Исследование влияния внецентренного приложения ударных импульсов на эффективность алмазного бурения

УДК 622.243

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕЦЕНТРЕННОГО ПРИЛОЖЕНИЯ УДАРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ

1 2 3

В.В. Нескоромных , П.С. Пушмин , Г.Р. Романов

Сибирский федеральный университет, 660025, Россия, г. Красноярск, пр. им. газеты «Красноярский рабочий», 95.

2,3Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Современное состояние технологии и техники разведки месторождений полезных ископаемых требует постоянного развития вопросов механизма разрушения твердых горных пород. Одним из перспективных направлений развития алмазного бурения является использование высокочастотных скважинных машин ударного действия. Для повышения эффективности вращательно-ударного способа бурения необходимо совершенствование характера приложения и передачи буровому инструменту ударного импульса.

Экспериментальные исследования, результаты которых представлены в настоящей статье, показывают, что эффективность разрушения горной породы возрастает при смещении центра приложения ударной нагрузки на забой: повышается механическая скорость, увеличивается углубка за один оборот инструмента. Причиной этому могло послужить равномерное нанесение ударов по всей площади забоя скважины, что положительно повлияло не только на параметры процесса разрушения горной породы, но и на снижение естественного искривления скважины. Таким образом, полученные результаты позволят говорить об эффективности применения внецентренных ударов на забое.

Математическая обработка полученных данных позволила выявить оптимальные значения эксцентриситета ударных импульсов и определить направление дальнейших исследований в области применения внецентренных ударов в бурении.

Ключевые слова: внецентренный ударный импульс; повышение эффективности алмазного бурения; разрушение горной породы; искривление скважин; машины ударного действия.

STUDY OF THE EFFECT OF LATERAL IMPACT IMPULSE APPLICATION ON DIAMOND DRILLING EFFICIENCY

V.V. Neskoromnykh, P.S. Pushmin, G.R. Romanov

Siberian Federal University, 95 Gazety Krasnoyarskii Rabochii pr., Krasnoyarsk, 660025, Russia. Irkutsk State Technical University, 664074, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Current state of technology and technique of mineral deposit exploration demands continuous development in the field of the mechanism of solid rock destruction. One of the promising directions of diamond drilling development is the use of high-frequency downhole impact machines. To enhance the efficiency of a rotary impact method of drilling it is necessary to improve the character of impact impulse exertion and transfer to a boring tool.

^ескоромных Вячеслав Васильевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии и техники разведки месторождений полезных ископаемых Института горного дела, геологии и геотехнологий, тел.: (3952) 405737, e-mail: sovair@bk.ru

Neskoromnykh Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Technology and and Technique of Mineral Deposits Exploration of the Institute of Mining, Geology and Geotechnologies, tel.: (3952) 405737, e-mail: sovair@bk.ru

2Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии геологической разведки, тел.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.edu

Pushmin Pavel, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Geological Exploration Technology, tel.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.edu

3Романов Григорий Радионович, аспирант кафедры технологии геологической разведки, тел.: 89501466493, e-mail: groml23456@mail.ru

Romanov Grigory, Postgraduate of the Department of Geological Exploration Technology, tel.: 89501466493, e-mail: grom123456@mail.ru

Pilot studies, results of which are presented in the article, show that the efficiency of rock destruction increases under the shift of impact load center in well bottom - mechanical speed and deepening per one revolution of a tool increase. Possible cause of the latter is uniform impacts on the whole area of the well bottom that in addition to positive effect on rock destruction process parameters, reduces the natural curvature of a well. Thus, the received results imply the efficiency of using lateral impacts on the well bottom.

Mathematical processing of the obtained data allowed to reveal the optimum values of impact impulse eccentricity and identify the direction of further researches in the field of lateral impact application in drilling.

Keywords: lateral impact; diamond drilling efficiency improvement; rock destruction; curvature of wells; impact machines.

Повышение эффективности алмазного бурения, в том числе в условиях естественного искривления стволов скважин, является актуальной задачей, решение которой неразрывно связано с проведением теоретических и экспериментальных исследований.

