышения производительности данного способа представляется использование возможности увеличения масштаба разрушения породы при нанесении внецентрен-ных ударов по забою.

Лабораторные исследования и испытания [3], имевшие целью создание отклонителя для направленного бурения на базе погружной ударной машины с внецентренным нанесением ударов, показали хорошую эффективность разрушения породы на забое. Удары наносились с помощью выступа, установленного с эксцентриситетом на торце ударника относительно его ось

24

1е

12

0,5 1,0 1,3 Го МЛа

Рис. 2. Зависимость механической скорости бурения пневмоударниками высокого давления типа Сор в известняке (VI категория) (2) и граните (Х категория) (1)

С.О. Леонов, RB. Нескоромных. Пути по вышегия эc[)(J)^к1;^и^нo(cтn ударно- вpaIeaтeльного б>рен ия

и инструмента. 3та еффективность c)(т][[cлlJJ]ЗJвe;нa знaчитeяьно большим

ммсштабем Eaia^jэц.•гл^eн:^я¡^ пси таком способе нанлсения уд]ров по забсю.

Вскедствие T04e4H0rK умара [4] к полодоразру шяющтму инструменту лотавкам и пapодe пepyдaeтcя волна напряжоний, оеличина поторых опpтaeляaтcя радегссом r для цeнтpaльного уда]!« (рис. 3, a) aij соответственно, лэаднтух^гсь^и г и a2 для вноцешренпсго ядapa (рис. 3, б). Таким образом, njTii центральном yma]pe под породоразрушающими вставкамл, yдaлeниыми от цен-тт];>;)1 то'орцса ]TO]¡¡omojT^:í]¡i3'^^ii:a^ro инструманло но равше яаситояние, напряжония равны, a Iyjyii ь^^езцегнтг ]:>^:етн:01\^ yaape 1год этими же встасками м^яке^я не равны, причем о^а^ и обpaтно пропорциональны радиус ам ii и r2]

^о теории Б^синсска, нтрмальныа и >ас ательные напрожения под вставками 1 и 2 при цгшрально м ymTjK (согсссно схе м на рис. 3!, а) кавны

■ cos2 Y ,

= 2ГГ2 '

3g- cos Ч3 sinfín 2<о2 ;

(2) (З)

где. Q - си лиа ув щ ajo а, даН.

При впице IУT]вeнIoо]VI (рис. 35, б) ноpмaльньIe ив касате льные напряжени» под Iîcт^]TIcaE-ми соо тветственно рсоны: под вставкой 1

3Q ■ cosacos2 А 2ж2

(4)

под вставкой 2

3Q • cos21 cos2 А 2п2

(5)

3Q • cos2 Sn2 cos2 А 2лг?

(6)

3Q ] cos Т2 sin Т2 cos А sin А Inri

(7)

Таки м о 6jj азо м, при цент paльном ударе напряжения cz iz те под вставками равны, что создает условия для получения лунок разруше ния одного jj азме ра. ]П1ри вне центренном ударе р) > <az, т z > тщ, л что ^праеедциилляЕ^тг неравномернесть разрушения nca роды и создает условия для ис!фивления сквсжины. В общем видевыражения для определения напряжений под породоразрушающими вставкамипри точечном внеце нтре нном ударе имеют следующий вид:

3Q ■ cosacos2 А ;

Z

и

и„ =

Z

и

=

Z

3Q -cos Т. sin Т. co s A sin А

г'=-нАИ0"-' ()

где i -е номер породоразрушающей оставки, определяющий значения r¡ и | ууаглеыь^ /а и|> согласно схеме 1ва рис. 3, б, равны

A = arc eg—, (10)

1Б

ш

Т.=агссо s н-1, (11)

С

где е - хэккссцен-орлиссзи-лг т приложнния удара, м; ФБ - расстояние от1 торца ударника до его центра тяжести, м; Н. -о высота дооота, mi.

На рис. 4 показаны глубины лунок разрушения в мраморе под породоразрушающими вставками (номера нставок по отношенаю к центру удара дфны на рис. 4) при различных значиниях энсцннтриситета приложения адарт. Графики на рис. 4 по характеру достаточно точно повторяют графики нормалнныа напряжений, полученных расчетом по формуле (8), под одноименными фородоразрушающими вставснми, которые даны на рис. 5. Данное соот-витствие поиволяет считать золасимости для расчета напряжений под вставками достаточно точными .

