Обґрунтування конструктивних параметрів штирових коронок покращеного винесення бурового шламу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

УДК 622.24

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВШТИРОВИХ КОРОНОК ПОКРАЩЕНОГО ВИНЕСЕННЯБУРОВОГО ШЛАМУ

Спеціальність 05.05.06 - гірничі машини

ХРУЦЬКИЙ АНДРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Кривий Ріг - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент Горбачев Юрій Гаврилович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри гірничих машин і обладнання

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кожевников Анатолій Олександрович, Національний гірничий університет України Міністерства освіти і науки України, професор кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин;

кандидат технічних наук, доцент Трохимець Микола Якович, Інститут геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова Національної академії наук України,старший науковий співробітник відділу проблем руйнування гірничих порід.

Захист відбудеться «21» травня 2009 р. о 10³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.03 в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ауд. 300.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розіслано «18» квітня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 09.052.03 кандидат технічних наук, доцент М. П. Тиханський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Застосування на гірничорудних підприємствах сучасного потужного бурового устаткування, оснащеного високоефективним штировим породоруйнівним інструментом, є одним зі шляхів зниження собівартості й підвищення продуктивності видобутку корисних копалин. При використанні такого інструменту в процесі буріння необхідне своєчасне видалення зруйнованої породи з призабійної зони для забезпечення високої швидкості буріння та стійкості інструменту. Оскільки буровий шлам, який залишився на забої, піддається вторинному подрібненню, то на це витрачається додаткова енергія, що відбирається від процесу первинного руйнування породи. Особливо це важливо при використанні штирових коронок для буріння свердловин у породах середньої міцності, коли крупність і кількість бурового шламу зростають у декілька разів. Оскільки при бурінні свердловин штировими коронками в підземних умовах додаткове продування не використовується, то кількість водо-повітряної суміші, яка надходить на забій свердловини для видалення бурового шламу, визначається параметрами занурюваного пневмоударника й не може бути змінена без порушення режиму його роботи.

Одним з перспективних шляхів поліпшення ефективності винесення шламу при бурінні свердловин є зниження завихреності потоку очисного агента в призабійній зоні за рахунок вибору раціональних конструктивних параметрів робочої частини корпусу штирової коронки.

Відомі дослідження впливу конструктивних елементів шарошкових доліт і гірничих свердел на процес очищення свердловини показують, що за рахунок вибору раціональних геометричних параметрів бурового інструменту можна понизити спрацювання бурового інструменту та збільшити швидкість буріння. На сьогодні вплив конструктивних параметрів штирових коронок на процес винесення шламу при бурінні ще недостатньо досліджено, а існуючі методи розрахунку параметрів очищення свердловини засновано на забезпеченні транспортування шламу стовбуром свердловини потоком очисного агента без урахування ефективності очищення призабійної зони від частинок шламу. Отже, установлення закономірностей і характеру впливу геометричних параметрів штирової коронки на процес винесення шламу є актуальним науковим завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано відповідно до програми планових науково-дослідних робіт Криворізького технічного університету на тему «Дослідження бурового інструменту для розвитку технологічних і технічних рішень, які забезпечать перехід до виробництва бурових доліт і коронок нового технічного рівня».

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є збільшення швидкості буріння і зменшення питомого спрацювання штирових коронок при бурінні свердловин занурюваними пневмоударниками за рахунок підвищення відносного винесення шламу обґрунтуванням і вибором раціональних конструктивних параметрів корпусу коронки.

Для досягнення вказаної мети в роботі поставлено такі завдання:

1. Вибрати основні методи й розробити методики дослідження впливу конструктивних параметрів штирової коронки на процес очищення забою свердловини.

2. Провести аналітичні дослідження й обґрунтувати конструктивні параметри корпусу штирової коронки, які впливають на швидкість і завихреність очисного агента в призабійній зоні.

3. Експериментально дослідити вплив конструктивних параметрів корпусу штирової коронки, швидкості та завихреності очисного агента на відносне винесення бурового шламу.

4. Розробити рекомендації з проектування та створити штирову коронку з покращеним винесенням шламу.

5. Провести випробування з визначення впливу відносного винесення бурового шламу на швидкість буріння й питоме спрацювання коронки в промислових умовах.

Ідея роботи. Збільшення відносного винесення шламу за рахунок зниження завихреності потоку очисного агента в призабійній зоні шляхом вибору конструктивних параметрів робочої частини корпусу коронки.

Об'єкт дослідження - газодинамічний процес винесення шламу при бурінні свердловин штировими коронками.

Предмет дослідження - конструктивні параметри штирової коронки, що впливають на процес винесення шламу.

Методи досліджень. Основні технічні рішення, висновки і рекомендації базуються на результатах вивчення, аналізу й узагальнення науково-технічної інформації з питання створення високоефективного штирового породоруйнівного інструменту, на даних аналітичних і експериментальних досліджень. Аналітичні дослідження виконано із застосуванням методів математичного й комп'ютерного моделювання, включаючи скінченооб'ємний аналіз, аналітичної геометрії, теорії подібності та теорії гідравліки й аеродинаміки. Дослідження й визначення оптимальних геометричних параметрів штирових коронок виконано в лабораторних умовах на стендах. При цьому застосовувалися математичні методи планування екстремальних багатофакторних експериментів, методи математичної статистики при аналізі результатів експериментальних досліджень.

Наукове положення, яке виноситься на захист

Поліпшення очищення забою свердловини при бурінні штировими коронками з видаленням шламу зі свердловини очисним агентом, витрата якого обмежена параметрами занурюваного пневмоударника, забезпечується використанням методу інтенсифікації очищення призабійної зони, новизна якого полягає в зниженні завихреності потоку очисного агента в призабійній зоні за рахунок вибору раціональних геометричних параметрів коронки: центрального продувального каналу, форми й кількості бічних пазів, наявністю та розташуванням торцевих пазів, це збільшує швидкість буріння й знижує питоме спрацювання коронки.

