СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОДЫ
METHOD FOR ROCK BREAKING

Предшествующий уровень техники изобретения
Настоящее изобретение относится к способу разрушения породы, проходимой бурением, при котором порода подвергается последовательным волнам напряжения через инструмент таким образом, что энергия волны напряжения, передаваемая через инструмент в породу, вызывает разрушение породы.
При бурении породы или тому подобного порода разрушается при передаче волны напряжения в породу через инструмент, такой как буровая штанга или буровое долото на его конце. Волна напряжения в настоящее время обычно создается путем удара по концу инструмента с помощью ударного поршня, поступательно движущегося в машине для бурения породы, или ударного устройства посредством сжатой текучей среды. При бурении породы приложение волны напряжения и вращение инструмента применяются одновременно, но разрушение материала породы фактически основывается на энергии волны напряжения, передаваемой от инструмента к породе.
Обычно примерно от 50% до 80% энергии волны напряжения передается разрушаемой породе. Энергия, передаваемая материалу породы, вызывает макротрещины, разрушающие материал породы и упругие волны. Энергия, связанная с упругими волнами, теряется благодаря разрушению материала породы. С другой стороны, образование макротрещин является, благодаря разрушению, более эффективным, чем дробление породы. Благодаря макротрещинам, от породы отделяются большие частицы, тогда как при дроблении материал породы измельчается довольно сильно, что требует большого количества энергии. Таким образом, было бы предпочтительно создавать как можно больше макротрещин вместо дробления породы.
Настоящие ударные устройства создают волны напряжения на низкой частоте, обычно от 20 Гц до 100 Гц, при этом длина волны напряжения оказывается довольно короткой, т.е. примерно от 0,2 м до 1,6 м. В то же время амплитуда и энергия волны напряжения являются высокими. Максимальные амплитуды обычно составляют от 200 МПа до 300 МПа. Из-за амплитуды волны напряжения необходимо конструировать используемые штыревые долота, выдерживающие высокую нагрузку. Вследствие этого они имеют большое количество разрушающих породу штырей, которые должны выдерживать пиковые нагрузки. Их форма является, таким образом, невыгодной для разрушения породы. Следовательно, то, что называется сопротивлением проникновения штыря долота, оказывающего часть силы, приложенной к породе штырем долота для проникновения штырей, является большим.
Высокий уровень энергии вместе с невыгодной формой штырей приводит к слабой эффективности разрушения и отделения породы. Соответственно, высокие значения амплитуды волны напряжения приводят к короткому сроку службы используемого бурового оборудования, т.е. буровых штанг и штыревых долот. Должно быть предпочтительным для создания макротрещин иметь возможность использовать так называемые штыри агрессивной формы, но это является невыполнимым при настоящем уровне амплитуды напряжения. Если бы было возможно использовать такие штыри, разрушение породы могло бы осуществляться значительно эффективнее по сравнению с настоящими решениями.
При разработке настоящих изобретений внимание обычно уделяется использованию больших ударных мощностей и, следовательно, больших амплитуд волны напряжения, чем прежде. Удивительно, но следует отметить, что тот же результат может быть достигнут со способом в соответствии с изобретением путем использования в противоположность настоящей тенденции значительно меньших амплитуд волны напряжения, чем сегодня.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа разрушения материала породы, который является более эффективным, чем известные способы, и который увеличивает в то же время долговечность и срок службы обслуживания оборудования.
Способ в соответствии с изобретением отличается тем, что импульсы напряжения прилагаются к породе с высокой частотой и амплитуда волн напряжения является низкой, так что соотношение нагрузки, вычисленное на основании значений частоты и длины волны напряжения, равно, по меньшей мере, 0,075.
Основной идеей настоящего изобретения является использование частоты волны напряжения значительно превышающей используемые частоты, и, соответственно, волн напряжения значительно длиннее, чем используемые волны напряжения относительно периода волн напряжения, тем самым достигается соотношение нагрузки, используемой для разрушения породы, значительно превышающее соотношение нагрузки известного оборудования.
