CC BY
43
Khryakov Kirill Stanislavovich, postgraduate, kirill-khryakov@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Engineering
Mishin Alexey Vladimirovich, candidate of technical science, assistant, alexeymi-shin89@,gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State University of Railway Engineering
УДК 622
РАЗРАБОТКА СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОХОДКИ КРИВОЛИНЕЙНОЙ СКВАЖИНЫ МЕТОДОМ
ПРОКОЛА
А.С. Рыбаков
Дается базовое описание наиболее применяемого метода создания скважин бестраншейным способом. Рассказывается о возможности создания криволинейной скважины и текущих недостатках при ее строительстве. Описываются основные факторы и показатели процесса создания криволинейной скважины. Предлагается конструкция стенда для экспериментальных исследований данного процесса.
Ключевые слова: прокол, ГНБ, криволинейная скважина, стенд, экспериментальное исследование.
На текущем этапе развития подземного строительства в условиях плотной городской застройки ремонт существующих и прокладку новых коммуникаций становится все менее возможным осуществлять традиционными способами с экскавацией грунта на поверхность. Данное обстоятельство привело к весьма широкому распространению различных способов и средств создания горизонтальных скважин бестраншейным методом.
Среди способов реализации бестраншейных технологий наибольшую распространенность получили способы статического прокола и горизонтально-направленного бурения. Вызвано это двумя факторами. Во-первых, при анализе типоразмеров коммуникаций городов РФ выявлено [1], что большая их часть, а это около 70 %, имеет диаметр до 300 мм, и все эти типоразмеры покрываются возможностями машин, реализующих эти технологии. Во-вторых, машины для статического прокола по своей конструкции весьма просты и производятся на отечественных предприятиях, что делает их более доступными как в приобретении, так и в ремонте. А машины для горизонтально-направленного бурения хоть и дороги, но по-
зволяют стартовать с поверхности и обходить препятствия, что в условиях плотной городской застройки и перегруженности подземными коммуникациями порой является необходимостью.
Стоит отметить, что способы горизонтально-направленного бурения и статического прокола принципиально отличаются только наличием у первого возможности вращения става относительно продольной оси. В общем же случае технологическая схема обоих этих способов одинакова и заключается она в последовательном выполнении таких операций, как проходка пилотной скважины (рис. 1, а), расширение скважины (рис. 1, б) и протягивание трубопровода (рис. 1, в) [1], за исключением того, что для прокола внедрение в грунт возможно только из стартового котлована.
а
б
в
Рис. 1. Технологическая схема работы способа горизонтально-направленного бурения при старте с поверхности: а - проходка пилотной скважины; б - расширение скважины; в - протягивание трубопровода
На этапе проходки пилотной скважины может возникать потребность в создании ее по криволинейной траектории [1]. Связано это может быть как с технологической необходимостью, так и с наличием на трассе
227
непреодолимых препятствий. Как правило, корректировка направления прокола выполняется подачей става без вращения рабочего инструмента с предварительно сориентированным наконечником. Для того чтобы соблюсти заданную траекторию скважины, применяются системы контроля положения головной секции проходческого става [1]. Тем не менее, заранее оценить возможность создания скважины по той или иной траектории в заданных горно-геологических условиях при современных методах расчета не представляется возможным.
В свете вышесказанного можно заключить, что необходимо совершенствование методик расчета поведения проходческого става при создании криволинейной скважины при горизонтальной и горизонтально-наклонной проходке. Один из важнейших этапов исследования процесса движения проходческого става - экспериментальные исследования. Но поскольку проведение экспериментов с применением реальных проходческих установок и на реальных строительных объектах - задача весьма ресурсоемкая, то рациональнее проводить основную массу исследований с применением имитационного стендового оборудования.
Основными взаимодействующими частями такого стенда являются модель проходческой, а в данном случае прокалывающей, установки, модель става с несимметричным рабочим инструментом и породный массив. При этом взаимодействие происходит следующим образом. Модель прокалывающей установки сообщает проходческому ставу некоторую постоянную скорость, став же, в свою очередь, внедряется в породный массив и движется в нем, преодолевая ряд реактивных усилий. За счет несимметричности происходит постепенное отклонение става в массиве от прямолинейной траектории. Исследование процесса на стенде, а не в естественных условиях возможно, потому что габариты породного массива достаточно велики, чтобы при внедрении става не было выпучивания породы на поверхность, то есть условия породного массива идентичны естественным. Геометрические и прочностные параметры става позволяют получить исследуемое отклонение става при существующих габаритах породного массива. Также исследование на стенде предпочтительнее в силу того, что можно проводить исследования на различных породах, а при проведении серии идентичных опытов можно соблюдать постоянные характеристики породного массива, что позволит получить результаты в сравнительно одинаковых условиях.
