Исследование эффективности передачи силовых импульсов по колонне бурильных труб к разрушаемой горной породе (на примере гранита) Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© A.B. Шадрина, 2012

А.В. Шадрина

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ПО КОЛОННЕ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ К РАЗРУШАЕМОЙ ГОРНОЙ ПОРОДЕ (НА ПРИМЕРЕ ГРАНИТА)

Приведены результаты экспериментальных исследований и оценка эффективности разрушения гранита при воздействии на колонну бурильных труб (штанг) силовых импульсов, сформированных при различных параметрах удара: весе, длине, предударной скорости бойка Ключевые слова: бурильная колонна, боек, силовой импульс, энергоемкость.

При бурении скважин в породах У1-Х категорий по буримости (средней твердости и выше, коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову от 8 до 16) для повышения эффекта разрушения горной породы используют вращательно-ударный способ бурения, который применяется для сооружения скважин самых различных назначений, глубин и диаметров, особенно малых (40 — 70 мм), проводимых из подземных горных выработок.

Как известно, уменьшение диаметра скважин является одним из важнейших направлений технического прогресса в бурении скважин, позволяет снизить металлоемкость и энергоемкость производственного процесса, увеличить производительность труда и, в конечном итоге, сократить сроки и себестоимость работ.

В настоящее время проходка скважин в твёрдых породах осуществляется, в основном, погружными пневматическими и гидравлическими ударными машинами. Однако анализ существующего бурового оборудования и практика показывает, что создать высокопроизводительный и надёжный пневмоударник диаметром менее 75 мм практически невозможно из-за технических трудностей.

В горнодобывающей отрасли накоплен значительный опыт в плане применения машин с мощными ударными механизмами, расположенными вне скважины и с независимым от ударного механизма вращением колонны бурильных труб [1].

В практике геологоразведочного бурения скважин малого диаметра по твердым породам из подземных горных выработок, где целесообразно использовать удар, применение враща-тельно-ударного способа сдерживается по причине ошибочного мнения о неэффективности передачи энергии удара к по-родоразрушающему инструменту, а также из-за постоянного разрушения соединительных узлов. Новая конструкция ниппельного соединения, полностью скрытого внутри труб, решает эту проблему [2, 3].

Технологии с использованием удара перспективны, они позволяют воздействовать на разрушаемую горную породу с огромными усилиями, но их эффективность может быть обеспечена, только при достаточных знаниях и представлениях о происходящих динамических процессах.

Целесообразность и эффективность использования бурильных машин, прежде всего, связаны с решением проблемы передачи энергии удара от машины по колонне труб на забой.

В последние годы внимание к данной проблеме увеличивается в связи с тем, что массовое внедрение прогрессивных машин для бурения скважин малого диаметра сдерживается в основном именно отсутствием рациональной, научно обоснованной конструкции бурильной колонны, обеспечивающей высокий коэффициент передачи энергии ударного импульса и, как следствие, высокую стойкость соединений бурильных труб.

Нельзя не отметить, что в многочисленных исследованиях передачи силового импульса по длинным стержням достигнуты существенные результаты, однако, основные выводы делаются на базе теоретических выводов и расчетов, основанных на экспериментальных данных, полученных в стержнях небольшой длины (несколько метров). Как показали наши эксперименты с бурильной колонной длиной 50 м, именно на нескольких первых ее метрах происходит переходный процесс превращения кинетической энергии бойка в потенциальную энергию силового импульса. Поэтому результаты экспериментов на первых метрах бурильной колонны далеко не равнозначны тем, которые получены на последующей ее части. Эти положения авторами не учитывались.

Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования разрушения гранита силовыми импульсами: 1 — маятниковый копер, 2 — цилиндрический боек; 3 — бурильная колонна, 4 — стойка-опора, 5 — породоразру-шающий наконечник (долотчатая коронка диаметром 42 мм с углом заострения 115°), 6 — гранитная плита, 7 — бетонная плита, 8 — домкрат

Рис. 2. Схема ниппельного соединения бурильных труб: 1 и 2 — бурильные трубы; 3 — ниппель; 4 — упругие пластины; 5 — буртики; 6 — кольцевая проточка; 7 — конусная проточка; 8 — лыски под ключ

Исследование разрушения гранита, породы, характеризующейся коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову / = 10-12, силовыми импульсами проводилось в лабораторных условиях, максимально приближенных к натуральным, на специальном стенде, представленном на рис. 1. Бурильную колонну длиной 50 м, состоящую из труб внешним диаметром 33,5 мм, а внутренним — 24 мм, соединенных ниппелями, полностью скрытыми внутри труб (рис. 2), с круглым профилем резьбы [2] располагали на специальных поддерживающих стойках.

