CC BY
9
УДК 621.23.05
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ РАБОЧЕГО ОРГАНА УСТАНОВКИ 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, зав. лабораторией подземной строительной геотехники и геотехнологий, тел. (383)205-30-30, доп. 119, 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, зав. отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)205-30-30, доп. 115, e-mail: [email protected]
Представлены подходы к определению основных параметров системы изменения траектории рабочего органа установки для направленного шнекового бурения скважин в грунте при подземном строительстве объектов инфраструктуры и коммуникаций. Приводятся результаты экспериментальных исследований системы изменения траектории рабочего органа. Представлены значения конструктивных параметров рабочего органа с отклоняющим устройством, при которых обеспечивается криволинейная траектория скважины в выбранном направлении и достигается приемлемый для практических целей радиус кривизны.
Ключевые слова: скважина, грунт, направленное бурение, рабочий орган отклоняющее усилие, траектория, величина отклонения.
DETERMINATION OF BASIC PARAMETERS OF AN ACTIVE MEMBER DEVIATOR IN AUGER SOIL DRILLING
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Head of Underground Construction Geotechnology and Equipment Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 119, e-mail: [email protected]
Boris N. Smolyanitsky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Professor, Head of Mining and Construction GeoEquipment Department, tel. (383)205-30-30, extension 115, e-mail: [email protected]
Approaches to determination of basic parameters of a device to adjust an active member path in auger soil drilling in underground construction of infrastructure and communication objects are set forth. The experimental evidence on the device designed to adjust the active member trajectory is reported. Design parameters of the active member equipped with a deviating device to provide a curvilinear hole path at a wanted direction are presented. The resultant hole path is of curvature radius, admissible for practical applications.
Key words: hole, soil, directed drilling, active member, deviating or steering effort, path, deviation.
Наиболее востребованными в настоящее время являются буровые технологии, в которых предусматривается возможность изменения траектории проходки скважины для попадания в нужную точку подземного пространства, как с поверхности Земли, так и из подземной выработки. Анализ возможных способов создания и передачи управляющего воздействия на рабочий орган показал, что наиболее простыми в конструктивном отношении и в достаточной мере эффективными являются способы, основанные на использовании основных рабочих усилий бурового станка - крутящего момента и осевого напорного усилия [1, 2].
В ИГД СО РАН разработано оригинальное отклоняющее устройство [3] рабочего органа буровой установки шнекового типа [4]. Оно обеспечивает изменение траектории скважины за счет смещения рабочего органа вперед относительно корпуса и обсадной трубы. При этом происходит и радиальное смещение буровой головки за счет поворота шарнирного рычага, соединяющего ее с корпусом или обсадной трубой, которые в процессе проходки скважины не вращаются, однако имеют возможность поворота на 900 или 1800 в ту или иную сторону для формирования управляющих команд.
Конструкция прототипа рабочего органа с механизмом отклонения оси скважины за счет осевого смещения режущей головки показана на рис. 1. Механизм размещен внутри корпуса 1, который является продолжением обсадной трубы - кожуха. Основным несущим элементом конструкции является приводной вал 2, установлен-
и »-» »-» __о л
ный на передней и задней подшипниковых опорах 3 и 4.
920
__1040__
Рис. 1. Конструкция механизма изменения траектории скважины
1 - корпус; 2 - приводной вал; 3 - передняя подшипниковая опора;
4 - задняя подшипниковая опора; 5, 6 - соединительные элементы; 7 - буровая головка;
8 - шнековая лента; 9 - хвостовик; 10 - зонд-излучатель системы подземной локации
Конструкция соединительных элементов 5 и 6 допускает смещение оси вала 2 относительно оси корпуса 1 на величину до 10 мм в каждую сторону. При этом окружность формируемой буровой головкой скважины также смещается относительно корпуса рабочего органа и обсадной трубы. За счет этого достигается отклонение оси скважины при поступательном движении корпуса рабочего органа вперед в процессе бурения.
Для проведения экспериментальных исследований процесса взаимодействия рабочего органа направленного бурения с грунтовым массивом и установления зависи-
мости величины отклонения оси скважины от величины осевого смещения буровой головки был изготовлен прототип рабочего органа в натуральную величину для бурения скважин диаметром 230 мм.
Отклоняющее усилие создается за счет того, что при смещении оси буровой головки с одной стороны корпуса рабочего органа вырабатывается избыточное сква-жинное пространство, а с противоположной стороны при этом возникает невырабо-танная область породного массива. В процессе поступательного движения корпус рабочего органа деформирует этот невыработанный слой. Сопротивление деформированию создает отклоняющее усилие, эффективность действия которого усиливается наличием свободного пространства с противоположной стороны (рис. 2).
Рис. 2. Схема формирования выработанного скважинного пространства
1 - буровая головка; 2 - корпус рабочего органа; е - величина осевого смещения буровой головки; Ь - размер избыточно выработанного скважинного пространства; с - величина зоны недостаточного скважинного пространства
Показателем эффективности действия отклоняющего устройства является величина отклонения оси скважины на определенном отрезке ее длины. Задачей испытаний рабочего органа с отклоняющим устройством являлась проверка его работоспособности и количественная оценка величины отклонения скважины от первоначального направления.
Испытания рабочего органа с отклоняющим устройством проводились в лабораторных условиях на стенде, основным элементом которого является грунтовый канал длиной 10 м и диаметром 1020 мм.
Канал был заполнен естественной супесью без посторонних крупных включений, взятой на глубине 1,5 - 2 м и уплотненной слоями толщиной 0,15 - 0,20 м с предварительным увлажнением [5, 6].
