автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и разработка способов горизонтального бурения и оборудования бурошнековых машин

! <.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ. РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ КУЗБАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи МАМЕТЬЕВ Леонид Евгеньевич

УДК 622.24.051.52

ОБООНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ БУРОШНЕНОВЫХ МАШИН

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 1992

Работа выполнена в Кузбасском политехническом институте. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель СССР А- Д. Костылев

доктор технических наук, профессор Л- Л. Моисеев

доктор технических наук Л. М. Ерофеев

Ведущее предприятие — государственный строительно-

монтажный трест «Кузбасс-энергострой»

Защита диссертации состоится 14 декабря 1992 г. в 10 час. па заседании специализированного совета Д 063.7001 при Кузбасском политехническом институте по адресу: 650026, г. Кемерово, 26, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасс1 кого политехнического института.

Телефон для справок (384-2) 23-26-87. Автореферат разослан 12 ноября 1992 года-

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.70.01

доктор технических наук, профессор

Б. А. АЛЕКСАНДРОВ

■ •••.я ..!

ОБЩАЯ ХАРАКгЕШС'ШКА РАоОхЫ

Актуальность работе. Увеличение объемов работ по реконструкии, н расширенно действующих и строительству ьовых пр«заггрият..й, реализация программы конверсии обусловливают потребность е прокладке новик и замене старых инженерных коммуникаций различного назначения: водоводних, канализационных, дренажных, касильных, вентиляционных, технологи^зсних, горносп гательных и други; , Во веем мире ежегодно прокладывают инженерных коммуникаций только д-аметром О.У5 м к стяге 5 тысяч км, а всего около 69 тксяч км.

При пересечении коглыуникацияки автомооильных и железных дорог, городских улиц, зеленых насаждений, территорий промышленных предприятий, зданий, сооружений и других препятствий применяется их подземная проклад-а.

Традиционный способ строительства подземных но ¡.входов п тел открытой прокладки подземных кеммуплкацг.й при пересечении транспортных магистралей требует прекращения или ограничения днияениь транспорта V. влечет за собой суцестпеннке затря.ы на пе-ледующее благоустройство.

Альтернативным и экологически чистым -гвляртся бестраншейный "пособ п^оклагки под емных коммуникаций в горизонтальных и слабонаклонных скважинах-переходах. В зимних услоьлях при промерзании грунта на глубину 1,5 и и более бестраншейная прокладка инженерных коммуникаций экономична дако по сравнению с экспваторной разработкой.

Наиболее мех"низи^оватпз4 является способ проведения горизонтальных сквашн бурошнексвым проходческим оборудованием.

Практика создания большого количества типоразмеров бурошн^ко-вых иясин привела к значительны?,« неудобствам в зкеплуагаць.«, хранении и ремонте, .-ак как базируется на одноэгапной техгэл гии бурения горизонтальных сквадаш прямым ходом и характеризуется увеличением металлоемкости, габаритов, эне^-овосруженности ооорудо-вания и стоимосч проходческих работ с ростом диаметра скважины.

Актуальность темы 'диссертационной работы обусловлена ее направленность» на решение крупной нау-шой щ.JблeмJ обоснования и разработки спгсобов горизонтального бурения и оборудс ания бурошнеко-вых ыашич, повышающих эйЬфекгивность проходческих работ при бестраншейной проклэпке инженерных коммукмкаций.

Диссертационная работа выполнена а оотиегствкк с планом ШР Кузбасского политехнического институт по программа 6: "Разработка технологии, оборудования и приборов для угольной процщ. юности", тема № У31-У0 "Научное обоснование и разработка способов и оборудования, повывающих эффективность н экологи» прор^дения горизонтальных сквакин"(№ГР 01В70СШ161Э), и планом освоения «овой техники в капитальном строительстве {от 14,02,Ъб , поз.1626) Минэнерго СССР.

Целью работы является решение крупкой научно-технической проблемы по обоснованию в разработке способов горизонтального бурения и оборудования бурокнэковых машин для двухэтажной технологии проведения скв&кян.

Идея работы - использование эффекта цеяан-апразленного изиене-ния физико-механических свойств продуктов разрушения увлажнением до рациональных гределсч а характера взаймыцействия с нтаа юнеков^-го стаьа и расширителя обратного хода, прквошхзго к значительному, повивена» функционалам« возможностей катан горизонтального двух-этапного бурения.

