Радиус кривизны определяется характеристиками изгиба бурильная колонна и линия продукции и увеличивается с диаметром. Правило в промышленность имеет радиус кривизны 1,2 м на каждый миллиметр диаметра производственной линии (Руководящие принципы 1999 года). Угол входа бурильной колонны должен быть между 8° и 20° к горизонтали, при этом 12° считается оптимальным. Более мелкие углы могут уменьшить проникающие возможности буровой установки, в то время как более крутые углы могут привести к тому, что трудности с управлением, особенно на мягких почвах. Что касается строительства, то установки жестких дисков должны быть спланированы таким образом, чтобы обратно развёртывание и вытягивание для секции может быть завершено в тот же день, если это вообще возможно.

Это делается для того, чтобы уменьшить вероятность обрушения скважины с течением времени, а также сократить шансы, что труба "застрянет" во время отъезда. Два распространенных типа внутрискважинных рулевых инструментов, используемых в отрасли - уплотнительные головки и грязевые двигатели. Уплотнительные головки используются в неконсолидированных почвы и мягкие или среднеукрепленные почвенные условия (т.е. ил, глина, песок и мягкий песчаник). Чтобы пробурить прямую скважину, бурильная колонна поворачивается и толкается одновременно. Когда требуется коррекция направления вращения, вращение останавливается, а бурильная головка преимущественно ориентирована в стволе скважины. Затем вся колонна бурильных труб выталкивается буровой установкой вперед.

В качестве наклона на торце бурильной головки прижимается к почве, вся сборка отклонённый в нужном направлении. После коррекции рулевого управления вращение возобновляется до тех пор, пока не потребуется еще одна поправка. Грязевые двигатели, используются в почвенных условиях от твердой почвы до средней величины. скала (до прочности на сжатие 120 МПа). Эта система использует положительный двигатель перемещения, который генерирует крутящий момент и вращение на буровом долоте из потока выход грязевого насоса. Регулирование направления достигается за счет небольшого изгиба в сверле. струна, прямо за режущей головкой, которая выполняет ту же функцию, что и наклон на лицо уплотнительной головки.

Для безопасной установки и эксплуатации оборудования требуется достаточное пространство со стороны буровой установки. Необходимое рабочее пространство зависит от типа используемого оборудования. Для мини-установки может потребоваться рабочее пространство размером всего 9,8' x 16,4', в то время как для крупногабаритной установки для строительства перехода через реку требуется минимум 98' x 164' рабочей зоны. В дополнение к пространству, необходимому для самой буровой установки, обширное пространство на площадке для размещения бурильных труб, системы управления жидкостями, включая резервуары для смешивания, резервуары для хранения, возвратные резервуары и генераторы.

Для больших и сложных площадок нередки пространства длиной до 200 футов и шириной до 100 футов. Рабочее пространство, аналогичное размерам буровой установки, должно быть выделено со стороны трубы в случае необходимости перемещения буровой установки и попытки бурения с этого конца пересечения. Если это возможно, то пересечение следует планировать таким образом, чтобы бурение продолжалось вниз, позволяя буровому раствору оставаться в скважине и сводя к минимуму непреднамеренный возврат бурового раствора.

Должно быть выделено достаточное пространство, чтобы скомпоновать продуктопровод в одну нитку, что позволит оттянуть его обратно за одну непрерывную операцию. Соединения последовательных колонн во время оттяжки могут в значительной степени увеличивает риск неудачной установки.

В 1995 году была представлена система с механическим приводом через двойные бурильные трубы с усилием обратной тяги чуть более десяти тонн. В дальнейшем она была усовершенствована и стала наиболее эффективным инструментом для бурения скальных пород с помощью среднегабаритных установок ГНБ. В настоящее время система с постоянно модифицируемыми шарошками и пневмомолотами для ГНБ предлагает различные решения для направленного бурения скального грунта. Данный инструмент предназначен для буровых установок с усилием обратной тяги до 45 тонн [28]. Гидравлические забойные двигатели используются на больших моделях (более 45 тонн) для прокладки трубопровода в крепких горных породах, на длинных переходах под водными преградами и в работах с трубами большого диаметра. Рассмотрим основную технику, применяемую для бурения горизонтально направленным способом скважин с преодолением горных пород высокой твердости.

Технология ГНБ для небольших установок, прокладывающих именно коммуникации, получила свое развитие в середине 90-х. Тогда же производители инструментов и оснастки занялись разработкой различных буровых коронок для бурения в скальном грунте. Некоторые подрядчики занимались разработкой такого оборудования под свои нужды самостоятельно. Особенно это касалось тех подрядчиков, которые были заняты бурением на нефтепромысле.

Со временем в промышленности пришли к выводу, что способ бурения скальных пород с помощью гидравлического забойного двигателя является наиболее эффективным в сфере горизонтально направленного бурения [17]. Тем не менее, у небольших моделей для ГНБ отсутствовали необходимая мощность и производительность бурового насоса, необходимые для такого двигателя. Использование крупных буровых установок в условиях стесненной городской среды приводит к крайне низкой эффективности использования в связи невозможностью использования всего потенциала установки.

Не так давно широкое применение для бурения твердых скальных пород получили пневмолоты с прочностью на сжатие до 170 МПа. Ударное бурение обычно эффективнее, чем вращательное бурение, если говорить о твердых горных породах [32]. Молоток работает от подачи больших объемов сжатого воздуха. И еще большие объемы воздуха требуются для прочистки скважины. Сложности при извлечении грунта зачастую критически снижают производительность. Пневмомолоты используются как с обычным буровым оборудованием ГНБ с одинарными штангами, так и в моделях, оборудованных двойными штангами.