Анализ современных тенденций развития алмазного бурения позволил выделить наиболее перспективное, по-нашему мнению, направление, заключающееся в применении высокочастотных скважинных машин ударного действия. Одним из путей совершенствования данного способа бурения может быть изменение характера приложения и передачи буровому инструменту ударного импульса с центрального на внецентренный [2]. Таким образом, повышение эффективности алмазного бурения будет реализовано за счет приложения внецентренных ударных импульсов на породоразрушающий инструмент по периметру его торца в процессе вращения, обеспечивая тем самым равномерное разрушение горной породы по всей площади забоя скважины в связи с регулярным смещением геометрического центра вращения бурового инструмента в точки О1у О2, О3, О4 (рис. 1). Это будет способствовать не только стабилизации направления ствола скважины, но и соответствующему увеличению механической скорости и углубки за один оборот инструмента. Одной из главных задач при этом является экспериментальное определение оптимальной величины эксцентриситета приложения удара для конкретных геолого-технологических условий.

Возможными вариантами применения внецентренных ударных нагрузок

на забой может являться:

- искусственное искривление скважин при приложении эксцентриситета удара в одной плоскости;

- стабилизация направления скважины при равномерном распределении ударной нагрузки по окружности;

- повышение объема разрушения горной породы [1].

а б

Рис. 1. Схемы смещения центра вращения инструмента (а) и заглубления единичных резцов (б) при передаче внецентренных ударных импульсов на расстояние I

Таким образом, внецентренные ударные нагрузки могут способствовать повышению эффективности и качества проведения буровых работ.

С целью исследования влияния внецентренного приложения ударных импульсов на эффективность процесса разрушения горных пород при различных параметрах режима алмазного бурения проведены экспериментальные работы. Они включали планирование и реализацию полного факторного эксперимента типа 23 по опытному бурению высокочастотным гидроударником в стендовых условиях блоков горных пород (мрамора и долерита), харак-

теризующихся разными прочностными свойствами. Общая методика подбора оптимальных параметров режима бурения для проведения исследования описана в работе [3].

Стандартные профили бойка, ударного механизма и наковальни, примененной в процессе исследований высокочастотной гидроударной машины, имеют форму кольца наружным диаметром 26,8 мм и внутренним диаметром 13,4 мм. Создание эксцентриситетов ударных импульсов достигнуто за счет снятия слоя материала с торца бойка толщиной 1 мм на величины а = 6,7; 13,4; 20,1 мм. Значения эксцентриситетов и XI1 рассчитаны по формулам для каждой конкретной величины а.

Для варианта исследований, когда величина сточенной части бойка составляет а = 6,7 мм:

X ' = - 2..

R3 sin2 a

з tt

где Я - радиус кольца (наружный), мм (рис. 2); г - радиус кольца внутренний,

R - a

мм; a = arccos -

R

Для варианта исследований, когда величины сточенной части бойка составляют а = 13,4 и а = 20,1 мм,

_ S1X1 S2X2

S1 S2

где S - площади сточенных сегментов,

2

мм :

S = —R2(2arccos(R- a) -sin(2arccos(R- a))),

S2 = — r2(2arccos(R—a) - sin(2arccos(R—a))); 2 r r

Х - координаты центра тяжести по оси

X для сегментов:

2 R  sin3 a r

XI =----для сегмента, обра-

3 a - sin a cos a

зуемого кругом радиусом R,

^ 2 r  sin3 p

X 2 =-

3 p - sin p cos p

- для сегмента, об-

где a = ж - arccos(R-a); P = ж - arccos(R-a

Рис. 2. Схема, поясняющая методику расчета величины эксцентриситета

Согласно результатам расчетов по формулам (1) и (2), значения эксцентриситетов приложения ударов составляют 2,4; 6,8 и 11 мм.

В качестве промывочного агента использована техническая вода.

