автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Буровые станки с перенастраиваемой структурой привода для направленного бурения скажин малого диаметра

НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

., .. УНИВЕРСИТЕТ

\ 6

1 * ИЮЛ 153?

На правах рукописи

НУВДИН АНДРЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 622.242 : 622.241.52

БУРОВЫЕ СТАНКИ С ПЕРЕНАСТРАИВАЕМОЙ СТРУКТУРОЙ ПРИВОДА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА

05. 05. 06 " Горные машины "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1997

Работа выполнена в Новочеркасском Государственном' Техническом Университете.

действительный член Международной Академии наук высшей школы, доктор технических наук, профессор Водяник Г.М.

кандидат технических наук, профессор Ленченко В.В.

доктор технических наук, профессор Сисоев Н.И.

кандидат технических наук,- профессор Адкгамов К. А.'

Ведущее предприятие - Южно-Российское отделение

Академии горных наук РФ

Защита состоится 3 имя 1997 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063. 30.02 при Новочеркасском государственном техническом университете по адресу : 346400; г. Новочеркасск, Ростовской обл., ГСП - 1, ул. Просвещения, 132 ( гл. корпус, 'к. 107/)

С диссертацией мояшо ознакомиться в научной библиотеке . университета.

Автореферат разослан ""ЗО" 1997 года. -

Научный руководитель -

г

Консультант -Официальные оппоненты -

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

В.С. Баранов

- 3 -

Научное значение работы состоит :

- в установлении причин потери устойчивости гидропривода бурового станка в ходе коррекции направления скважины при наличии дифференциальной связи момента нагрузки на буровом инструменте и усилия подачи шпинделя на забой;

- в установлении процесса накопления потенциальной энергии в гидроприводе вращателя и буровом ставе при бурении с пульсирующей частотой вращения шпинделя, обуславливающее импульсное увеличение угловой скорости резца в несколько раз по сравнению с угловой скоростью шпинделя;

- в выявлении зависимости величины и направления отклонения скважины от параметров режима бурения, длины бурового става и физико-механических свойств породы при изменении направления скважины буровым станком с пульсирующей частотой вращения шпинделя.

Практическое значение работы заключается :

- в создании опытного образца бурового станка БСК2М-100У вращательного действия с перенастраиваемой структурой привода для бурения пространственно-ориентированных скважин малого диаметра длиной до 150 м;

- в получении усовершенствованной математической модели системы " буровой станок ЕСК2М-1С0П - режущий инструмент - забой скважины ", позволяющей на ЭВМ провести расчет динамики привода станка, а также параметров его системы управления для бурения скважины заданной пространственной ориентации;

- в создании измерительно-нагрузочных устройств в составе полноразмерного стенда, позволяющего изучить поведение всех элементов системы " Буровой станок БСК2М-100У - режущий инструмент -забой скважины " в ходе физического эксперимента.

Реализация результатов работы.' Разработанный опытный образец бурового станка БСК2М-100У с изменяющейся структурой привода, укомплектованный измеритель но-нагрузочными устройствами полноразмерный стенд и усовершенствованная математическая модель системы " Буровой станок БСК2М-100П - режущий инструмент - забой скважины " внедрены в проблемной лаборатории государственной бюджетной темы N 25.94.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на XLII научной сессии профессорско-преподавательского состава, сотрудников,

студентов и аспирантов (Новочеркасск, 1993 год); XXXXIV научно-технической конференции НГТУ в связи с празднованием 50-летия Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг. (Новочеркасск, 1995 год) и XXXXV научно-технической конференции НГТУ по итогам работы ученых за 1995 год в научном направлении "Компьютерное моделирование технологических процессов и технологий горного производства как основы создания систем автоматизированного проектирования и управления" (Новочеркасск, 1993 год).

Обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и заключения,изложенных на 252 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 111 наименований и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе рассмотрены современные методы бурения направленных скважин и устройства для их реализации, проведен анализ схем существующих бурильных машин.

