Стендовые исследования эффективности разрушения породы единичными ударами Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------------------- © Б. Т. Ратов, М. Отебаев,

2009

УДК 622.244.5

Б. Т. Ратов, М. Отебаев

СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДЫ ЕДИНИЧНЫМИ УДАРАМИ

Семинар № 4

Ударно-вращательное бурение в значительной мере зависит от оптимальности схемы распределения ударов по забою скважины, которая формируется как данными технической характеристики машин - генераторов ударов, так и технологическими параметрами. Исследователи влияния этих факторов на эффективность бурения [1, 2, 3] сходятся во мнении, что для получения наибольшей эффективности число оборотов породоразрушающего инструмента и число ударов должны обеспечивать наиболее оптимальное расстояние между ударами с учетом энергии удара и крепости породы.

Недостаточное число ударов на оборот не будет обеспечивать поражение всей поверхности забоя, оставляя отдельные участки, выходящие из зон распространения микротрещин. Это вызовет увеличение сопротивления породы инструменту при его вращении и повышенный износ инструмента. Чрезмерное количество ударов также не приносит пользы, т. к. при этом повышается расход энергии на переизмельчение шлама.

Однако, в опубликованных источниках сведения об оптимальности расстояния между последовательными ударами противоречивы.

Так Мелекесцев А.И. [4] в результате стендовых экспериментов получил, что при удельной энергии удара 1,43 Дж/мм, в граните оптимальное расстояние составляет 2,6-2,9 мм; в песчанике

5,7-7,2 мм, а число ударов в минуту должно составлять 3000 - 4000.

Бубок В.К. [5] получил на стенде иные данные. В граните при удельной энергии удара 0,95 Дж/мм оптимальное расстояние между ударами составило 10-15 мм.

Разноречивость приведенных данных послужила основной причиной к постановке аналогичной работы по определению оптимального расстояния между ударами. При этом было учтено, что должна исследоваться работа долотчатого резца кольцевой коронки, имеющего весьма малую длину. Это не только отражается на размерах лунок от ударов на забое скважины, но и вызывает относительное увеличение зоны контакта лезвия с вертикальными стенками - с одной стороны стенкой скважины, с другой - поверхностью керна. А это, безусловно, должно оказывать влияние на размеры лунок от ударов лезвий, и, следовательно, на производительность бурения. Между тем исследований этого вопроса не проводилось.

С другой стороны, результаты исследований должны найти применение и в более широкой области, в частности, при бурении сплошным забоем.

В этом случае используются долотчатые коронки и долота сплошного забоя и представляет интерес как определение их рациональных конструкций, так и влияние особенностей этих конструкций на объемы лунок от единичных

б)

ударов. Установлено [6], что наиболее перспективны конструкции коронок, формирующих ступенчатый забой. Однако, влияние дополнительной плоскости обнажения забоя при работе резца на забое, как и влияние вертикальных стенок скважины и керна, формируемых ударами лезвия, на механизм работы резца, в частности, на форму и параметры лунок от ударов, в известных нам исследованиях не р ассматривалось.

Поэтому при проведении стендо-

Таблица 1

Техническая характеристика средств гидроударного бурения

Рис. 1. Коронки гидроударного бурения: а) коронка К19М-4; б) коронка ГПИ-2

вых экспериментов было решено затронуть и эти вопросы.

Параметры ударов, осуществляемых на стенде, были ориентированы на параметры, характеризующие ударно-вращательное бурение скважин с использованием погружных гидроударников. Таким образом, можно сказать, что объектом исследований явилось гидроударное бурение машинами ГМД-2 и Р-3МГ, показавших наиболее высокие результаты в глубоких скважинах [7] с использованием кольцевых коронок ГПИ-2 и К19М-4 (рис. 1). Техническая характеристика гидроударников и коронок приведена в табл. 1.

Проведение в производственных условиях экспериментальных исследований режимов разрушения горных пород при использовании реальных бурильных машин связано с большими трудностя-

Марка гидроударника Марка коронки

ГМД-2 Р-3МГ ГПИ-2 К19М-4

1. Наружный диаметр, мм 108 89 115 115

2. Длина, мм 1660 2200

3. Вес, кг 102 70

4. Диаметр скважины, мм 115 96 и 115 115 115

5. Рабочая жидкость вода вода

6. Энергия единичного удара, Дж. 70-80 80

7. Число ударов в минуту 1400 1500

8. Количество резцов 6 4

9. Размеры резца, мм 8х14х15 10х14х19

10. Твердый сплав ВК-15 ВК-15

11 Угол приострения лезвия, град. 90 90

12. Форма лезвия симметр симметр.