Таким образом, характер процесса движения проходческого става с несимметричным рабочим инструментом в породном массиве определяется следующими основными факторами (рис. 2), которые условно можно подразделить на группы:
- упругие параметры става, включающие модуль упругости Е и момент инерции проходческого става I;
- геометрические параметры става и рабочего инструмента, включающие внешний й, внутренний dвн диаметры и длину проходческого става ¡0, диаметр йри и угол скоса рабочего инструмента а;
- режимные параметры проходческой установки, включающие скорость движения става уп в породном массиве, длину внедренного участка I и угол поворота проходческого става в, а также глубину проведения выработки Н;
- физико-механические свойства породного массива.
В качестве показателей (рис. 2), характеризующих процесс прокола несимметричным рабочим инструментом при проходке криволинейной скважины, принято усилие прокола в породный массив Рпр по всей длине става, складывающееся из усилия уплотнения породы Рупл, усилия на преодоление сил трения Ртр и сцепления Рсц става с породным массивом, а также отклонение рабочего инструмента става от оси выработки д.
Для реализации такого стенда предлагается конструкция установки, состоящая из четырех основных узлов: силовой части, породного бункера и маслостанции, а также контрольно-измерительной системы. Конструктивная и гидравлическая схемы установки изображены на рис. 2 и 3 соответственно, характеристики представлены в таблице.
Маслостанция предназначена для питания рабочей жидкостью (маслом) силовой части стенда. Конструктивно она представлена агрегатом, смонтированным на общей раме, состоящим из приводного электродвигателя, регулируемого насоса, гидрораспределителя с ручным объемным управлением, клапана сброса, маслобака, стрелочного манометра, датчика давления напорной магистрали с преобразователем интерфейса и автоматического выключателя.
Силовая часть стенда предназначена для подачи проходческого става, закрепленного на каретке и оснащенного рабочим инструментом, с определенной скоростью вдоль направляющей для внедрения в породный массив, расположенный в бункере.
Породный бункер предназначен для размещения породы, в которой предполагалось осуществлять прокол.
Контрольно-измерительная система стенда включает в себя следующие элементы: датчик давления, стрелочный манометр, датчик, лазерный построитель плоскостей, концевые выключатели и персональный компьютер со специализированным программным обеспечением.
Каждый эксперимент предлагается проводить в 7 этапов.
1. Установка проходческого става и оснащение его рабочим инструментом с последующим выставлением угла ориентации в.
2. Холостая проходка без породы на всю величину хода.
3. Подготовка породного массива в бункере (послойная укладка с уплотнением и увлажнением).
4. Проходка криволинейной скважины.
5. Вскрытие породного массива с замером величины отклонений полученной скважины от первоначальной оси и отбором образцов породы для анализа физико-механических свойств.
6. Определение физико-механических свойств образцов породы.
7. Обработка и анализ результатов эксперимента.
Рис. 2. Основные факторы и показатели процесса прокола при создании криволинейной скважины: а - вид спереди; б - вид сверху; в - вид сбоку: 10 - длина проходческого става; I - длина внедренной части става; й - диаметр става; йвн - внутренний диаметр става; Е - модуль упругости става; I - момент инерции става; а - угол скоса рабочего инструмента; йри - диаметр рабочего инструмента;
Уп - скорость подачи; Н - глубина проведения выработки;
Рут - усилие на уплотнения грунта; Ртр - усилие сопротивления трению става о грунт; Рсц - усилие сопротивления сцеплению става с грунтом; Рпр - общее усилие прокола; в - угол поворота става вокруг оси скважины; д - отклонение рабочего инструмента от оси
выработки
Рис. 3. Общий вид конструкции экспериментального стенда: 1 - гидромотор; 2 - переходная муфта; 3 - задний щит; 4 - силовая рама; 5 - гайка; 6 - ходовой винт; 7 - каретка; 8 - направляющая; 9 - передний щит; 10 - люнет; 11 - проходческий став; 12 - пластиковый переходник
Рис. 4. Схема гидравлическая принципиальная экспериментального стенда: Мб1 - маслобак; Нб1 - насосный блок; Эд - электродвигатель; Н1 - насос регулируемый; Пд1 - датчик избыточного давления; Мн1 - стрелочный манометр; Кп1 - аварийный клапан; Р1 - гидрораспределитель объемный с ручным управлением; Р2 - гидрораспрелитель с электроуправлением; Р3 - гидрораспределитель с электроуправлением; М1 - гидромотор
реверсивный
В исходных данных, полученных из программы мониторинга стенда и по результатам ручных замеров, присутствуют сведения об относительном времени произведении замера, показаниях датчика хода и датчика давления, а также значения отклонений. Таким образом, по результатам замеров прямо или косвенно известны все факторы и показатели процесса
прокола при создании криволинейной скважины. Для получения окончательных значений ряда факторов и показателей, таких, как скорость внедрения V и общее усилие прокола Рпр, необходимо провести ряд вычислений.
