автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Буровые инструменты и режимы бурения скважин большого диаметра

г 9 3

ч < >

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЗОНИКВДЗЕ

На правах рукописи

- Петриченко Виталий Павлович

БУРОВЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ШИШ БУРЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1991 ,

Работа выполнена во- Всесоюзном институте по осушению месторождений полезши ископаемых, специальным горным- работам, рудничной геологии и маркшейдерскому делу ( ВИОГЕМ, г. Белгород )

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Кипко Э.Я. Доктор технических наук, профессор Хоменко В.А. Доктор технических наук, профессор Владиславлев B.C.

Ведущее предприятие - ЦНИГРИ

на заседании специализированного совета Д.063.55.01 при Московском ордена Трудового Красного Знамени геологоразведочном институте имени Серго Орджиникидзе (г. Москва, ул. Ыиклухо-Маклвя, 23)

С диссертацией можно ознамиться в библиотеке НГРИ.

Защита состойся

1991 г. в 15 часов в ауд. ЯЗ

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

А.А.Смоляницкий

|Актуальность работы. . Повьшение эффективности горного производства возможно за счет максимальной механизации, применения новых технических средств и технологических процессов. Ьуре-'- •ниё/скважин большого диаметра (0,Ь-4 м) является по сути полной механизацией горно-проходческие работ. Такие.скважины вносят существенное ускорение горно-разведочных работ, используются на последующих стадиях строительства и эксплуатации карьеров и шахт в качестве вентиляционных, запасных выходов, водопонижающих, закланных, а иногда и в качестве основных стволов для добычи пробные объемов полезного ископаемого, а также стволов л;чевых водозаборов для осушения промплощадок, перехвата загрязненных фильтратов хвостосранилищ горно-обогатительных комбинатов.

В зависимости от назначения глубины скважин составляют от нескольких десятков метров до сотен метров на карьерах и шахтах и превышают тысячу метров при бурении сгерхглубоких разведочных скважин.

Основное количество скважин в СССР-бурят диаметром до 2 м и глубиной до ЬОО м. При этом используют сернйные геологоразведочные и нефтяные буровые установки.

В.качестве буровых породоразрушаоди< инструментов при бурении скважин глубиной до 200-250 м применяются многошарошечные буры, основанные на использовании шарошек серийно выпускаемых тре^шарошечны< долот. Изготовление -буров производится различными организациями, выполняющими буровые'работы.

Скважины глубиной более 200-250 м в скальных породах бурят преимущественно агрегатами РТЬ с использованием серийных трехша-рошечннх долот.

Проблемы бурения скважин большого диаметра исходят из того, что обоем выбуриваемой породы в одном метре, елважины значительный. Он превоссодит при диаметре 1,5 м средний в нефтяных и взрывных скважинах в 35-40 раз, а в геологоразведочных - в 400 раз.

Высокие стоимости часа работы буровых установок и ппродораз-рушающих буровых инструментов требуют всесторонних научны:, технических и экономических обоснований конструктивного исполнения буровых инструментов, научного обоснования параметров режимов су-рения, обеспечивающих высокие скорости бурения и минимальные затраты на буровые инструменты.

В теорию и практику бурения скважин большого-диаметра значи- ■ тельный вклад внесли МГВ1, ЦШПТИ, ВПСГЕМ, ШИИБТ, ВНИИСШС, ЩШподземмаш, тресты Союзшахтоосушение, Спецшахтобурение, Шахтспец-строй, советские ученые и инженеры А.К.Агарков, Г.И.Булах, М.И. Багза, С.А.Брылоз, В.Т.Борисович, В.Л.Высоцкий, Л.Г.Грабчак,

A.Г.Гончаров, Г.Б.Добровольский, Н.П.диленко, Л.Д.Захаров, Р.А.Иоан-несяя, В.Г.Королев, Э.Я.Кипко, И.А.Купчинский, В.Г.Качан, В.П.Крен-делев, Ф.С.Малацковский, А.А.Мураховский, А.Т.Николае,тко, В.В.Олей-ник, А.Л.Поляк, Б.М.Ребрпк, А.А.Рыбалка, П.М.Сиваев, а.С.Сафохш,

B.С.Сонин, Д.С.Солодовников, В.И.Тиль, В.А.Федюкин, В.А.Хоменко, Н.И.Чшсиков и .др.

Многообразие целей, условий применения, глубин и диаметров скважин требовал»; решения многих вопросов научного, конструкторского, технологического, производственного планов, которые позволили в 1960-80 годы применить скважины большого диаметра в разных отраслях горного производства и строительства. Одним из важных вопросов является повышение эффективности бурения скважин в скалышх породах средней крепости, на которые приходится основной объем работ, расширение их сдергивается несовершенством буровых инструментов и режимов бурения, что в итоге выражается высокой стоимостью бурения.

Наиболее универсальным по условиям применения является бурение агрегатами РТБ. Однако громоздкость оборудования, большие стоимость и приводная мощность ограничивают его применение.

Роторное бурение многошарошечными бурами в скалышх породах производят самоходными буровыми установками типа УБВ-600, 1БА-15В, но несовершенство процесса разрушения в удаления породы с забоя ставят иногда на грань возможности и целесообразности бурения сква--жин большого диаметра.

Повышение эффективности бурения.скважин большего диаметра на основе более совершенного технологического процесса разрушения пород и применения более совершенных буровых инструментов для этих целей является актуальной научной проблемой.

Решение этой, проблемы предусматривалось тематическими планами научно-исследовательских работ института ВИОГЕМ и финансировалось Минчерметом СССР. Направление диссертационной работы было одобрено кафедрой Горного дела МГРИ и утверждено научно-техничес-кям советом института ВИОГЕМ. •

Цель работы - научное обоснование параметров режима бурения и технических требований я буровым инструмента?-! - агрэгатш ИЬ, многошарошечным бурам и средствам обратной промывки, оСас-печиващим повшение эффективности бурения и расширение области применения скважин большого диаметра а горном деле.

Задачи исследований . Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

- обобщить отечественный и зарубежный опыт разработки и эксплуатации буровых инструментов большого диаметра;

- выполнить теоретические исследования по кинематике, динамике работы буровых инструментов при взаимодействии их с забоем, гидравлике промывки и дать математическое выражение процессов разрушения порода и выноса её промывочной жидкостью;

- выполнить экспериментальные исследования технологических процессов работы буровых инструментов в скважине в стендовых и про.мыэленньпс условия/с;

- исследовать взаимосвязь технических характеристик буровые установок и параметров рекныоп бурения, исходя из характеристик пород и буровых инструментов;

- теоретически и -экспериментально обосновать требования к буровым инструмента;« для снвагин большого диаметра, обеспечивающим эффективное разрушение и вынос .выбуренной породы, изготовить и испытать основные образцы в промыяленных условиях;

- дать технико-экономическую оценку новым научным положениям по режимам бурения и буровым инструментам на основе данных опытного внедрения разработок.

. Методы исследований . Исследования носили комплексный ха -рактер и включали:

I. Научное обобщение и анализ теоретических, экспериментальных (лабораторных, стендовых,, производственных) исследований в СССР и за рубежом, посвященных'изучению условий работы буровых . инструментов при разрушении горных пород, характера взаимодействия породоразрушающих элементов' с забоем, особенности износа, влияния конструктивного исполнения буровых инстпументов на -эЭД тивность разрушения горных пород, надежности и долговечности конструкций.

2. Аналитические исследования кинематики, динамики работы буровых породоразрушащих инструментов в скважинах большого диа- • метра. Выявление положительных факторов на основе теоретических исследований и анализа производственных показателей.

3. Теоретические обоснования оптимальных параметров решила бурения в принципов конструктивного исполнения буровых инструментов на основе кинематики, динамики и энергетики пх работы на забое и в увязке с характеристикой и техническими возшпностями буровых установок.

4. Исследование работы опытных образцов буровых инструментов (представителей ряда) в стендовых и производственных условиях.

5. Математическое моделирование технологических процессов в расчеты на ЭВМ оптимальных сочетаний различных технологических и технических факторов.

6. Разработку предложений по направлениям дальнейшего совершенствования исследуемых видов буровых инструментов и режимов бурения скважин большого диаметра.

• Научная ценность работы.

