Определение конструктивных параметров устройства для формирования отклоняющего воздействия на рабочий орган установки для одностадийного шнекового бурения скважин в грунте

Данилов Борис Борисович; Смоляницкий Борис Николаевич; Чещин Дмитрий Олегович

УДК 621.23.05

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОТКЛОНЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАБОЧИЙ ОРГАН УСТАНОВКИ ДЛЯ ОДНОСТАДИЙНОГО ШНЕКОВОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ

Борис Борисович Данилов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]

Борис Николаевич Смоляницкий

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)217-07-14, e-mail: [email protected]

Дмитрий Олегович Чещин

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]

Обсуждаются подходы к созданию устройства формирования отклоняющего воздействия на рабочий орган установки для направленного бурения скважин в грунте при подземном строительстве объектов инфраструктуры и коммуникаций. Приводится пояснение основных принципов работы и расчетные зависимости для определения конструктивных параметров отклоняющего устройства.

Ключевые слова: скважина, направленное бурение, управляющее воздействие, рабочий орган, вращение, подача, отклонение.

DETERMINATION OF DESIGN PARAMETERS OF AN ACCESSORY TO DIVERT SINGLE-STAGE AUGER DRILLING UNIT IN SOIL

Boris B. Danilov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Head of Underground Construction Geotechnology and Equipment Laboratory, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]

Boris N. Smolyanitsky

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of Mining and Construction Geo Equipment Department , tel. (383)217-07-14, e-mail: [email protected]

Dmitry O. Cheshchin

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher of Underground Construction Equipment and Technology Laboratory, tel. (383)217-01-33, e-mail: [email protected]

The paper offers a discussion of the approaches to an accessory to generate diverting force on a directional hole drilling unit in soil in underground construction of distribution lines and other in-

frastructure. The authors elucidate principles of operation and relations to calculate design parameters of the diverting accessory.

Key words: drillhole, directional drilling, control action, bit, rotation, advance, deviation.

Одной из проблем, возникающих при создании рабочего органа и оснастки для направленного бурения скважин малого диаметра (до 250 мм) является сложность проектирования отклоняющего механизма и каналов передачи энергии для его работы. Для отклонения рабочего органа к нему необходимо приложить усилие, сравнимое по величине с усилием, передаваемым на рабочий орган от бурового станка. Создание механизма для генерирования отклоняющего усилия осложняется наличием жестких ограничений на радиальные размеры [1, 2].

Одним из путей решения этой задачи является использование главных движений (вращательного и поступательного), передаваемых от бурового станка к рабочему органу для отклонения последнего в нужном направлении. На рис. 1 приведена конструктивная схема рабочего органа, позволяющего изменять направление скважины при шнековом бурении в грунтовых массивах. Принцип отклонения скважин здесь такой же, как и во многих установках ГНБ, использующих асимметричный клин. Отклоняющим элементом здесь является скошенная передняя часть кожуха и опорное ребро, на котором установлен подшипниковый узел. Некоторая часть грунта с периферии скважины при этом уплотняется в ее стенки, а большая часть грунта разрушается и удаляется из скважины шнековым транспортером или комбинацией шнекового транспортера и пневмотранспортной магистрали вакуумного или напорного типа. Выбор направления бурения скважины осуществляется периодически путем изменения ориентации скошенного торца, которое в свою очередь достигается поворотом кожуха на нужный угол. Отклоняющее воздействие создается усилием подачи бурового станка.

Рис. 1. Отклоняющий механизм с асимметричной формой передней части: 1 - кожух; 2 - подшипниковый узел; 3 - опорное ребро; 4 - шнек; 5 - буровой станок

Работает установка шнекового бурения следующим образом. Вначале рабочий орган с помощью измерительной аппаратуры устанавливают в заданном направлении траектории скважины, произвольно ориентируя наклонную поверхность передней части корпуса. В процессе проходки прямолинейной скважины корпус 2 рабочего органа периодически поворачивают вокруг его продольной оси, что позволяет осуществлять проходку скважины в прямолинейном направлении. По мере продвижения рабочего органа по траектории осуществляют контроль направления его положения, навигационным устройством (на рисунке 16 не показано), а грунт, поступающий через головную часть внутрь корпуса 2, транспортируют шнеками 6 в рабочий котлован. При внедрении в грунт секции корпуса 2 с расположенным в ней шнеком 6 к ней добавляют следующую секцию корпуса 2 со следующим шнеком 6. Секции корпуса 2 и шнеки 6 соединяют между собой разъемами 4 и 7, обеспечивающими подвижность соединения. При отклонении устройства от заданной траектории его необходимо вернуть на нее. В этом случае корпус разворачивают вокруг его продольной оси, устанавливая скошенную часть в сторону противоположную требуемому отклонению, и осуществляют продольное перемещение корпуса 2 без поворота, до момента пока он не выйдет на заданную траекторию. Таким образом, в процессе проходки скважины осуществляют перемещение бурового рабочего органа по заданной траектории, обеспечивая выход его в заданную точку.