Рис. 2.2 Схема пневмомолота

Пневмомолот не подходит для проходки в мягких грунтах и не используется на длинных переходах. Пневмомолоты подходят для бурения пилотной скважины диаметром около 150 мм в скальных породах (более 100 МПа) и в определенных сверхтвердых породах (свыше 170 МПа). Минусы пневмомолота заключаются в сложности контроля направления в рыхлых средах, а также в трудноосуществимой очистке буровой скважины от шлама. Также стоит заметить минимальное ограничение диаметра скважин, так как предложенных на рынке конструкций пневмомолотов малого диаметра крайне мало.

В процессе бурения буровой раствор закачивается под давлением перед поступающим долотом. Буровая жидкость состоит из жидкости-носителя (обычно воды) и твердых частиц (глины или полимера). Бентонит - это глинистое вещество, которое обычно используется. Жидкость-носитель переносит твердые частицы вниз по стволу скважины, создавая по периметру скважины "жмых бурового раствора", таким образом, стабилизируя ствол скважины и снижая трение во время операции обратного вытаскивания. Буровые жидкости также функционируют в качестве охлаждающей жидкости для электроники на буровой головке, а также для подвешивания и транспортировки бурового шлама. к поверхности и снизить прочность почвы на сдвиг, чтобы облегчить смещение. во время операции по вытаскиванию.

Сбор и обработка буровых растворов и непреднамеренные возвраты были одной из наиболее обсуждаемых тем в сообществе ГНБ в Северной Америке в течение последних нескольких лет. С одной стороны, индустрия осознает необходимость не допускать попадания буровых растворов в водотоки, улицы и муниципальные канализационные линии. С другой стороны, новые жесткие правила, действующие в некоторых штатах, вынуждают подрядчиков, занимающихся ГНБ, увеличивать расходы на утилизацию буровых растворов.

Владельцам необходимо применять подход, учитывающий экологические аспекты, избегая при этом ненужных расходов и повышения темпов бурения. Буровые растворы и присадки, предназначенные для использования на конкретных работах, должны быть указаны в предложении и паспортах безопасности материалов, предоставляемых владельцу. Избыточный буровой раствор должен содержаться в выстланных ямах или прудах-отстойниках на выходе и на входе до тех пор, пока не будет утилизирован или удален с площадки.

Входные и выходные ямы должны иметь достаточный размер, чтобы в них можно было хранить ожидаемый возврат бурового раствора и отвалов. Методы, используемые при сборе, транспортировке и утилизации бурового раствора и отвалов, должны быть предусмотрены в документе о предварительной квалификации. Излишки буровых растворов должны утилизироваться в соответствии с местными предписаниями и правилами на утвержденном месте утилизации. При работе на загрязненном участке навозная жижа должна быть проверена на загрязнение и утилизирована в соответствии с государственными нормативами. Следует принимать меры предосторожности для предотвращения попадания буровых растворов на улицы, в люки, в санитарно-ливневые канализации и другие дренажные системы, в том числе ручьи и реки. Утилизация буровых растворов является приемлемой альтернативой. Подрядчик должен прилагать все усилия к тому, чтобы свести к минимуму количество буровых растворов и бурового шлама, пролитого в ходе буровых работ, и обеспечить полную очистку от всех переливов или разливов бурового раствора.

Фирма AtlasCopco производит весьма эффективные бесклапанные пневмоударники повышенного давления типа СОР 32, СОР 42, СОР 52, СОР 62 с целью бурения скважин с диаметром от 80 до 160 мм. Помимо этого фирма Sandvik выпускает пневмоударники Mission и Silverdrill с целью бурения скважин диаметром от 90 до 508 мм.

Процесс ударно-вращагельного бурения пневмоударниками рекомендован при проходе скважин глубиной до 100-250 м для разведки как коренных так и россыпных различных месторождений металлов и алмазов, полиметаллов, источников водоснабжения, в регионах, где распространены многолетнемерзлые горные породы, а также при поглощении промывочной жидкости.

Управление может показаться сложным, если используются одинарные штанги и пневмомолот со скошенной коронкой. Не так давно функцией пневмомолота были оснащены системы ГНБ с двойными штангами. Такие системы показали хорошую производительность с изгибом первой штанги для обеспечения управления и внутренней штангой для обеспечения вращения пневмомолота.

Гидравлические забойные двигатели приводятся в действие с помощью бурового раствора, подаваемого через бурильные трубы на мотор, который превращает силу потока жидкости в силу вращения и крутящего момента. Забойные двигатели используются для бурения на нефтепромыслах с 1920-х годов. Обычно забойные двигатели для ГНБ вместе с большими буровыми установками используют подрядчики, работающие с длинными и сложными скважинами в твердых породах. Не так давно для направленного бурения были разработаны двигатели для установок с меньшей производительностью бурового насоса [18].

Рис. 2.3 Гидравлический забойный двигатель

Невысокая эффективность забойных двигателей ограничивает мощность скважинного инструмента и требует нагнетания большого количества бурового раствора, что может обеспечить не каждая малогабаритная установка ГНБ. Высокое давление бурового раствора, необходимое для эффективной работы, может привести к разрушению скважины и выбросу буровой жидкости в окружающую среду через поверхность грунта или же в воду при бурении через водную преграду.

Забойный двигатель представляет собой гидравлический мотор, соединенный с буровой штангой. Буровая жидкость приводит в действие мотор и, соответственно, буровую шарошку. Буровая штанга в свою очередь обеспечивает управление, направленность и вращение всей колонны. Инструмент из-за большой длины и малой жесткости управляется в скважине с некоторой погрешностью, что ограничивает применение данного способа при высоких требованиях к заданной проектной траектории.