Наукова новизна

1. Уперше встановлено параболічну залежність другого ступеня усередненого параметру завихреності потока очисного агента в призабійній зоні від кількості й кута нахилу продувальних каналів у корпусі штирової коронки, яка відрізняється тим, що враховує напрям і швидкість потоків очисного агенту.

2. Уперше встановлено параболічну залежність відносного винесення шламу з призабійної зони від кількості й площі поперечного перетину бічних напівкруглих пазів, розташованих по периметру корпусу штирової коронки, яка відрізняється тим, що враховує площу перетину центрального продувального каналу, відскік коронки та щільність породи, причому величина сумарної площі приймається виходячи з умови забезпечення максимуму параболічної функції відносного винесення шламу.

3. Уперше встановлено залежність радіусу напівкруглих бічних пазів штирової коронки від розміру максимальної частинки шламу, новизна якої полягає у виборі параболічної функції степеня 0,5 й визначенні її коефіцієнтів.

4. Уперше встановлено лінійну залежність усередненого параметру завихреності потоку очисного агента у призабійній зоні від глибини і кута нахилу торцевого паза до осі штирової коронки з одним продувальним каналом, яка відрізняється тим, що враховує діаметр і кут нахилу продувального каналу до осі коронки.

Наукове значення роботи полягає у розробці методу інтенсифікації очищення призабійної зони шляхом зниження завихреності потоку очисного агента, а також в отриманні аналітичних залежностей для визначення швидкості й завихреності потоку очисного агента в призабійній зоні та відносного винесення шламу як функції геометричних параметрів корпусу коронки, що дозволило науково обґрунтувати раціональні конструктивні параметри штирових коронок для буріння свердловин і забезпечити зниження спрацювання й підвищення швидкості буріння. Міра достовірності результатів, висновків і рекомендацій роботи забезпечується аналізом науково-технічної літератури; контролем точності й збіжності методу скінчених об'ємів в універсальному пакеті моделювання COSMOSFloWork; коректним використанням апробованих методів математичного моделювання й планування експериментів; відповідністю прийнятих допущень характеру завдань, які вирішуються в роботі. Розбіжність між результатами аналітичних та експериментальних досліджень не перевищує 11 % при довірчій вірогідності 0,90.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено методику проектування штирових коронок поліпшеного винесення бурового шламу, а також обґрунтовано раціональні параметри корпусу штирових коронок для буріння свердловин, у тому числі кут нахилу одного продувального каналу в корпусі відносно осі коронки в₁ повинен знаходитися в межах 10⁰ < в₁ < 17⁰, торцевий паз на робочій поверхні штирової коронки з одним продувальним каналом повинен бути нахиленим до осі коронки під кутом 45⁰±1⁰ і мати глибину 6,5±1 мм, сумарна площа поперечного перетину бічних напівкруглих пазів повинна перевищувати площу перетину одного центрального продувального каналу в 1,8-2,0 разу, радіус напівкруглого бічного паза повинен перевищувати розмір максимальної частинки шламу в 1,7-2,5 разу, що дозволяє знизити питоме спрацювання в 1,5-1,7 разу та підвищити швидкість буріння в 1,1-1,3 разу.

Особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні мети й ідеї роботи, визначенні завдань дослідження й наукових положень, виборі методів дослідження, розробці стенда, проведенні аналітичних і експериментальних досліджень, обробці, аналізі отриманих результатів; формулюванні висновків і розробленні методики розрахунку та проектування для практичного застосування.

У друкованих роботах, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належить: [1, 2] - збирання й аналіз статистичних даних; [3] - математичне моделювання проходження стисненого повітря в призабійній зоні.

Апробація результатів дисертації. Робота та її окремі розділи доповідалися й схвалені на: засіданнях кафедри гірничих машин і обладнання Криворізького технічного університету; міжнародних науково-технічних конференціях «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості» (м. Кривий Ріг, 2003-2008 рр.); Міжнародній науково-технічній конференції «Гірниче обладнання - 2005» (м. Донецьк, ДонНТУ, 2005 р.); науковому семінарі, який проводився в Національному політехнічному університеті України «КПІ» на кафедрі електромеханічного устаткування енергоємних виробництв (м. Київ, 2007 р.); науковому семінарі, що проводився в Національному гірничому університеті України на кафедрі гірничих машин й інжинірингу (м. Дніпропетровськ, 2008 р.); 5-му Міжнародному симпозіумі «Якість мінеральної сировини - 2008» (м. Партеніт, 2008 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень і розробок опубліковано 7 статей у фахових виданнях України, отримано патент України на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (136 назв) і 10 додатків. Повний обсяг - 211 сторінок машинописного тексту, включаючи 50 рисунків і 19 таблиць.

штировий коронка шлам свердловина

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ рОботИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, розглянуто зв'язок роботи з науковими програмами, планами, сформульовано мету та ідею роботи, завдання дослідження, викладено основні наукові положення, новизну наукових і практичних результатів та їх достовірність, особистий внесок здобувача, апробацію результатів, структуру роботи.

Перший розділ присвячено огляду й аналізу існуючих конструкцій штирових коронок для пневмоударного буріння свердловин і шляхів підвищення ефективності винесення шламу. Розглянуто світовий та вітчизняний досвід створення штирових коронок і сучасний стан питання з вивчення процесу руйнування породи під дією штирового інструменту, утворення бурового шламу та очищення свердловин при бурінні занурюваними пневмоударниками.

