Опыт создания и применения на карьерах новых исполнительных органов буровых станков

СЕМИНАР 8

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99_______

В.А. Перетолчин, проф., д.т.н., А.Е. Беляев, к.т.н.,

ИрГТУ ИрГТУ

Опыт создания и применения на карьерах новых исполнительных органов буровых станков

Бурение скважин на карьерах является одной из основных технологических операций при добыче полезных ископаемых и оказывает существенное влияние на показатели работы предприятия. Расходы на бурение в себестоимости продукции достигают 30 %, а объемы бурения возрастают ежегодно. Поэтому совершенствование буровых работ и снижение расходов на бурение является актуальной задачей.

Реализация технических возможностей бурового станка зависит в первую очередь от совершенства его исполнительного органа и соответствия параметров исполнительного органа условиям бурения. Процесс бурения скважины состоит из двух последовательных операций- разрушения породы на забое скважины и удаления продуктов разрушения из призабойной зоны и скважины. В соответствии с этим исполнительный орган включает в себя долото и устройство транспортирования буровой мелочи. В качестве бурового инструмента на карьерах широко применяют шарошечные и режущие долота, а для удаления буровой мелочи -шнековую очистку и пневмотранспортирование. В соответствии с этим исполнительный орган бурового станка состоит из долота и шнекового бурового става или долота и бурового става с продувочным агентом- сжатым воздухом. При этом сочетание исполнительного органа с забоем и стенками скважины образует сис-

тему транспортирования. При шнековой очистке стенки скважины выполняют роль кожуха, а при пневмотранспортировании - роль воздухопровода.

Кафедра горных машин Иркут-

ского государственного технического университета (ИрГТУ) занимается вопросами совершенствования и создания новых конструкций исполнительных органов буровых станков уже в течении 40 лет. За это время разработаны и созданы:

♦ теория шнекового транспортирования буровой мелочи из скважины и методика расчета и выбора параметров системы транспортирования;

♦ теория пневмотранспортирования буровой

мелочи из скважины и методика расчета и выбора параметров системы

пневмотранспортирования;

♦ системы автоматической смазки шарошечных органов долот;

♦ принципы выбора и расчета параметров буровых долот;

♦ конструкции режущих долот со шнековой очисткой скважин;

♦ конструкции режущих долот с продувкой;

♦ конструкции комбинированных режуще-

шарошечных долот.

Шнековое транспортирование буровой мелочи является простым и надежным способом очистки скважины от продуктов разрушения. Однако оно имеет ограничения по глубине и диаметру буримых скважин, поскольку возникают значительные затраты энергии на трение и имеет место интенсивный износ бурового става. Ограничения на применение шнековой очистки скважин связаны также с пассивным способом загрузки шнека продуктами разрушения. Шнек отстоит от забоя на высоту долота, а долото не приспособлено для целей транспортирования. В результате при нисходящем расположении сква-

жин поступление буровой мелочи из призабойной зоны на шнек происходит за счет вытеснения ее инструментом при подаче его на забой. Это обуславливает возникновение значительных сопротивлений движению инструмента и ограничивает возможности выбора типа инструмента. Фактически шнековое транспортирование буровой мелочи из скважины получило применение только в сочетании с режущим буровым инструментом. Это объясняется характером взаимодействия режущего долота с породой и образующейся буровой мелочью. Скалываемые частицы породы приводятся в призабойной зоне в подвижное состояние, вращаясь вместе с долотом. Это способствует их разрыхлению и поступлению на шнек.

При шнековом транспортировании буровой мелочи имеют место две различные по характеру и причинам движения зоны - призабойная и шнековая. В призабойной зоне буровая мелочь создает значительные сопротивления движению инструмента. Экспериментально установлено [1], что применительно к режущему долоту типа 1РД-160Ш (рис. 1,а) на удаление буровой мелочи из зоны образования затрачивается до 15 % осевого усилия и до 50 % энергии, расходуемой двигателем вращателя на работу инструмента.

Процесс движения буровой мелочи в призабойной зоне при шнековой очистке скважин отличается большой сложностью и остается неизученным. Рассматривая буровую мелочь как несвязное сыпучее тело, не способное сопротивляться растягивающим усилиям, нам удалось описать это движение в дифференциальной форме и решить полученные уравнения с учетом накладываемых на движение ограничений [1]. В результате получены расчетные зависимости для определения сопротивлений подаче и вращению бурового инструмента.