Удары по хвостовику колонны наносились маятниковым копром МК-30 с подвешиваемыми на него цилиндрическими бойками, параметры которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры бойков, принятых для эксперимента

Вес бойка, Н Длина, мм Скорость, м/с

7,65 250 3,96

28,2 360 2,05

14,7 220 2,86

220 3,96

450 2,86

450 3,96

Рис. 3. Блок-схема датчиков линейных перемещений: 1 — тензомет-рический мост, 2 — электронный усилитель постоянного тока, 3 — осциллограф С1—8А, 4 — фотоаппарат, 5 — схема синхронизации запуска развертки, 6 — блок питания усилителя и схемы синхронизации, 7 — блок питания измерительного моста

Высота сбрасывания бойков весом 14,7 Н или их энергия менялась вдвое. Вес и высота сбрасывания остальных бойков подбиралась таким образом, чтобы энергия удара оставалась постоянной (~ 6 кгс-м).

Глубина внедрения лезвия коронки в породу, замерялось фотоэлектронным датчиком перемещения (рис. 3), регистрировалось универсальным осциллографом С1—8А и фотоаппаратом «Зенит» на высокочувствительной пленке.

С помощью проволочных тензометров сопротивления с базой 20 мм, сопротивлением 200 Ом и нелинейностью выходной характеристики 2 % замерялось механическое напряжение в четырех характерных точках пятидесятиметровой колонны труб: 0,5 м; 26 м; 44 м; и 49,5 м от хвостовика. Датчики наклеивались на поверхность бурильной трубы диаметрально противоположно, тем самым исключалось влияние изгиба на точность измерения напряжений. Балансировка измерительного моста проводилась компенсационным датчиком, который наклеивался на стальную пластину, меняя величину изгиба этой пластины при помощи микрометрического винта добивались

баланса моста. Другой компенсационный датчик наклеивался на пластину, сделанную из такого же материала, что и труба.

Удары по породе наносились в один и тот же забой скважины. При этом после каждого удара колонна бурильных труб поворачивалась на 30°, то есть на угол, близкий к углу поворота бура между ударами, принятый для большинства отечественных перфораторов.

Объем разрушенной породы определялся по объему воды, вытесненной штыбом в мерной стеклянной колбе, исходя из среднего значения объема за 24 удара.

Результаты исследований показывают, что при одинаковой энергии ударов бойков, полученные объемы разрушенной породы и динамическое состояние колонны бурильных труб при нанесении по ней ударов различными бойками существенно отличаются.

Сила удара, наряду с энергией является важнейшей характеристикой силового импульса, от которой зависит возможность эффективного разрушения крепких горных пород. В этих условиях сохранение амплитуды удара становится не менее важной задачей, чем сохранение энергии, на что, не всегда обращают внимание.

Амплитуда напряжения в бурильных трубах определяется в основном предударной скоростью бойка, поэтому при одной и той же энергии удара для наибольшего ударника (28,2 Н) было зафиксировано наименьшее значение амплитуды напряжения. Для данного бойка амплитуда напряжений в колонне по всей ее длине практически не снижалась. Амплитуда же импульса бойка весом 7,65 Н снижается примерно на 20 %, а у бойков весом 14,7 Н на 8-10 %. Однако вследствие того, что напряжение, созданное бойком весом 7,65 Н в начале бурильной колонны выше по сравнению с напряжением, сформированным бойком весом 14,7 Н, величины данного параметра, зафиксированные на расстоянии 0,5 м от породы, для двух этих ударников были приблизительно равны. Увеличение энергии удара бойка весом 14,7 Н вдвое только за счет увеличения предударной скорости приводит к увеличению амплитуды напряжения в трубах на 40-42 %.