Для сравнения результатов бурения с внецентренным приложением ударов проведены экспериментальные исследования по бурению гидроударником со стандартным бойком (величина эксцентриситета равна 0) по аналогичной методике.

Математическая обработка и статистическая оценка результатов экспериментальных исследований проведены в соответствии с требованиями Международной системы единиц.

С целью более точного сопоставления результатов все этапы экспериментальных работ выполнялись с использованием единых блоков горных пород и типа породоразрушающего инструмента.

Интервалы и уровни варьирования параметров режима бурения приведены в таблице.

разуемого кругом радиусом r,

Интервалы и уровни варьирования параметров режима бурения

Интервал варьирования и уровень факторов Частота вращения, мин-1 Осевое усилие, даН Величина эксцентриситета бойка, мм

Основной уровень 572,5 1000 1,2/3,4/5,5

Интервал варьирования 137,5 200 1,2/3,4/5,5

Нижний уровень 435 800 0

Верхний уровень 710 1200 2,4/6,8/11,0

При проведении экспериментальных исследований было принято решение ориентироваться на результирующий признак воздействия, в частности на величину механической скорости бурения VM, м/ч, и величину углубки за один оборот породоразрушающего инструмента Иоб, м:

V, = ^,

где 1б - интервал бурения горной породы, м; t - время бурения интервала 1б горной породы, ч.

И

''об ¿г,

60 • п

где п - частота вращения инструмента, мин-1.

Таким образом, для фиксированных параметров осевого усилия Рос, частоты вращения п и величины эксцентриситета E достаточно замерить время бурения t определенного интервала 1б горной породы, рассчитать по зависимостям (3) и (4) величину механической скорости бурения VM и углубки за один оборот Иоб.

В процессе исследований было предусмотрено постоянство количества подаваемой на забой скважины промывочной жидкости, равное 120 л/мин, что явилось необходимым и достаточным для оптимальной работы высокочастотной гидроударной машины. Разбуривание блоков горных пород произведено буровым станком СКБ-4, смонтированном на буровом стенде (рис. 3). Перед осуществлением работ проведена тарировка осевого усилия бурового станка динамометром типа ДОСМ-3-3 с классом точности I. Предел измерения динамометра - 3000 кгс.

Рис. 3. Схема стендовой установки СКБ-4:

1 - вращатель; 2 - ведущая штанга; 3 - корпус гидроударника; 4 - боек, 5 - наковальня; 6 - алмазная коронка; И - расстояние от точки приложения удара до забоя

В качестве породоразрушающего инструмента использована однослойная алмазная коронка наружным диаметром 0,059 м. Интервал установления режимов бурения составил 0,01-0,02 м. Время t, затраченное на бурение интервала скважины 1Б, замерено вручную механическим секундомером «Агат».

При анализе результатов исследования было принято решение ориентироваться на критерии механической скорости бурения, характеризующей скорость углубки инструмента за единицу времени, и критерий углубки за один оборот, позволяющей оценить эффективность процесса бурения с пози-

ции механики разрушения горной породы. С этой целью на основании математических моделей построены графические зависимости механической скорости VM от параметров режима бурения и величины эксцентриситета приложения ударов для каждого типа разбуриваемой горной породы. Также для названных условий получены зависимости углубки за один оборот от параметров режима бурения.

Абсолютное большинство графических зависимостей указывают на то, что максимальные значения механической скорости бурения достигнуты при максимальных значениях режимных параметров. При этом для долерита -упруго-хрупкой породы - повышение величины эксцентриситета только до определенного значения (2,4 мм по условиям эксперимента) способствует повышению механической скорости бурения (рис. 4).

Практически аналогичная зависимость наблюдается для величины углубки за один оборот инструмента (рис. 5). Максимальные значения углуб-ки за один оборот наблюдаются при величинах эксцентриситета 2,4 и 11 мм, что, вероятно, вызвано идентичностью схемы поражения забоя внецентренны-ми ударными импульсами при этих значениях. Максимальная углубка за один оборот для всех условий эксперимента получена при частоте вращения 435 мин-1. Такие результаты могут быть обусловлены тем, что при невысокой частоте вращения породоразрушающего инструмента не создаются условия для уменьшения глубины внедрения алмазного резца по сравнению с высокой угловой скоростью, что говорит о режиме объемного разрушения горной породы.