Модифицированные скошенные буровые коронки наиболее эффективны при работах в твердом грунте, грунте со скальными включениями и в рыхлых горных породах. Существует огромное множество головок для бурения твердых пород в различных конфигурациях для малых и больших буровых установок. Они есть в арсенале многих производителей бурового инструмента для ГНБ.

Рис. 2.4 Инструмент для ГНБ

Скошенные лопатки с модифицированными резцами зачастую являются самым приемлемым вариантом для работ в плотном, твердом грунте и скальных породах. Существует масса конструкций со съемными твердосплавными резцами для ударного и вращательного способов разрушения грунта [38]. Однако работа с ними кардинально отличается от работы в мягких грунтах. Буровой инструмент управляется с помощью «резания» отверстия, то есть методом поступательных полукруговых движений бура туда-обратно, стачивающих породу для отклонения в сторону необходимого направления. В зависимости от структуры грунта работы могут сильно замедлиться. Для выполнения таких работ следует назначить квалифицированного и опытного оператора. Облегчить его труд могут функции автоматического управления «резанием», которыми снабжены некоторые современные буровые установки.

Механические буровые системы с двойными штангами обеспечивают средние модели для ГНБ с обратной тягой от 13 до 45 тонн. Они обладают производительностью, достаточной для бурения в каменистых породах, что недоступно обычным установкам со схожими характеристиками. Системы с механическим мотором имеют внутреннюю штангу, которая приводит в движение породоразрушающий инструмент, а внешняя штанга обеспечивает управление. В отличие от гидравлического забойного двигателя зонд локации механической системы располагается в буровой головке (первой штанге), а не на расстоянии 4-5 метров от нее, что является стандартным расположением для забойного двигателя. Благодаря механической системе есть возможность обеспечить высокую мощность бурения и направление в самых неблагоприятных грунтах [39].

Если машина ГНБ оснащена механической системой, это значит, что каменистая почва не станет преградой для проведения направленного бурения, как это было ранее. В настоящее время механические системы бурения скальных пород предлагаются двумя производителями, и их продукция имеет существенные различия. К недостаткам данной системы можно отнести высокую стоимость оборудования, так как производстве данных систем практически отсутствует конкуренция. Производителя данного оборудования является компании Ditch Witch и TractoTechnik. Также нигде нет информации и упоминаний о эксплуатационных характеристиках данных систем.

Кроме скального грунта, механические системы эффективны при работах в глине и в других типах почвы. Ход бурения не изменится, если каменистый грунт сменится на мягкий грунт. Грунт вперемешку сщебнем является одним из самых неудобных сред для направленного бурения, так как изменить направление бурения в такой почве крайне сложно. Также не является исключением и система бурения с двойными штангами при прокладке коммуникаций в подобных условиях возможно отклонение от заданной траектории.

С развитием технологии ГНБ и насыщением его современными решениями значительно расширяются области его применения, что делает более актуальными эффективные использование данного метода разрушения крепких пород.

2.2 Конструкция ударного механизма

Наличие пород высокой твердости может стать неожиданным сюрпризом, благодаря которому может стать затруднительным работа по бурению пилотной скважины по заранее заданной траектории. В связи с этим, на основе анализа существующих механизмов разрушения горных пород, предлагается гидравлическое устройство, позволяющее формировать в бурильной колонне силовые импульсы. Данный способ разрушения заключается в прохождении силового импульса по бурильной колонне с высокой скоростью и передачи энергии к буровому инструменту находящегося в зоне разрушения горных пород [4,11,31]. Конструкция и принцип работы гидроимпульсного механизма для горизонтально направленного бурения приведены на рисунке 2.5.



Рис. 2.5 Ударный механизм для установки ГНБ: 1 - плунжерный насос; 2 - механический привод; 3 - плунжер; 4 - гидроцилиндр; 5 - рукав РВД; 6 - корпус; 7 - пружина сжатия; 8 - инерционная масса; 9 - поршень; 10 - хвостовик бурильной колонны; 11 - бурильная колонна; 12 - направляющая рама станка

При работе плунжерного насоса 1, при помощи кривошипно-шатунного механизма 2 происходит возвратно-поступательное движение плунжера 3, тем самым повышая импульсное давление в гидроцилиндре 4. Сформированный силовой импульс через упругий элемент, в данном случае упругим элементом выступает рукав РВД 5, передается в рабочую камеру, воздействуя на инерционную массу 8. Так как на инерционную массу 8 действует упругая сила пружины 7, начинается преобразование кинетической энергии в энергию жидкости потенциальную. Данные преобразования приводят к переменному понижению и снижению рабочего давления системы. Сформированная энергия действует на поршень 9, который жестко соединен с хвостовиком бурильной колонны 10. Направляющая балка 12 представляет собой раму установки ГНБ, данное расположение ударного механизма позволяет перемещать его в пределах рабочей зоны рамы станка, например при помощи цепной передачи. То есть на установке имеется некоторый механизм подачи для осуществления осевого усилия на забой.

Все поверхности, подвергшиеся воздействию работ, должны быть приведены в состояние предварительной подготовки. Критерии проведения реставрационных работ должны быть аналогичны тем, которые применяются при традиционных открытых раскопках. Технические характеристики должны быть разработаны таким образом, чтобы возложить на подрядчика ответственность за повреждения, связанные с оседанием/углублением, которые могут возникнуть вдоль траектории бурения. Рекомендуемый гарантийный срок на все повреждения поверхности составляет 24 месяца после завершения проекта.

