CC BY
45
УДК 620.22+620.17
СОЗДАНИЕ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
И ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА В КРЕПКИХ ПОРОДАХ
Владимир Иванович Клишин
Институт угля СО РАН, 650065, Россия, г. Кемерово, Ленинградский проспект, 10, член-корр. РАН, доктор технических наук, директор института, e-mail: [email protected]
Даньяр Иванович Кокоулин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)217-01-13, e-mail: [email protected]
Сергей Евгеньевич Алексеев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник, тел. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
Бакыт Кубанычбек
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Рассмотрены результаты экспериментальных работ, в ходе которых исследованы процессы бурения вращательно-ударным способом скважин малого диаметра по породам различной крепости. В процессе экспериментов испытан ряд буровых коронок различных конструкций, в результате чего разработана новая конструкция коронки с опережающими лезвиями, более надежно работающая в этих условиях.
Ключевые слова: скважина, погружной пневмоударник, скорость бурения, крепость породы, буровая коронка.
ENGINEERING OF SMALL-DIAMETER DRILLING EQUIPMENT AND TOOL FOR HARD ROCKS
Vladimir I. Klishin
Institute of Coal, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 650065, Russia, Kemerovo, 10 Leningradsky prospect, Corresponding Member of RAS, Doctor of Engineering Sciences, Director, e-mail: [email protected]
Dan'yar I. Kokoulin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, tel. (383)217-01-13, e-mail:[email protected]
Sergei E. Alekseev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, tel. (383)217-09-63, e-mail: [email protected]
Bakyt Kubanychbek
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Researcher, e-mail: bjkut@yandex .ru
The experimental works undertaken define small-diameter rotary-percussion drilling processes in rocks of different hardness. After testing a series of drill bits of different design, a new design of a drill bit has been engineered, with leading blades and more reliable in the given conditions.
Key words: drillhole, downhole air hammer, drilling rate, rock hardness, drill bit.
Существенное влияние на трудоемкость и себестоимость добычи угля подземным способом оказывают работы, связанные с бурением скважин различного назначения. В угольной отрасли широко применяется буровая техника отечественного и зарубежного производства. Общим ее недостатком является ограниченное применение при бурении скважин по крепким породам. Это объясняется тем, что практически во всех станках используется вращательный способ бурения, обеспечивающий эффективную проходку скважин в породах крепостью не превышающей 6-8 ед. по шкале М.М. Протодьяконова. Применение известных буровых установок, оснащенных перфораторами ограничено глубиной бурения скважин, так как эффект от удара по хвосту бурового става по мере увеличения ее глубины уменьшается.
Известно, что наиболее эффективным способом бурения скважин в крепких породах является вращательно-ударного бурение с применением погружных пневмоударников, позволяющих осуществлять динамическое воздействие на массив непосредственно у груди забоя [1,2]. Такой способ бурения выбран в ИГД СО РАН при создании бурового оборудования для проходки специальных скважин диаметром 46 мм, предназначенных для проведения технологических работ по разупрочнению тяжелых кровель методом гидроразрыва. Созданное буровое оборудование, включает в себя станок СБП [3,4,5] и погружной пнев-моударник АШ-43 [6,7,8], оснащенный буровыми коронками различных конструкций.
Испытания оборудования проводились на стенде в условиях экспериментальной базы «Зеленая горка» ИГД СО РАН. Стенд представлял собой пространственную раму, в которой устанавливался буровой станок СБП, оснащенный пневмоударником АШ-43 (рис. 1, 2). На нижнем основании рамы закреплялись блоки горных пород различной прочности. Источник энергии - сжатый воздух под давлением 0,6 МПа подавался к пневмо элементам бурового оборудования от стационарного компрессора.
В процессе эксперимента бурились скважины диаметром 46 мм. При этом скорость бурения в зависимости от прочности пород изменялась от 0.18 до 1.15 м/мин. На основании аналитических и экспериментальных исследований получена зависимость скорости проходки скважин от прочности пород (рис. 3) [9].