1. Установлены зависимости, характеризующие кинематику и динамику взаимодействия породоразрушащих элементов с забоем .для трехшарошечных долот, сферических и роликовых долот ренущего типа, позволившие обоснсвать требования и новый принцип конструктивного исполнения их и определить оптимальные параметры режима бурения агрегатами РТБ. '

2. Получены зависимости для., определения площади разрушения забоя зубьями трехшарошечных долот при различных видах взаимодействия их с забоем в агрегатах РТБ, а также формулы для определения . рациональной частоты вращения агрегата в мягких и скальных породах, учитывающие технические условия разрушения породы.

3. Установлена взаимосвязь энергетических параметров РТБ _

с гидравлической характеристикой циркуляционной системы, буровых насосов, позволяющая рассчитать оптимальное сочетание их для получения заданных забойных параметров бурения, предложить новый принцип гидравлической схемы соединения•турбобуров в агрегате РТБ, схемы расположения турбобуров относительно оси вращения, обеспечивающие повышение забойной мощности, коэффициента полезного действия в 1,3-2 раза.

4. Выявлена закономерность передачи шарошками многошарошечного бура забою энергии и получены зависимости, характеризующие кинематику, динамику■многошарошечного бура и позволяющие определять рациональные параметра режима бурения п основные технические требования к исполнению буров. -

5. Установлены зависимости .для долотных буров, характеризующие взаимодействие их с забоем, определяющие количество шарошек на долоте, величину свеса над предыдущей ступенью забоя. Получены зависимости для определения рациональных энергетических параметров бурения с учетом характеристики разбуриваемых пород, что позволило дать технологическое обоснование конструкций дслотных буров.

6. Получены зависимости, характеризующие кинематику и динамику редукторных забойных агрегатов с изменяющимся диаметром бурены! и энергетические характеристики привода, используемые для обоснования конструктивного исполнения редукторных забойных агрегатов.

7. Получены аналитические зависимости для круговой обратной промывки скважин эжекторными снарядами, характеризующие связь между параметрами режима промывки и характеристикой циркуляционной системы, буровых насосов для случаев нормальной циркуляции, поддержания заданного уровня в скважине, низких динамических уровней с малыми погружениями водоструйного насоса под уровень, совмещения прямой и обратной промывок для роторного и реактивно-турбинного способов бурения и откачки жидкости из скважины. Па основе этого сформулированы требования к конструкции эжекторных снарядов различного назначения и даны технические решения на буровые инструмента. •

. Практическое значение. Предложена методика определения оптимальной частоты вращения РТБ по номограммам- и с помощью ЗВД. Обоснованы технические требования к зубьям трехшарошечнгх долот для РТБ, обеспечивающие повышение их стойкости.

Предложены новый принцип конструктивного исполнения двух типов долот режущего типа для РТБ и методика расчета расположения зубков на их поверхности.

Предложены методика и комплекс номограмм для виоирзсичлвтода и математическая модель, программа для ЭШ по Еыбору опш.алыюго варианта параметров режима бурения РТБ, учитывающего технологические факторы и технические характеристики применяемого оборудования.

Предложено конструктивное решение агрегата РТЕ диаметром 2,1 м с асимметричным расположением турбобуров и кеалг.зоыно в

промышленности.

Сформулированы технические требования к многошарошечному буру, даны технические решения его конструктивного исполнении, которые реализованы разработкой нормального рада буров диаметром от • 0,59 до 1,7 м.

Сформулированы технические требования к конструктивному исполнению долотннх буров и редукторных забойных агрегатов и предложены новые технические решения.

Предложены конструктивные с технические решения ла ряд зжегс-торных снарядов с высоконапорными струйными аппаратами, которые решают проблему обратной промывки скважин большого диаметра практически в любых условшх.

Предложены математические модели и программы для оптимизации промывки сквакш, рекша бурения многоиарошечными бураш с помощью ЭВМ. Многошарошечные буры, долотные буры и рецукторные забойные агрегаты, эжекторные снаряды признаны изобретениями.

Реализация работы в промжленносги. На основании проведенных исследований были разработаны-и внедрены рекомендации по технологии и режимам бурения РЕВ, опробованы в промышленных условиях новые буровые инструменты. Многошарошечные буры и эжекторныо снаряды приняты межведомственными приемочными комиссиями и рекомендованы к производству.

Рекомендуемые режимы бурения- и технические данные новых буровых инструментов изложены в 10 НИР, внедренных в производство. Экспериментальные работы в промышленных условиях и внедрение проведены в ряде районов страны - КМА, Крнвбассе', Североуральских рудниках и др.

Основные разработки внедрены в тресте "Союзшахтоосушение". Общий экономический эффект составляет 1458 тыс.руб. Ожидаемый экономический эффект от внедрения новых буровых инструментов и технологических процессов в ряде отраслей промышленности составит более 2 млн.руб. в год.

Обсуждение работы.Основные положения, выводы и рекомендации докладывались на научно-технических конференциях НТО Минчермета СССР С1971-86), Мингео (1983), Минмонтажспецстроя СССР (1981), Мипугля УССР (1986), в институтах ЦШШШВР (1985), БИСГШ (197189), ВШИБТ (1988-91), МГРЛ (1988-91), БШМСМЬС (1989), ШШТЙ (1989), на техооветах ряда предприятий Мингео, Минметаллургпи, Минмонтажспецстроя (1989-90).

Некоторые разработки экспонировались на ВДНХ СССР: агрегаты РТБ, многошарошечные буры, эжекторные снаряды отмечены неделями ц дипломами.

Черкетинформацией изданы рекламные проспекты, .на ыногошаро-шечные буры, эжекторные снаряды для зарубежной информации.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в одной монографии, 2 брошюрах, 10 авторских свидетельствах на изобретения, 42 статьях. Всего публикаций по бурению скважин большого диаметра 87.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит 284 страницы машинописного текста, 50 рисунков, 13 таблиц, . список использованной литературы из 260 источников. Структура работы - введение, 5 разделов, заключение, описок использованной литературы и приложения.

Во введении изложены основные сведения о диссертационной работе.

В первом раздело приведено современное состояние решаемой цроблемн, цели и задачи, методика исследований.

Во втором разделе изложены исследования по технике и технологии реактивно-турбинного бурения, полученные результаты.

В третьем разделе изложены теоретические и экспериментальные исследования по роторному бурению муогошаропечными, долотными бурами и рецукторными забойными агрегатами.

В четвертом разделе.изложены исследования и разработки по обратной, промывке скважин большого диаметра эжекторнымц снарядами,

В пятом разделе приводятся данные расчетов технико-экономической эффективности внедрения новых технологических процессов и технических средств их реализующих.

В заключении даны выводы и рекомендации.

ОСНОВНЫЕ слщщшш пошшш •

I. Работа турбобуров в РТБ отличается от работы их в турбинном бурении особенностью передачи осевой нагрузки я гидравлической мощности. в связи о чем целесообразно вращение РТБ ротором о ' расчетной частотой, прпмонение турбобуров с шаровыми опорами и наклонной линией давления к тормозу, последовательнш гидравлическим соединением их и работе на пониженном расходе жидкости, а также применение схем РТБ с асимметричным расположением турбобуров.

•Вследствие планетарного движения долот РТБ забой приобретает форму горизонтальной плоскости к переходной скругленной по дуге зоны к стенкам скважины. Шарошки контактируют на горизонтальной части забоя одним, двумя венцами в начальный период, а после некоторого износа зубьев по высоте двумя, тремя венцам;,, содержащими до 2/3 зубков шарошек. Реяим бурения РТБ характеризуется чао то таите вращения долот в агрегата, осевой нагрузкой на забой и количеством подаваемой на турбобуры жидкости. Авторы РТБ рекомендовали независимыми параметрами принимать раоход жидкости и осевую нагрузку на забой, которая определяется устойчивостью вращения агрегата вокруг оси от реактивного момента. Нашими исследованиями установлено, что для агрегатов РТБ осевые нагрузки, соответствующие устойчивому вращению РТБ от реактивного момента в мягких породах в 3-4 раза, а в скальных в 1,5-2,5 раза, ниже тормозных нагрузок для турбобуров. Это явление наш объясняется тем, что о роотом осевой 1 нагрузки лрироот момента на валах- турбобуров оледует по зависимости М = ^(б)для шарошечных долот, а рост момента, необходимого для вращения агрегата Р1Б, происходит по зависимости для долот режущего типа.