Большой вклад в развитие направленного бурения внесли научные школы ИГД им.А.А.Скочинского, ДонУГИ, ИГД АН Грузии, института автоматики АН Киргизии, Карагандинского технического университета, Новочеркасского технического университета. Известны работы в этой области таких ученых, как Торский Н.П., Алейников A.A., Дзидзигури A.A., Алимов О.Д., Водяник Г.М., Рылев Э.В., Загород-нюкВ.Т., Притчин Б.П., Дровников А.Н., Щепетков O.A., Кузнецов A.C., Демченко Н.В., Алиферов А.П., Небратенко А.П. Сулакшин С.С., Морозов Ю.Т., Лиманов Е.А., Костин Ю.С., Шолохов Л.Г. и другие. Разработкой инструмента для бурения направленных скважин малого диаметра занимались Ленченко В.В., Сысоев Н.И., Литкевич Ю.Ф. и многие другие.

Проведенный анализ показал, что :

1. Пространственное положение траектории скважины определяется сочетанием геологических, технологических и технических факторов, учет взаимного влияния которых на направление скважины при отсутствии систем и устройств искусственной коррекции сложен, а часто и невозможен.

2. В практике современного геологоразведочного, нефтяного и газового бурения существует большое количество отклонителей раз-

личных конструкций, обеспечивающих эффективное и надежное изменение направления скважин большого (более 250 мм) диаметра буримых вертикально вниз с дневной поверхности на глубину несколько километров. Использование их для бурения скважин малого (до 100 мм) диаметра в угледобывающей промышленности в условиях шахтных выработок невозможно вследствие больших габаритных размеров, значительных усилий подачи и сложности ориентировки и постановки на забой.

3. В настоящее время в нашей стране и за рубежом существует большое количество конструкций бурильных машин, которые по своим техническим характеристикам и технологическим возможностям могут быть разделены на три группы :

- бурильные машины без дифференциального привода;

- бурильные машины с дифференциальным и двухдифференциальным приводом;

- бурильные машины с дифференциальным и двухдифференциальным приводом для бурения направленных скважин.

Бурильные машины первой группы характеризует сложность поддержания оптимального соотношения частоты вращения режущего инструмента и усилия подачи его на забой при изменении физико-механических свойств горных пород. Используемые в конструкции этих машин средства автоматики имеют низкую надежность в шахтных условиях и требуют значительных материальных затрат на разработку, эксплуатацию и ремонт.

Бурильные машины второй группы отличает высокая надежность работы, простота конструкции и эксплуатации, глубокое саморегулирование режима бурения за счет дифференциальной связи между моментом нагрузки на буровом резце и усилием подачи шпинделя на забой, пригодность для работы в тяжелых шахтных условиях и экономичность. Машины этой группы послужили основой для создания буровых станков для направленного бурения скважин малого диаметра.

Разработанные ранее бурильные машины третьей группы типа БУ-ЛВ-ЗМ и БСК2М-100П несмотря на различие в конструкции и приводе обеспечивают изменение направления скважины за счет импульсов усилия подачи. Эксплуатация этих машин показала, что ; устойчиво изменять направление скважины возможно только в горных породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова. В более мягких и особенно сыпучих породах после подачи силового им-

пульса происходит осыпание породы около резца, вследствие чего отсутствует основа для формирования забоя и изменения направления скважины. Универсальная бурильная машина для бурения пространственно-ориентированных скважин малого диаметра в горных породах с разными физико-механическими свойствами в настоящее время отсутствует.

Во второй главе проанализированы научные основы разработки буровых станков направленного бурения скважин малого диаметра.

В настоящее время учеными кафедры ГМиО НГТУ разработаны конструкции как асимметричных дифференциальных (РДПЛ-62 и РНБ-60), так и симметричных буровых резцов направленного бурения. Резцы типа РДПЛ-62 и РНБ-60 обеспечивают изменение направления скважины за счет увеличения стружки при вдавливании резца в породу в момент силового импульса. Симметричные резцы направленного бурения обеспечивают изменение направления скважины за счет "посадки" резца на заднюю грань одного из перьев и увеличения площадки резания в момент силового импульса. Происходит нарушение баланса сил и моментов на резце и его радиальное смещение для достижения уравновешенного состояния. Направление отклонения скважины определяется пространственным положением резца в забое в момент прихода силового импульса и его конструкцией.