Слід зазначити роботи з вивчення процесу руйнування породи та утворення бурового шламу таких учених, як Г. В. Арцимович, Л. І. Барон, В. С. Блохін, Ю. А. Боксерман, В. К. Бубок, Ю. М. Владимирський, О. М. Голубінцев, О. С. Грішин, Р. М. Ейгелес, Б. П. Єфіменко, Б. О. Жлобінський, А. Т. Кірсанов, Ю.Г. Коняшин, Л. С. Кузяєв, Н. М. Мустафіна, І. А. Остроушко, П. А. Палій, А. М. Попов, Ю. І. Протасов, Ю. А. Прядко, О. І. Співак, Р. В. Стрекалова, С. С. Сулакшин, М. Я. Трохимец, М. М. Філімонов, Л. А. Штейнер та ін.

Значний внесок у вивчення процесу винесення шламу при бурінні зробили І. І. Булдаков, В. М. Гірін, Ю. Г. Горбачев, В. А. Євполов, Б. О. Катанов, А. О. Кожевников, П. І. Кожушко, О. К. Курбатов, М. Р. Мавлютов, М. О. Маковій, Е. Х. Мехтієв, В. А. Перетолчин, Г. С. Пугачов, С. Є. Сакс, А. Є. Смолдирев, Є. І. Стетюха, С. С. Сулакшин та ін.

На основі розгляду існуючих методів очищення свердловин і з урахуванням сучасного досвіду геологорозвідувального буріння та буріння глибоких свердловин було встановлено, що найбільш прийнятним шляхом підвищення ефективності очищення свердловин при бурінні занурюваними пневмоударниками є зміна конструкції породоруйнівного інструменту.

Відомі дослідження впливу конструктивних елементів шарошкових доліт і гірничих свердел на процес очищення свердловини, проведені Б. О. Катановим і М. Р. Мавлютовим, показують, що за рахунок вибору раціональних геометричних параметрів бурового інструменту можна понизити його спрацювання та збільшити швидкість буріння. На сьогодні вплив конструктивних параметрів штирових коронок на процес винесення шламу при бурінні ще недостатньо досліджено, а існуючі методи розрахунку параметрів очищення свердловини засновано на забезпеченні транспортування шламу стовбуром свердловини потоком очисного агента без урахування ефективності очищення призабійної зони від частинок шламу.

Очищення призабійної зони від бурового шламу розглянуто з погляду основних положень пнемотранспорту. Розглянуто відомі чинники, які впливають на процес винесення шламу. Установлено, що при дослідженні процесу винесення шламу необхідно враховувати швидкість і напрям потоків очисного агента з погляду наявності вихорів, як явища, що ускладнює винесення шламу, а також характеристики частинок шламу. Для чисельної оцінки вихорів у призабійній зоні зручно користуватися завихреністю.

У кінці розділу сформульовано мету й завдання досліджень.

Другий розділ присвячено вибору методів і розробці методик дослідження впливу конструктивних елементів штирової коронки на процес очищення свердловини.

На основі аналізу існуючих конструкцій штирових коронок створено класифікацію елементів корпусу коронки, які входять до системи винесення шламу. Запропоновано еквівалентну пневматичну схему призабійного простору.

У ході вибору напрямів дослідження вирішувалося питання визначення критерію оцінки впливу параметрів бурового інструменту на процес винесення шламу. Для комплексного аналізу штирових коронок з погляду винесення шламу та визначення впливу елементів корпусу коронки на цей процес необхідно враховувати швидкість і напрям потоку очисного агента, а також властивості бурового шламу, а саме щільність і його гранулометричний склад. Необхідність визначення не тільки швидкості, але й напряму потоків очисного агента в призабійній зоні з погляду наявності вихорів відзначено в роботах Б.О. Катанова і М. Р. Мавлютова.

Для чисельної оцінки вихорів у гідродинаміці використовують завихреність, яка дорівнює подвоєному вектору кутової швидкості. Таким чином, можна отримати уявлення про напрям руху потоків очисного агента у вигляді радіусу кривизни його траєкторії, оскільки кутова швидкість визначається як добуток лінійної швидкості на радіус закруглення траєкторії руху. Виходячи з положень теорії вихрів, радіус кривизни траєкторії руху потоків очисного агента дорівнює відношенню швидкості до завихреності та визначається як усереднений параметр завихреності , м:

де _ср - середньогеометрична швидкість; _ср - середньоарифметична завихреність.

Вплив конструкції коронки на швидкість і завихреність потоку очисного агента визначається в ході аналітичних досліджень із застосуванням математичного моделювання у зв'язку з тим, що визначити ці параметри для ударно-обертального буріння свердловин занурюваними пневмоударниками на стенді дуже складно.

Поставлено завдання дослідження з визначенням впливу конструктивних параметрів корпусу коронки на усереднений параметр завихреності потоку очисного агента в призабійній зоні. У ході дослідження прийнято такі припущення: а) для досліджень прийнято модель з нерухомою коронкою; б) при розрахунку не враховувався вплив нерівностей забою, стінок свердловини та наявності штирів на робочій поверхні коронки; в) витрату очисного агента прийнято постійною, яка відповідає витраті занурюваного пневмоударника П-105 і дорівнює 0,093 м³/с.

Математичне моделювання проходження очисного агента в призабійній зоні виконано з використанням пакету COSMOSFloWorks. Усі розрахункові схеми було побудовано в середовищі SolidWorks. Граничні умови: область надходження повітря характеризується об'ємною витратою: Q = 0,093 м³/с; область витікання характеризується атмосферним тиском: р = 0,101 МПа; решта граней є нейтральними й характеризується нульовою швидкістю руху повітря: ux= 0; uy = 0; uz = 0. Задана область при розв'язанні задачі розбивається сіткою. Адекватність прийнятих сіток і, відповідно, точність розв'язання оцінювалися за допомогою правила Рунге. Вибраний рівень точності сіток усіх схем, згідно з правилом Рунге, достатній. Похибка складає не більше 5 %.

