CC BY
0
НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
И КОМПЛЕКСЫ
УДК 624.139
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-626-627
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУРОВОГО
ИНСТРУМЕНТА НА МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
М.И. Зенин, С.В. Иванов, В.С. Щербак
В статье рассмотрены проблемы, которые возникают при работе буровых инструментов. Приведены методика и результаты теоретических исследований винтового рабочего органа предназначенного для бурения мерзлых грунтов, которые позволили определить область рациональных значений некоторых геометрических параметров винтовой лопасти, снижающих силы сопротивления разрушению грунта и повышающих производительность процесса бурения
Ключевые слова: буровой инструмент, винтовой бур, мерзлый грунт, бурение, винтовая лопасть, отрыв грунта, разрушение грунта.
На территории Сибири, где в большей степени преобладает мерзлый грунт, ведутся поисково-разведочные работы, добыча полезных ископаемых и строительство с использованием различного бурового инструмента. Мерзлый грунт по своей структуре весьма сложный, обладающий значительными прочными свойствами, имеет высокую абразивность и слоистую структуру. Поэтому вопрос бурения данных видов грунтов является достаточно актуальным [1-8].
Несмотря на повышенную механическую прочность грунтов и хрупкость связующего материала, мёрзлые грунты обладают пластичностью и сжимаемостью [9-10].
Пластичностью грунта называется его способность деформироваться под действием внешних сил и сохранять полученную форму после снятия нагрузки. Сжимаемость грунтов заключается в способности изменять своё строение под влиянием внешних нагрузок за счёт уменьшения объёма пор — пустотой между минеральными частицами грунта [11-15].
Свойства сжимаемости грунта, которые характеризуются модулем сжатия, не однозначны. В исследованиях, проведённых Ю. А. Ветровым [16-17], отмечается: «В соответствии с характером зависимости деформации грунтов от нагрузки модуль сжатия грунтов не является постоянной величиной и возрастает с увеличением деформации. Это, в частности, не позволяет описать закономерности резания грунтов методами теории упругости, базирующимися на предположении о постоянстве модуля деформации материалов... Деформация грунтов слагается из упругих деформаций минеральных частиц, изменения их взаимного положения и расстояния между ними, в результате деформации диффузных оболочек воды, а также других процессов».
Для учёта изменения сопротивления грунтов при их деформации пользуются расчётными моделями, схематизирующими зависимость между нагрузкой на грунт и его осадкой.
Существующие буровые инструменты, которые используются на мерзлых грунтах, например, лопастные, шарошечные или режуще-шарошечные, не всегда способны эффективно работать на тех или иных категориях грунтов. Ввиду реализуемых ими энергоемких видов деформации, при которых происходит разрушение грунта в стволе образуемой скважины.
Эффективный способ разрушения мерзлого грунта при образовании скважин реализует винтовой бур, описанный в патенте на изобретение №2726753.
Винтовой бур представляет собой сердечник с размещенной на нем винтовой лопастью, которую делят на заходную и разрушающую части. Заходная часть предназначена для создания тяговой способности винтового бура и осуществления его погружения без действия осевого задавливающего усилия. Разрушающая часть представляет собой винтовую лопасть переменного радиуса, расположенную на цилиндрическом участке сердечника, что позволяет реализовывать процесс разрушения грунта деформацией отрыва.
Разрушающая часть содержит винтовую лопасть с переменными геометрическими параметрами. На первом участке лопасть имеет постоянный шаг и переменный радиус, изменяющийся при повороте радиуса на определенный угол (95о), на втором участке винтовая лопасть имеет постоянный радиус и увеличивающийся шаг, при этом изменяется наклон верхней образующей поверхности винтовой лопасти к оси вращения - от острого до прямого угла [18-19].
Процесс взаимодействия винтовой лопасти первого участка на разрушающей части винтового бура с мерзлым грунтом протекает под действием двух сил, возникающих на нижней и верхней поверхностях винтовой
лопасти. Силы сжатия грунта Р1 и Р2 осуществляют начальное сжатие и создания уплотнённой зоны вокруг поверхности винтовой лопасти.