Для повышения надежности управления траекторией скважины в различных горных породах был предложен способ бурения направленных скважин, заключающийся в создании на конце бурового става отклоняющей центробежной силы неуравновешенной массы бурового инструмента с разновысотными перьями на буровой коронке за счет изменения частоты вращения шпинделя бурового станка на одном обороте.

Буровые станки с дифференциальным гидравлическим приводом имеют автоматическое глубокое регулирование линейной скорости подачи шпинделя на забой вплоть до отвода его назад при заклинивании резца в совокупности с высоким быстродействием и простотой управления и могут быть выбраны за основу для создания станков направленного бурения скважин малого диаметра.

Управляющие направлением скважины силовые импульсы передаются от бурового станка к режущему инструменту через став. Для облегчения определения углового положения резца в забое на торцах буровых штанг выполнены скосы под углом 45° к продольной оси ста-

за, что обеспечивает безлюфтовое соединение и строгую взаимную зриентацию всех звеньев става при соединении их муфтой, содержа-цей левую и правую резьбу.

Перечисленные научные разработки являются объективными предпосылками для создания бурового станка направленного бурения пространственно-ориентированных скважин малого диаметра.

В третьей главе приведена усовершенствованная математическая модель системы " Буровой станок БСК2М-100П - режущий инструмент -забой скважины " и результаты машинных исследований.

От разработанных ранее математических моделей предлагаемая в настоящей работе модель имеет ряд отличий : в основе изменения направления скважины лежит пульсация частоты вращения шпинделя бурового станка на одном обороте; буровой став рассматривается как неустойчивая колонна под действием стахостического нагруже-ния; буровой став разбивается на шесть участков, между центрами тяжести которых находятся деформации на кручение и сжатие; рассмотрены радиальные силы, действующе на режущем инструменте; формирование описывающих забой скважины массивов ведется через каждые 2-я/128 радиана.

Динамика рассматриваемой системы описывается следующими дифференциальными уравнениями.

Вращение шпинделя бурового станка, става и режущего инструмента определяется следующими дифференциальными уравнениями:

1

1%п = - •( Мшп - Ф15'Си2 );

Jp.c

1

Wi = - ■((ф1+13 - <Pi+14)'Cu2 - Мс"Sign Wi );

Jc

где 1=2+6- порядковые номера угловых скоростей участков бурового става;

1

wH =- ' CP20'CU2 " Мви " 0,5-Fc.3"dH"l<Kc)'Sign wM) ;

Фшп = ^ШП ; Фи = ши

Подача шпинделя бурового станка, става и режущего инструмента на забой определяется дифференциальными уравнениями :

' ' 1 (

Ушп = - ' Ршп Х22'Си1

ГП с у

V! = —— •[(Х1+13 - Х1+14)"Си1 - Рс.с^пУ! - 9,81'Дпг31по() , Дт ^ '

где 1 = 9 * 13 - порядковые номера линейных скоростей участков бурового става;

Уи = " [ Х27'Си1 - Рпи - ^тр.Р'31БПУи - 9,81-1пи-31ПЙ ); ши 4 >

Хшп = Ушп Хи =

Угловые и линейные деформации участков бурового става определяются при решении дифференциальных уравнений :

Ф± = <«Н-14 - 0)1-13,

где I = 15 + 20 - порядковые номера угловых деформаций участков бурового става.

Х1 = VI-14 - У1-13, где I = 22 * 27 - порядковые номера линейных деформаций участков бурового става. Давление в напорных магистралях гидропривода бурового станка находится после решения дифференциальных уравнений :

Рц = С1-( 0н1 - Огм " А0гм1 + 2-Гп.шгГУшп) 5 Р2 = С2'(Огм - Л0гм2 - 0др1) : РЗ = с3-(0н.п " 0др2 " 2-Гп^шп) .