Змоделювати й вивчити процес руху частинок шламу математично достатньо складно. Для цього організовуються експериментальні дослідження. Для оцінювання очищення призабійного простору було запропоновано параметр - відносне винесення шламу У_в - відношення маси винесеного шламу з призабійної зони до загальної маси шламу, яка утворюється за один удар

,

де m_вин - маса винесеного шламу за один удар; m_зал - маса шламу, який залишився на забої; m - загальна маса бурового шламу, яка утворилася після удару.

Запропоновано гіпотезу про зв'язок усередненого параметра завихреності та відносного винесення шламу, яка має вигляд

,

де k₁ - емпіричний коефіцієнт, який враховує вплив торцевих пазів на робочій поверхні коронки.

Лабораторні дослідження з вивчення процесу руху частинок шламу, у яких використовуються результати аналітичних досліджень, проводяться з метою визначення залежності між загальною площею перетину бічних пазів коронки, їх взаємним розташуванням з продувальними каналами, торцевими пазами і відносним винесенням шламу, а також для перевірки результатів аналітичних досліджень. Як постійні параметри виступають: діаметр свердловини, діаметр пневмоударника, витрата очисного агента, площа продувальних каналів, гранулометричний склад шламу. При проведенні дослідів було прийнято гранулометричний склад шламу, який враховує наявність усіх фракцій від 0 до 4,47 мм. Маса порції бурового шламу, який завантажується для проведення одного досліду складає 10 г. За напрям буріння обрано найважчий варіант для винесення шламу - буріння вертикально вниз.

Тиск стисненого повітря, яке подається на стенд - 0,5 МПа. Варійовані чинники: площа перетину бічних пазів; щільність породи; відскакування коронки, взаємне розташування пазів і каналів. Значення величини відскакування коронки складає від 0 до 15 мм.

Щільність породи включає як рудоносні, так і пусті породи і варіюється від 1,96 до 3,36 г/см³. Значення величини площі перетину бічних пазів визначалися експериментально в інтервалі від 326 мм² (коронка без пазів, зазор між коронкою та свердловиною складає 1 мм на сторону) до 3630 мм² (модель коронки без кільця з пазами).

Для кожної схеми експериментальним шляхом при максимальних і мінімальних значеннях решти варійованих чинників знаходився максимум функції відклику. Функцією відклику є відносне винесення шламу.

Для вивчення впливу конструкції коронки на процес винесення шламу було розроблено й виготовлено спеціальну експериментальну установку, що дозволяє моделювати забійні умови та забезпечувати можливість вивчення й отримання оптимальних значень досліджуваних параметрів.

Отже, використовуючи обидва запропоновані критерії, можна провести комплексну оцінку впливу параметрів корпусу коронки на процес винесення шламу.

За даними аналітичних і експериментальних досліджень розробляється дослідний промисловий зразок штирової коронки з підвищеною ефективністю винесення шламу та проводяться порівняльні випробування в промислових умовах. У ході порівняльних випробувань перевіряється ефективність та адекватність ухвалених рішень. Оцінка ведеться виходячи з питомого спрацювання коронок _ІР, г/м, яке визначається таким чином:

,

де - маса коронки до випробувань, г; m_K - маса коронки після випробувань, г; l - глибина пробуреної свердловини під час випробувань, м.

Запропоновано гіпотезу про взаємозв'язок між питомим спрацюванням і відносним винесенням шламу, яка має такий вигляд

,

де f - міцність породи за шкалою проф. Протодьяконова; У_в - відносне винесення шламу; k₂ - емпіричний коефіцієнт пропорційності, який визначається в результаті досліджень.

У період порівняльних випробувань визначаються швидкість буріння в однакових гірничо-геологічних умовах; питоме спрацювання коронок; гранулометричний склад бурового шламу, умови проведення випробувань - звичайні шахтні, руди міцністю від 7 до 12 за шкалою Протодьяконова, буріння з продуванням водо-повітряною сумішшю верстатом НКР-100МА із занурюваним пневмоударником П-110.

Отже, у роботі застосовано комплексну методику досліджень: аналітичні дослідження передують експериментальним. Лабораторні експерименти доповнюють теорію, їх результати остаточно перевіряються й доповнюються в ході порівняльних випробувань у промислових умовах.

Третій розділ присвячено математичному моделюванню процесу проходження очисного агента в призабійній зоні. Було проведено дослідження з визначенням впливу форми корпусу та схеми розташування продувальних каналів на усереднений параметр завихреності , а також визначено залежності усередненого параметра завихреності потоку від геометричних параметрів продувальних каналів, бічних і торцевих пазів. При цьому розглядалися коронки з плоскою робочою поверхнею та з виїмкою на робочій поверхні.

У ході аналізу отриманих результатів було встановлено, що в усіх схемах корпусу з виїмками утворюються значні зони завихрень, усереднений параметр завихреності нижчий в 1,5-2,7 разу порівняно зі схемами з плоским корпусом. Схеми з плоским корпусом мають більш прямолінійні потоки, особливо варто виділити схеми з одним осьовим каналом.

Установлено, що при декількох еквівалентних за площею продувальних каналах у всіх випадках утворюється зона зіткнення потоків, у якій усереднений параметр завихреності знижується у 2,4-2,7 разу порівняно з одним каналом, при якому створюються умови кращого очищення призабійної зони. У зв'язку з необхідністю нахилу цього каналу відносно осі коронки для розміщення штирів, що руйнують центральну частину забою, кут нахилу в₁ повинен обиратися в межах 10⁰ < в₁ < 17⁰.

Значення усередненого параметра завихреності при прямому й зміщеному взаємному розташуванні продувальних каналів і бічних пазів не дуже відрізняються - різниця в значеннях складає 1,5-5 %.

Установлено, що бічні пази напівкруглої форми забезпечують збільшення усередненого параметра завихреності в 1,4 разу, наприклад, порівняно з трикутними пазами, і в 1,45 разу порівняно з трапецеїдальними.