Наибольший объем гранита разрушил боек весом 7,65 Н (225 мм3 за один удар), несмотря на то, что коэффициент передачи энергии удара при этом бойке, определенный методом отпечатка [4], предложенным Н.Н. Давиденковым, наименьший

и составил 75 %. Минимальный объем породы за удар (154 мм3) разрушил боек с наибольшим весом (28,2 Н). Эти результаты можно объяснить сравнительно высокой крепостью гранита, для которого предударная скорость бойка наибольшего веса, равная 2,05 м/с, оказалась явно недостаточной. То есть, при импульсном разрушении такой породы как гранит, наиболее важную роль играет амплитуда и передний фронт импульса напряжения, который создает боек в бурильной трубе.

При ударе бойком весом 28,2 Н перемещение поперечного сечения труб на расстоянии 0,5 м от хвостовика на 15-20 % выше, чем при ударах остальными бойками, а на расстоянии 49,5 м, то есть в 0,5 м от породы (практически это внедрение лезвия коронки в породу), на 20-22 % ниже, чем при других бойках. Таким образом, для бойка весом 28,2 Н снижение амплитуды продольного перемещения поперечного сечения бурильных труб оказывается наибольшим - около 60 % (с 4 мм до 1,6 мм), что обусловливает малое внедрение лезвия коронки в породу, а, следовательно, и меньший по сравнению с другими бойками объем разрушенной породы.

Предполагаем, что при ударе бойком весом 28,2 Н со сравнительно небольшой предударной скоростью происходит продольный изгиб бурильной колонны труб, при котором увеличивается продольное перемещение хвостовика и соответственно продольное перемещение сечения бурильных труб. В тоже время, указанный изгиб труб, являясь поперечной деформацией, не только не способствует внедрению коронки в гранит, а напротив, снижает объем разрушаемой коронкой горной породы при воздействии силовых импульсов, так как часть энергии удара бойка уходит формирование продольного изгибы бурильных труб. Следует учесть, что скорость распространения продольных волн в стали (« 5100-5200 м/с) значительно больше скорости распространения поперечных волн («3000 м/с), поэтому поперечные волны, формируемые одновременно с продольными, при ударе бойком по хвостовику, по мере распространения по бурильной колонне к коронке, отстают от продольных силовых импульсов и самостоятельно не разрушают горную породу при бурении.

Результаты проведенных опытов показывают, что изменение длины бойка не приводит к заметной разнице объема разрушаемого гранита. Например, бойки одного веса (14,7 Н), но различной длины и диаметра давали один и тот же результат -183 (± 10) мм3 разрушенной породы за один удар.

С увеличением энергии удара вдвое, объем разрушенной породы за один удар составил соответственно: бойком длиной 220 мм - 320 мм3, бойком длиной 450 мм - 334 мм3. При этом энергия удара на единицу длины лезвия коронки увеличилась с 1,45 до 2,98 кгс-м/см, а объемная работа разрушения увеличилась соответственно с 33 кгс-м/см3 до 36-38 кгс-м/см3.

Таким образом, с точки зрения энергозатрат, эффективности передачи ударного импульса по колонне бурильных труб длиной 50 м и снижения напряжений в них, энергию удара на единицу длины лезвия долотчатых коронок при разрушении породы аналогичных граниту следует ограничить до 2,5-2,7 кгс-м/см при скорости удара бойка не менее 3,5-4 м/с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов К.И. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых / К.И. Иванов, В.А. Латышев, В.Д. Андреев. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1987. — 272 с.

2. Шадрина A.B., Колодин А.П., Казанцев A.A., Саруев Л.А., Саруев А.П. Ниппельное соединение буровых штанг. - Патент на полезную модель № 95731 от 08.02.200910 по заявке № 201010418, опубл. 10.07.2010 г.

3. Шадрина A.B. Исследование влияния распространения волн деформаций по бурильной колонне и параметров буровых агрегатов на производительность вращательно-ударного бурения скважин малого диаметра из подземных горных выработок / Л.А. Саруев, А.А. Казанцев // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2010. — № 11, С. 232 — 238.

4. Шадрина A.B. Динамические процессы в колонне труб при враща-тельно-ударном бурении скважин малого диаметра из подземных горных выработок: монография / А.В. Шадрина, Л.А. Саруев, А.Л. Саруев. — Томск: Изд. ТПУ, 2009. — 175 с. ШШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Шадрина Aнаcтаcия Викторовна — кандидат технических наук, доцент, е-mail: [email protected],

Национальноый исследовательский Томский политехнический университет, Институт природных ресурсов, Институт природных ресурсов.