В ходе исследований проводились также наблюдения за надежностью работы бурового инструмента.
Рис 1. Станок СБП с пневмоударником АШ-46А на стенде
К
Рис.2. Погружной пневмоударник АШ46А м/мин
1.2
0.8
0.4
0
ч \ ч \ 2
ч ч \
1 ч \ ч \
(7, МПа
40 60 80 100 120 140 160
Рис.3 Зависимость скорости Vбурения скважин от прочности а пород: 1 - полученные аналитическим и 2 - экспериментальным путем
Бурение скважин на первом этапе испытаний производилось резцом породным БИ-746 производства ООО «Горный инструмент», аналогом которого послужил породный резец БИ-741. Испытания выявили конструктивный недостаток резца - большой внутренний промежуток (до 16 мм) между режущими
лезвиями (рис. 4а). В результате между корпусом резца и забоем скважины образуется породный керн, препятствующий подаче бурового става. Процесс бурения приостанавливается. При продолжительной работе пневмоударника это приводит к разрушению твердосплавных пластинок.
С целью устранения этих недостатков были разработаны, изготовлены и испытаны два новых варианта породных резцов. В первом варианте (резец БИ-746А) между внутренними режущими лезвиями резца вдоль его продольной оси был вмонтирован твердосплавный штырь диаметром 8 мм с поперечной заточкой (рис.4 б). Во втором - (резец БИ-746Б) была увеличена длина обоих режущих лезвий в сторону центральной оси с полным устранением промежутка между ними (рис. 4в).
а) б) в)
Рис. 4. Конструкции резцов породных: а) - БИ-746, б) - БИ-746А, в) - БИ-746Б
Испытания породного резца БИ-746А показали, что расположенный между лезвиями резца твердосплавный штырь способствует разрушению керна, однако керн дробится на крупные куски, которые расклиниваются между стенками скважины и пневмоударником, затрудняя вращение бурового става.
В таких случаях приходилось отводить инструмент от забоя скважины, раскручивать буровой став и только затем продолжать процесс бурения.
При проходке скважин с помощью резца БИ-746Б заклинивание бурового инструмента не наблюдалось, однако скорость бурения по сравнению с предыдущими резцами оказалась несколько ниже. Это можно объяснить увеличением длины режущих лезвий и, тем самым, увеличением площади реза.
В процессе испытаний различных вариантов резцов типа БИ-746 также наблюдалось выкрашивание твердосплавных пластинок и их отрыв от основы резцов в местах пайки. Таким образом, применение резцов такого типа для проходки скважин вращательно-ударным способом бурения в породах крепостью 12-14 ед. не приемлемо и поэтому необходимо создание образцов нового конструктивного исполнения.
Одним из способов повышения надежности работы коронок в условиях динамических нагрузок, является крепление твердосплавных пластинок в пазах их основы. Существует три вида пазов, в которых могут размещаться твердосплавные пластинки: открытый, закрытый и полузакрытый [10]. Как показывает практика, закрытый способ припаивания твердосплавных пластинок является предпочтительным в коронках для проходки скважин вращательно-ударным способом бурения. С его использованием был реализован еще один вариант резца породного БИ-746М (рис. 5).
Рис. 5. Резец породный БИ-746М
Его испытания показали, что резцы БИ-746М значительно прочнее и надежнее предыдущих аналогов. При бурении скважин этими резцами в гранитах, происходило затупление режущих кромок в твердосплавных пластинках, разрушения же их не наблюдалось.
Результаты замеров скорости вращения бурового става, усилия подачи на забой, а также величины его подачи в единицу времени приведены в таблице.
Таблица
Результаты испытаний процесса бурения скважин резцами БИ-746М в породах разной прочности
Тип и наименование а, МПа п, об/мин V, м/мин Р, МПа
породы
Аргиллит 40 160 0.81 0.4
Бетон 60 170 0.72 0.5
Песчаник 75 165 0.47 0.5
Мрамор 90 160 0.219 0.5
Известняк 110 150 0.13 0.4
Гранит 140 100 0.092 0.5
Испытания подтвердили надежность работы резца породного БИ-746М при проходке скважин в крепких породах и вскрыли его недостатки, а именно:
- затруднен процесс забуривания новых скважин;
- недостаточно высокая скорость бурения.