Вплив форми бічних пазів на значення усередненого параметра завихреності пояснюється різними величинами місцевих гідравлічних опорів, які залежать від форми паза.

Установлено, що бажано використовувати схеми корпусу з максимальною кількістю пазів і їх мінімальною площею для забезпечення максимуму усередненого параметра завихреності. Величина усередненого параметра завихреності зменшується для схеми з 2 пазами в середньому на 19,3 %, а для схеми з 4 пазами - у середньому на величину 8,6 % порівняно зі схемою з 8 пазами .

У результаті проведених досліджень було отримано рівняння регресії та визначено геометрично параметри напівкруглих бічних пазів для корпусу з одним осьовим продувальним каналом, які забезпечують максимальне значення усередненого параметра завихреності потоку:

Величина сумарної площі пазів приймається виходячи з умови забезпечення максимуму функції відносного винесення шламу.

Установлено, що торцевий паз на робочій поверхні штирової коронки з одним продувальним каналом повинен бути нахиленим до осі коронки під гострим кутом , що знижує завихреність потоку в призабійній зоні в 1,2 разу порівняно зі схемами з перпендикулярним розташуванням паза з двома осьовими каналами та одним осьовим й одним радіальним каналами, при цьому величина кута нахилу паза лінійно залежить від кута нахилу продувального каналу, а глибина паза лінійно залежить від діаметра продувального каналу.

Установлено, що в усіх розглянутих схемах торцеві пази, пов'язані з бічними пазами, знижують завихреність у 1,2-1,3 разу. Установлено, що радіус торцевого паза для схеми з одним осьовим каналом повинен відповідати радіусу центрального каналу. При цьому кут нахилу , град, та глибина торцевого паза , мм, приймаються з умови забезпечення максимальної усередненої швидкості

; .

Продувальні канали, бічні й торцеві пази знижують корисну площу робочої поверхні коронки, тому при проектуванні необхідно розглядати ці елементи корпусу, що відповідають за винесення шламу, тільки з урахуванням розташування породоруйнівних елементів. На базі існуючих методик проектування штирового інструменту Ю. І. Протасова і Ю. А. Прядка було запропоновано залежності для визначення кількості, діаметра та розташування породоруйнівних елементів на робочій поверхні коронки.

У четвертому розділі наведено результати лабораторних досліджень.

У ході досліджень визначено вплив тиску та типу очисного агента, штирів на робочій поверхні коронки й кількості бічних пазів на відносне винесення шламу.

Величина тиску практично не впливає на положення максимуму функції відносного винесення шламу від площі бічних пазів. Дрейф екстремуму функції У_в складає 1,2-2,4 %. Це пов'язано з тим, що положення максимуму визначається співвідношенням величини частинки шламу та розміром бічного паза.

Установлено, що незалежно від схеми каналів і форми бічних пазів для винесення шламу застосування водо-повітряної суміші замість чистого стисненого повітря знижує відносне винесення шламу в середньому на 5-25 %. Таке зниження відносного винесення шламу відбувається в результаті налипання частинок бурового шламу, змочених водою, на стінки свердловини.

Незалежно від схеми каналів і форми бічних пазів штирі рівномірно знижують відносне винесення шламу в середньому на 10 %.

У результаті дослідження трьох схем розташування бічних пазів по периметру корпусу коронки: з вісьмома, чотирма та двома пазами - установлено, що найбільш ефективною виявилася схема з вісьмома пазами. Порівняно з нею відносне винесення шламу схем з чотирма та двома пазами знижується відповідно на 6-25 % і на 17-30 %. Установлено, що на відносне винесення шламу найбільше впливають схема розташування продувальних каналів у корпусі коронки та площа бічних пазів. Установлено, що один продувальний канал, розташований уздовж осі коронки, забезпечує в 1,2-1,5 разу краще очищення призабійної зони порівняно з декількома, еквівалентними за площею каналами. Найбільше відносне винесення шламу досягається при застосуванні схеми корпусу коронки з одним осьовим каналом, а найменше - при схемі з одним осьовим та одним радіальним продувальними каналами.

Установлено, що найбільш ефективною з погляду винесення шламу є схема з одним осьовим каналом і напівкруглими пазами У_{в max} = 0,413. Найменш ефективною є схема з двома осьовими каналами й трапецеїдальними пазамиУ_{в max} = 0,269.

Установлено характер впливу загальної площі бічних пазів F, щільність бурового шламу _П і відскакування коронки h_о на відносне винесення шламу Для прикладу наведено графік залежності для корпусу з напівкруглими бічними пазами і двома осьовими продувальними каналами.

Установлено, що загальна площа пазів для корпусу з одним осьовим каналом прямо пропорційна щільності породи, а виходячи з еквівалентної гідравлічної схеми, прямо пропорційна площі перетину центрального каналу в корпусі коронки або квадрату його діаметра

, мм²,

де D_КАН - діаметр центрального каналу, мм; _П - щільність породи, г/см³.

Площа напівкруглого бічного паза прямо пропорційна розміру максимальної частинки шламу

, мм²,

де а_max - розмір максимальної частинки шламу, мм.

Таким чином, радіус паза визначається як

, мм.

Проведено дослідження впливу торцевих пазів на робочій поверхні коронки на відносне винесення шламу. У результаті аналізу рівнянь регресії визначено значення досліджуваних чинників у заданому інтервалі варіювання, які дають максимальне значення відносного винесення шламу для кожної з досліджуваних схем.

У результаті проведеного дослідження встановлено, що всі розглянуті торцеві пази збільшують відносне винесення бурового шламу. Наявність торцевих пазів сприяє збільшенню відносного винесення шламу й визначається їх здатністю перенаправляти потік очисного агента у зони скупчення шламу. З діаграми, поданої на рис. 8, видно, що найбільш ефективні торцеві пази для схеми з одним осьовим каналом і напівкруглими пазами, які дають приріст відносного винесення шламу 133,3 %. Найменш ефективні - для схеми з одним осьовим і одним радіальним промивальними каналами з трикутними пазами, які дають приріст відносного винесення шламу 13,5 %.