где Лр.с, и Ли - моменты инерции шпинделя бурового станка, инерции элементарного участка бурового става и режущего инструмента, кг-м2 ; Мит, Мс и Мви - момент на шпинделе бурового станка, суммарный момент трения на элементе и момент сопротивле-

ния вращению инструмента, Н-м , соответственно; CU2 - жесткость участков бурового става на кручение, Н.м/рад; Cui - жесткость участков бурового става на сжатие Н/м ; Fc.3 - модуль суммарной силы на буровом инструменте, Н ; с1и - диаметр режущего инструмента, м ; кКс - коэффициент сопротивления бокового резания. шс, Лш и ши - масса подвижных частей шпинделя бурового станка , масса элементарного участка бурового става и масса режущего инструмента, кг; Fmn, Fc.c и FnH - усилие подачи на шпинделе бурового станка, суммарная сила трения на элементе и реакция забоя на подачу инструмента, Н, соответственно ; FTP.P - сила трения на резце, Н; « - средний угол наклона скважины, рад ; ci, сг и сз -гидравлические жесткости линий питания гидромотора вращателя, магистрали от гидромотора до управляющего золотника и напорной гидролинии в системе подачи шпинделя на забой, Па/м3, соответственно ; 0н1 и Он.п - подача основного насоса питания гидромотора вращателя и дополнительного шестеренного насоса подачи шпинделя на забой, м3/с ; Д0гм1 и Л0гм2 - утечки в линии питания гидромотора вращателя и в гидролинии между гидромотором и управляющим золотником механизма пульсации, м3/с ; 0Гм - теоретический расход гидромотора вращателя, м3/с ; 0дР2 и 0дР1 - расход через дроссель установленный в напорной магистрали дополнительного насоса параллельно поршневым полостям силовых гидроцилиндров и через механизм пульсации на сливе гидромотора вращателя, м3/с ; fn и fn.nrr -площади поршня гидроцилиндра в поршневой и штоковой полостях, м2.

Радиальные силы, возникающие на резце определяются в математической модели в виде проекций на оси ОХ - Sx ( Н ) и 0Y - Sy ( Н ), а также модуля суммарной силы на буровом инструменте Fc.з ( Н ) :

Fc.3= / S2X + S2y

Текущее значение стружки S ( м ) вычисляется на каждом шаге интегрирования как разность между положением инструмента в скважине Хи ( м ) и координатой точки забоя ХоШ ( м ) для угла поворота инструмента фи по формуле :

<Ptl" (ХоСЗ+13 - XCJ])

S = Хц - XoCj] - - ,

0,049087384

где 3=1* 128 - количество секторов в окружности.

Усовершенствованная математическая модель системы программно реализована на алгоритмическом языке TurboPascal 6.0. В программе имеются возможности коррекции с экрана монитора всех параметров системы при запуске, вывода 19 параметров динамики на экран, принтер или в файл, печати конфигурации забоя и проекций радиальных сил на оси координат в процессе расчета, а также записи текущих значений функций в файл для продолжения расчета с момента остановки.

На математической модели проведены исследования динамики бурения скважин длиной 100 * 125 метров при различных параметрах системы управления.

Динамика бурения скважины длиной 100 м с пульсацией угловой скорости при fap2=5"10-6 м2 при отсутствии дифференциальной связи представлена на рис.1.

{пр.е^5-Ю-е™* ■ fgp.s-5-Ю'6мг

Рис. 1 Динамика бурения скважины длиной 100 м с пульсацией угловой скорости при Гдр2=5'10~6 м2 при отсутствии дифференциальной связи

В результате исследований установлено :

- наличие дифференциальной гидравлической связи в приводе станка при коррекции направления скважины изменением частоты вращения шпинделя приводит к потере устойчивости системы вследствие

5,0 ¿,с

нарушения глубокой отрицательной обратной связи момента нагрузки на резце и усилия подачи шпинделя при отрыве резца от забоя;

- в процессе изменения направления скважины происходит накопление потенциальной энергии в гидравлической системе вращателя и буровом ставе при закручивании. Освобождаясь после открытия управляющего золотника, потенциальная энергия переходит в кинетическую, вызывая значительное увеличение угловой скорости резца относительно угловой скорости шпинделя.

Заисимости деформации бурового става и угловых скоростей шпинделя и инструмента от угла его поворота приведены на рис.2.