На рис. I представлены графики качественного изменения функций М = $ (6), полученные при бурении по известнякам и глинам агрегатами РТБ 7-760. Кривые 1,2- изменение суммарного момента на валах турбобуров (2М ^) о ростом осевой нагрузки на забой ( Оос ) до ТОО кН; 3,4 - изменение момента на переносное движение долот по забою (Мц) о ростом осевой нагрузки на забой (М= 0-400СН.м). Поэтому нами рекомендовано режим бурения РТБ устанавливать исхода из предельных нагрузок на валы турбобуров, равных весу РТБ, уменьшая при этом частоту вращения долот, повышая удельный момент и кпд

турбин, а вращение РТБ производить ротором с расчетной частотой. Это соответствует оптшальным значениям параметров режима бурения.

Рис. I График зависимости

вращающего момента от осевой нагрузки на забой

1.2 - на валах турбобуров;

3,4 - на вращение РТБ.

При вращении РТБ ротором забойная мощность возрастает на величину, передаваемую бурильным трубам ротором, что способствует повышению скорости бурения. ■ ' .

Экспериментальные исследования бурения РТБ производились при отработке более 2000 грехшарошзчнкх долот при бурении сквакш? диаметром 590г-2080 т. Нами установлено, что характер изнсоа долот обуславливается горизонтальной формой забоя, а степень ¿ш'носа б скальных поводах зависит от Ееличйны сколь&ения з^ьез по забою при переносном-двинэнаи'долот).1

Аналитические зависимости,- полученные наш по кинематике шарошек и долот показывают, чю'скороотв йколь&знил зуба по заоом и .длина пути в единичном акте взаимодействия о породой зиелсят от частоты вращения долота ( п^), агрегата ( пр ), полтпн.'я шарошка на забое и зуба на шарошке. В реальных уолойкял яр«; п^ = 10 с" , ПР - 0,5 о скорость скольжения цля РГК'-59С кз-

меняется от нуля до 0,5 м/о, а для РТБ-2080 - от нуля до 2,5 м/с. Длина пути скольжения соответственно до 2,6 и'6',2 мм. В рыхлых ' породах это скольжение повышает эффект разрушения порода и практически не влияет на износ долота, .а в скальных породах увеличивает скорость бурения при существенном падении общей проходки на долото. По данным проведенных исследований в промышленных условиях при бурении по известнякам с коэффициентом крепости 8-10 повышение частоты вращения агрегата от 0,15-0,17 до 0,85-1 с-1 привело к росту механической скорости бурения от 1,2 до 1,5 р-за при снижении проходки за рейс на 40$. При бурении по абразивным породам (кварцитам) износ зубьев долот значительно выше. На основании наших теоретических и экспериментальных исследований предложено частоту вращения РТБ определять исходя из условий сплошности поражения забоя при вращении агрегата вокруг своей оси. Для двух- и трехтур-бинных агрегатов при бурении по 'рыхлым породам '

прг~ (К + г)2- ;

ГЦ К Л-к^.ксЩ^)'

а при бурении по скальным породам

5Ге1ы КгА (К + -гН . '

П^ Кр о! • Ь - Сг 4 ^го/ш' * .

где Кд и Кр - коэффициент увеличения диаметра скважины против номинального и коэффициент'разрушения породы; с/ и с1ш , % - диаметры долота, шарошки и ^а^иус долота; Кг - расстояний оси долота от оси скважины; Ь — ширина зуба; ¿г - суммарная рабочая длина зубьев долоза. .'

Определение оптимальной-частоты вращения агрегата РТБ о учетом всех технических факторов может быть произведено путем решения задачи на ЭВМ по составленной нами математической модели

Пр =

процесса исходя из заданных граничных условий,- Для определения Лр в полевых условиях предложена номограмма.

Учитывая преимущество долот режущего типа по сравнению с шарошечными в рыхлых породах, на основе исследований планетарного движения породоразрушанцих элементов, предложено два типа режущих долот для РТБ: роликовое и сферическое. Они оснащены твердосплавными зубками с большим вылетом. С забоем контактирует одновременно <** 5 % зубков. Это создает условия эффективного разрушения забоя при ограниченных вращающих моментах и осевых нагрузках на забой. Стендовые испытания экспериментальных образцов долот подтвердили техническую возможность реализации предложения.

Исследована Кинематика, динамика этих долот, получены аналитические зависимости, характеризующие процесс резания породы и определяющие рациональное конструктивное исполнение долот.

Исследован баланс гидравлической мощности буровой установки при передаче её забою в реальных условиях. Получены забойные характеристики РТБ, которые могут быть выражены уравнениями

. W„B ; Мртв-тггА^а*;

где Кртв , МрТБ , Рртв» п}-~ мощность, момент, перепад давления' в РТБ, частота вращения долот; А м , Ан , А , А п -- коэффициенты, характеризующие турбобур; 0,1 т - подача буровых насосов и количество турбобуров в РТБ.

Исследования параметров режима бурения (осевой негрузки на забой бос и подачи жидкости О. ), конструктивных особенностей агрегатов и циркуляционной системы показали, что традиционные методы повышения эффективности-турбинного бурения секционированием турбобуров, повышенно расхода жидкости через турбобур неприемлемы для агрегатов РТБ вследствие ограниченной осевой нагрузки во-сом РТБ, которая не .монет вывести турбнш в режим максицьльго!'. мощности.

Теоретические и екопэрименталышо исследования показали, что гидравлические потери в-циркуляционной сиотеме достигают 70 % и более.

В связи с этим нами были провецввд исследования нескольких путей повышения эффективности бурения РТБ, Проведены экспериментальные исследования в производственных условиях при бурении двух скважин глубиной по 150 м диаметром 1020 мм агрегатами РТБ с турбобурами с шаровыми опорами и пониженной подачей жидкости в 1,3-1,5 раза. Этим ставилась цель уменьшить механические потери в турбобуре, снизить частоту вращения вала при повышенной осевой нагрузке, снизить гидравлические потери в циркуляционной системе и получить повышенное отношение М/п .

Эксперименты подтвердились достижением цели - те же показатели бурения были получены при снижении приводной мощности в 1,5 -2 раза.

Повышение эффективности использования приводной мощности буровой установки дает применение цредложенного нами способа последовательного гидравлического соединения турбобуров или смешанного (параллельного и последовательного) вместо параллельного.

Соотношение приводной мощности и равных забойных при параллельном и последовательном соединениях турбобуров в двухтурбннном РТБ вырадается формулой

К- ¿(P0S+R-P+PT +Р„)

- SP4V4 СР0Б+РгР^(Рг+

где Pos .R-p , Рт , Pg. - потери давления в обвязке, трубах, турбобуре и долоте; у - коэффициент увеличения половины расхода жидкости через турбобур; <зС - коэффициент потерь жидкости через уплотнение вала первого, турбобура. Для двухтурбинных РТБ Км =1.4, а для трехтурбвнных KN = 2.

Выполненные нами аналитические исследования и производственные эксперименты показывают, что конструктивно целесообразно агрегат РТБ выполнять так, чтобы каждый кольцевой забой- обрабатывался одним долотом. Такие агрегаты РТБ наш названы "РТБ с асимметричным расположением турбобуров". Эффективность их обосновывается перераспределением осевой нагруэки между долотами по мере разрушения кольцевых

1г

забоев и соответственно с большей эффективностью процесса, меньшим удельным износом долот на кольцевых забоях, удаленных от оси бура.

Нашими исследованиями кинематики и динамики работы таких агрегатов установлено, что для максимального уравновешивания необходимо, чтобы разность суш расстояний осей турбобуров от оси агрегата по обе стороны геометрической оси была равна нулю или наименьшему числу из данного сочетания длин расстояний. Учитывая неравномерность осевого нагруяения валов турбобуров, и; как следствие, повышение частоты вращения менее нагруненных, целесообразно применять .для асимметричных конструкций РТБ турбобуры с наклонной линией давления к тормозу, в которых перепад давления повышается с увеличением частоты вращения валов. При этил автоматически будет снижаться расход ни.дкостн через менее загруженные турбобуры и увеличиваться на более нагруженные, что повысит эффективность использования гидравлической мощности.