В отечественной практике создания буровых инструментов известны долота с опережающими лезвиями, с помощью которых процесс забуривания новых скважин не вызывает проблем [11]. Скорость проходки скважин с такими долотами выше, так как работа боковых лезвий облегчена присутствием в центре долота дополнительной обнаженной поверхности.
С учетом этих достоинств была реализована коронка КС-46 с опережающими лезвиями (рис. 6). В данной конструкции опережающие лезвия, расположенные на верхней ступени коронки, образуют забурник малого диаметра. При этом, во-первых, облегчается процесс забуривания новой скважины. Во-вторых, происходит более интенсивное разрушение породы при разбуривании скважины второй ступенью большего диаметра за счет образования свободной поверхности после прохода первой ступени. Наконец, в третьих, обеспечивается вращение коронки вокруг постоянного центра, что улучшает условия ее работы и способствует прямолинейному бурению скважины.
Рис.6. Коронка КС-46
В настоящее время коронка КС-46 находится на стадии испытаний, завершение которых планируется во втором квартале 2016 г. В процессе испытаний будут уточнены геометрические параметры режущей части, а также отработаны режимы бурения по породам различной прочности.
Таким образом, применение разработанного в ИГД СО РАН оборудования, включающего буровой станок СБП и погружной пневмоударник АШ-46А, обеспечивает эффективную проходку скважин диаметром 46мм в породах различной прочности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Фокин Ю.С. Развитие бурового оборудования для угольных шахт // Уголь. - 2007. - № 4.
2. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Гуртенко А.П. Создание буровых станков для угольных шахт // Рудник будущего. Научно-технический журнал №4, 2010 -С. 32-38.
3. Клишин В.И., Репин А.А., Кокоулин Д.И., Алексеев С.Е., Кубанычбек Б., Шахторин И.О. Создание бурового оборудования для проходки скважин малого диаметра в крепких породах // Перспективы инновационного развития угольных регионов России: сб. тр. -Прокопьевск, 2014.
4. Клишин В.И., Репин А.А., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б. Создание специальных буровых станков для бурения скважин диаметром 45 мм в крепких породах // Теория машин и рабочих процессов: сб. тр. - Бишкек, 2013.
5. Клишин В.И., Фокин Ю.С., Кокоулин Д.И., Репин А.А. Станок буровой. Патент России №2282009 РФ. 2006. Бюлл. № 23.
6. Репин А.А., Алексеев С.Е., Карпов В.Н. .Погружной пневмоударник. Патент России на п.м. № 121854 РФ. 2012. Бюлл. № 31.
7. Алексеев С.Е., Тимонин В.В., Кокоулин Д.И., Шахторин И.О., Кубанычбек Б. Создание малогабаритного погружного пневмоударника для проходки исследовательских скважин // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2015. - № 2. - С. 187 - 193.
8. Repin A.A., Alekseev S.E., Timonin V.V., Karpov V.N. Analysis of the compressed air distribution in down-the-hole hammer drills // MINER'S WEEK - 2015, reports of the XXIII international scientific symposium, 2015. - P. 475-482.
9. Клишин В.И., Кокоулин Д.И., Кубанычбек Б., Алексеев С.Е., Шахторин И.О. Обоснование типа и параметров погружного пневмоударника для увеличения скорости проходки скважин малого диаметра // ФТРПИ. - 2015. - № 6.
10. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысев Н.И. Горные инструменты. - М.: Недра. - 1990.
11. Иванов К.Н., Варич М.С., Дусев В.И., Андреев В.Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. - М. : Недра - 1974. - 407 с.
© В. И. Клишин, Д. И. Кокоулин, С. Е. Алексеев, Б. Кубанычбек, 2016