Далее на винтовой лопасти возникает сила отрыва грунта Р3 , в результате деформируемый объем грунта
достигает предельного состояния, и начинают появляться трещины (рис.1), и происходит скол грунта в сторону открытой поверхности скважины, диаметром большим, чем диаметр первого скалывающего участка винтовой лопасти. Открытую поверхность и окончательное формирование скважины осуществляет второй участок винтовой лопасти.
зах частью
Рис. 1. Схема для определения результирующего усилия на разрушающем участке винтового бура
Целью теоретических исследований являлось изучение процесса взаимодействия разрушающей части винтового бура с мерзлым грунтом. Основной задачей является определение области рациональных значений геометрических параметров винтовой лопасти при наименьшем значении усилия отрыва грунта и наибольшем значении производительности при отрыве грунта. Исследуемыми геометрическими параметрами винтовой лопасти являлись следующие величины:
- угол поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение;
- шаг винтовой лопасти на втором участке;
Теоретические исследования выполнялись с использованием закономерностей и методов теоретической механики и математического анализа. Результаты обрабатывались с помощью методов математической статистики и программы Ma1:hcad 14.
На поверхности винтовой лопасти действует составляющая сила, стремящаяся оторвать грунтовой массив (рис. 2). При этом мерзлый грунт оказывает сопротивление на воздействующую нагрузку, которое будет характеризоваться предельным значением прочности грунта. Величина горизонтальной составляющей результирующей силы отрыва грунта имеет следующую зависимость:
Рзх = Рз„ ■ С08(«1 ) = Тпр ' ^ • ^(«1) (1)
где ?пр - предельное значение прочности грунта, Па; « - угол наклона образующей верхней поверхности винтовой
лопасти первого участка к плоскости, перпендикулярной оси вращения, град; £ - площадь отрываемого грунта,
м2; Р3п - результирующая сила отрыва грунта, возникающая на верхней поверхности винтовой лопасти первого
участка, Н.
Рис. 2. Схема для определения необходимого усилия на отрыв грунта
627
Площадь отрываемого грунта находится по следующей формуле:
Я отр = Ябок + Янак (2)
где, Я6ок - площадь боковой поверхности отрываемого грунта, м2. - площадь наклонной поверхности отрываемого грунта, м2.
Площадь боковой поверхности примет следующий вид:
Ябок =
К2 ((г2 - Гсерд ЫГ1 - Гсерд )) К2 (г1 - Гсерд ) = К2 (г2 - Гсерд )
(3)
2 2 2 где, К2 - шаг винтовой линии на втором участке; г2 - радиус винтовой лопасти в конце второго участка при работе разрушающей части; Гсерд - радиус сердечника на цилиндрической части; ^ - радиус винтовой лопасти в конце первого участка при работе разрушающей части.
Наклонная поверхность отрываемого грунта представляет коническую поверхность, образованная вдоль кромки винтовой лопасти, заключенная между винтовой лопастью первого и второго участка (рис.3).
Рис. 3. Схема наклонной поверхности скалываемого грунта
Площадь наклонной поверхности скола грунта будет иметь следующей вид:
\2
Янак =
ж-^1 + г2)
180-2
-(г2 - Г1 )
180
2Г
Ж-У1 - (г2 - Г1 )
180
^ ] -(Г22 (®2)-Г12 Ц))
(4)
где, у/х - угол поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение, на первом участке; 7 - длина скола грунта; (2 - угол подъема средней винтовой линии верхней поверхности винтовой лопасти второго участка; (1 - угол подъема средней винтовой линии верхней поверхности винтовой лопасти первого участка. С учетом полученных зависимостей (3) и (4) площадь отрываемого грунта примет следующий вид:
°отр
К2(г2 -гсерд) + К-У1-( + Г2) 2 180-2 -
22 -
- (г2 - 1Л2 1 180 ■ (г2 - 1 180
2 ^ -(Г22 ^ ((2)- Г12 ^ )) 4 + 2
Таким образом, величина горизонтальной составляющей результирующей силы отрыва грунта будет:
" К2 (г2 - ГсерД -(г + Г2 ) - ^ )-
Р3х ^ пр
2
180-2
7 2 -
-(2 - Г1 )
180
2
-(г2 -О 180
+ +
^ 1 ■( ()-г,2())
(6)
Важным критерием для оценки эффективность процесса бурения мерзлого грунта винтовым буром является его производительность.