Подрядчик, как правило, всегда обязан предоставить комплект чертежей, включающий в себя как выравнивание, так и профиль. Эти чертежи чаще всего составляются по фактическим показаниям, полученным в полевых условиях. Сырые данные должны быть доступны для представления в любое время по запросу владельца. В рамках документа "по мере строительства" подрядчик должен указать используемое оборудование для отслеживания, включая метод или подтверждающую процедуру, используемые для обеспечения сбора данных.

Преимущества наклонно-направленного бурения, такие как снижение помех для движения транспорта и бизнеса и устранение затрат на восстановление, делают эту технологию привлекательной альтернативой открытой выемке грунта при прокладке трубопроводов и трубопроводов в перегруженных городских районах. Существует множество преимуществ использования ГНБ для прокладки новых подземных трубопроводов. Основным преимуществом является возможность установки трубопроводов с экстремальной точностью в условиях загруженности городских территорий. Точность не уступает традиционному горизонтально-направленному бурению, однако строительная площадь, связанная с ГНБ, меньше. Кроме того, горизонтально-направленное бурение является менее дорогостоящим и менее интенсивным с точки зрения технологии по сравнению с традиционными методами открытого бурения.

Еще одним преимуществом технологии пилотной трубы является возможность использования процесса домкрата пилотной трубы в разведочных процессах. Пилотные трубы могут быть заглублены через предлагаемое выравнивание для определения пригодности грунта для установки последующих обсадных колонн и шнеков. При возникновении сложных грунтовых условий пилотные трубы могут быть убраны, и может быть предложено альтернативное выравнивание. Однако ГНБ не безграничны и не столь универсальны, как традиционное горизонтально-направленное бурение, когда речь идет о грунтовых условиях, в которых оно может применяться. Грунты с количеством продувок, превышающим N-значение 50, как правило, слишком твердые для стандартного метода проходки и вытеснения и требуют использования пневматического молотка для выполнения установки. Булыжники и валуны диаметром более 4 дюймов также создают трудности для продвижения, а также проблемы с поддержанием точной установки. При продвижении через рыхлый песок могут возникнуть проблемы со стабильностью, но при наличии достаточной смазки для снижения развития трения и поддержания стабильной скважины, возможна установка в рыхлый песок. Песок ниже уровня грунтовых вод также создает трудности.

Поскольку вторая фаза ГНБ предполагает продвижение обсадной колонны с открытой поверхностью и шнековым способом устранения загрязнения, приток песка и воды в обсадные колонны может привести к проблемам со стабильностью и чрезмерному оседанию грунта выше уровня выравнивания ствола скважины. Проблемы также присутствуют и в ГНБ. Имеющееся рабочее пространство имеет решающее значение для любой операции по наклонно-направленному бурению из-за наличия необходимого оборудования для завершения буровых работ и строительства буровых/наливных скважин, необходимых для выполнения такой установки. В процессе проектирования было использовано минимальное рабочее пространство 100' x 150' как для запуска, так и для приема бурового раствора, как это рекомендовано отраслевым стандартом. Согласно стандартам это минимальная площадь, необходимая для размещения всего оборудования и проведения буровых работ.

Еще одним сдерживающим фактором при использовании бестраншейных методов является снижение потребности в рабочей силе. Как правило, бестраншейные методы требуют меньшего количества рабочих благодаря применению технологий и сокращению потребностей в восстановлении поверхности. Города не могут позволить себе потенциальное массовое увольнение рабочих из строительных компаний в стране с высоким уровнем безработицы. Использование новых строительных технологий сопряжено со стартовыми затратами. Большинство китайских подрядчиков неохотно покупают оборудование для первоначальных проектов или демонстраций на "случай" утверждения бестраншейного проекта. Необходимо также проводить обучение рабочих работе с оборудованием. В Китае, например, иностранные производители оборудования обычно не имеют на складе достаточного или полного ассортимента оборудования, оснастки и аксессуаров для обслуживания потенциальных проектов из-за высоких импортных пошлин, расходов на хранение и техническое обслуживание. Кроме того, существуют дополнительные затраты на привлечение иностранных техническую экспертизу для обслуживания таких проектов. Эти вопросы создали трудные препятствия для входа для подрядчиков.

Форма и амплитуда ударного импульса на штанге, зависящий от положения хвостовика в установке бурения и наличия возможности беспрерывной подачи энергии в большей степени влияет на разрушение твердых горных пород, чем усилие подачи.

Создание в штанге продольного ударного импульса и импульсного момента отдельными ударными механизмами нерационально из-за сложности устройств, для обеспечения синхронной работы механизмов и самого генератора импульсных моментов. Аппаратура, формирующие во тот или иной-или приборах в то же время импульсионный крутящийся период также осевой результативный толчок, подвергаются напряженному сносу во области контакта из-за присутствия существенных сдвиговых усилий.

Снижение коэффициента трения между и стенками скважины является важнейшим обстоятельством, которые во многом определяет повышение эффективности процессов бурения и значительное улучшение работы бурильной колонны при существовании высокочастотной вибрации на установку [21].

Рис. 2.6 Схематичная модель ударного механизма

К преимуществам данного ударного механизма можно отнести ряд факторов:

- отсутствие соударяющихся частей;

- возможность самонастройки системы по величине амплитуды

- низкий уровень шума при работе;

- высокая теплостойкость;

- возможность применения минеральных масел и эмульсий.

График силового импульса, подтверждающий работоспособность данной компоновки приведен на рисунке 2.7.