¿о

с-'

юо- 3,5

80. гр

60- 15

АО 1

го 0,5

0 0

-0,5

-<0

/,/ Ю м

-Г 1

-- Ш: сии 21-У ш

/

\ / / н 1

\ А / [у СОшп

Ч/ч N Г

ю <4 50 бо 70 ео оо юо НО /20

N *

т

/

Рис. 2 Процесс накопления потенциальной энергии

В секторе з=42 резец стоит 0,25 с, а шпиндель вращается, закручивая буровой став на величину Д<р=1,4 рад. Угловая скорость шпинделя МШп при нахождении инструмента в секторах о =41... 66 существенно больше угловой скорости инструмента Угол закручивания буроЕого става возрастает до 2,2 рад. Высвобождаясь, эта энергия и раскручивает инструмент до угловой скорости 100 с-1. При этом значение центробежной силы неуравновешенной массы достигает до 700 Н. Если рассматривать процесс во времени, то накопление энергии в буровом ставе идет в течение 0,25 с, а высвобожде-

ние - в течение 0,05 с.

Установленные закономерности учтены при создании бурового станка с изменяющейся структурой привода для бурения направленных скважин малого диаметра.

В четвертой главе представлены результаты изучения работы бурового станка ЕСК2М-100П с пульсирующей частотой вращения шпинделя при проведении физических и машинных экспериментов.

В ходе физических экспериментов на специально изготовленном полноразмерном стенде получены осцилограммы динамики привода бурового станка и радиальных сил на конце бурового става.

При установлении адекватности математическая модель была дополнена описанием работы бурового става под действием осевой нагрузки как неустойчивой колонны с промежуточными опорами на стенках скважины и учтено влияние на формирование отклоняющих радиальных сил полуволны на конце бурового става.

Экспериментальные (сплошные линии) и расчетные (прерывистые линии) зависимости, отражающие динамику привода бурового станка БСК2М-100П и величину радиальных сил на конце бурового става по показаниям трех тензометрических датчиков представлены на рис. 3.

Оценка адекватности результатов машинного и физического экспериментов проводилась с помощью критерия Фишера. Результаты расчета показали адекватность математическая и физической моделей при доверительной вероятности 0,95.

Рис. 3 Экспериментальные и расчетные зависимости.

На адекватной математической модели проведен машинный эксперимент для установления зависимости направления и интенсивности отклонения скватаны от параметров режима бурения, настройки механизма пульсации, длины бурового става и физико-механических свойств породы при пульсирующей на каждом обороте частоте враще-

По результатам машинных экспериментов получены следующие функциональные зависимости :

»и.тах = 23,1076 + 0,604748"10~3-п2шп + 0,709793'10~7-Р3к + + 0,991236-1014-Г3др1 - 0,194855'10~4-Ь3б.ст + + 0,205633"10~2-Ь2б.ст - 0,184514'10~4'Гдр2-1 -

- О,644081•10~б•П3щп;

Фскв = 381,166 + 0,352544-Ю"1-^2 + 0,533583'Ю"6'^4 -

- 0.281701-Ю"3'^3 + 0,14076-10~5-1б.ст4 + + 0,591-10"9-Рк4 - 0,236443-Ю-3-Рк2 -

- 0,289471-10~3-Ьб.ст3 + 0,161071" Ю-1'Ьб. ст2,

гдё ГДр1 и ГдР2 - площади проходного сечения дросселя на сливе гидромотора вращателя двухпозиционного гидрораспределителя в частично закрытом положении на сливе гидромотора вращателя, м2, Ье.ст - длина бурового става, м, Рк - контактная прочность буримой породы, МПа, пШп - базовая частота вращения шпинделя бурового станка, определяемая передаточным числом редуктора вращателя, об/мин, Гк - угловое положение профильного кулачка системы управления относительно неподвижной системы отсчета, град.

Максимальная относительная приведенная погрешность при определении Юи.тах по полученной формуле составляет 11,6%, а при определении Фскв - 14,9%.

В пятой главе рассмотрены вопросы создания опытного образца бурового станка БСК2Мг100У с изменяющейся, структурой привода.

Буровой станок состоит из гидросистем вращателя и податчика, органов управления и механизма пульсации рис. 4.