Для оптимизации параметров режима бурения с учетом ограничп- ■ вающих технических и технологических факторов нами разработаны математическая модель процесса бурения РТБ, алгоритм и программа решения задачи на ЭВМ. Выполненные расчеты показывают весомость каждого из параметров в общем технологическом процессе. Установлена целесообразность при существующих гидравлических схемах РТБ и циркуляционной системе1 повысить количество ступеней турбин в трехтурбкнных РТБ в 1,5 раза.

2. Величина передаваемой шарошкой забою энергии■зависит от местоположения её. веса бура, являющегося функцией статической и динамической нагрузок, частоты вращения бура, огранпчешюй его диаметром: роторные буровые инструменты диаметром более двух метров целесообразно создавать на принципа планетарного бурения.

Экспериментальными исследованиями по износу шарошек млогсацю-шечвдх буров было установлено,-что объем выбуренной породы 1саа-дой шарошкой различны?! при пршерно равной степенл их износа. .Отмечена такие.закономерность увеличения притупления вершчн зубков о увеличением расстояния их от оси бура. Анализ принципов передачи осевой нагрузки шарошками бура на забой, ародолышх и поперечных цвакспвй его при врацвник, износа отдельных уздг каг::-

рукций бура .позволил сформулировать следующие условия и требования к многошарошечным бурам. . •

Оптимальные параметры режима бурения и эффективный процесс разрушения породы многошарошечным буром могут быть достигнуты при соответствии конструкции бура технологическим условиям:

- минимальное количество шарошек на буре, обеспечивающее перекрытие забоя, при этом плотность вооружения уменьшается от оси бура к периферии;

- шарошки располагаются на одном уровне кольцевыми радами,

а оси смежных рядов шарошек направлены в противоположные стороны;

шарошки подпружинены, а общая масса бура не должна создавать динамическую составляющую в суше со статической, превышающую критическую для данных шарошек;

- бур состоит из модулей, комплектующих нормальный ряд буров.

Для реализации этих положений и технических требований к

буровым инструментам нами разработаны нормальный ряд многошарошечных буров диаметром 590-1700 мм и режимы их работы в породах с коэффициентом крепости до 14.

Для сплошного поражения забоя многошарошечным буром необходимо, чтобы суммарная длина зубьев на образующих шарошек была близка к длине" радиуса бура. При использовании шарошек трехиаро-шечных долот такое перекрытие обеспечивает в кольцевом ряду комплект из трех шарошек. Применение предложенных нами специальных шарошек с расположением зубьев по винтовым линиям, идущим от вершины к основанию конуса, позволит поражать полностью кольцевую полосу забоя одной шарошкой. При этом количество шарошек на буре может быть уменьшено, что позволит создавать высокие контактные напряжения в забое при ограниченной массе многошароксчного бура. При определении осевой нагрузки следует исходить из режима контактных напряжений в забое, при которых образуются первичные трещины. •

Известно, что кинетическая энергия зуба шарошки пропорш'опальна частоте вращения её вокруг своей оси. Откуда следует,-что при одинаковых размерах шарошек энергия удара зубьев о забой растет с увеличением расстояния их от оси бура.'

Объем разрушенной порода увеличивается пропорционально при-

ложенной энергии. Следовательно, удельная плотность вооружения бура при удалений от его осп вращения может быть уменьшена.

Необходимость расположения шарошек кольцевыми рядами обосновывается тем, что кольцевой ряд должен обеспечить полное поражение забоя по радиусу между двумя смежными рядами. При этом количество шарошек долгою быть' наименьшим.

В зарубежной практике буры имеют слегка вогнутую внутрь коническую форму забоя. Но при плоском или вогнутом забое возникают поперечные биения агрегата, что снижает эффективность общего процесса бурения, а биение буровой головки, в том числе и шарошками, о стенки скважины вызывает интенсивный износ бура.

Учитывая это, наш предложено для многоыарошечных буров в смежных кольцевых рядах шарошки расположить осями (вершинами) в противоположные стороны. Забой црнобретает форму в сечении вертикальной плоскостью ломаной линии. При такой форме забоя радиальные усилия будут приложены шарошками, находящимися в плоскости действия силы и вблизи её по обе стороны оси бура, к забою. Экспериментальными работами в промышленных условиях подтверждено, тем что при такой форме забоя фактический диаметр скважины близок к номинальному диаметру бура. Последнее способствует прямолинейности скЕажины и вертикальности её.

Большое количество шарошек на-буре.при жестком креплении их требует повышенной точности установки на буровой головке и прочности цапф.

Предложенные нами тарельчатые пружинные амортизаторы шарошек с ходом 12-15 мм легко компенсируют неточность изготовления головки-бура, исключают перегрузки вследствие ввода близрасполо-женных шарошек в работу, исключают или снижают вибрацию шарошек н бура в целом, что способствует повышению надежности и долговечности его узлов. Предварительное сжатие пружин способствует улучшению процесса взаимодействия 'зуба с породой, повышает время контакта его и объем разрушения в единичном акте.

Коэффициент динамичности для многошарошечного бура можно определить аналитически или принять близким к д? ум. В шогоиарО-шечном буре имеет место неравномерность погружения шарошек, которая оценивается нами коэффициентом 1,5.

Учитывая-динамическую нагрузку, неравномерность загрузки шарошек и допустимую статическую нагрузку на шарошку, общую максимальную массу бура mosho определить по формуле f, _ G<Mj tn

b - Кн (.1 + Kf) '

где G cug. - допустимая статическая нагрузка на шарошку; гп - количество шарошек на буре; К ri и К^. - коэффициенты неравномерности и динамичности.

Нами установлено, что наиболее опасной для зубьев является горизонтальная составляющая силы ударной нагрузки, определяемая формулой

Gr = 4 ъъ вал COSjb cos^f ,

где - радиус шарошки в рассматриваемом сечении.с количеством

зубьев н. ; Gui - осевая нагрузка на шарошку; частота вращения шарошки; Ji и у - углы наклона осп шарошки и приложения силы удара зуба к горизонту.

Бур состоит из взаимозаменяемых сборочных единиц в ряде типоразмеров буров.

Ограниченная масса буров требует получения максимального эффекта разрушения породы за счет применения предельных других параметров режима бурения, в частности частоты вращения бура. Однако в абразивных породах, где скольжение зубьев вызывает повышений износ, она ограничена. '

С целью выбора оптимального сочетания параметров режима бурения при заданных ограничениях и полного использования технических возможностей бурового оборудования•составлены математическая модель технологического процесса бурения многошарошечными бурами, алгоритм и программа для решения задач на ЭВМ.

Математическая модель по функционалу приводной мощности ротора с учетом ограничивающих'факторов монет быть представлена в вийе - _ '

N6 «А*^--^^

¿Э см

М_ Km 7l Д б Gs т . и _ У .

Б- 'Пб~ЗГД(

Ограничивающими факторами, зависящими от буровой техники и характеристики разбуриваемых пород, являются: мощность 1\/£и вращающий момент ^/¡0ротора буровой установки, осевая нагрузка на забой 0>5 , допустимая скорость скольжения зубков о породу V, зависящая от абразивное™ пород.

Другие^ величины, входящие в формулы: т - количество шарошек на буре, ДБ - диаметр бура, С^сС- коэффициент, характеризующий моментоемкость пород, £ , £ , Д - коэффициенты, характеризующие электрический, механический кпд ротора и коэффициент пропорциональности момента осевой нагрузке, задаваемые техническими ' условиями.

Нашими исследованиями установлено, что эффективность буровых инструментов, создаваемых по принципу многошарошечных буров, с увеличением номинального диаметра снижается вследствие снижения частоты вращения бура и невозможности совместить оптимальные параметры работы шарошек, находящихся вблизи оси бура и на его пе -риферии. С увеличением диаметра бура резко возрастает необходи -мая масса бура для создания оптимальных осевых нагрузок на забой, а это в свою очередь вызывает сложности в создании шарошек, соответствующих большой массе бура. Поэтому переход на планетарные принципы поражения забоя долотными бурами и редукторными забойными агрегатами диаметром два и более, метров снимает многие не ре -шаемые вопросы конструкции и режима*бурения у роторных буровых инструментов.

Принцип до летного -бура основан на частичном свисании долота над предыдущей ступенью пробуренной скважины и вращения вокруг своей оси при переносном движении. Количество шарошек, ступеней долотного бура,, ширина ступени связаны между собой только общим диаметром бура, что дает возможность выбора многих-вариантов конструктивного исполнения и создания условий оптимизации режима бурения.,

. Вращение долот бура происходит вследствие реакции ^абоя. Однако 'при проработке стенок ствола и при разрушении шлама на чзСоа реакция забоя недостаточна для вращения долот.