Рис. 2.7 График формирования силового импульса

Присутствие результативно-поворотном бурении распад высокой породы совершается около воздействия результативной перегрузки также вращающего этапа в то же время, но среди ударов только лишь около воздействием вращающего этапа также аксиального действия. Формирование во штанге долевого результативного импульса также пульсирующего этапа раздельными результативными приспособлениями нецелесообразно с-из-за трудности приборов, с целью предоставления одновременной деятельность элементов также наиболее генератора пульсирующих факторов. Аппаратура, формирующие во тот или иной-или приборах в то же время импульсионный крутящийся период также осевой результативный толчок, подвергаются напряженному сносу во области контакта с-из-за присутствия существенных сдвиговых усилий.



3. Расчёты и аналитика

3.1 Моделирование

Проведя оценку работы ударного механизма, удалось выяснить, что наиболее высоким нагрузкам при работе установки ГНБ подвергается рукав высокого давления, являющийся упругим элементом. Однако исследования по его долговечности были проведены в работах [24, 30]. Следующим элементом является цилиндрическая пружина сжатия, которая участвует в создании колебаний давления для формирования силовых импульсов. Сила, действующая на активную массу, отклоняет ее, тем самым вызывая упругую деформацию пружины. Таким образом, проанализировав ранее проведенные исследования по испытанию ударного механизма, не было выявлено результатов исследования показывающих долговечность данной детали. В связи с этим была построена 3D модель ударного механизма в программе SolidWorks и проведено имитационное моделирование долговечности пружины при воздействии на нее импульсов давления. Имитационное моделирование проводилось в программной среде Solid Works в расширении Simulation. Для начала необходимо рассчитать предельную нагрузку, которая может воздействовать на активную массу, по формуле 3.1 проведем расчеты:

?? = ?? • ?? = 117750 Н (3.1)

где P - давление в системе;

S - площадь активной массы.

Давление необходимое для формирования необходимого импульсного давления должно составлять от 15 до 20 МПа. Площадь активной массы составляет 0,00785 м². Так как работа ведется в масляной среде, коэффициент 56 трения крайне мал, в связи с этим не будем принимать его в расчет. Таким образом, составим решающую программу и проведем нагружение пружины.

Рис. 3.1 Напряжения пружины

Анализируя полученные результаты можно увидеть, что пружина имеет достаточный запас прочности. Следующим шагом для проведения исследований является проверка на усталостное разрушение. Полученные результаты приведены на рисунке 3.2

Рис. 3.2 Срок службы пружины при нагрузке

Полученные результаты занесены в таблицу в 3.1.

Таблица 3.1

Результаты исследований

По построенным данным получена графическая зависимость на рис. 3.3

Рис. 3.3 Срок службы пружины при нагрузке

На основании анализа можно сделать вывод, что значение в 8 • 10⁷ циклов является хорошим результатом, что свидетельствует о правильном выборе параметров механизма. Очень часто в работе механизма усматриваются значительные нагрузки, которые могут возникнуть, из-за пульсации давления, что значительно уменьшит срок службы важного узла ударного механизма.

Разделим механизм, приведенный на рисунке 2.4, на основные узлы и подробнее рассмотрим влияние каждого узла на механизм отдельно. Ударный механизм для установки горизонтально направленного бурения можно условно разделить на 4 узла [11]: a. Плунжерный насос; b. Упругий элемент, выступает рукав высокого давления; c. Гидроцилиндр; d. Колебательный контур с инерционной массой. Далее для построения математической модели необходимо рассчитать параметры, оказывающие значительное влияние на работу механизма в целом. Также хотелось бы отметить еще одно преимущество данного устройства, она заключается в использовании стандартных узлов и материалов, соответственно значительно снижает его конечную стоимость. Конечно, некоторую механическую обработку деталей необходимо провести, но это значительно снижает временные и экономические затраты.

3.2 Выбор и обоснование параметров насоса

Основным элементом ударного механизма является плунжерный насос, так как именно он повышает в давление системе за счет сжатия рабочей жидкости. Для обеспечения эффективном работы механизма требуется значительное давление и высокая герметичность. Таким требованиям соответствуют плунжерные насосы, они способны создавать давление в системе от 10 до 100 МПа, при этом практически предотвращаются утечки рабочей жидкости из-за маленького диаметрального зазора в плунжерной паре, составляет от 3 до 10 мкм. Данный вид насоса подходит для применения в системе ударного механизма в качестве пульсатора [34]. Основными параметрами, при выборе насоса для ударного механизма на которые стоит обратить внимание является диаметр плунжера, ход плунжера и рабочий объем камеры. Данные по длине хода плунжера приняты из работы.

3.3 Обоснование выбора рукава РВД, пружины сжатия и активной массы

При выборе нелинейного упругого элемента стоит ориентироваться на строение и назначение. Определенный вид рукавов способен выдерживать давление до 70 МПа. Для проведения математического моделирования необходимо выбрать длину рукава, его диаметр, выбрать нужно по построенной упругой характеристике в работе [27], график приведен на рисунке 3.4

Рис. 3.4 Зависимость объемного расширения РВД от уровня давления в системе

Согласно итогам проведенного эксперимента, показанного в работе [27], протяженность рукава РВД является 0,95 м, диаметр 20 мм, помимо этого, объем составляет 265 см3, представленные данные будут использованы для дальнейшего расчета коэффициента упругости рукава. Расчет будем производить по формуле:

??рвд = ??р/??р = 265 0,105 = 2523,8 • 10?6Па/м³ (3.2)

где ??р- объем рукава;

??р - модуль упругости приведенный.