Преимуществом изобретения является то, что амплитуды напряжения ниже используемых амплитуд являются достаточными для разрушения породы с большим соотношением нагрузки. Дополнительно, преимуществом изобретения является то, что штыри штыревого долота не должны иметь форму, соответствующую требованиям пиков высокого напряжения, но они могут быть сконструированы более агрессивными при низком уровне напряжения, так что их разрушающее воздействие на породу является большим, чем воздействие известных штыревых долот. Дополнительно, использование меньших амплитуд волны напряжения позволяет использовать более легкие инструменты, т.е. буровые штанги и другие устройства, чем ранее, и в то же время удлинить срок службы инструментов.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
Фиг.1 схематически показывает и в отношении друг к другу во времени импульсы напряжения известных ударных инструментов;
Фиг.2 показывает импульсы напряжения ударного устройства, применяющего способ настоящего изобретения;
Фиг.3 схематически показывает волну напряжения.
Подробное описание изобретения
p
Фиг.1 показывает схематически и в отношении друг к другу во времени волны напряжения, обеспечиваемые известными ударными инструментами. Вертикальная ось показывает амплитуду напряжения σ волн напряжения, и горизонтальная ось показывает время t. Как видно из Фиг.1, длина tволны напряжения является достаточно малой по сравнению с периодом T между двумя волнами напряжения. Это основывается на волне напряжения, создаваемой ударом ударного поршня на буровой штанге, чья работа пропорциональна длине ударного поршня и, таким образом, является довольно короткой. Вследствие возвратно-поступательного движения ударного поршня частота ударов в настоящее время обычно составляет примерно от 20 Гц до 100 Гц, где длина волны напряжения во времени, обеспечиваемой ударом, по сравнению со временем между последовательными ударами, является очень коротким. Амплитуда волны напряжения, создаваемой одновременно, является обычно высокой, т.е. от 200 МПа до 300 МПа.
p
Фиг.2 иллюстрирует волны напряжения, используемые в способе в соответствии с настоящим изобретением. В настоящем изобретении амплитуда волны напряжения по сравнению с волной напряжения в известном способе согласно Фиг.1 является значительно меньшей. Поскольку в настоящем способе частота волн напряжения является по существу выше, чем в известных способах, длина t волны напряжения по сравнению со временем T между волнами напряжения является значительно большим, чем в известных способах.
Термин «соотношение нагрузки α» при разрушении породы определяет, как разрушаемая порода нагружается с течением времени. Это может быть выражено уравнением
p
p
где t является длиной волны напряжения, f является частотой, L является длиной волны и с является скоростью волны напряжения в инструменте. В известных ударных инструментах обычное соотношение нагрузки α равно от 0,01 до 0,025.
Например, в ударных инструментах, имеющих поршень длиною в 0,5 м и частоту в 60 Гц, соотношение нагрузки составляет 0,012.
С использованием способа в соответствии с изобретением, достигается более высокое соотношение нагрузки, при этом
α=>0,075, предпочтительно, по меньшей мере 0,1.
Теоретически максимальное соотношение нагрузки равно 1, но на практике оно не может быть 1. Часть времени устройства, создающего волну напряжения, требуется на собственно создание волны напряжения и часть времени на возврат, т.е. перемещение поршня для создания волны напряжения. На практике это означает, что поскольку скорость возврата не может реально быть выше, чем скорость создания волны напряжения, максимальное соотношение нагрузки на практике составляет приблизительно 0,5.
Энергия W и мощность P, которые подводятся через инструмент от ударного устройства к разрушаемому материалу, такому как порода, могут быть определены для прямоугольных импульсов напряжения посредством уравнений
k
k
где A является площадью поперечного сечения используемого инструмента, т.е. буровой штанги, и E является значением модуля упругости этого же инструмента.
Если требуется использовать соотношение нагрузки выше, чем в известных инструментах, то амплитуды напряжения настоящей величины больше не могут использоваться. Это приведет к значительному уменьшению срока службы бурового оборудования. Также штыревые долота, снабженные агрессивными штырями, требующие эффективного использования способа, не выдерживают настоящих уровней нагрузки. Дополнительно, ударная энергия, требуемая ударным устройством, превысит существующую сейчас от 4 до 10 раз.