Используя зависимость, определим нормальное усилие на породоразрушающей вставке, формирующей лунко разрушения. В этом олучае справед ливо соотношение

CP; о 3Q-cos24BcosA (12)

шО-" О '

иде d - диаметр проекции упругого контакты сферы оорца твердосплавной вставки с породой,

мм2.

Значение d определяется из изоестной зови с имо сти Г. Ге рца

Рис. 3. Схемы передачи ударного импульса и со здания напряжений под породоразрушающими вставками при точечном ударе: а - центральный удар; б - внецентренный

lln. ММ

Номер [[рродоразрушадФщей вставки

Рис. 4. Глубины лунок разрушения в мраморе, полученные при различной вхличине эксцентриситета приложения удара е: крив ая 1 - е=0; 2 - е=1,3 см; 3 - е=2,0 см; 4 - е=2,7 см; 5 - е=3,4 см; 6 - е=4,2 см

d = т (13)

где R - радиус сф>ер)1.1 торца твердо сплавной вставки, м; £у, Е2 - модули упругости материала твердосплавной вставки и породы, Па; ци ¡и2 - коэффициенты Пуансона для материала твердосплавной встхвки 22 породы. Определяем P

P,

3 1

3Q■ сое2 Ч) ■ сое2 A - jl,144• ^J-(l)(- fl)}

2r2

Глубину лунки разрушения определим из формулы

л C

(14)

где С - жесткость пары «породоразрушающая вставка - порода», даН/м.

В результате исследований были определены основные факторы, влияющие на эффективность разрушения породы на забое и с-епень их влияния на неё. Таковыми являются осевая нагрузка, энергия удара и величина смещения точки нанесения удара (эксцентриситет). В отличие от серийного ударника определяющим фактором в этом случае является величина эксцентриситета [5] приложения удара, имеющая с объёмом разрушения линейную зависимость, а осевая нагрузка и энергия удара играют по достижении определённых значений второстепенную (неопределяющую) роль.

Перспективность подобаого метода разрушения породы подтверждается и зарубежным опытом, бурения, в частности, суще ствующая система ODEX компании Atlas Copco, в которой также реьлизуется принцип внеценаренного удара (специальное эксцентричное долото).

- 4оа -

2

0,007

тт.1

О, ПО I

12 3 4 5*78 Номер посидиразрушариЦеЛ испеки

Рис. 5. Графики напряжений под породоразрушающими вставками при различной величине эксцентриситета приложения удара: 1-6 - эксцентриситеты аналогичны кривым на рис;. 4; 7 - зона недостаточных для разрушения породы напряжений (по данным эксперименте в)

Для дальнейшего продолжения работ в этом направлении представляется целесообразным проведение исследований по определению эффективности разрушения внецентренными ударами различных по своим свойствам горных пород, определяющими из которых являются анизотропность и категория по буримости. Помимо этого необходимо определить оптимальные значения эксцентриситета и соответствующие им величины энергии ударных импульсов и осевой нагрузки. Эти данные позволят определить область рационального применения данного способа и наметить рекомендации по отработке оптимальной технологии бурения.

Список литературы

[1] Сулакшин С. С. Разрушение горных пород при бурении скважин: учеб. пособие для вузов. Томск: Изд-во ТПУ, 2004.

[2] Нескоромных В. В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008.

[3] Прудников А. В., Романов С. П. // Сборник тезисов. докл. Всерос. НТК. Краноярск: КГАЦМиЗ, 1996.

[4] Нескоромных В. В. Технические средства для искусственного искривления геологоразведочных скважин: курс лекций. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1995.

[5] Нескоромных В. В., Фатхутдинов А. А. // Известия вузов «Геология и разведка». М., 1995. № 2.

Уй 1

№ х

\\\\ 1V

\\\\ 5^/чУ 2 г/МКЬчЬЙзЖ 1[а

1 2 Л 4 ? 6 7 8 Номер породоразруи»юЩеЛ вставки

Ways to Improve the Efficiency of Percussive-Rotary Drilling

Sergey O. Leonov and Vyacheslav V. Neskoromnyh

Siberian Federal University, 79 Svobodny Krasnoyarsk, 660041 Russia

A method for increasing the efficiency of drilling operations based on the analysis offactors affecting the efficiency of percussive-rotary drilling and relying on the data test bench in the study of rock destruction is supposed when applying eccentric shock pulses on the drilling tool.

Keywords: percussive-rotary drilling, rock destruction, the drilling tool.