Во всех опытах бурение скважин начиналось при горизонтальном исходном положении рабочего органа и при смещении оси буровой головки вверх. По достижении буровым инструментом примерно середины длины грунтового канала осуществлялось изменение направления отклоняющего воздействия на противоположное путем поворота обсадной трубы вокруг своей оси на 1800. Таким образом, производилось отклонение скважины в вертикальной плоскости вначале вверх, а затем вниз. Такое решение обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, чаще всего при сооружении скважин более жесткие требования предъявляются к точности траектории именно в вертикальной плоскости. Примером является прокладка трубопроводов для само-
течной канализационной сети. Во-вторых, отклонение в вертикальной плоскости легче измерить с необходимой точностью, поскольку линия горизонта является стабильной базой, или точкой отсчета, от которой осуществляется измерение.
Изменение величины отклоняющего усилия в различных опытах достигалось за счет варьирования значений двух конструктивных параметров - величины радиального смещения буровой головки и ее диаметра. Различное сочетание значений этих параметров определяет величины избыточно выработанного скважинного пространства с одной стороны корпуса рабочего органа и недостаточность скважинного пространства с другой его стороны. Соответственно этому изменяется величина отклоняющего усилия и результирующее смещение оси скважины. В процессе испытаний величина радиального смещения буровой головки задавалась равной 2,5 мм или 5 мм, а диаметр буровой головки имел одно из двух значений - 230 или 232 мм.
На рис. 3 представлена траектория скважины при смещении оси буровой головки, обеспечивающем максимальное избыточно выработанное скважинное пространство. Величина эксцентриситета составляла около 1% от диаметра корпуса рабочего органа. Буровая головка выходила за пределы контура окружности корпуса на величину 1,5% от его диаметра. Команда на изменение траектории подавалась при проходке скважины на длину 3 м.
01 2345678
Рис. 3. Траектория скважины при максимальном избыточном выработанном скважинном пространстве и его недостаточном значении с противоположной стороны
Видно, что приведенное сочетание геометрических параметров рабочего органа не изменяет траекторию скважины, т.к. при этом не обеспечивается создание необходимой величины отклоняющего усилия вследствие малого размера зоны недостаточного скважинного пространства.
В следующей серии экспериментов значения конструктивных параметров были выбраны исходя из необходимости увеличения зоны недостаточно выработанного пространства. Это было достигнуто за счет увеличения эксцентриситета оси буровой головки и уменьшения ее диаметра. Зона недостаточно выработанного пространства увеличилась примерно в три раза по сравнению с предыдущей серией. Одновременно на ту же величину уменьшилось избыточно выработанное скважинное пространство с противоположной стороны.
Результатом этих мер явилось уменьшение отклонения скважины на первом участке, когда рабочий орган забуривался в грунт (рис. 4).
Рис. 4. Траектория скважины при уменьшении избыточного скважинного пространства и увеличении его недостаточности с противоположной стороны
В дальнейшем, при подаче команды на изменение траектории, направление скважины, также как и в первом случае, не изменялось. Следовательно, отклоняющее усилие было компенсировано стабилизирующим воздействием грунта, которое увеличилось по причине уменьшения избыточно вырабатываемого скважинного пространства.
На третьем этапе испытаний было выбрано сочетание конструктивных параметров, обеспечивающее примерно равные области недостаточного и избыточного сква-жинного пространства. Буровая головка имела практически одинаковый с корпусом рабочего органа диаметр (231мм и 230 мм), а эксцентриситет е = 5 мм.
На первом участке, как и ожидалось, траектория скважина (рис. 5) имела дугообразную форму. После проходки скважины длиной 4 м рабочий орган был повернут на 1800 в положение «движение вниз» и проходка продолжилась. На следующем после разворота участке длиной 2,5 метра происходил процесс выравнивания инструмента в горизонтальное положение, а затем рабочий орган начал перемещаться вниз по дугообразной траектории, увеличивая вертикальное смещение на каждом участке скважины. Общая длина скважины составила 10 м, вертикальное смещение на последнем участке достигло величины 15 мм/м.
19-20.09.2016г.
1 . 1 1 1 1
ю J 1 г
J J о о Ч— U
-1-1-1-1-1-i-1-1-1-1-Г"
0 1 2 3 3.5 4 5 6 7 8 9 10
Рис. 5. Траектория скважины при равных значениях недостаточного и избыточного
скважинного пространства
Таким образом, определены значения конструктивных параметров рабочего органа, при которых обеспечивается криволинейная траектория скважины в выбранном направлении.
Выводы
1. Подтверждена работоспособность предложенного принципа изменения траектории скважины за счет смещения оси вращения бурового инструмента относительно оси корпуса рабочего органа комбинацией главных движений бурового станка.
2. Наибольшая эффективность работы отклоняющего устройства достигается при симметричной форме и размерах недостаточного и избыточного скважинного пространства с противоположных сторон рабочего органа.
3. Полученная величина отклонения траектории скважины на единичном участке длины достаточна для практических целей.
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. - 2014. - № 1. - Т.2. - С. 104 -113.
2. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий // М.: Пресс Бюро № 1, 2005. -304 с.
3. Патент РФ № 147 887 Устройство для проходки криволинейных скважин в твердых грунтах// Смоляницкий Б.Н., Данилов Б.Б., Фетисов С.Ю., Чещин Д.О. - БИ № 32 от 10.2. 2014 г.
4. Маметьев Л. Е. Обоснование и разработка способов горизонтального бурения и оборудования бурошнековых машин: дис. докт. техн. наук. - Кемерово, 1992. - 492 с.
5. Исаков А. Л. О классификации грунтов без жестких структурных связей по их прочностным характеристикам // ФТПРПИ - 2000. - № 6, с. 26 - 29.
6. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. - Введ. 24-10-84. - М.: Изд-во стандартов, 1993. - 19 с.
© Б. Б. Данилов, Б. Н. Смоляницкий, 2017