В исследуемом ударном механизме, предназначенном для разрушения крепких горных пород, в совокупности с пружиной используется активная масса, предназначенная для формирования импульсов давления. Данный параметр имеет большой диапазон регулирования, от 20 до 200 кг [5]. В связи с этим будет использован большой диапазон массы, так как данный параметр оказывает значительное влияние на работу всего механизма. При пульсации давления происходят возвратно-поступательные движение массы относительно стенок гидроцилиндра, тем самым возникает коэффициент трения. При составлении математической модели данный параметр необходимо указать. Для расчетов сил трения в гидравлических устройствах, принимают значение от 0,05 до 0,2, это коэффициент трения для резиновых уплотнительных колец [10].

Согласно структурной схеме ударного механизма для установки ГНБ, приведенной на рисунке 3.5, составим принципиальную схему для проведения математического моделирования [19, 22].



Рис. 3.5 Схематическая модель работы механизма

Коэффициенты используемые для построения математической модели: где ?? - принята как угловая скорость; Х1, Х2 - перемещение; ??пл - площадь плунжера; СРВД - упругость рукава РВД; ??подж - сила поджатия; Р - давление в системе; Спр - жесткость пружины; ??тр - сила трения о стенки; ???? - сила инерции; ???? - сила упругости пружины; ??вяз. жид. - вязкое сопротивление жидкости; ?? - эксцентриситет; ?? - угол поворота; М - крутящий момент.

На рисунке 3.6 приведена расчетная схема ударного механизма, на основании которой будет проводиться математическое моделирование работы ударного механизма для горизонтально направленного бурения. Необходимо рассмотреть более подробно какие силы действуют, перед появлением нагрузки масса m поджата, через пружину сжатия, силой предварительного сжатия ??подж, после этого, в данную систему начинают поступать импульсы давления P, воздействующие на инерционную массу m, которая совершает поступательное перемещение X2, тем самым на массу m действует сила трения о стенки корпуса гидроцилиндра и сопротивлением вязкости жидкости.



Рис. 3.6 Расчётная схема ударного механизма

Во время вращения привода плунжерного насоса возникает крутящий момент М, он в свою очередь вращает шатун на угол ??. Шатун равноудален от центра на расстояние e, далее это расстояние будет принято за эксцентриситет. Тем самым происходит перемещение X1 плунжера равное величине хода плунжера, так как плунжерная пара является прецизионной, условно не будем учитывать наличие трения в данном механизме, так как оно пренебрежимо мало. При 66 возвратно-поступательном движении плунжера жидкость поступает в рукав РВД, тем самым деформируя его, что приводит к увеличению рабочего объема. Сила ???? препятствующая деформации рукава действует на плунжер насоса, создавая препятствующую нагрузку.



Рис. 3.7 Расчётная схема гидропульсатора

Из составленных расчетных схем составим уравнения для построения и исследования математической модели ударного механизма. Первым шагом определим нагрузки действующие в начальный момент [20]. Первой нагрузкой является сила поджатия:

??подж = ?????????? (3.4)

Сила равна постоянному значению. Величина данного параметра будет определена в ходе проведения исследования. Для движения плунжера необходим крутящий момент М, за счет которого будет преобразовано вращательное движение маховика в поступательное движение плунжера. Для отслеживания положения плунжера используется угол поворота шатуна ??, таким образом, получается уравнение:

??р?? = М ? ???? ? ???? • ???????? • ?? (3.5)

Разложим действующие силы на составляющие:



(?? • ?? 2 )?? = М ? ?? • ?? ? ?? • ??пл • ???????? • ?? (3.6)

Выразим угол поворота момента инерции для проведения интегрирования:

?? = ?????•?????•??пл•????????•?? ??•?? 2 (3.7)

Следующим шагом определим:

??подж = ??вяз + ??тр + ??с+??р + Р + ???? (3.8)

Разложим на составляющие параметры каждой силы:

??подж = ?? • ?? + ??тр + ?? • ??2 + ?? • ?? + ?? • ?? (3.9)

Выразим ускорение активной массы m, для интегрирования:

?? = ??подж???•?????тр???•??2???•?? ?? (3.10)

Рассчитаем собственную частоту системы, на основании экспериментальных данных проведенных в работе [27]. Расчет будем производить по формуле 3.11:

68 ?? = v С ?? = 24 Гц (3.11)

где С - жесткость пружины;

m - активная масса.



3.4 Результаты моделирования

На рисунках 3.8 - 3.10 приведены графики, полученные в результате математического моделирования ударного механизма в программной среде Matlab.

Рис. 3.8 График зависимости уровня амплитуды импульса

На рисунке 3.8 изображен график, который отображает зависимость влияния массы на уровень амплитуды силового импульса, который в дальнейшем передается к головке. Таким образом, можно сказать, что 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Амплитуда. мм Активная масса, кг 69 график имеет нелинейную зависимость, значительные изменения в величине амплитуды происходят в диапазоне от 7 до 20 кг, с увеличением, так как последующее увеличение, активной массы свыше 25 кг, наблюдается незначительное влияние на величину амплитуды. Данным параметром можно регулировать режим работы механизма, тем самым смещая его работу в зарезонансную область, где наблюдается наибольшая эффективность работы ударного механизма.

Рис. 3.9 График формирования импульса ударного механизма

На рисунке 3.9 показан временной график появления импульса, с коэффициентом жесткости пружины, который 38253 Н/м. Проведя анализ сигнала сформированного импульса можно сделать вывод, что значительная доля импульса, также передний фронт формируется спустя 0,2 с, по истечении которых можно наблюдать снижение производительности полученных импульсов. Далее, чтобы определить влияние жесткости пружины на амплитуду формируемого импульса.