Соотношение нагрузки может быть увеличено путем, например, увеличения частоты волн напряжения. Применяя этот принцип, амплитуда волны напряжения может быть измерена с использованием однородности ударных мощностей посредством уравнения
refe
refe
refe
refe
где σ является исходной амплитудой, т.е. обычным уровнем напряжения с настоящими ударными устройствами, и α является соответствующим исходным соотношением нагрузки. Если используемое на текущий момент наибольшее значение напряжения, т.е. 300 МПа, выбирается в качестве исходной амплитуды σ, и 0,025 выбирается в качестве соотношения нагрузки α, то максимальная амплитуда будет
В соответствии с настоящим изобретением используется частота волны напряжения, которая является по существу больше, чем в настоящих решениях, т.е., по меньшей мере, 250 Гц, предпочтительно больше 350 Гц, например, от 350 Гц до 1000 Гц.
Когда соотношение нагрузки равно, по меньшей мере, 0,075 при указанных выше частотах, то эффективный результат бурения достигается с использованием способа в соответствии с изобретением при максимальной амплитуде в 150 МПа. Даже меньшие амплитуды дают хорошие результаты, но разрушение породы еще очевидно требует значительно большего уровня амплитуды. На практике, следует отметить, что преимущества способа в соответствии с изобретением начинают проявляться, когда амплитуда напряжения составляет примерно 25 МПа, но предпочтительно, когда амплитуда напряжения составляет примерно 40 МПа или выше.
max
max
max
В известных инструментах, имеющих ударный поршень, волна напряжения имеет в теории форму, близкую к прямоугольному импульсу, и ее длина определена как двойная длина ударного поршня. Если волна напряжения создается способами, отличными от удара по инструменту с помощью ударного поршня, то ее форма может значительно отличаться от прямоугольной формы, например, при способе, показанном на Фиг.3. В этом случае, амплитуда волны напряжения соответствует, как показано на Фиг.3, максимальному значению σ амплитуды, и ее длина может быть определена по существу в соответствии с Фиг.3, так что длина волны напряжения является по существу временем между теми точками, где напряжение превышает значение 0,1*σ при росте волны напряжения и, соответственно, когда напряжение падает ниже значения 0,1*σ, когда волна спадает.
Другие способы создания волны напряжения используют электрическое или электромагнитное оборудование, где создание волны напряжения основано, например, на продолжительности прикладываемого электрического тока или на длине импульса импульсного электрического тока. Кроме того, способы создания волны напряжения используют создание волн напряжения путем накопления энергии посредством давления сжимаемой текучей среды, например, накоплением энергии элементам напряжения и приложения ее в виде энергии сжатия к инструменту, или где волна создается путем прямого приложения к инструменту силы сжатия, обеспечиваемой давлением сжимаемой текучей среды. Таким образом, в варианте осуществления сила сжатия создается путем приложения давления сжимаемой текучей среды для прямого или косвенного воздействия на конец инструмента на период времени создаваемого импульса напряжения таким образом, что сила, создаваемая давлением, сжимает инструмент. Во всех этих альтернативах волна напряжения предпочтительно создается путем периодического воздействия на инструмент, такой как буровая штанга, для приложения к ней силы сжатия без удара с помощью ударного поршня, так что сила сжатия создает в инструменте волну напряжения во время ее действия на него. Таким образом, при применении способа частота и длина волн напряжения регулируется путем регулирования эффективной частоты и эффективного времени приложения сжимающей силы к инструменту.
Изобретение было описано в приведенном выше описании и чертежах только для примера, и оно ни коим образом не ограничивается ими. Важно, что частота волн напряжения значительно больше, чем настоящие ударные частоты, что соотношение нагрузки, обеспечиваемое волной напряжения, значительно выше, чем обеспечиваемое настоящими устройствами, и что амплитуда напряжения значительно ниже, чем амплитуды настоящих волн напряжения.