Аналитическое исследование процесса отклонения плоскости набора кривизны отклонителями фрезерующего типа

ТЕХНОЛОГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ

УДК 622.243.3

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТКЛОНЕНИЯ ПЛОСКОСТИ НАБОРА КРИВИЗНЫ ОТКЛОНИТЕЛЯМИ ФРЕЗЕРУЮЩЕГО ТИПА

12 3

В.В.Нескоромных , П.С.Пушмин , А.А.Наделяев

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

Предложено техническое решение по снижению или полному устранению угла отклонения плоскости искривления, заключающееся в оптимизации бокового вооружения породоразрушающего инструмента. Ключевые слова: отклонение, угол отклонения, по-родоразрушающий инструмент, отклонители фрезерующего типа. Библиогр. 2 назв. Ил. 3.

THE ANALYTICAL RESEARCH OF THE PROCESS OF DEFLECTION OF THE PLANE OF CURVATURE INCREASE BY THE MILLING TYPE DEFLECTORS

V.V.Neskoromnyh, P.S.Pushmin, A.A.Nadelyaev

Irkutsk State Technical University. 664074, 83 Lermontov St., Irkutsk.

The authors revealed the factors causing the deflection of the plane of curvature increase from the designed direction under the contortion of test pits by the milling type deflectors. They propose a technical solution on decrease or complete elimination of curvature plane deflection angle which lies in the optimization of lateral arming of a rock-breaking tool. Key words: deflection, angle of deflection, rock-breaking tool, deflectors of milling type. 2 sources. 3 figures.

В процессе искривления разведоч- рушения горной породы боковыми по-

ных скважин отклонителями фрезе- родоразрушающими элементами под

рующего типа ТЗ-3, ТЗ-3П, ОГМ, СБС, действием отклоняющего усилия РОТК. ОБС и др. наблюдается отклонение Совместное действие усилий Рд и РОТК

плоскости набора кривизны от проект- способствует возникновению результи-

ного направления за счет возникновения рующего усилия Pr (рис. 1). Зависи-

дезориентирующего усилия Рд, направ- мость общего вида для оценки возмож-

ленного в сторону, противоположную ной величины угла отклонения плоско-

вращению долота. Возникновение уси- сти набора кривизны А приведена в [1]:

лия Рд предопределено процессом раз-

^ескоромных Вячеслав Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой. Тел. (3952) 40-57-37. Е-mail TTR drill@istu.irk.ru

Neskoromnyh Vyacheslav Vasiljevich - a doctor of technical sciences, a professor, the head of the Chair. Phone: (3952) 40-57-37,

2Пушмин Павел Сергеевич - кандидат технических наук, доцент. Тел. (3952) 40-57-37.

Pushmin Pavel Sergeevich - a candidate of technical sciences, an associate professor. Phone: (3952) 40-57-37.

3Наделяев Алексей Александрович - горный инженер, аспирант. Тел. (3952) 40-57-37.

Nadelyaev Aleksey Alexandrovich - a mining engineer, a post-graduate student. Phone: (3952) 40-57-37.

Рис. 1. Схема, поясняющая процесс отклонения плоскости набора кривизны под действием дезориентирующего усилия Рд

р

А = аг^- д

Р

1 ОТК

Как следует из этой зависимости, функциональные возможности отклонителя фрезерующего типа по точности искривления определяются его конструкцией и, прежде всего, величиной отклоняющего усилия, которое не должно быть чрезмерным, но достаточным для реализации заданной интенсивности искривления. Рациональная величина отклоняющего усилия может изменяться в пределах 50-150 даН в зависимости от твердости горных пород и типа применяемого долота.

Угол возможного отклонения плоскости набора кривизны А может определяться на основе использования отклонителя в определенных горно-геологических условиях производства работ. При выполнении искривления скважины угол А учитывается при ориентировании откло-нителя за счет некоторого упреждения отклонения смещением вправо от требуемой плоскости набора кривизны. Этот метод используется на практике и позволяет снизить погрешность при реализации искривления.

Надежная фиксация корпуса ОНД от действия реактивного момента МР, обеспечиваемая распорным механизмом с роликами-катками или

Fm =-

"^ск + РОС И

стабилизирующими корпус от проворота резцами, форма которых максимально отвечает требованиям сцепления с породой (рис. 1), тем не менее, не исключает отклонения плоскости набора кривизны.

Для повышения точности искривления, на наш взгляд, крайне важным является выбор породоразрушающего инструмента. Перспективным направлением может стать разработка инструмента, боковое вооружение которого способно снизить или полностью устранить отклонение плоскости искривления.