Рис. 3.10 Влияние жесткости пружины и величины поджатия на амплитуду импульса

График, приведенный на рисунке 3.10 отображает зависимость амплитуды формируемого импульса от жесткости пружины сжатия и величину предварительного поджатия. Так по полученным данным можно сделать вывод, что при величине предварительного поджатия равном 1100 Н и жесткости пружины 50 кН/м величина амплитуды максимальна, вследствие чего данные параметры являются приоритетными. Согласно итогам проделанного математического моделирования ударного механизма, которое используется как источник силовых импульсов для разрушения породы способом горизонтально направленного бурения, на основании чего можно заключение, что главными параметрами, которые оказывают наибольшее влияние на процесс работы механизма, это жесткость пружины, активная масса и предварительное сжатие пружины. Изменение данных параметров позволяет добиться желаемого результата в формировании силовых импульсов.



Заключение

В данной работе было предложено решение задач, связанных с работой установки для горизонтально направленного бурения в неблагоприятной среде твердых пород путем использования механического устройства способного в некоторой степени повысить как качество, так и эффективность работы установки. В результате проделанного анализа и исследования был решен ряд задач, и получены следующие результаты:

- проведена оценка существующей литературы и патентов техники, используемой в процессе горизонтально направленного бурения;

- проведена оценка и анализ основных производителей оборудования для горизонтально направленного бурения, наиболее широко представленных на рынке России;

- предложена принципиальная схема модели ударного механизма для работы в неблагоприятных условиях;

- получена математическая модель ударного механизма, составлены графические зависимости, отображающие основные параметры;

- разработаны рекомендации по выбору и применению механизма формирования силовых импульсов в процессе работы комплекса для горизонтально направленного бурения.



Список использованных источников

1. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика): Технический учебник-справочник - М.: ПрессБюро №1, 2005. 304 с.

2. Willoughby D. Horizontal Directional Drilling (HDD): Utility and Pipeline Applications (Civil Engineering). 1 ed. New York: McGraw-Hill Professional, 2005.400 p.

3. Калинин А.Г., Никитин Б.А., Солодский К.М., Султанов Б.З. Бурение наклонных и горизонтальных скважин: Справочник; Под ред. А.Г. Калинина. М.: Недра, 1997. 648 с.

4. Саруев Л.А., Шадрина А.В., Саруев А.Л., Васенин С.С., Пахарев А.В. Перспективы развития технологии и техники горизонтальнонаправленного бурения пилотных скважин для бестраншейной прокладки трубопроводов // Известия Томского политехнического университета. Томск. №4, 2019. с. 89-97.

5. Казанцев А.А., Саруев Л.А., Повышение эффективности вращательноударного бурения скважин малых диаметров: монография. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011. 113 с.

6. Шадрина А.В., Саруев Л.А., Саруев А.Л. Разработка новых соединений труб для бурения опережающих скважин при проходке тоннелей и прокладке в них газонефтепроводов // Нефтяное хозяйство. 2011. № 2. с. 35-36.

7. Stangl G.A., Levings R.B. Horizontal Directional Drilling (HDD) systems for pilot bore drilling in mixed soil conditions and rock // Proc. of 30 International No-dig Conference and Exhibition. No-Dig Sao Paulo, 2012. p. 205-212.

8. Najafi M. Trenchless Technology Pipeline and Utility Design. Construction and Renewal. Michigan: McGraw*Hill, 2005. 489 p.

9. Данилов Б.Б. Пути совершенствования технологий и технических средств для бестраншейной прокладки коммуникаций // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2007. № 2. с. 69-75.

10. Дерюшева В.Н. Модели пневмогидравлического ударного узла с учетом свойств формирователя импульса и нагрузки: автореферат канд. техн. наук. Томск, 2009. 19 с.

11. Шадрина А. В. Теоретические и экспериментальные исследования волновых процессов в колонне труб при бурении скважин малого диаметра из подземных горных выработок: Дисс. … доктора технических наук: спец. 25.00.14/ А. В. Шадрина; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ); науч. конс. Л. А. Саруев. Защищена 05.09.2014 г. Томск: 2014.

12. Александров, Е. В. Исследование взаимодействия инструмента и горной породы при ударном разрушении [Текст] / Е. В. Александров, В. Б. Соколинский. М.: ИГД им. А.А. Скачинского. 1965. 46 с.

13. Алимов, О. Д. Распространение волн деформаций в ударных системах[Текст] / О. Д. Алимов, В. К. Манжосов, В. Э. Еремьянц. Фрунзе: Илим 1978.196 с.

14. Алимов, О. Д. Метод расчета ударных систем с элементами различной конфигурации [Текст] / О. Д. Алимов, В. К. Манжосов, В. Э. Еремьянц. Фрунзе: Илим, 1981. 72 с.

15. Андреев, В. Д. Расчет передачи энергии ударного импульса через инструмент в породу [Текст] / В. Д. Андреев // Горный породоразрушающий инструмент. Киев: Техника, 1969. С. 71 - 79.

16. Авторское свидетельство. 727419. Гидравлический силовой механизм / В.Ф. Горбунов, П.Я. Крауиньш, Л.А, Саруев, В.А. Барашков // Бюл. № 14. 1980.

17. Батуев Г. С. Инженерные методы исследования ударных процессов /Г. С. Батуев, Ю. В. Голубков, А. К. Ефремов, А. А. Федосов. М.:Машиностроение, 1977. 240 с.