Для повышения эффективности использования долотнъгх буров п таких случаях в конструкцию, бура нами введены амортизирующие в радиальном направлении диски, посаженные на шпинделя долит н вта-имодейс'твующие со стенками скважины.

Для сооружения стволов с опускной крепью предложено техническое решение бура, долота которого имеют возможности отклоняться, т.е. изменять положение вертикальной оси при прохождении через внутреннее сечение крепи и, в то же время, вращаться вокруг своей оси, а при входе в скошенную ножевую часть или выходе' из крепи будут вновь принимать вертикальное положение.

Передаточное отношение в буре будет определяться соотношением диаметра бура (или ступени^ и работающего долота. Частота вращения долота бура будет определяться как

Г)£. = ПБ 1п ,

где ПБ- частота вращения бура; сп- передаточное отношение п -ной ступени. Частота вращения бура ограничивается предельной скоростью скольжения зубков по условиям износа в абразивных породах.

Скорость движения любой точки долота режущего типа опреде -лится по формуле

Уа1 = УгМ + ~ 2 со5 2 ,

где'\4:^ и Уь^Ь - скорости движения этой точки относительно оси агрегата и долота; $ - угол между направлениями вектора скоростей Уц и Уь^..

Из формулы следует, что суммарная скорость точки равна нулю в крайнем удаленном от оси бура положении и сумме при угле $ =г 180°. Шарошки на долоте будут также иметь переменную ско -рость вращения. Направление вращения шарошки за один оборот долота дважды изменяется на противоположное.

где вектор движения шарошки относительно оси бура;^ -угол

между векторами Уаъ и \/ц , с/ - диаметр шарошки.

Момент на долоте, создаваемый-одной шарошкой, выражается формулой '

АМш^ГсьЫпщЬг^собЬ^Ь,'

где - усилие сопротивления скольжению шарошки по забою; 00^- угол поворота шарошки относительно линии, соединяющей ось Сура и ось шарошки; Ъа - радиус долота.

Осевая нагрузка ограничивается суммарной (статической и. динамической), допустимой для шарошек, резцов.

Установлено также, что момент на долоте равен сумме моментов на шарошках, а максимум функции при поворотах на 90°. Отсюдв, для получения максимального вращающего момента на долоте бура необходимо, чтобы свес долота .был такой, при котором предыдущая ступень срезала бы забой под шарошками, расположенными между двумя лучами с углом более 90°.

Для постоянства момента на долоте необходимо, чтобы в каждый момент было постоянное количество свисающих шарошек. Так как угол свеса должен быть не менее 90° и нз этом секторе должно Сыть не менее одной шарошки, то общее количество шарошек должно быть на долоте не менее четырех.

Многошпиндельные буроьие механизмы с погружным приводом являются высокоэффективными, позволяющими концентрировать из но -большом количестве породоразрушающих элементов высокие осевнз нагрузки и передавать на забой, большую мощность благодаря высокому кпд.

Для реализации зтих принципов высокозффективного процесса бурения диаметром 2-4 м нами предложена конструктивная схема ре-дукторного забойного агрегата. Она представляет собой два трзх-шпиндельных блока с приводом на каждом, соединенных между собой плоской панелью, по которой могут смещаться блоки, занимая положение максимального приближения друг к другу или удаления. При ,зтом диаметр бурения таким агрегатом может изменяться.

Минимальный диаметр бурения агрегатом определяется формулой

А тШ = + +с/0,

максимальный __■__

где с10 - диаметр долота; 8п - ширина соединительной панели; Ср - .межосевое расстояние между редукторными блоками; к. - козф-фициент перекрытия панели редукторным блоком. При <ГП= б/0и К ='0,25 коэффициент увеличения диаметра бурения составляет 2,3, В редукторных забойных агрегатах типа РЗА установлено разчосторон-

нее вращение приводов блоков с целью снижения общего вращающего момента на.буровой колонне.

При одинаковых типоразмерах долот на блоках с пилот-долотом вращающий момент составит

= -РЗс/о +£Рс/0 =-pdo ;

d0~ZPolo = Pd0 ; M0 = Pdo. Суммарный момент вращения переносного движения

SMngp^HFCRi + R^Rs),

где Р - окружное усилие на долоте; R1, , R3- расстояния осей ' долот от оси агрегата; F - результирующее усилие резания при переносном движении долот, Мо-;момент на пилот-долоте.

Суммарный вращающий момент на буровой колонне составит

Учитывая низкие.частоты вращения агрегата для сплошного поражения репукторными блоками кольцевой полосы забоя и малоэффективный процесс-разрушения забоя пилот-долотом при этом, целесообразно последовательное бурение пилот-скважины и кольцевой части. Возможность выбора.-типа долот на шпинделях блоков позволяет эф -фективно разрушать забой исходя из осевой нагрузки, определяемой массой РЗА.

Однако, учитывая преимущественное влияние-осевой нагрузки на эффект разрушения породы на забое, массу, агрегата за счет грузов целесообразно-приближать-к грузоподъемности установки.

Научное положение по режиму бурения и требованиям к многошарошечным бурам нодтверадены бурением-в.ряде районов-. Показатели' улучшены, по породам крепостью f = 7 в сравнении с аналогам!.

, Общая проходка на многошарошечный бур в 7,7 раза. Сменная' производительность в 3,5 раза. Количество'.отрабатываемых буром комплектов парошек . 'в 10 раз. Стоимость бурения I пог. метра, окпажкны за счет бурового инструмента-в 2,2 раза. Годовой эко-vovaчесний эффект.на один бур 33,9 тыс. руб. •

Миогошарошечные буры диаметром 590 и 960 мм прошли приемочные испытания и рекомендованы к производству.

. Реализация-научного положения по планетарным редукторным буровым инструментам подтверждается длительным и Эффективным исполь-

го

зованием трехшпиндельных блоков в качестве бурового органа машин, разработанных в ВИОГЕМ для проходки бэрражных щелей и долотныг буроз диаметром 3,6м, опробованных институтом ВНИЩТ.

3. Круговая обратная промывка скважины, совмещение прямой и обратной промывок и вынос шлама с забоя обеспечивают предложенные высоконапорные эжекторнне снаряды и технологи"еские схемы

применения их при бурении многошарошечными бурами, агрегатами _

РГБ при различных .уровнях жидкости в скважине, а подача водоструйного насоса и погружения его повисят от глубины забол, скорости бурения и плотности разбуриваемых пород.

Эффективную работу бурового инструмента в скввтане большого диаметра возможно обеспечить только при своевременном упалении с забоя сколотых частиц породы обратно!5, промывкой.

В горнорушшх районах,, гае понижены уровни водоносных горизонтов, традиционные способы промывки не приемлемы или малоэффективны. Основываясь на теории работы и конструкции струйных аппаратов водоструйных насосов Е.Э. Зрипмано и П.II. Каменева,нами предложены технологические схемы и внеоконапорнне зжекторныо снаряды для осуществления круговой обратной промывки при бурении скважин большого диаметра.

Эжекторные снаряды и струйные аппараты, встроенные в FIT., роторные буровые инструменты обеспечивают обратную промывку и очистку забоя от шлама при различных динамических уровнях жил -кости в скважине, а такке опорожнение их до глубин 350-100 м при использовании соответствующих буровых насосов.

- Эжекторный снаряп состоит из водоструйного нзсоса, двойных бурильных-труб (внешней, бурильной и внутренней насосно-ксмпрссгсл-ной1, двухканального вертлюга и ведущей трубы.

Особенностью конструкции-ставя двойных труб является внутренний став с подвеской в вертлюге, соединенный телескопически с водоструйным насосом, не участвующий в передаче осевой нагрузки и вращающего момента на забой. Спуск и подтем труб выполняется • раздельно, наращивание совмещено.

Основными .параметрами обратной промывки струйными насосами являются подача и напор.

Подача определяется концентрацией пульпы, которую может создавать и транспортировать снаряд, а напор будет определяться высотой транспортировки пульпы и гидравлическими потерями в циркуляционной системе.

Объем поднимаемой с забоя жидкости должен обеспечивать вынос выбуренной породы.