Шнековый буровой став представляет собой разновидность винтового конвейера, однако отличается большой специфичностью условий применения: не стационарностью, возрастающей длиной транспортирования, спецификой загрузки, необычностью кожуха, роль которого выполняют стенки скважины. Разработанная теория шнекового транспортиро-

ны [1] учитывает эти особенности, а созданный на ее основе метод расчета позволяет не только выбирать параметры бурового става, но и оценивать показатели работы системы транспортирования. С помощью этого метода рассчитаны, например, параметры шнекового бурового става для условий разреза «Баганурский» Монголии и организовано изготовление штанг в мастерских разреза.

Пневмотранспортирование буровой мелочи из скважины применяется на станках шарошечного бурения. Параметры систем пневмотранспортирования обычно выбираются ориентировочно на основании экспериментальных данных. Существующие же методы расчета несовершенны и не охватывают всего комплекса вопросов транспортирования. Разработанная теория пневмотранспортирования [2] основана на принципе энергетического баланса, т.е. соответствия энергии воздушного потока той энергии, которая необ-

ходима для эффективного удаления буровой мелочи. Разработанный на ее основе метод расчета параметров и показателей работы пневмотранспортных систем станков учитывает интенсивность образования буровой мелочи и распределение ее по крупности, которые оказывают решающее влияние на энергоемкость процесса транспортирования. Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что при рациональных параметрах пневмотранс-портной системы сменная производительность станков может быть повышена в среднем на 15 %.

Автоматическая смазка шарошечных органов долот обеспечивает повышение срока службы шарошек и их опор. Эффективность применения станков и стоимость бурения в значительной мере зависят от стойкости долот. В повышении стойкости долот кроется резерв улучшения технико-

экономических показателей работы станков. Наиболее широкое применение получили шарошечные долота. Шарошечный породоразрушающий орган имеет большую сложность, практически не поддается заточке, ремонту и восстановлению и является инструментом одноразового использования. Опыт показывает, что в большинстве случаев преждевременный выход шарошечных долот из строя связан с износом подшипников и закаливанием шарошек на опорах. Опоры шарошек не герметизированы и смазка, набивается в опоры при сборке, при работе долота и нагреве подшипников быстро вытекает. В результате подшипники шарошек работают в режиме сухого трения.

Разработанные системы автоматической смазки типа АМ и УАС [3] обеспечивают принудительную смазку опор шарошек во время работы долота. С использованием таких систем смазки про-

Рис. 2. Комбинированное режуще-шарошечное долото РШД-244, 5ТЗ: 1 - гайка, 2 - пружина, 3 - корпус, 4 - опорная шайба, 5 - лапа шарошки, 6 - замковый палец, 7 - съемный корпус, 8 - шарошка, 9 - сменный резец.

вания буровой мелочи из скважи-

бурено свыше 60 тыс. м. скважин и достигнуто увеличение стойкости долот 1,9-2,3 раза.

Принципы выбора и расчета параметров буровых долот. Поскольку бурение скважин включает в себя два взаимосвязанных процесса- разрушение породы на забое и очистку скважины от буровой мелочи, то параметры долота должны обеспечивать как рациональный режим разрушения, так и эффективное удаление продуктов разрушения из призабойной зоны. На основании исследования влияния различных факторов на показатели бурения, исследования процессов взаимодействия инструмента с породой и очистки призабойной зоны от буровой мелочи определены основные принципы выбора и расчета параметров долот [1, 2, 3].

Режущие долота со шнековой очисткой применяются на станках вращательного бурения типа СВБ и СБР. Специфические особенности этих долот определяются шнековым способом очистки скважин, который обуславливает возникновение значительных сопротивлений в призабойной зоне со стороны буровой мелочи. Для снижения этих сопротивлений требуется уменьшение высоты долота, а также уменьшение коэффициента перекрытия скважины инструментом. При этом большое разнообразие условий бурения исключает возможность создания универсального инструмента и требуется разработка конструкций долот применительно к конкретным условиям работы. Различные требования возникают, например, к инструменту для бурения мягких и сравнительно крепких пород.