18. Буровое оборудование // Режим доступа: http://www.rudgormash.ru,

19. Гандер В., Гржебичек И. Решение задач в научных вычислениях с применением Maple и MATLAB.М: Изд-во «Вассамедина», 2005. 520 с

20. Дворников, Л. Т. Исследование влияния длительности и амплитуды ударного импульса на эффективность процесса бурения [Текст] / Л. Т. Дворников, Б. Т. Тагаев // Тр. ФПИ. Фрунзе. 1977. Вып. 104. С. 62 - 69.

21. Жуков И.А. Модернизация конструкций бойков погружных пневмоударников // Journal of Advanced Research In Technical Science. 2016.№3. С. 76-80.

22. Коткин, Г. Л., Черкасский В. С. Компьютерное моделирование физических процессов с использованием MATLAB: Учебное пособие.Новокузнецк: Кузбассвузиздат, 2004. 376 с.

23. Импульсные технологии и гидравлические ударные механизмы: учеб. пособие для вузов /Л.С. Ушаков. Орел: ОрелГТУ, 2009. 249 c.

24. Новосельцева М. В. Исследование системы формирования и передачи импульса для разрушения горной породы / М. В.Новосельцева; науч. рук. Л. А. Саруев, Е. Н. Пашков // Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин - Томск: Изд-во ТПУ, 2014. С. 405 -409.

25. Горбунов, В. Ф. Импульсный гидропривод горных машин / В. Ф.Горбунов, А. Г. Лазуткин, Л. С. Ушаков ; [отв. ред. М. С. Сафохин]. Новосибирск Наука, Сиб. отд-ние, 1986. 195 с.

26. Нескоромных В.В. Теоретические и экспериментальные исследования основ механики разрушения горных пород в процессе формирования стволов скважин заданного направления и кривизны: Автореф. дис. докт. техн. наук. Иркутск, 1998. 38 с.

27.Новосельцева М. В. Имитационное моделирование гидроимпульсного механизма в MATLAB / М. В. Новосельцева, И. А. Массон // Современное состояние и проблемы естественных наук: сборник трудов II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов - Томск: Изд-во ТПУ, 2015. С. 302-305.

28.Рындин В.П. Определение энергетических параметров и совершенствование динамики ударных систем бурильных машин: Диссертация докт. техн. наук. Кемерово, 2005. 330 с.

29.Сулакшин С.С. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учебник / С.С. Сулакшин, П.С. Чубик; Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 367 с.

30.Белов А.И. Исследование динамики бурильных машин ударного действия и разработка гидравлического вибродемпфирующего устройства. Автореф. дис. канд. техн. наук. - Томск., 1982. - 19 с.;

31.Саруев А.Л. Результаты экспериментальных исследований передачи силовых импульсов по ставам буровых штанг. Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых: Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. КГАЦМиЗ. - Красноярск: Издво. КГАЦМиЗ, 1999. - С. 31;

32.Шелковников И.Г. Использование энергии удара в процессах бурения. М.: Недра, 1977. - 160 с.;

33.Алимов О.Д. Влияние параметров ударного импульса на эффективность разрушения горной породы / О.Д. Алимов, А.Ф. Лисовский // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. 1973. №5. С. 62-64.

34.Алимов О.Д. Исследование эффективности формы ударного импульса привращательно-ударном бурении шпуров / О.Д. Алимов, И.Д. Шапошников, Л.Т. Дворников // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1971. №5.

35.Ветюков М.М. Теоретические расчеты параметров ударных систем «поршень-боёк-штанга» / М.М. Ветюков, Д.А. Юнгмейстер, В.А. Пивневи др. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. №7. С. 329-330.

36.Гилёв А.В. Моделирование ударных нагрузок при бурении сложноструктурных горных массивов / А.В. Гилёв, А.О. Шигин //Фундаментальные исследования. 2012. №11-1. С. 120-123.

37.СТО НОСТРОЙ 2.27.17-2011 Прокладка подземных инженерных коммуникаций методом горизонтального направленного бурения. М.: Национальное объединение строителей, 2011. 145 с.

38.Bennett D. Horizontal Directional Drilling Good Practices Guidelines, Liverpool, NY: North American Society for Trenchless Technology, 2008. 118 p.

39.Подземные горизонты// Режим доступа: http://www.techinformpress.ru/index.php/arkhiv/podzemnye-gorizonty.

40.Горизонтально направленное бурение (ГНБ) -- технология, методы, оборудование// Режим доступа: http://tcs-group.ru/tehnologii/gnb.

41.Еремьянц В.Э. Влияние формы ударного импульса на процесс взаимодействия инструмента с обрабатываемой средой / В.Э. Еремьянц. Фрунзе: Илим, 1981. 60 с.

42.Казанцев А.А. Повышение эффективности передачи энергии ударных импульсов по ставу штанг при бурении скважин малых диаметров: автореф. дисс. кан. тех. наук. / Казанцев Антон Александрович.Кемерово, 2009. 19 с.

43.Крауиньш П.Я. Формирование ударного импульса в зависимости от исполнения промежуточной полости пневмогидравлического ударного узла/ П.Я. Крауиньш, В.Н. Дерюшева // Известия Томского политехнического университета. 2009. №315(2). 178-182.

44.Злотникова Л.Г. Финансовый менеджмент в нефтегазовых отраслях: учебник. М.: Нефть и газ, 2005. 452 с.

45.Менеджмент: учебник / В. Р. Веснин. 4-е изд., перераб. и доп. Москва: Проспект, 2012. 613 с.

Размещено на Allbest.ru

...