Нашими промышленными экспериментами и стендовыми опытами при натурных параметрах воспроизведения процесс! обратной промывки уточнены оптимальные параметры режима промывки. Установлено, что подача водоструйным насосом 8,5»10_3 - 14«10~3 м3/с обеспечивает скорость бурения до 10 ы/ч при диаметре скважины I м. Устойчивый режим обратной промывки наблюдается при кон -центрации шлама в промывочной жидкости 'до 20 % по весу. Круп -ность частиц может достигать 1/2 диаметра камеры смешения. Необходимые параметры обратной промывки при роторном бурении обеспечивают двойные бурильные колонны, составленные из труб диаметром 168 и 69 (102) мм.

Нашими технико-экономическими расчетами установлено, что увеличение диаметра двойной колонны труб с целью снижения гидравлических потерь для роторного способа бурения нецелесообразно.

На основе 'аналитических исследований гидравлических схем циркуляции при роторном,' реактивно-турбинном, бурении и откачке жидкости из скважин, пробуренных на воду, математического моделирования процесса обратной промывки скважины при бурении,стендовых исследований натурных образцов и производственного применения . эжекторных снарядов нами получены аналитические зайиси - ' мости, описывающие эти процессы, а также влияние технических факторов и технологических условий на изменение основных параметров процесса. Исходя .13 этих данных были проведены исследования по оптимизации режима работы эжекторных снарядов и обоснованию технических требований к ним.

Мощность приводного бурового насоса для эжекторного сна -ряда при роторном бурении (или часть её при бурении.РТБ) для осуществления обратной промывки должна быть минимальной и обеспечивать вынос•выбуренной породы. Это условие выражается следую-' щим образом,. •

гг

N„!?H =HhQd — men, Nc=HzQa — тал,

где Nrtn Nc- гидравлическая мощность бурового насоса и эжсктор-ного снаряда; О^и подача бурового нагона и эжекторного снаряда; £ - кпд насосе; Нн" И2 - напор бурового насоса и зжекторного снаряда. Напор, создаваемый на пнхопо ил диффуора ожекторного снаряда Н^, кок показали экспериментальные исследования на стенде, должен превышать напор геодезической высоты подтема ж-'дкости над уровнем в скважине и суммарные гидравлические сопротивления г под-томном трубопровод. Работа на критичоо -кой величине напора яа диффузором приводит к падению оСл-ема подсасываемой с чабоя жидкости (X ^ .

hi > аТ2Сн (а^а/Л-*-^,

где dfi- коэффициент, характеризующий гидрпвлическио потери л подъемном трубопроводе.

ат2" зг* f drs

где dT- внутренний диаметр пульпопопъемного трубопровода та диАфучором; fy, - ускорение свободного напення; Си • глубина погружения струйного аппарата "жскторного снаряда в скважину,

ty, - глубина динамического уровня жидкости в скважине; tn~ глубина погружения струйного аппарата подуровень жидкости в скважине; - удельный вес жидкости-в яопопоятгмном трубопроводе; Лкр~ коэффициент гидравлических сопротивлений в , трубопроводе; - коэффициент эхокции или подмстипвния, сЛ" (лЩп,

У &о]о + QL Л . J -0 . Grrfftf-jb)

где ^о > <?i 1 j гр - улельнют веса жидкостей, подаваемых буровым несомом r скпажш(у, пульпы, попсэснвлемой с забоя, и розбу -риваемой порода; Grp - вес породы п единице обтемп подсаенвлемий жидкости.

Dec порода в пульпе зависит от постогтпяс и переметите величин процесса

G;; = lAl^kJip.,

4 а<

РДе Д,- диаметр скважины; Ум - механическая скорость бурения.

Переменными являются Ум и 0.1, причем С^яевисит от Механическая скорость бурения определяется техническими средствами и технологическим процессом.

Подсасываемая с забоя жидкость должна обеспечить подъем выбуренного шлама по бурильным трубам между забоем и водоструйным насосом.

Минимальный объем подсасываемой жидкости с одной стороны определяется допустимой концентрацией шлама в не1, а с другой стороны он должен обеспечить скорость потока во всасывающем трубопроводе, которая необходима для выноса выбуриваемых частиц поре,пи.

Эти условия выражаются формулой

л Ум Угр , '

гдеД,- диаметр скважины; относительный удельный вес по -роды; р ^гц/Уц * УДеЛЬный вес выбуриваемой породы;^ -удельный вес технической воды; Кщ- концентрация шлама в пульпе, равная отношению веса грунта к весу пульпы.

Об'Ьвм подсасываемой с забоя жидкости зависит от коэффициента зжекции сС который определяется формулой

рда ^ коэффициент скорости конфузора; т - отношение площадей сечения камеры смешения и насадки; И - атмосферное дазле -ние; Уо скорость истечения' жидкости из несадки. . *

На рис. 2,3 приведены результаты экспериментальных иссле -' дований зависимости коэффициента эжекции от глубины погружения водоструйного насоса под уровень жидкости в скважине и подачи насоса от изменения динамического уровня жидкости.

Опыты проводились в скважине глубиной 110 м при изменении Дйнамиодбкдго уровня от 30. до 90 м от устья, что охватывает практически веб возможные случаи реальных условий бурения скважин большого диаметра.'Фактическая величина коэффициенте вжёкцйн составляет 0,8 расчетной, что может объясняться отклонением точности изготовления струйного аппарата от идеальной.

,24

1 т &

М Л

и

Я

Ц4 4? 47 Ф 09 <<? ел" Рис. 2. Зависимость коэффициента зжекции от заглубления ' струйного аппарата пол уровень жидкости в скважине: I - расчетная^?- фактическая

V

т »1 а? яш #

Я-

и он

5 Г 5 3 5

Рис. 3, Зависимость подачи насоса от глубины динамического уров "я в 'гкваэтше:

1 - т = 4

2 - т = 2,94

Глубина погружения водоструйного насоса поп уровень жидкости должна обеспечить подмор для проодо -ленип сопротивления потоку во всасывающей части бурового става труб и подпор в приемной камере струйного аппарата (конФузоро^ для умвньданч* ряпности скоростей по-ж^еящегв йч ног елки и ПРД-яяснввеиегй, ¡'!огру*ШК0 должно быть • е менее еггр^япляпиого по формуле

* "ТГ"'

где Д - коз^ициент сопротивления точению в круглом сечении; -длина веаскващеги трубопровода.

На рис. 3 экспериментальные ланнио по двум струПинм аппаратом с различным-! значениями т . Кривая 2 более пологая, что означает уменьшение влияния динамического уровня на величину иолпчи насоса при.большем зап.юе напора за диффузором. Однако козфф.щиент зжок-ции даже при погружениях накоса менее 10 м снижается но боле? до 0,5-0,6.

Напор, создаваемый струйным аппаратом, зависит от скорости потока .в камере смешения У/г и вира -жается формулой

ц _ VI 3 2__.

~ у г . 2

Ъ 1

Но б то же время

где Уг и с|? - скорость потока в камере смешения и диаметр камеры смешения; Н0- дввление перед насадной; $ - коэффициент на -поров.

Для получения напора водоструйного насоса необходимо, чтобы скорость струи в камере смешения удовлетворяла условию

где ё - коэффициент восстановления давления в диффузоре, кпд диффузора, Н^и Нг - гидравлические потери в пульпопопъемном1 трубопроводе и геодезический напор столба над водоструйным насосом.

Так как вся система обратной промывки связана с геометрическими размерами каналов трубопроводов и взаимозависимы параметры режима работы, то изменение одного из них ведет к изменению всего процесса.

С целью оптимизации процесса нами разработаны математическая модель и программа решения задач на ЭВМ по обратной промывке с учетом всех технических и технологических факторов. Для осуществления технологических процессов обратной промывки при бурении с поддержанием заданного уровня жидкости о скважине, при низких динамических уровнях, а также для-совмещения прямой и обратной промывок предложены соответствующие устройства, реализующие их..

Совмещение прямой и обратной' промывок 'в агрегате РТЕ возмож'ч но путем установки струйного аппарата на подъем пульпы при двойной колонне труб.

Водоструйный насос может быть смонтирован как в агрегате ИВ, так и над ним в ставе двойной колонны труб на глубине, определяемой по изложенной вше методике. Режим работы струйного аппарата может быть определен исходя из следующих отправных величин.