В состав гидросистемы вращателя входят: маслобак 1, предохранительный клапан 2, фильтр тонкой очистки 3, основной гидронасос 5, гидромотор 11 и соединительные гидролинии. Выходной вал гидромотора соединен через редуктор 12 с переменным передаточным числом с шпинделем 17 бурового станка, в патроне 21 которого закреплен буровой став 20 с дифференциальным режущим инструментом 19. Гидросистема податчика включает в себя дополнительный гидронасос 9, фильтр тонкой очистки 23, предохранительный клапан 25,

I

Рис. 4 Принципиальная гидрокинематическая схема бурового станка БСК2М-100У с изменяющейся структурой привод.

золотник реверса 16 и гидроцилинды 18 и 19. Органы управления бурового станка содержат двухпозиционные распределители 13 и 15 управления сливом штоковых полостей гидроцилиндров и дифференциальной связью, трехпозиционные распределители 7 и 14 управления сливом гидромотора вращателя питанием гидроцилиндров податчика и регулируемые дроссели 10 и 24 управления скоростью подачи шпинделя на забой. Органы управления гидрораспределителей 13, 14 и 15 кинематически связаны. Механизм пульсации представляет собой двух-позиционный распределитель 6 с механическим управлением от вращающегося синхронно шпинделю профильного кулачка 8 и регулируемый дроссель 4. Структура привода бурового станка определятся положением распределителей 7, 13, 14 и 15, а глубина пульсации частоты вращения или усилия подачи - проходными сечениями регулируемого дросселя 4' и гидрораспределителя б в частично закрытом положении. Фаза силового импульса зависит от углового положения профильного кулачка 8 относительно неподвижной системы отсчета.

Проведен расчет и выбор элементов принципиальной гидрокинематической схемы бурового станка БСК2М-100У. Разработаны и практически реализованы конструкция устройства для формирования управляющих силовых импульсов, обеспечивающего подачу импульсов синхронно вращению шпинделя бурового станка, через один и два его оборота, а также кулачки соответствующего профиля.

В шестой главе приведены результаты испытаний опытного образца бурового станка БСК2М-100У с изменяющейся структурой привода.

Испытания проводились в форме физических экспериментов на полноразмерном стенде и при бурении породных блоков известняка.

Для получения полной информации о силовой картине на резце в ходе бурения цементо-породной смеси с различными физико-механическими свойствами была разработана и изготовлена специальная измерительная система, позволяющая получить информацию об осевом усилии, моменте резания и составляющих радиальной силы на резце. Полноразмерный стенд укомплектован датчиками оборотов резца и шпинделя бурового станка, давления в гидросистемах вращателя и податчика станка, вторичной и записывающей аппаратурой.

Анализ полученных осцилограмм показал, что:

- буровой став под действием импульса осевого усилия волнообразно деформируется в ограничиваемом стенками скважины прост-

ранстве запасая, энергию деформации, которая передается резцу в забое и гидроцилиндрам податчика после уменьшения усилия подачи, сглаживая силовой импульс на режущем инструменте;

- увеличение момента на шпинделе бурового станка, вызываемое увеличением величины стружки при вдавливании резца в породу под действием силового импульса, сдвинуто по времени относительно силового импульса на 0,1с, что соответствует углу поворота резца около 80° при установленной частоте вращения шпинделя;

- импульсное увеличение момента на шпинделе бурового станка, определяемое увеличением стружки и интенсивностью радиального смещения резца в забое, наиболее ярко выражено при подаче силовых импульсов через один или два оборота шпинделя на забой.

При бурении с пульсирующей частотой вращения шпинделя блока длиной 1м отклонение горизонтальной скважины вверх от прямолинейной траектории составило 0,015 м, а вниз - 0,02 м. При бурении с пульсирующим через один оборот шпинделя усилием подачи блока длиной 0,5 м отклонения скважины вверх от прямолинейной траектории составило 0,0077 м, а вниз - 0,0081 м. Результаты экспериментов оценены положительно.

Выводы по работе

1. В современной угледобывающей промышленности отсутствуют надежные и эффективные средства направленного бурения скважин малого ( до 100 мм ) диаметра. Применяемые в практике геологической разведки нефтяного и газового бурения отклонители ориентированы на большие ( более 250 мм ) диаметры, имеют сложную конструкцию, затрудняющую выполнение их уменьшенных копий для нужд угледобывающей промышленности. Буровой станок БУАВ - ЗМ обеспечивает изменение направления скважин за счет пульсации усилия подачи и имеет ограниченную физико-механическими свойствами породы область применения.