Поскольку усилие Рд вызвано сопротивлением породы резанию-скалыванию Ет боковыми алмазными резцами долота, зависимость для расчета Ет выглядит следующим образом [2]:

п{к + 0,25у[ёИ )2 2tgycк

где уск - угол скалывания породы перед передней гранью резца, градус;

ё - диаметр алмазного резца, мм; РОС - осевая нагрузка на алмазный резец, даН;

к - глубина внедрения алмазного резца в породу, мм;

аСК - предел прочности породы на скалывание, даН/мм2;

¡и - коэффициент трения резца о породу.

С учетом полученной формулы определим величину дезориентирующего усилия:

П+0,25/ак)2 N в сокращенном виде:

Рд = РР + РОТК ' № '

где пБ - число алмазных резцов, взаимодействующих с горной породой;

РР - усилие резания-скалывания породы алмазным резцом, даН.

Глубина внедрения алмазного резца в породу может быть рассчитана из следующей зависимости [2]:

P = F -п =

1д 1 m nP

°ск + РОТК И или

h = 0,5d -

0,25d2 - -

P

где рш - твердость горной породы, даН/мм2;

Ф - угол внутреннего трения породы, градус.

Если полагать, что на все резцы в количестве пР, которые обеспечивают фрезерование породы, действует отклоняющее усилие РОТК, то выражение для расчета усилия Р будет иметь вид

Р = Р /п

1 1 ОТК ' "Р •

Влияние угла А можно уменьшить или полностью устранить за счет конструктивных изменений бокового вооружения алмазного долота, компенсируя усилие Рд использованием эффекта винтовой нарезки, то есть расположением алмазосодержащих штабиков с наклоном под определенным углом у в направлении вращения инструмента (рис. 2).

Направление вращения

Рис. 2. Схема бокового вооружения долота с эффектом боковой нарезки

Механизм работы долота с наклонным расположением алмазосодержащих штабиков на боковой поверхности определяется силовым взаимодействием торцевых (в количестве Ыт) и боковых (в количестве пб) алмазных резцов с горной породой под воздействием осевого РОС и отклоняющего усилий Ротк.

С учетом того, что часть осевого усилия Рос компенсируется силой прижатия резцов РП, которая противодействует усилию Рос, на каждый торцевой и боковой алмазный резец будет действовать усилие Р^ (рис. 3),

Р Р Р Р

Рис. 3. Схема возникновения боковой силы под воздействием осевой нагрузки

зависимость для расчета которого выглядит следующим образом:

P - P

P _ OC 1 П

NT + пБ

РОС РОТК ' №

NT + пБ

Осевому внедрению алмазных резцов в штабике долота препятствует реакция разрушаемой горной породы РС, направленная от породы в направлении резцов, определяющих геометрию наклонного штабика. С учетом того, что сопротивление со стороны твердой породы вызвано в основном ее упругими реакциями, которые могут быть выражены коэффициентом внутреннего трения tg$n, на каждый i-й резец в штабике долота действует усилие сопротивления

Pa_ P(1 - tgVn ) [2].

Таким образом, на все боковые резцы пБ, прижатые к стенке скважины силой РОТК, действует усилие сопротивления

PC _ ПБ • P( 1 - tg^n ) .

Поскольку боковые резцы, внедрившиеся в породу и образующие штабик, расположены с наклоном, часть силы сопротивления трансформируется в горизонтальную боковую силу Pr, величина которой с учетом угла наклона у определится из формулы

P _ P • cosjK- siry_ пБ • P(1-tg^n)cosY- siny_

_ (POC-Potk /ж1-^- cosY 2(Nt -Пб ) у *

Анализ полученной зависимости позволяет вырабатывать конструктивные решения по оптимизации бокового вооружения породоразру-шающего инструмента, используемого при направленном бурении скважин. Вместе с тем, для устранения угла отклонения плоскости набора кривизны А необходимо, чтобы величина угла наклона алмазосодержащих штабиков у полностью компенсировала величину угла А. При этом должно выполняться равенство усилий Рд=Рг, или

D , и ..-(Рос РОТК

2(NT +nE) с учетом того, что sin 2 y

sin у  cos y =

2

Произведя преобразования зависимости

2

sin 2 y =

получим формулу для расчета оптимального угла наклона алмазосодержащего штабика:

г= 1 агехп 2(М' + Пб)(РР + РОТК .

2 (Р

ОС РОТК у)ПВ (1

Из полученной формулы следует, что угол наклона штабиков с боковыми резцами у зависит от значительного числа влияющих факторов и, прежде всего, индивидуальных свойств разрушаемой породы, величин осевого и отклоняющего усилий, а также конструктивных параметров бурового инструмента.

Библиографический список

1. Нескоромных В.В. Направленное бурение и основы кернометрии: учебное пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. - 324 с.

2. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учебное пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. - 300 с.

Рецензент: доктор геолого-минералогических наук, профессор А.П.Кочнев