Зависимости механической скорости, аналогичные зависимостям при исследовании долерита, наблюдаются при бурении более пластичного мрамора (рис. 6), однако величина углубки за оборот для всех условий эксперимента остается практически неизменной (рис.

7). Мрамор оказывает гораздо меньшее по сравнению с долеритом сопротивление разрушению породоразрушающим инструментом, и глубина резания единичным алмазным резцом не уменьшается с ростом параметров режима бурения.

Отсюда следует, что оптимальная величина эксцентриситета не превышает значения в 2,4 мм. Увеличение эксцентриситета до большего значения не приносит положительного эффекта, так как при сильном смещении центра приложения ударной нагрузки каждый единичный импульс заставляет алмазный резец совершать боковые перемещения. Чем больше реализуется перекос при нанесении удара, тем сильнее боковое усилие перемещения резца.

Это приводит к тому, что глубина внедрения алмазного резца уменьшается, следовательно, углубка за один оборот и механическая скорость будут снижаться. Математический анализ полученных результатов показал эффективность применения внецентренных ударных импульсов при бурении алмазным породоразрушающим инструментом. На наш взгляд, следует продолжать дальнейшее исследование оптимальных величин эксцентриситета с учетом расстояния И от места приложения удара до забоя.

Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Экспериментально доказана эффективность применения способа вращательно-ударного бурения с вне-центренным приложением ударных импульсов в сравнении с обычным гидроударным бурением.

2. Процесс бурения с приложением внецентренных ударных импульсов характеризуется неодинаковостью механических скоростей и величин углу-бок за оборот при различных значениях эксцентриситета для каждого типа исследуемой горной породы.

?

г

? п/ч

-4-4- 2 м/ ч.

3__

-и .... —1—I—

частота вращения, об/мнн

Рис. 4. Зависимости механической скорости от параметров режима бурения долерита при различных значениях эксцентриситета приложения удара Е:

а - Е = 0 мм; б - Е = 2,4 мм; в - Е = 6,8 мм; г - Е = И мм

0,0001

9Ё-05

8Е-05

Ж 7Е-05

1 &Е-05 Я

* 5Е-05 5- 4Е-05 ЗЕ-05 2Е-05 1Е-05

0.00012

0,00011

0.0001

9ЕЧ)5

Е ВЕ-05

7Е-05

°

т 6Е-05

1" 5Е-05

£

4ЕЧ)5

ЗЕ-05

2Е-0&

1Е-05

800 830

900 950 1000 1050 осевая негру««, даН

1100 1150 1200 1250

435 об/мим

572,5 о4>/»

900 950 1000 1050 осевая нагрузка, даН

1100 1150 1200 1250

0.00015 0,00014 0,00013 0.00012 0.00011

* 0,0001

я **

I 7Е'05

I 6Е-0Б 5 £-05 46-05 ЗЕ-05 ге-05 16-05

0,00012 0,00011 0,0001 9Е-05

I

£ 8Е-05

I

7Е-05 Я

* 6Е-05 I 5Е-05 4Е-05 ЗЕ-05 2Е-05 1Е-05

900 950 1000 1050 осевав нагрузка, даН

1100 1150 1200 1250

572,5 об/мин

850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 ОСММ нагрузка, двН

Рис. 5. Зависимости величины углубки за один оборот от параметров режима бурения долерита при различных значениях эксцентриситета приложения удара Е:

а - Е = 0 мм; б - Е = 2,4 мм; в - Е = 6,8 мм; г - Е = И мм

б

а

г

в

V \ N

\ ! ! ^ N

Тт Ч ч

б \ О. N

\ ч 1

V, N \ N

\ \ ч \

\ ^ N

\

\ \ >

ч N

\ \ К N

\ V 5 му ч \

N ч N К

N N N

\ \ Ч

ч. ч N

N К

ч  N N

4 ч ч

частота вращения, об/мин

частота вращения, об/мин

Рис. 6. Зависимости механической скорости от параметров режима бурения мрамора при различных значениях эксцентриситета приложения удара Е:

а - Е = 0 мм; б - Е = 2,4 мм; в - Е = 6,8 мм; г - Е = И мм

частота »рвщйшя, еб/мим

0,00023 0,00022 0,00021 о,ооог

0,00019 0,00018 0,00017 0,0001Ё 0,00015 0,00014 0,00013 0,00012 0,00011 0,0001 9Е-05 ас-05 7Е-05

0,00025 0.00024 0.00023 0,00022 0.00021 0,0002 0,00019 0,00018 0,00017 0,00016 0.00015 0.00014 0.00013 0.00012 0.00011 0,0001 9Е-05 8Е-05 7Е-05 6Е-05 5Е-05

950 «мая

ЮОО 1050 негру»«, дан

0,00023

0,00022

0,00021

0,0002

0,00019

0,00018

ц 0,00017

4 0,00016

Я 0,00015

0,00014

< 0,00013

0,00012

0,00011

0,0001

9Е-05

8Е-05

7Е-05

1100 1150 1200 1250

0,00025 0,00024 0,00023 0,00022 0,00021 0,0002 0,00019 0,00018 0,00017 0,00016 0,00015 0,00014 0,00013 0,00012 0,00011 0,0001 9Е-05 8Е-05 7Е-05 6Е-05 5Е-05

750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 осевая нагруэна, даН

б

950 1000 1050 осетин иагрутча, даН

1100 1150 1200 1250

572,5 об/мии

850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 осевая нагрузка, даН

Рис. 7. Зависимости величины углубки за один оборот от параметров режима бурения мрамора при различных значениях эксцентриситета приложения удара Е:

а - Е = 0 мм; б - Е = 2,4 мм; в - Е = 6,8 мм; г - Е =11 мм

а

г

в

3. Оптимальные значения эксцентриситета приложения ударов находятся в диапазоне от 0 до 2,4 мм, при этом оптимальное значение эксцентриситета снижается с увеличением энергии удара.

4. Влияние величины эксцентриситета для различных горных пород неодинаково. Так, при разрушении долерита - упруго-хрупкой горной породы -реализуется боковое скалывание единичным алмазным резцом, при котором рациональна малая величина эксцентриситета, а при бурении мрамора - более пластичной горной породы - резание, при котором требуется большее значение эксцентриситета, поскольку в этом случае необходима большая амплитуда бокового перемещения алмазного резца.

5. Некоторая схожесть результатов для величин эксцентриситетов 2,4 и 11 мм говорит о практической идентичности схемы поражения забоя внецен-тренными ударами с изменением направления вектора удара в противоположную сторону при этих значениях.

Следует отметить, что с учетом придания эксцентриситета только торцу бойка при сохранении симметрии самого тела ударника эффект внецентренно-го удара, возможно, был снижен.

Таким образом, вращательно-ударное бурение скважин с применени-

ем внецентренных ударных импульсов может быть использовано в качестве повышения эффективности буровых работ и является перспективным направлением в исследовании и оптимизации процесса разрушения горных пород.

Библиографический список

1. Нескоромных В.В. Технические средства и методы снижения интенсивности искривления геологоразведочных скважин: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1995. 46 с.

2. Нескоромных В.В., Пушмин П.С., Наделяев А.А. Повышение эффективности алмазного бурения забойными машинами ударного действия в условиях естественного искривления стволов скважин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: сб. науч. тр. Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. горно-геологич. акад., 2009. Вып. 31. С.126-129.

3. Пушмин П.С., Романов Г.Р. Оценка рационального сочетания режимных параметров алмазного бурения // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. С. 110-112.

Рецензент кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета А.В. Карпиков