ми, обусловленными тем, что часто невозможно изменить в требуемых пределах режимы работы бурильной машины, в частности, угол поворота коронки, энергию удара и т.д.

Поэтому были предприняты лабораторные эксперименты на стенде, обеспечивающим параметры, близкие реальным условиям.

Из табл. 1 видно, что максимальная энергия удара у обоих машин 80 Дж. Бурение осуществляется на первой скорости вращателя бурового станка, т.е. при 67 об/мин. Тогда за один оборот коронка будет испытывать число ударов «п»: для гидроударника ГМД-2

- п1 = 1400:67 = 20,9, а для гидроударника Р-3МГ - П2 = 1500:67 = 22,4.

При этом для обоих машин энергия удара, приходящаяся на один резец, будет: для коронки ГПИ-2 -Ж = 80:6 =

13,3 Дж, а для коронки К19М-4 - Ж = 80:4 = 20 Дж. Длина забоя по его наружному диаметру составляет Ь = п-Б = 3,14х115 = 361 мм, а расстояния между последовательными ударами одного резца коронки ГПИ-2 будет

Ь 361

- = 17,3 мм,

а, = — = -

1 п1 20,9

и коронки К19М-4:

1 361 161

а2 = — =-------= 16,1 мм.

2 п2 22,4

Стенд содержит вертикальную мачту с направляющими, по которым скользит ударник, наносящий удары по долотчатому индентору. Индентор представляет собой пластину из твердого сплава ВК-15 с долотчатым лезвием, запаянную в штыревом держателе. Держатель закреплен по центру ударника и лезвием опирается на поверхность образца породы. Образец породы жестко закреплен в оправке, установленной на основании стенда с

возможностью фиксированного поступательного перемещения в плоскости, перпендикулярной вертикальной мачте.

Вес ударника и высота его падения выбирались из условия, что эти параметры должны обеспечить энер-гию удара, соответствующую энергии удара исследуемых гидроударников, приходящуюся на один резец коронки, т. е.

13,3 Дж для шестирезцовой и 20,0 Дж для четырехрезцовой коронки.

Горизонтальным перемещением оправки с индентором создавалось расстояние между последующими ударами в пределах от 20 до 10 мм.

При каждом опыте ударником наносился удар по индентору и создавалась лунка на поверхности образца породы. Затем на определенном расстоянии от первой лунки последующим ударом создавалась вторая лунка. Параметры каждой лунки измерялись под микроскопом с помощью индикаторов часового типа с игольчатыми наконечниками.

С уменьшением расстояния между ударами приходили к тому, что при определенном расстоянии лунки от ударов сливались в одну выемку. Такое расстояние назвали критическим.

По данным замеров лунки рассчитывался ее объем, определялась удельная энергоемкость разрушения породы q = Ж / V, где Ж - энергия удара, приходящаяся на индентор, V -объем лунки от удара, и относительный коэффициент эффективности разрушения, породы

^ - q„)+qo = - qn

возрастающий с уменьшением удельной энергоемкости.

Было выполнено шесть серий экспериментов, включающих 104 опыта.

Таблица 2

Значения удельной энергоемкости разрушения породы за один удар щ» и относительных коэффициентов эффективности разрушения породы «щ » на ровной поверхности образцов

№

Расстояния между ударами ауд , мм

ментов 20 16 14 13 12

Ч Дж/см3 Щ Ч Дж/см3 Пч Ч Дж/см3 Пч Ч Дж/см3 Пч Ч Дж/см3 Пч

1 263,30 1,47 257,75 1,48 205,4 1,59 35,89 1,93 39,78 1,92

2 236,70 1,53 232,9 1,53 145,7 1,71 41,4 1,92 44,4 1,91

3 499,06 1,0 448,86 1,1 120,7 1,76 49,74 1,9 51,17 1,89

4 494,3 1,01 446,4 1,1 125,3 1,75 49,0 1,9 48,7 1,9

Примечание. В сериях 1 и 2 эксперименты проводились на образцах породы УП категории крепости, в сериях 3 и 4 - на образцах 1Х категории; в сериях 1 и 3 энергия удара Ш составляла 13,3 Дж, в сериях 2 и 4 - 20 Дж.