Производительность винтового бура будет зависеть от объема грунта, отрываемого лопастью при повороте его на один оборот, и от частоты вращения. Таким образом, часовая производительность примет следующий вид:
7 -
2
2
2
2
2
п = Ур • П • к бук • 60 (7)
где Ур - объем разрушаемого грунта за один оборот м3; П - частота вращения бурового инструмента; кбук - коэффициент пробуксовки тягового элемента винтового бура.
Объем отрываемого грунта располагается между витками лопасти разрушающей части и определяется следующим выражением:
Ур = У, + Уц (8)
где, У1 - объем грунта, разрушаемого первым участком в процессе работы разрушающей части, м3; Ул - объем грунта, разрушаемого вторым участком в процессе работы разрушающей части, м3.
Объем грунта, разрушаемого первым участком в процессе работы разрушающей части винтовой лопасти бура можно представить в виде:
у - 1 • 5 • Н +1 • 5 • Н
' I 3 11 1 т 3 11 2
где 51 - площадь основания 1-ой пирамиды отрываемого грунта первым участком, м2; Н1 - высота 1-ой пирамиды
отрываемого грунта первым участком, м; 52 - площадь основания 2-ой пирамиды отрываемого грунта первым
участком, м2; Н2 - высота 2-ой пирамиды отрываемого грунта первым участком, м;
После ряда преобразований зависимость объёма отрываемого грунта первым участком примет вид:
(ж-^ /2 _ 2 V] (9)
1 3 ^ 180 11 серд^
где Ь - шаг винтовой линии на первом участке.
Объем грунта, располагающегося на втором участке, при работе, разрушающей зависит от геометрических параметров бурового инструмента:
* " ' ' (10)
Vl1 3 I 180 r WJ
С учетом выше полученных зависимостей (9) - (10) данная зависимость (8) примет следующий вид:
= ( _ г 2 )) + ^^ /г 2 _ г2 )) (11)
3 ^ 180 11 серд^ 3 ^ 180 12 серд^
Из полученной зависимости (11) следует, что объем грунта, разрушенный разрушающей части, зависит только от геометрических параметров винтового бура.
Проведя ряд преобразований и получив множество зависимостей, производительность винтового бура в конечном виде будет следующей:
П - (^• (г.2 _г-) + ^ • • ( _) П'кб„ "60 02)
Полученная зависимость (6) описывает влияние геометрических параметров двух участков винтового бура на производительность процесса бурения мерзлого грунта
На основе проведенных исследований можно сделать следующий вывод, что предлагаемый буровой инструмент осуществляет процесс бурения за счет деформации отрыва и сдвига грунта. Такой характер деформации грунта является менее энергоемким и наиболее эффективным процессом, т.к. достигается снижение составляющей силы сопротивления разрушению грунта и увеличение производительности процесса бурения.
Для достижения наибольшей эффективности процесса разрушения грунта от воздействия винтового рабочего органа требуются дальнейшие изучения зависимостей геометрических параметров от энергоемкости процесса бурения, таких как: угол наклона образующей верхней и нижней поверхности и угол приращения.
Список литературы
1. Lev V. E., Lev V. E, Izzy M. K. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019. vol. 38.
2. Shan W., Hu, Z., Guo, Y., Zhang, C., & Liu, Y. Resistivity Model of Frozen Soil and High-Density Resistivity Method for Exploration Discontinuous Permafrost. Electrical Resistivity and Conductivity. 2017. P. 23-52.
3. Cao P., Yang, C., Chen, Y., Chen, B., & Talalay, P. Experimental study of the drilling process in debris-rich ice. Cold Regions Science and Technology. 2015. vol. 120. pp. 138-144.