2. Разработан способ бурения направленных скважин, заключающийся в использовании в качестве отклоняющей центробежной силы неуравновешенной массы на конце бурового става при варьировании угловой скорости вращения шпинделя бурового станка относительно линейной скорости подачи его на забой. Разработана, реализующая данный способ, бурильная машина. На способ бурения направленных

скважин и бурильную машину получены положительные решения о выдаче патента России.

3. В математической модели системы " Буровой станок БСК2М-100П - режущий инструмент - забой скважины " усовершенствовано описание поведения бурового става в процессе бурения, силовой картины на режущем инструменте и формирования забоя скважины. Доказана адекватность математической модели.

4. В процессе анализа динамики системы при бурении скважин длиной 100 - 125 м буровым станком с пульсирующей частотой вращения шпинделя на математической модели отмечены явления потери устойчивости привода в ходе коррекции направления скважины при наличии дифференциальной связи и накопления потенциальной энергии в гидроприводе вращателя и буровом ставе, обуславливающие импульсное увеличение угловой скорости резца в несколько раз по сравнению с угловой скоростью шпинделя.

5. На адекватной математической модели получены корреляционные зависимости величины и направления отклонения скважины от параметров режима бурения, длины бурового става и физико-механических свойств породы при изменении направления скважины буровым станком с пульсирующей частотой вращения шпинделя.

6. Разработаны и изготовлены измерительно- нагрузочные устройства в составе полноразмерного стенда, позволяющего изучить поведение всех элементов системы " Буровой станок БСК2М-100У -режущий инструмент - забой скважины " в ходе физического эксперимента. Стенд оснащен необходимой регистрирующей, вторичной и записывающей аппаратурой.

7. Разработан опытный образец бурового станка БСК2М-100У с изменяющейся структурой привода для направленного бурения скважин малого диаметра, обеспечивающий адаптивное бурение прямолинейных скважин, а также коррекцию направления скважин импульсным изменением частоты вращения шпинделя или усилия подачи на забой.

8. В результате проведения физических экспериментов при бурении с различной частотой пульсации усилия подачи шпинделя на забой установлены закономерности формирования силового импульса и возникновения максимальной стружки на резце.

При бурении породных блоков известняка с пульсирующей частотой вращения шпинделя на длине 1 м получено отклонение скважины вверх на 0,015 и вниз на 0,02 м от прямолинейной траектории. При

бурении с пульсирующим через один оборот шпинделя усилием подачи блока известняка на длине 0,5 м получено отклонение скважины вверх 0,0077 м и вниз 0,0081 м.

9. Разработана работоспособная конструкция бурового станка БСК2М-100У с изменяющейся структурой привода для направленной бурения скважин малого диаметра, результаты испытания которой оценены положительно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Положительное решение о выдаче патента по заявке N 94027811/03/027717 от 25.07.94г. Способ бурения направленных скважин/ Г.М. Водяник, A.B. Нуждин.

Положительное решение о выдаче патента по заявке N 94027812/03(027718) от 25.07.94 г. Бурильная машина/ Г.М. Водяник, A.B. Нуждин.

Водяник Г.М., Нуждин В.Ф., Нуждин A.B. Разработка измерительной системы силовых параметров на режущем инструменте при направленном бурении для проверки адекватности компьютерного моделирования этого процесса // Компьютерное моделирование технологических процессов и технологий горного производства и транспортных работ : Сб.ст./Новочерк. политехи, ин-т - Новочеркасск, 1996.- с. 48 - 51.

Нуждин А. В. К вопросу моделирования силовых параметров на конце бурового става // Компьютерное моделирование технологических процессов и технологий горного производства и транспортных работ : Сб.ст./Новочерк. политехи, ин-т - Новочеркасск, 1996.- с. 45 - 48.

Нуждин A.B. Станки направленного бурения с переменной структурой гидропривода // Технология и механизация горнопроходческих работ : Сб.ст./Новочерк. гос. техн. ун-т - Шахты, 1997.- с. 111 -

116.