В 1-2 сериях исследовалась эффективность разрушения породы на ровной поверхности образца при различном расстоянии между ударами в зависимость от энергии удара в цементнопесчаном образце, что соответствует УП категории крепости по ЕНВ.

В 3-4 сериях такие же исследования проводились в гранитном образце 1Х категории крепости.

В 5 серии исследовалась эффективность разрушения породы при размещении индентора в контакте с вертикальной стенкой, для чего образцу была придана Г - образная форма. Цель этой серии экспериментов была - определить влияние на эффективность углубки скважины формирования ее стенки и керна.

В 6 серии исследовалась эффективность разрушения породы на забое, имеющем дополнительную плоскость обнажения, что имеет место при ступенчатом забое. Здесь удары наносились на границе плоскости забоя и перпендикулярной ему плоскости обнажения.

Результаты экспериментов в сериях 1-4 сведены в табл. 2.

Здесь исходной величиной q0 , относительно которой определялся коэффициент эффективности разрушения поро-

ды, была принята удельная энергоемкость q соответствующая расстоянию между ударами ауд = 20 мм в породах 1Х

категории крепости, наибольшая из имеющихся в таблице. Эта величина приравнена единице. Остальные коэффициенты эффективности вычислялись относительно этой величины.

Из полученных данных видно, что с уменьшением расстояния между ударами эффективность разрушения породы меняется неоднозначно.

При расстояниях, которые обеспечивают независимость двух последующих следов от ударов друг от друга, объем лунок получается в каждой серии экспериментов примерно одинаковым Ии коэффициенты эффективности щ также имеют близкие значения. Но когда расстояние между ударами достигает величин, затрагивающих зоны трещин от предыдущих ударов, лунки от двух последних ударов сливаются в общую выемку и объем разрушенной породы резко увеличивается. Это критическое расстояние для всех серий экспериментов составляло аО^ = 13 мм. При таком значении лунки всех наносимых ударов объединялись с лунками от предыдущих

№ = 13,2 Дж; катег.пород УП № = 20,0Дж; катег.пород УП № = 13,2 Дж; катег.пород 1Х № = 20,0Дж; катег.пород 1Х а)

б)

на ровной поверхности

— у вертикальной стенки

— у дополнит плоскости обнажения забоя

Рис. 2. Изменение коэффициента эффективности разрушения породы при уменьшении расстояний между ударами

ударов и коэффициент эффективности достигал значения 1,8 - 1,9. Однако, при значении ауд = 14 мм, хотя часть лунок

носила одиночный характер, но другая часть также объединялась с предыдущими. Поэтому, учитывая погрешности в проведении экспериментов, можно сказать, что критическим расстоянием « а0уд » следует считать значения от 15 до 13 мм.

Из приведенной выше технической характеристики гидроударников видно, что они не обеспечивают таких значений.

Из данных таблицы следует также, что крепость породы влияет на эффективность разрушения в основном при режимах бурения, обеспечивающих получение одиночных лунок, т. е. при расстояниях между ударами, превышающих критические значения. В этих условиях опыты показали, что эффективность в породах УП категории кре-

пости выше, чем в породах 1Х категории в среднем в 1,5 раза.

Повышение энергии удара с 13,3 Дж до 20,0 Дж также несколько повышает эффективность, но это повышение весьма несущественно. Очевидно для условий экспериментов разница в 6,7 Дж, полученная за счет изменения числа резцов коронки, не обеспечивает более показательные результаты, а для того, чтобы их получить необходимо увеличить энергию удара гидроударника.

Все описанные результаты более наглядно представлены графиках рис.

2, а, построенных по данным табл. 2.