Підтверджено гіпотезу про зв'язок між усередненим параметром завихреності та відносним винесенням шламу. Установлено значення емпіричного коефіцієнта, який враховує вплив торцевих пазів на робочій поверхні коронки: k₁ = 1,8 для схем корпусу з напівкруглими пазами та відносним винесенням шламу та для У_в = 0,15-0,4.

Результати лабораторних експериментів підтверджують висновки, зроблені в ході аналітичних досліджень. Розбіжність результатів складає не більше 11 %.

П'ятий розділ присвячено розробці рекомендацій на проектування та створення методики розрахунку геометричних параметрів штирової коронки, опис практичного використання цієї методики та проведення порівняльних випробувань у промислових умовах. Оскільки аналітичні й експериментальні дослідження показали, що найбільш ефективною з погляду винесення шламу є схема з одним осьовим каналом і напівкруглими пазами, тому при визначенні основних взаємозв'язків між геометричними параметрами було обрано цю схему.

Кут нахилу осьового продувального каналу повинен не бути більшим за 10⁰-17⁰.

Запропоновано параметричний ряд розмірів напівкруглих пазів, виходячи з міцності породи та розмірів максимальних частинок бурового шламу: для породи міцністю f = 16-20 радіус паза R_П = 11 мм; для породи міцністю f = 12-16 радіус паза R_П = 13,5 мм; для породи міцністю f = 10-12 радіус паза R_П = 16 мм.

Виходячи із загальної площі пазів і радіуса одного паза, кількість пазів визначається таким чином

Радіус торцевого паза, пов'язаного з одним продувальним каналом, відповідає радіусу цього каналу. З умов забезпечення максимальної усередненої швидкості кут нахилу торцевого паза відносно продувального каналу повинен бути , а глибина паза , мм.

Геометричні параметри торцевих пазів, пов'язаних з бічними, залежать від площі бічних пазів. Радіус такого торцевого паза дорівнює радіусу самого паза. Відстань від осі коронки до торцевого паза l_С, згідно з експериментальними дослідженнями, необхідно робити найменшою, що становить не більше 30 мм.

Причому глибина торцевого паза, як і радіус бічного паза, залежить від величини максимальної частинки шламу

, мм.

Отримані результати було покладено в основу «Методики розрахунку штирових коронок для буріння свердловин занурюваними пневмоударниками», яку було впроваджено в проектно-конструкторскому інституті НДПІрудмаш. Згідно з методикою розроблено коронку з покращеним винесенням шламу, захищену патентом України на корисну модель № 32569.

Порівняльні випробування двох штирових коронок проведено згідно з розробленою методикою. Загалом пробурено 40,8 м свердловини, причому 24 м експериментальною коронкою та 16,8 м серійною коронкою.

Зроблено аналіз гранулометричного складу бурового шламу. Установлено, що для бурового шламу експериментальної коронки при бурінні порід міцністю 7-8 і порід міцністю 10-12 характерний більший вміст крупних фракцій (фракцій понад 1 мм). Це свідчить про менше переподрібнення бурового шламу й ефективне його видалення зі свердловини.

Швидкість буріння за породами міцністю 7-8 експериментальною коронкою на 60 % вища, ніж у серійної коронки, а за породами міцністю 10-12 - вища на 2 %. Питоме спрацювання при бурінні порід міцністю 7-8 експериментальної коронки нижче в 1,7 разу, ніж у серійної коронки, а при бурінні порід міцністю 10-12 нижче в 1,5 разу.

У результаті проведених порівняльних випробувань було підтверджено гіпотезу про взаємозв'язок між відносним винесенням шламу та питомим спрацюванням коронки й визначено значення емпіричного коефіцієнта пропорційності k₂, яке складає k₂ = 0,072 при постійній енергії удару, що дорівнює енергії удару занурюваного пневмоударника П-110, при міцності породи f = 7-12, відносному винесенні шламу У_в = 0,15-0,4. Очікуваний економічний ефект від упровадження результатів дослідження складає 142 тис грн на рік на ділянці шахти з міцністю порід 8-12 за шкалою проф. Протодьяконова. Отже, у результаті аналітичних, експериментальних досліджень і порівняльних випробувань отримано новий науковий результат, який полягає в тому, що поліпшення очищення забою свердловини, визначуване відношенням винесеного шламу до загальної кількості шламу в межах одного робочого циклу при бурінні штировими коронками з видаленням шламу зі свердловини очисним агентом, витрата якого обмежена параметрами занурюваного пневмоударника, досягається збільшенням у 1,4-2,0 разу усередненого параметра завихреності , який є відношенням швидкості потоку до його завихреності , що збільшує відносне винесення шламу на таку ж величину, забезпечує підвищення швидкості буріння в 1,1-1,3 разу та знижує питоме спрацювання коронки в 1,5-1,7 разу.

ВиСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дано нове вирішення актуального науково-технічного завдання, яке полягає в обґрунтуванні раціональні конструктивних параметрів штирових коронок, які забезпечують підвищення швидкості буріння та зниження питомого спрацювання коронки за рахунок зменшення завихреності потоку очисного агента.

Основні наукові та практичні висновки та результати дисертації:

1. Існуючі методи розрахунку параметрів очищення свердловини засновані на забезпеченні транспортування шламу стовбуром свердловини потоком газоподібного або рідкого очисного агента не враховують ефективності очищення призабійної зони від частинок шламу. Підвищення ефективності видалення продуктів руйнування з призабійної зони при постійній витраті водо-повітряної суміші, можливе за рахунок вибору раціональних геометричних параметрів корпусу штирової коронки з пониженням спрацювання бурового інструменту та збільшенням швидкість буріння.