4. Zubrzycki S. Drilling frozen soils in Siberia. Polarforschung. 2012, vol. 81, no. 2. P. 151-153.
5. Arenson L.U., Springman S. M. Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 C. Canadian Geotechnical Journal. 2005. Т. 42. №. 2. P. 431-442.
6. Aksenov, V.I., Kal'bergenov, R.G. & Leonov, A.R. Strength Characteristics of Frozen Saline Soils. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2003, vol. 40. P. 55-59.
7. Yang Y., Lai Y., Chang X. Laboratory and theoretical investigations on the deformation and strength behaviors of artificial frozen soil. Cold regions science and technology. 2010. Т. 64. №. 1. P. 39-45.
8. Zhou G., Hu, K., Zhao, X., Wang, J., Liang, H., & Lu, G. Laboratory investigation on tensile strength characteristics of warm frozen soils. Cold Regions Science and Technology. 2015. Т. 113. P. 81-90.
9. Тимофеев Н.Г., Жирков А.Н. Концепция разработки инновационного породоразрушающего инструмента для бурения скважин в условиях криолитозоны // Евразийский союз ученых. 2015. №4. С. 151 - 154.
10. Ивкин В.С., Алашеев М.О. Влияние физико-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ // Вестник УлГТУ. 2015. №3. С. 62 - 67.
11. Ивкин В. С., Вунберова Н. П. Малообъёмные, рассредоточенные зимние земляные работы в стеснённых условиях строительства // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2018. №. 2. С. 52-55.
12. Тимофеев Н.Г., Скрябин Р. М., Яковлев Б. В. Повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента при бурении скважин в многолетнемерзлых породах //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2017. №. 6. С. 105-113.
13. Скрябин Р. М., Леонтьев С. Н., Тимофеев Н. Г. Бурение скважин большого диаметра пневмоударным кластером в породах высокой категории буримости //Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-востока России. 2017. С. 570-574.
14. Бугаев В. Г., Ереско С. П., Бугаев И. В. Выбор рационального угла резания мерзлых грунтов при бурении строительных скважин // Строительные и дорожные машины. 2018. №. 2. С. 30-36.
15. Богомолов Р. М., Сериков, Д. Ю., Гринев, А. М., Дедов, Н. И. Бурение дополнительных боковых стволов долотами PDC // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2018. №. 2. С. 17-20.
16. Панин Н.М., Богомолов Р.М. Совершенствование промывки шарошечных буровых долот // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2020. №. 9. С. 11-14.
17. Сериков Д. Ю. Анализ конструкций и технологий изготовления твердосплавного вооружения шарошечных буровых долот // Сфера. Нефть и Газ. 2017. №. 1. С. 30-35.
18. Мартюченко И. Г., Зенин М. И. Взаимодействие винтовой лопасти бурового инструмента с мерзлым грунтом //Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2020. Т. 17. №. 2 (72). DOI: 10.26518/2071-7296-2020-17-2-162-171.
19. Мартюченко И. Г., Зенин М. И. Сравнительный анализ эффективности использования винтового бура на мерзлых грунтах // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2021. Т. 18. №. 2 (78). С. 160-167.
Зенин Максим Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А.,
Иванов Сергей Викторович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Shcherbak Vladislav Stanislavovich, аспирант, [email protected], Россия, Саратов, СГТУ имени Гагарина
Ю.А.
THEORETICAL RESEARCH OF INCREASING THE PRODUCTIVITY OF DRILLING TOOLS ON FROZEN SOILS
M.I. Zenin, S.V. Ivanov, V.S. Shcherbak
The article discusses the problems that arise during the operation of drilling tools. The methodology and results of theoretical studies of a screw working body intended for drilling frozen soils are presented, which made it possible to determine the range of rational values of some geometric parameters of the screw blade, which reduce the resistance to soil destruction and increase the productivity of the drilling process
Key words: drilling tool, screw drill, frozen soil, drilling, screw blade, soil separation, soil destruction.
Zenin Maxim Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Ivanov Sergey Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Shcherbak Vladislav Stanislavovich, postgraduate, shrbvld@yandex. ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