Дальнейшие серии экспериментов изучали влияние на эффективность разрушения породы на забое наличия вертикальной стенки, формируемой при ударах долотчатого индентора одновременно с углубкой скважины, и дополнительной плоскости обнажения

Таблица 3

Значения удельной энергоемкости разрушения породы за один удар щ» и относительных коэффициентов эффективности разрушения породы «щ » при расположении индентора у вертикальной стенки и у дополнительной плоскости обнажения забоя

№ серии экспериментов Категория породы Энергия удара Дж Расстояния между ударами а ,, мм уд >

16 14 12

ч Дж/см3 Пч ч Дж/см3 Пч ч Дж/см3 Пч

1 УП 13,3 257,75 1,0 205,4 1,2 35,89 1,86

2 УП 13,3 287,6 0,88 317,4 0,77 44,67 1,82

3 УП 13,3 127,9 1,5 64,5 1,75 31,6 1,88

Примечание. В серии 1 удары индентора производились по ровной поверхности образца, в серии 2 - при контакте индентора с вертикальной стенкой, в серии 3 - при расположении индентора на границе плоскости забоя и дополнительной плоскости обнажения.

забоя, образованной опережающей частью ступенчатого долота. При проведении этих серий были учтены результаты предыдущих серий, в результате было сокращено число опытов в каждой серии и они проводились только с цементно-песчаными образцами.

Результаты, полученные в 4 и 5 сериях в сравнении с результатами 1 серии приведены в табл. 3 и отражены на графиках рис. 2, б.

Из данных табл. 3 и графиков рис. 2б видно, что при расстояниях между ударами, превышающих критическое значение, формирование вертикальной стенки снижает эффективность разрушения породы на забое, т.е. эффективность углубки скважины не более, чем на 15%, а наличие дополнительной плоскости обнажения забоя в зоне работы породоразрушающего наконечника повышает эффективность более, чем на 50%. При достижении же критического значения в обоих случаях эффективность резко возрастает и обеспечивает близкие результаты.

Проведенная работа позволяет сделать следующие выводы.

1. Основным результатом является определение величины критического расстояния между ударами резца по забою, достижение которого позволяет достигнуть роста эффективности до двух раз. Это значение: 13-15 мм. При конструировании технических средств ударного бурения и планировании его технологических режимов следует предусматривать возможность обеспечения критических значений расстояний между ударами.

2. Установлено, что наличие дополнительной плоскости обнажения забоя повышает в 1,5-1,7 раза эффективность разрушения забоя даже при расстояниях между ударами, превышающих критические значения. А при критических значениях рост доходит до 90%. Следовательно, при конструировании породоразрушающего инструмента следует ориентироваться на ступенчатые конструкции долота или коронки.

3. Установлено, что повышения энергии удара на 6-7 Дж недостаточно для получения ощутимого эффекта разрушения породы. Следует стремиться к более значительному повышению энер-

гии ударов, что возможно при использовании машин усовершенствованной конструкции.

4. Подтверждено, что эффективность разрушения зависит от свойств горной

1. Кичигин А.В., Назаров В.И., Тагиев Э.И. Ударно-вращательное бурение скважин. М.: Недра, 1965.

2. Воскресенский Ф.Ф., Кичигин А.В., Слав-ский В.М., Славский Ю.Н., Тагиев Э.И. Вибрационное и ударно-вращателное бурение. Гос-топтехиздат, 1961.

3. Куликов И.В., Воронов В.Н., Николаев И. И. Пневмоударноле бурение разведочных скважин. М.: Недра, 1989.

4. Мелекесцев А.И. Количество ударов на оборот бура при ударно-вращательном бурении //Известия ВУЗов. Горный журнал № 11, 1960.

породы, повышаясь с уменьшением ее крепости в пределах крепости исследованных образцов.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Бубок В. К. Определение оптимального угла поворота бура при ударном бурении пород разной крепости. //Научные доклады ВУЗов. Горное дело. №3, 1958.

6. Остроушко И.А., Емекеев В.И., Кривчи-ков П.Ф. и др. Усовершенствование буровых коронок к пневмоударным агрегатам.// Известия ВУЗов. Горный журнал № 10, 1960.

7. Латыпов А.С., Таран В.И. Бурение гидроударниками двойного действия в Джезказганской экспедиции.//Сборник КазПТИ «Геология и разведка недр», вып.2, 1971. ЕЕШ

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------

Ратов Боранбай - кандидат технических наук, и.о.доцента кафедры «ТиТБС» КазНТУ, Отебаев Майлыбай - технический директор ТОО «КРУЗ» РД «КазМ^найГаз»

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 4 симпозиума «Неделя горняка-2009». Рецензент д-р техн. наук, проф. С.А. Гончаров.

© М. Отебаев, А. Касенов, Б.Т. Ратов, 2009