Характеристика экспериментального стенда
Показатель Значение
Маслостанция
Мощность электропривода, кВт 5
Напряжение питания, В ~380
Максимальное давление, МПа 5
Максимальный расход, л/мин 25
Тип рабочей жидкости Минеральное масло ТП22С
Управление Ручное
Силовая часть
Привод Гидравлический
Передача Винт-гайка
Ход, м 2,1
Скорость подачи, м/мин 1,1-4,4
Проходческий став
Максимальная длина става, м 2,1
Максимальный диаметр става, мм 29
Породный бункер
Длина - ширина - высота, м 3-0,6-1
Как известно, скорость является первой производной от величины хода става Нп, которая равна длине внедренного участка I,
^П /14
V(1)
и легко находится по формуле численного дифференцирования
йу Ау _ у(х + Ах)- у(х)
йх Ах Ах
_ йНП АНП _НП + Аt) - НП )
(2)
Л Аt Аt
Расчет общего усилия прокола Рпр производится следующим образом. Рассчитываются усилия, затраченные на внедрение става при холостом прогоне Qх и при рабочем Qр. Для этого вычисляется крутящий момент на валу гидромотора при холостой Мкр х и рабочей Мкр.р нагрузке по выражениям
Мкр.х 2()7г > V)
(4)
крр 20тг
где Мкр х - крутящий момент на выходном валу гидромотора при холостой нагрузке, Нм; Мкр р - крутящий момент на выходном валу гидромотора при рабочей нагрузке, Нм; - объемная постоянная гидромотора, см3; г|ш/, -гидромеханический КПД гидромотора, принимается равным ; рх ~
давление масла в магистрали при холостой нагрузке, МПа; рр - давление масла в магистрали при рабочей нагрузке, МПа;
Усилия внедрения определяются по следующим зависимостям [2]:
мкр = <2^ь(|3 + р)^> & = МКРХ •
¿2
2 + (5)
Мкр.р
где Мкр х - крутящий момент на выходном валу гидромотора при холостой нагрузке, Нм; Мкр р - крутящий момент на выходном валу гидромотора при рабочей нагрузке, Нм; ()х - усилие внедрения при холостой нагрузке, Н; - усилие внедрения при рабочей нагрузке, Н; (3 - угол подъема винтовой линии, град; р - угол трения, град; ¿/2 - средний диаметр резьбы винта, мм.
Крутящий момент находится по формулам (3) и (4). Угол трения р принимается в пределах от 6 до 8°. Средний диаметр резьбы винта считается заданным. Угол подъема винтовой линии рассчитывается по формуле [2]
1ап(3 = ^-, (6)
где |3 - угол подъема винтовой линии, град; ¿> - ход винтовой линии, мм; (Л2- средний диаметр резьбы винта, мм.
Полное усилие прокола Рпр определяется как разность рабочей и холостой нагрузки.
PnP=Qp-Qx> (7)
где Рпр - полное усилие прокола, Н; - холостая нагрузка, Н; £>р - рабочая нагрузка, Н.
Таким образом, описанный стенд можно применять для экспериментально-статистического исследования процесса прокола с последующим графоаналитическим анализом опытных данных при использовании методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей.
Список литературы
1. Рыбаков, А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика). М.: ПрессБюро, 2005. №1. 304 с.
2. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 2001. 912 с.
3. Гавриленко Б. А., Минин В.А., Рождественский С.Н. Гидравлический привод. М.: Машиностроение, 1968. 502 с.
Рыбаков Александр Сергеевич, асп., hammerhlamail.ru, Россия, Тула, Тульский Государственный Университет
DEVELOPMENT OF STAND EQUIPMENT FOR STUDY OF THE UNDERGROUND WELL
CURVILINEAR CREATING BY PUNCTURE
A.S. Rybakov
The paper gives a basic description of the most used methods of creating holes using trenchless technology. It is told about the possibility of creating a curved borehole and ongoing shortcomings in its construction. It describes the key factors and indicators of the process of creating a curved borehole. It is proposed to design the stand for experimental studies of the process.
Key words: puncture, HDD, curved well, stand, experimental study.
Rybakov Alexandr Sergeevich, postgraduate, hammerhla mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