Основные достоинства рассмотренного рабочего органа - простота его конструкции и высокая эффективность системы управления, проверенная практикой применения подобных клиновых систем, позволяет отдать ему предпочтение при разработке установки управляемого шнекового бурения.

Применительно к конструктивной схеме буровой установки, представленной на рисунке 16, расчетная схема сил, действующих на клиновую поверхность рабочего органа при изменении траектории скважины, изображена на рис. 2.

Рис. 2. Схема сил, действующих на клиновую поверхность рабочего органа

при изменении траектории скважины:

- результирующее отклоняющее усилие; ¥х - горизонтальная составляющая отклоняющего усилия; ¥у - вертикальная составляющая отклоняющего усилия; р - нормальное давление грунта на отклоняющую поверхность клина

Площадь клиновой поверхности, на которую действует нормальное давление грунтар определяется по формуле:

_ж- (D2 - (D - 2t)2) сеч 4 • sin(a) ' (1)

где D - диаметр инструмента, м;

а - угол наклона клина к продольной оси рабочего органа, градусы; t - толщина стенки корпуса рабочего органа, м.

Нормальное усилие сопротивления со стороны грунта, действующее на скошенную часть рабочего органа:

F = Sce4 • p • Г . (2)

При этом полученная в работе [3] обобщенная аппроксимация относительного среднего давления, действующего на коническую поверхность расширителя, представлена в удобной для практического применения линейной форме:

7 D

р = Ь-ал • у (3)

где ал и Ьл - коэффициенты линейной аппроксимации, определяемые из [3].

Исходное внутреннее давление обжатия рабочего органа грунтовым массивом определяется по формуле:

P'=r0 • g• h + Pa , (4)

-5

где /0 - плотность грунта в естественном состоянии, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с2 (g = 9,81 м/с2); h - глубина заложения скважины, м; Pa - атмосферное давление, Па (Pa = 101325Па).

Определим горизонтальную и вертикальную составляющие результирующего отклоняющего усилия

Fx = Fn • sin(a); (5)

Fy = Fn • cos(a). (6)

Или с учетом (2) и (4)

F = >• (D 2 - (D - 2t )2) . p . (Го . g . h + pa_); (7)

= *■(Д2 - (D - 2t)2) • p • • g • h + p ) • cos(a). (8)

4 ■ sin(a)

График зависимости вертикальной составляющей отклоняющего усилия от угла наклона клиновой поверхности рабочего органа представлен на рис. 3.

Рис. 3. График зависимости вертикальной составляющей отклоняющего усилия от угла наклона клиновой поверхности рабочего органа при D=0.235м, Х=16мм„ грунт - супесь средней плотности у=1720 кг/м3, h=2м

Результаты исследований прямолинейности горизонтальных и слабонаклонных скважин прокладываемых в грунтовом массиве показывают, что величина отклонения рабочего органа от первоначального направления движения зависит как от величины отклоняющего усилия, так и от ряда других факторов, наиболее значимыми из которых, помимо свойств самого грунтового массива, являются степень уплотнения грунта на стенках образуемой скважины, конструктивные особенности корпуса рабочего органа, такие, как его длина, площадь поверхности, контактирующей со стенками скважины. За счет рационального выбора значений этих параметров можно уменьшить величину отклоняющего усилия, необходимую для достижения требуемого отклонения рабочего органа на заданном участке длины скважины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н. Анализ тенденций развития современных технологий сооружения скважин в породном массиве. // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук (научный журнал) №1, т.2. - Новосибирск: ИГД им. Н.А. Чинакала СО РАН. -2014. - С. 104 - 113.

2. Данилов Б.Б., Смоляницкий Б.Н., Чещин Д. О. Обоснование принципиальных схем отклоняющих устройств в установках горизонтального направленного бурения скважин// ФТПРПИ. - 2015. - №3. С. 106-117.

3. Исаков А.Л. Напряженно-деформированное состояние массива грунта при движении в нем пневмопробойника [Текст] / А.Л. Исаков, А.К. Ткачук // ФТПРПИ. 2000. - № 2.