Приняв напор парод турбобурами Нтза напор перед насадкой

, а необходимый нвпор за диффузором Нг®11' общего случая

равным Н2 - А Нгр+лНу « определим^ по известным Н0 и Нг :

' ß-Hi/tfHo.'

Ш функциональной зависимости J3 =f (сС) определим . При заданном объеме выбуриваемой породы в единицу времени и средней величине ^ в причабойной зоне определим необходимый обтем подсасываемой жидкости йЦи обгеи жидкости, подаваемой на струйный аппорчт.

Диаметры соплп и камеры смешения струйного аппарата d о и ({%

при условии JI ■ т = I определим по формулам

' ■

При заполнении до устья скважины расчетная величина J3 может оказаться менее 0,1. В чтом случае Jh слетует принимать не менее 0,12 и по зависимости оС=* f(fi) определить с/- • При установке струйного аппарата в лоно РТЕ концентрация иляма в пульпе может быть значительно увеличена, а приемное отверстие всасывающего канала струйного аппарата установлено в лоне максимального скопления его.

Научные положения по технологии обратной промывки скважин буровыми инструментами, в основе которых водоструйные насосы, подтверждены реализацией в промышленности бурения и прокачки водопонижащих скважин пжекторными .снарядами.

При бурении скважин на шахтэх П 0 "Тулауголь" дебит их вочрос более чем вдвое, что составляло 20-П5 тис. руб. экономии на каждой. Прокачка одной скракннч глубиной 550 v на Яковлевском руднике КМА чжекторнпм снарядом дает ткоиЬмто средств более 13 тыс. руб. Расчетные данные параметров режима работы чжектор-ньгх снарядов по предложенным методикам близки к фактическим.

Три типоразмера чжекторных снарядов приняты приемочными комиссиями и рекомендованы к производству.

ОСНОВНЫЕ вывода И РЕКОМЕНДАЦИИ

В диссертационной работе дано научное обоснование параметров режима бурения и технических требований к буровым инсгру -ментам-агрегатам РТБ, многошарошечным бурам и средствам обратной промывки для скважин большого диаметра,-

Основные научные и практические выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. Теоретичэскимиисследованиямии экспериментальными рабо -тами по кинематике, динамике процесса бурения РТБ установлено, что работа турбобуров в РТБ отличается от работы их в турбинном бурении. Установлено, что скольжение зубьев по забою вследствие переносного движения полот существенно'влияет на износ вооружения, а высокие окружные скорости долот приводят к большим ударным нагрузкам. Доказана целесообразность вращения РТБ ротором

и предложены аналитические зависимости для определения частоты вращения РТЕ, учитывающие многие факторы.

2. Предложены долота режущего типа для Р1Б со сменными по-рчдоразрушающими-элементами роликового и сферического типа. Получены аналитические зависимости, позволяющие производить рас -чет параметров'режима их работы и конструктивных элементов до -лот,

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено,

что:

- наиболее эффективной конструктивной схемой Р1Б является асимметричное расположение .работающих турбобуров относительно оси его и находящихся в одной плоскости, максимальная уравновешенность будет, если разности сумм расстояний осей турбобуров О? оси агрегате по обе стороны равна нулю или наименьшему числу! \г;

,,- применение турбобуров с шаровыми опорами в РТБ обеспечивает повышение показателей работы долот при сниженном расходе промывочной жидкости и уменьшении рабочего давления буровых насосов.

Дано аналитическое обоснование технологических схем последовательного и 'смешанного гидравлического соединения турбобуров, попыдаЬщих кпд двухтурбинных буров в 1,?-1,4 раза, а

трёх- и четырехтурбинных-вдвое.

Составлены математические модели технологического прогресса бурения Р1Б, позволяющие с помощью ЭВМ определить оптимальную частоту вращения РГБ, оптимальное сочетание других параметров процесса с учетом ограничения для максимального использовзгчя приводной мощности на .забое.

4. Для роторного способа бурения скважин большого диаметра основными параметрами рекимв бурения следует считать: осевую нагрузку на забой, частоту вращения бурового инструмента и способ промывки забоя скважины. В качестве критериев зтих параметров следует принимать: контактные напряжения я .забое но менее О,Т разрушающих; окружные скорости в ирэпю с абразивных поролчх не биис 2 м/с, а поднимаемая с забоя липкость при обратной прописке дпл?«--на содержать не более 30 % галама по весу.

5. Буровые инструменты должны взаимодействовать с забоем минимальным количеством породоразрушагащих злементов и содэрчзть в то же время большое количество их. Исходя из взаимосвязи массы бура, режима бурения и характеристик буровых установок, максимальная масса бура диаметром до 2 м не превышает для большинства из них 20 т.

6. В основу конструктивного исполнения многостпрспечного бур' должны быть положены принципы:

- минимальное количество шарошек, обеспечив.з>тж?е ппрекрытке .забоя, при этом плотность вооружения .уменьшается от оси <!уря г; периферии;

- шарошки должны располагаться'на одном уровне колыювнмч рядами, а оси смежных рялоя порош1;« нэпраптянн г прогивопплгтпыэ стороны и подпружинены;

- общая масса бура не должна еозяяветь динамическую сесл?в-ляющу» осевой нагрузки, пряпмгаащуя критическую плп ппнннт гм^го-шек;

- бур должен состоять из модулей, комплектующих нормальный ряд буров..

7. Установлены аналитические зависимости для определения геометрических размеров буров во взаимосвязи а ра-ччргчп "мрегок, частотой вращения, окру*№.'"И скоростями пвижриия и г-гочь"-''1 ы---

чек шарошек при взаимодействии с забоем, необходимым моментом на вращение бура и потребной приводной мощностью.

Составлены математическая модель технологического процесса бурения многошарошечными бурами и алгоритм решения задач на ЭВМ по выбору оптимального соотношения параметров режима бурения с учетом технических, технологических данных и ограничивающих факторов,

8. Роторные буровые инструменты диаметром 2 и более метров целесообразно создавать по схеме двух-и трехстуш нчатых долотных буров, используя принцип планетарного движения породоразрушающих элементов.

Для долотных буров установлено, что

- скорость движения, направление и. момент вращения на шарошке бура переменные и зависят от её местоположения на забое;

- с увеличением количества шарошек неравномерность момента не буре уменьшается, минимальное количество шарошек на долоте четыре!

- свес долота над предыдущей ступенью должен создавать неработающую дугу окружности, соответствующую центральному углу не менее 90°;

- частота вращения бура ограничивается предельной скоростью скольжения зубков по условиям износа;

- осевая нагрузка ограничивается суммарной (статической и динамической), допустимой для шарошек (резцов).

Стабильность работы долотного бура- и его эффективность повышаются при оснащении шпинделей амортизирующими в радиальном направлении дисками, взаимодействующими с крепью или стенкаяи , скважины", а при бурении с опускной крепью при установке на шпинделях сферических шарнирных отклонителей, позволяющих бурить инструментом диаметром,равным и более внешнего диаметра крепи.

9. В основу конструктивного исполнения редукторных забойных агрегатов (РЗА) для бурения шурфов и дренажных стволов диаметром 2*4 м должны быть положены следующие основные принципы:

- агрегат должен состоять из двух одинаковых шпиндельных блоков, передающих породоразрушаюцим элементам большую удельную мощность при заданных параметрах режима и минимальном количестве ? приводных двигателей;

- агрегат должен позволять прямэиять ратлииньга типоразмеры долот, изменять диаметр бурегои, прютвояить обратную промывку .и управляться через бургагьнуп колонну труб.

Исследования кинематики я динамики работы долот в РЗА позволили установить следующие принципы проектирования режима бу -рения и требования ег конструктивному исполнению РЗА:

- суммарный момент из буре должен бить блияон , к нуля и достигаться лутем вращзитт приводов блоков в разные стороны и уста -новкой соответствующий: тгптопг долот;

- рациональное соттошсппа частот вращения шпинделей огрогя-тэ определяется сгагашнсетыи поражения :>абоя;

- оптима.тьнда парат,гетры- процесс» бурения и конструкция РЗА определяются установлениями анолитичесгпглг .таштсишстями линейных скоростей движения поролорачрушащпх элементов при взаимодействии с забоем, иоиентннми характеристиками родукторных блоков и характеристикой буравах долот на шлшдялюс»

10. Получены аналитические зависимости по обрг.тной прсмывка скважин для буровых инструментов на база водоструйных насосоп, гидравлической системы скважины и режима бурения, позволяющие определить параметры режима бурения гго заданным характеристикам буровых инструментов.