В долотах для бурения мягких пород на первый план выступает режим удаления буровой мелочи из призабойной зоны. В этом случае скорость бурения ограничивается не возможностями разрушения породы на забое, а интенсивностью очистки призабойной зоны. При этом высота долота и коэффициент перекрытия должны быть минимальными. Для бурения

мягких пород разработаны режущие долота типа РК и 1РД-160Ш (рис. 1,а) [3]. Для уменьшения сопротивления движению буровой мелочи в долоте 1РД-160Ш принята вогнутая форма перехода от корпуса к хвостовику, а коэффициент перекрытия снижен до 0,24. Ежегодно такими долотами пробуривается до 200 тыс. м. скважин.

В породах повышенной крепости на первый план выступает геометрия инструмента и требуется максимальное сокращение линии контакта с забоем. Это достигается за счет применения сменных резцов. Для бурения по породам повышенной крепости разработана серия долот, последним из которых является долото РД-160Ш (рис. 1, б, в) [3]. В долоте количество резцов сокращено до четырех, а число линий резания до трех. Коэффициент перекрытия скважины составляет 0,3. Долота нашли применение на разрезах Восточной Сибири и Монголии. Например, на разрезе «Восточный» АО «Востсибуголь» ими ежегодно пробуривается до 180 тыс. м. скважин. При этом производительность станков возросла на 20-30 %, а расход долот сократился в 10 раз.

Режущие долота с продувкой

(рис. 1, г, д) впервые созданы в ИрГТУ. Ранее считалось, что режущий буровой инструмент может работать только в сочетании со шнековой очисткой. Однако проведенными теоретическими исследованиями [2] доказана возможность работы режущих долот в сочетании с продувкой скважин воздухом. Проведенными же экспериментальными исследованиями и конструктивными разработками подтверждена высокая эффективность таких долот. При переходе на шарошечных станках в соответствующих условиях на режущие долота обеспечивается увеличение скорости бурения не менее чем в 1,5 раза и снижение энергоемкости процесса в 2-2,5 раза. При этом выход крупных фракций

буровой мелочи (+3 мм) увеличивается в 1,9 раза.

В настоящее время конструкции режущих долот с продувкой разработаны для бурения во всем диапазоне применяемых диаметров скважин. Они нашли применение на карьерах Казахстана, Сибири, Якутии и Монголии. На карьере «Юбилейный» АК «Ал-мазы-России-Саха» режущие долота типа РД применяется с 1988 г. Внедрение их позволило увеличить сменную производительность станков в 2,2 раза и снизить расход долот в 20-40 раз. На разрезе «Восточный» АО «Востсибуголь» режущие долота типа РД применяются с 1988 г., а с 1989 г. разрез отказался от применения шарошечных долот и полностью перешел на бурение режущими долотами.

Комбинированные режущешарошечные долота также впервые были созданы в ИрГТУ. Они предназначены для бурения по породам перемежающейся крепости, когда мягкие, глиносодержащие породы чередуются с пропластка-ми крепких пород. В этом случае применение режущих долот исключается, а шарошечные долота не обеспечивают эффективного бурения по основной части уступа.

Разработанные комбинированные долота типа РШД (рис. 2) обеспечивают возможность в мягких породах обрабатывать забой с помощью режущего органа, в крепких- с помощью шарошечного органа, а также возможность совместной работы режущего и шарошечного органов долота. Комбинированные долота типа РШД прошли широкую промышленную проверку. Под наблюдениями ими пробурено свыше 230 тыс. м. скважин. При этом установлено, что в диапазоне изменения коэффициента крепости от 4 до 12 скорость бурения комбинированным долотом в 1,5-2 раза выше, чем шарошечным, а энергоемкость процесса бурения ниже в 2-2,5 раза.

Работы ИрГТУ по созданию новых и совершенствованию существующих исполнительных ор-

ганов буровых станков продолжаются.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Перетолчин В.А. Вращательное бурение скважин на карьерах. -М.: Недра, 1975. -127 с.

2. Перетолчин В.А. Вращательное и шарошечное бурение скважин на карьерах. -М.: Недра, 1983. -178 с.

©

3. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах/ Под ред. В.А. Перетолчина. -М.: Недра, 1993. -320 с.

В.А. Перетолчин, А.Е. Беляев