2. Обрано основні методи досліджень: математичне та комп'ютерне моделювання, включаючи скінченооб'ємний аналіз, методи аналітичної геометрії, теорії подібності, теорії гідравліки й аеродинаміки, експериментальні дослідження із застосуванням методів планування багатофакторних експериментів і методів математичної статистики. Для оцінки швидкості та завихреності потоку очисного агента використано усереднений параметр завихреності - відношення середньогеометричної швидкості до середньоарифметичної завихреності потоку очисного агента, а для оцінювання очищення призабійного простору був запропоновано параметр - відносне винесення шламу - відношення маси винесеного шламу з призабійної зони до загальної маси шламу, яка утворюється за один удар. Проведено аналітичні дослідження на основі математичного моделювання, у ході яких обґрунтовано конструктивні параметри корпуса штирової коронки, що дають максимальну швидкість і мінімальну завихреність очисного агента в призабійній зоні на основі усередненого параметра завихреності.

3. Установлено, що при декількох еквівалентних за площею продувальних каналах у всіх випадках утворюється зона зіткнення двох потоків, у якій усереднений параметр завихреності знижується у 2,4-2,7 разу порівняно з одним каналом, установлено параболічну залежність другого ступеня усередненого параметру завихреності потоку очисного агента в призабійній зоні від кількості та кута нахилу продувальних каналів у корпусі штирової коронки, яка відрізняється тим, що враховує напрям і швидкість потоків очисного агенту, причому кут нахилу цього каналу в₁ повинен вибиратися в межах 10⁰ < в₁ < 17⁰.

4. Установлено лінійну залежність усередненого параметру завихреності потоку очисного агента в призабійній зоні від глибини й кута нахилу торцевого паза до осі штирової коронки з одним продувальним каналом, яка відрізняється тим, що враховує діаметр продувального каналу D_КАН при 18 мм < D_КАН < 21 мм і кут нахилу цього каналу до осі коронки _КАН при 0^о < _КАН < 20^о, причому торцевий паз на робочій поверхні штирової коронки з одним продувальним каналом повинен бути нахиленим до осі коронки під гострим кутом 45⁰±1⁰ і мати глибину 6,5±1 мм, це забезпечує збільшення відносного винесення шламу в 1,2-1,4 разу порівняно зі схемою з перпендикулярним розташуванням паза та в 1,5-2,0 разу порівняно зі схемою без торцевого паза.

5. Експериментально досліджено вплив конструктивних параметрів корпусу штирової коронки, швидкості та завихреності очисного агента на відносне винесення бурового шламу, обґрунтовано конструктивні параметри корпусу штирової коронки, які дають максимальне відносне винесення шламу.

6. Установлено, що радіус бічного напівкруглого паза, розташованого по периметру корпусу коронки прямо пропорційний кореню квадратному від максимального розміру частинки шламу а_max при 4,37 мм < а_max < 8,9 мм і повинен перевищувати її розмір у 1,7-2,5 разу, причому серед відомих форм бічних пазів пази напівкруглого перетину в 1,2-1,5 разу збільшують відносне винесення шламу.

7. Установлено параболічну залежність відносного винесення шламу з призабійної зони від кількості та площі поперечного перетину бічних напівкруглих пазів, розташованих по периметру корпусу штирової коронки, яка відрізняється тим, що враховує площу перетину центрального продувального каналу S_K при 250 мм² < S_K < 345 мм², відскік коронки h_о при 0 мм < h_о < 15 мм і щільність породи _П при 1,9 г/см³ < _П < 3,5 г/см³, причому величина сумарної площі приймається, виходячи з умови забезпечення максимуму параболічної функції відносного винесення шламу, і повинна перевищувати площу перетину одного центрального продувального каналу в 1,8-2,0 разу.

8. Установлено, що використання схеми корпусу з максимальною кількістю пазів і їх мінімальною площею забезпечує максимум усередненого параметра завихреності. Величина усередненого параметра завихреності зменшується для схеми з 2 пазами в середньому на 19,3 %, а для схеми з 4 пазами - у середньому на величину 8,6 % порівняно зі схемою з 8 пазами.

9. Розроблено рекомендації на проектування штирових коронок з покращеним винесенням шламу, упроваджені в проектному інституті НДПІрудмаш, і створено штирову коронку з покращеним винесенням шламу, захищену патентом України на корисну модель.

10. Проведені випробування розробленої коронки в промислових умовах. Установлено, що збільшення відносного винесення бурового шламу у 2 рази підвищує швидкість буріння в 1,1-1,3 разу та знижує швидкість спрацювання в 1,5-1,7 разу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Хруцкий А. А. Новый штыревой породоразрушающий инструмент на шахтах Кривбасса / И. И. Каварма, А. А. Хруцкий // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог : КТУ, 2002. - Вып. № 78. - С. 143-147.

2. Хруцкий А. А. Анализ существующих конструкций штыревых коронок для пневмоударного бурения Кривой Рог : Вып. № 82. - С. 132-137;

3. Хруцкий А. А. Влияние геометрии штыревой коронки на процесс очистки скважины / Ю. Г. Горбачов, А. А. Хруцкий // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог : КТУ, 2004. - Вып. № 87. - С. 135-139.

4. Хруцкий А. А. Рациональное расположение породоразрушающих элементов на поверхности штыревых коронок для бурения скважин / А. А. Хруцкий // Наукові праці Донецького національного технічного університету. - Донецк : ДонНТУ, 2005. - Вип. № 99. - С. 283-290.

5. Хруцкий А. А. Исследование влияния геометрии штыревой коронки для бурения скважин на эффективность выноса шлама / А. А. Хруцкий // Вісник Криворізького технічного університету : збірник наукових праць. - Кривий Ріг : КТУ, 2007. - Вып. № 18. - С. 152-157.