Предложены эжектпрные снаряды, обеспечивающие обратную про -мывку сквятнш большого диаметра при использовании стандартного серийного оборудования и инструментов при различны' уровнях жидкости в скважине, в том числе опорожнении до глубин 380-4Л0 м. Предложены конструктивные решения бурового инструмента с двумя струйными аппаратами, обеспечивающими совмещение прямой и обратной промывок. Предложена технологическая схема РШ с_ водоструйным насосом, обеспечивающая одновременную обратную промыику забоя.

11. Установлено, что погружение водоструйного насосз под уровень жидкости имеет оптимальный предел, определяемый соотношением прироста подсоса жидкости из скважины и потерями напора в подъемном трубопроводе. Ловнпение эффективности работы зяекторно-го снаряда при недостаточном погружении может быть достигнуто установкой дополнительного струйного аппарата на всасе основного.

Разработана математическая модель технологического процесса обратной промывки -»канторными снарядами, учитмяаглая тохнологичес-

кие и технические факторы, а также составлен алгоритм решения задач на ЭВМ по выбору оптимальных параметров процесса с учетом заданных ограничений.

12. Стендовыми, производственными экспериментами и производственным опытом подтверждены полученные аналитические зависимости и защищаемые научные положения по выбору оптимальных параметров режимов бурения буровыми инструментами большого диаметра и требования к их исполнению. Новизна предложенных технических ре- ■ шений защищена 10 - авторскими свидетельствами. Высокий уровень и эффективность их подтверждается тем, что рассматриваемые в настоящей диссертации разработки - агрегаты РЯЗ, многошарошечные бури, эжекторные снарядыг-демонстрировались на ВДНХ СССР, награждены дипломами и медалями, экономический.эффект от внедрения работы составил 1458 тыс. руб.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Петриченко В.II. Результаты исследований реактивно-турбинного способа бурения скважин в условиях Яковлевского рудника,Труды ЦНИИгоросушение. Недра. 1965. - С. 13-24.

2. Митрофанов А,И,, Петриченко В.П., Сиваев Д.Ы. 0 результатах применения реактивно-турбинных буров РЗВ9-590 и РТБ^-БШ на рудника им. Кирова криворожского бассейна. Труды ЦНИИгоросушение. Недра. 1965. - С: 25-35. ■ .

3. Петриченко В.П. Пбражение забоя зубьями трехшарошечных долот при.работе двухтурбинных агрегатов РЕВ. "Труды ВНИИБТ.18. Недра, 1967. - С. 45-49.

4. Петриченко В.П. Скольжение зубьев трехшарошечных долот

в агрегатах Р1Б. Труды ЦНИИгоросушение. ' Недра,'1967. - С.51-68. /

5. Петриченко В.П. 0 рациональных сочетаниях параметров бурового оборудования и ре?симов бурения РТБ. Матер. П всесоюз -. ной конф. ВИТО Минчермета СССР. Белгород, 1967. - С.272 - 278.

6. Мураховский A.A., Петриченко В.П. Кинематика долот режущего типа в агрегатах РГБ. Изв. ВУЗов "Геол. и разведка" 5.1974. -С, 148-152.'

7. Брылов С.Д., Г!рабчак Л,Г., Куличихин Н.И,, Олейник В.В., : Петриченко В.П, Бурение скважин большого диаметра. ВИЭМС. 1973.

- С.29. . •

8. Петриченко В.П., Мураховский A.A. Конструктивное исполнение многошарошечных буров со сферическими шарошками. Сб. Техника и технология бурения скв. экспл.разведки на карьерах и шахтах ЮМ. Всесоюэн.конфер. по зксплуатац. разведке. Белгород, 1775. С. I0I-I03.

9. Мураховский A.A., Петриченко В.П., Добровстьский Г.Б., Олейник В.В. Показатели работы многазароглочных долот больших диаметров со сферическими шарошками. Спец.строит.работы. 8.1976. - С. 7-12.

10. Петриченко В.П. Современное состояние л пути совершенствования технических средств и технологи» сооружения пздспони-жавдих и технических скважин большого диаметра. Тел.докл. Всесоюзной конференции ВНТО Минчормета СССР. Белгород, 1981. - С.68-71.

11. Петриченко В.П., Малацковский Ф.С. Редукторныо зоб'.чшга агрегаты для бурения скважин большого диаметра. Тез. докч. Всесоюзной конференции ВНТО МиИчермета СССР. Белгород, 3981. -

С. 71-73.

12. Петриченко В.П., Сиваев ILM. Новые технические средства для сооружения скважин но воду. Тез. докл. Республиканского семинара НТО Мингео РСФСР. 1983.

13. Добровольский Г.Б., Казикаев Д.М., Петриченко D.il. Крепление скважин большого диаметра. Недра, М., 1988. - С.ГЭЗ.

14. Петриченко В.П., Гочнаров.А.Г., Mypnxofeciniit A.A., Спиз-вв П.М. Многошарошечный бур. A.c. 503018. Erl ff б. 1976.

15. Петриченко В.П., Булях Г.И'. Забойны!» агрегат п,"я буре -ния скважин большого диаметра. A.c. 622207. 1977.

16. Петриченко В.П., Мзлацковский Ф.С. Рсгукторгп-!! ^пСппг-i!f агрегат для бурения скважин боль-лого диаметра. к.с. 7??1!';0. И №11. 1980.

17. Петриченко В.П., ЫалацковскиП 5.С. Реяукторн'-;4 ^"боС'ный агрегат для бурения скважин большого диаметра. A.c. fv'pP-U. Т.И

Г= 45. 1981..

18. Петриченко В.П., МалацковскиП 5.С., Мурато^ки": A.A., Булах Г.И., Дкберман В.И. Долотний б.ур. A.c.. 985278. Г! " 1У. 1982.

19. Петриченко В.П., МалацковскиС С.С., Сиваеп П.'.'. ^-ек^р-ныЯ снаряд. A.c. 89Э842. ЬИ 3. 1982.

20. Петриченко В.П., Сиваев П. 11., Тимофеев А.П., Севченко H.H. Снаряд для бурения скважин большого диаметра. A.c. 985303. til » 48. 1982.

21. Петриченко З.П., Тимофеев А.11. Способ определения динамического уровня жидкости в скважине. A.c. 1024587. Líl № 23.1983.

22. Петриченко В.П., Гончаров А.Г., Мусатов В.В. Долотный бур. A.c. И48954. ЕИ № 13. 1985 .

23. Потрлченко В.П., Сиваев U.M., Черкашин В.К. Скважинный струйный насос. A.c. I24429I. 1Л1 Г> 26. 1986,

24. Петриченко В.П. Совершенствование агрегатов РШ для бурения скважин большого диаметра. Деп. в Черметинформации. "Депонированные научкие работы" № 7. 1990. С. 10.

25. Петриченко В.П. Проектирование буровых инструментов и режимов бурзния для роторного способа бурения скважин большого диаметра. Деп. в Черметинформации. "Депонированные научные работы" Í» 7. 1990. С. 20.

26. Петриченко^ В.П. Редукторныэ забойные агрегаты для бурения шурфов и стволов лучевых водозаборов. Деп. в Черметинфораа -ции. "Депонированные научные работы" № , 1990. - с. 10.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам ВИОГЕЫ В А.Алтухову, А.Г.Гончарову, В.Г.Королеву, Ф.С.Малацковскому,

A.А.Мураховскому, В.В.Мусатову, П.М.Сиваеву, H.H. Шевченко, которые на протяжении многих леи принимали' участие в выполнении НИР и ОКР, явившихся основой' настоящей работы, а также работникам промышленных предприятий Г.Б.Добровольскому, Ю.Н.Зхаодякину,

B.В.Олейиику, И.Е.Евстигнееву, Ю.А.Нротову, В.А.&ыкову.Е.В. Ца-ренко, И.Юонцеву, А.П.Тимофееву, А.П.Фурсову, А.К.Агаркову.Н.П. ■Жиленко, В.П.Короткову и другим, способствовавшим внедрению диссертационной работы.

Автор благодарит сотрудников кафедр горного дела и разведочного бурения МГРИ, сотрудников лаборатории реактивно-турбинного бурения института ВШПСТ. за сотрудничество и ценные советы до диссертационной работе.