6. Хруцкий А. А. Методика проектирования штыревых коронок для бурения скважин / А. А. Хруцкий // Вісник Криворізького технічного університету : збірник наукових праць. - Кривий Ріг : КТУ, 2008. - Вип. № 20. - С. 98-102.

7. Хруцкий А. А. Буровой инструмент с повышенной эффективностью выноса шлама/ А. А. Хруцкий // Качество минерального сырья. - Кривой Рог : КТУ, 2008. - С. 478-483.

8. Пат. 32569 Україна, МПК Е 21 В 10/36. Коронка для ударно-обертального буріння свердловин / Хруцький А. О. ; заявник і власник Криворізький технічний університет. - № U200713785 ; заявл. 10.12.2007 ; опубл. 28.05.2007, Бюл. № 10.

АнотаціЇ

Хруцький А. О. Обґрунтування конструктивних параметрів штирових коронок покращеного винесення бурового шламу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - гірничі машини. - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2009.

Дисертацію присвячено питанням впливу геометрії штирових коронок на процес винесення шламу при бурінні свердловин занурюваними пневмоударниками. У результаті виконаних аналітичних та експериментальних досліджень отримано нове рішення актуального наукового завдання - установлення закономірностей і характеру впливу конструктивних параметрів штирової коронки на процес винесення шламу для їх обґрунтування з метою зниження завихреності потоку очисного агента і збільшення відносного винесення бурового шламу та стійкості коронки. Отримано аналітичні залежності для визначення відносного винесення шламу як функції геометричних параметрів корпусу коронки на основі сучасних методів чисельного і фізичного моделювання, що дозволили науково обґрунтувати раціональні конструктивні параметри штирових коронок для буріння свердловин і забезпечити зниження спрацювання та підвищення швидкості буріння. Отримані автором аналітичні та експериментальні залежності дозволяють виконати інженерні розрахунки при створенні нового штирового інструменту підвищеної ефективності, спрацювання якого знижено в 1,5-1,7 разу й підвищено швидкість буріння до 1,6 разу.

Ключові слова: буровий інструмент, буріння свердловин, штирова коронка, винесення шламу, питоме спрацювання.

Хруцкий А. А. Обоснование конструктивных параметров штыревых коронок улучшенного выноса бурового шлама. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - горные машины. - Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2009.

Диссертация посвящена вопросам влияния геометрии штыревых коронок на процесс выноса шлама при бурении скважин погружными пневмоударниками. При использовании высокоэффективного штыревого породоразрушающего инструмента в процессе бурения необходимо своевременное удаление разрушенной породы из призабойной зоны для обеспечения высокой скорости проходки и стойкости инструмента. Поскольку оставшийся на забое буровой шлам подвергается вторичному измельчению, на что расходуется дополнительная энергия, отбираемая от процесса первичного разрушения породы. Особенно это важно при бурении скважин штыревыми коронками в породах средней крепости, когда крупность и количество бурового шлама возрастают в несколько раз. Одним из перспективных путей улучшения эффективности выноса шлама при бурении скважин является снижение завихренности потока очистного агента в призабойной зоне за счет выбора рациональных конструктивных параметров рабочей части корпуса штыревой коронки. Известные исследования влияния конструктивных элементов шарошечных долот и горных сверл на процесс очистки скважины показывают, что за счет выбора рациональных геометрических параметров бурового инструмента, возможно снизить износ бурового инструмента и увеличить скорость бурения. В то же время влияние конструктивных параметров штыревых коронок на процесс выноса шлама при бурении еще не достаточно исследован, а существующие методы расчета параметров очистки скважины основаны на обеспечении транспортировки шлама по стволу скважины потоком очистного агента без учета эффективности очистки призабойной зоны от частиц шлама. В результате проведенных аналитических и экспериментальных исследований получено новое решения актуальной научной задачи установление закономерностей и характера влияния конструктивных параметров штыревой коронки на процесс выноса шлама для их обоснования с целью снижения завихренности потока очистного агента и увеличения стойкости коронки. Предложены критерии, позволяющие вести комплексную оценку влияния конструкции штыревой коронки с точки зрения эффективности выноса шлама.

Разработанные автором аналитические и экспериментальные зависимости и графики позволяют выполнить инженерные расчеты при создании нового бурового инструмента с рациональными конструктивными параметрами, позволяющими снизить износ бурового инструмента в 1,5-2 раза и увеличить скорость бурения в 1,1-1,3 раза.

Полученные в диссертационной работе зависимости и методики расчета использованы при разработке новой штыревой коронки с улучшенным выносом шлама, износ которой снижен в 1,5-1,7 раза и повышена скорость бурения до 1,3 раза. При этом экономический эффект от внедрения составляет 142 тыс грн в год.

Ключевые слова: буровой инструмент, бурение скважин, штыревая коронка, вынос шлама, удельный износ.

Khrutskyi A. О. The substantiation of button bits structural parameters of upgraded slime carrying out. - Manuscript.

The thesis for the candidate of technical science degree by speciality 05.05.06 - Mining Machines. - Kryvyi Rih Technical University, Kryvyi Rih, 2009.

The thesis is devoted to the problem of geometry button bits influence on the slime carrying out process at hole drilling by down hole hammers.

A new solution of actual scientific problem of regularity determination and character construction parameters influence on the slime carrying out process for the substantiation with a view to reduce vorticity of treating agent stream and to increase the specific slime carrying out and bit strength were obtained as a result of analytical and experimental research which has been carried out.

The analytical and experimental dependences for determination of slime carrying out as function of geometric parameters of bit case on the basis of the modern methods of digital and physical modeling that allowed to substantiate the structural parameters of button bits for hole drilling for ensuring the reduction of wearing and the increase of drilling speed have been obtained.

Wearing out has been decreased by 1,5 - 1,7 times and speed of drilling has been increased up to 1,6 times.

Key words: drilling tool, button bits, hole drilling, slime carrying out, specific wearing.

Размещено на Allbest.ru

...