Задачи исследований. Дяа дост;?.«еиля поставленной целя решались следуаяне задачи:

- выбор комплекта кнструглнга для «зучоняя рабочих г1рс ;ессоЕ бурошиекоЕ ого оборудования для дьухзтапной технологии про гедония горизонталью с4 сквашш;

- выявление закоко>«еркссг»а процессов бурения пионерных скза-кин шнекобуроаыя инструментом 1ч>з колонны обсадгах Труб;

- усгак.аяекке законин^нсггл'сй ¿фоцогод погрузки продуктов &у-рения при расыиреииа горизонтальных ск?'*/«п »; р^.срг.богка нодеет днноилчесггих процессов .в буровом оборудования;

- обоснование способа к разработка средств, д: л повтент эффективности бурения шогшрках горкзонтелы&х скважин с увлажнением транспортируешь тшт продукте в разрушения ь колонке обсапгих труб;,,

- обоснование способа расширений геризонтаяьных -скважин с увлажнением продуктов, рзэрущенкч в пркзайойноЯ ка-юре и моделирование рабочих пропэссс:? с буроснековем . оберуд- злили;

- создание и внедрение бурошь^кооых'ыашин еля реализации новых способов бурения горкя'Ж'а льнах сквакин с .обоснованием рекомендаций по выбору 'эффективных. тех1:логических- и технико-экономических пгрсметров эксплуатации оборудования.

Научные положения, винтимые на защиту, и их нс~изна:

- направление повыаскяп эффективности работы пшекового буровогс инструмента» основанное на целенап"явление.! изменении фи^ико-м^ха-• ническнх свойств продуктов разрушения путем их увлажнения;

- динамическая модель погрузки продуктов разрушения в инековыа буровой стаз впервые предложенным раепшрителеы обратного хода бар! данного типа и методика, идентификации экспериментальных данных о моделью на э~апе разгрузки расширителя;

- математические модели, описывающие закономерности взаимодействия Енейового бурового инструмента с гц, .дуктами разрушения, от-личагощлеся тем, что . ккх учтено влияние влажности на физико-ы -ханические свойства продуктов разрушения 00 всем диапазоне Заполнения

- диапазоны рациональных значений р^адаости продукте: разрушения, при котор'-'х достигается, налбогыпая эффективность процессоэ погрузки и транспортирования буроанеяовым инструментом,

- параметры технологической схемы и буроонрчового обор^дозакия для двух' гапного проведения -оризоьсальных сквалин большого диаметра я рекомендации ;,о их выбору э зависимости от реализуемых способов бурения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные полоне! т, выве.и и рекомендации, рованние в диссерт.дин, обопованы сочетанием теоретических и экспериментальных данных, полученных в лабораторных и производственных условиях; применением для описания и анализа изучаемых заьлси-цостеЛ методов математического анализа, «одеЛ!гровак-я, математической статистики и ЭШ; сояоставлеиггем ¿еьулътптоа расчетов с опыт-нши делн1ы<й и результатами испытания натурных образцов б."рои..еко-вого инструмента и иашк горизонтального бурения.

Достоверность научных положений подтверждается согласованность результатов теоретических исслдоааиия с экспериментальны-ги и опыт7 глмз даннши, полученными з лабораторных я производстве! ни усдо-В1»«и. 'Высокая эффективность разработанных способов, бурового иней-рутента и машин горизонтального б-грения является свидетельствам правильности теоретических, технических, конструкторских и режим-но~эксплуатац!1_>нных предпосылок, принятых ~ри их соз>^нии.

Личный вклад зак.. эч^ется в обобщении и -ешении крупной научной 'проблемы, какой является обоснование к раяоаботкз ( вых способов

б.уршкл н устрой'-в, повышающих эффективность работы буронмекоаых иасин при проведении горизонтальных, скважин. В рамках отдельных -разделов личный вклад состоит в разра^тке закономерностей лэаимо-действия инструмента с продуктами разрушения на этапе буре-чя пионер горизонтальнее-скьажин; установление оснозных закономерно-"тей процессов взаимодействия инструмента с продуктами бурения на отаг расширения пио-ерной скважины обратным ходом; обоснования параметров и показателей процессов транспортирования продуктов разрушения горизонта/-.нл.ш шнеками и нх погрузки расширителями горизонтальных с: закин; разработке мотадики расчета анер» озатрат при двухэтапном бдении горизонтальных -кважи., различными способами; установ. ении рациональных диапазонов расхода жидкости и уровней влажности различных пород для ^.фЬективного процесса бурения; разработке принципиально н зых способов бурения, комплектов оборудования бурешнек"^вых машин, з ас. пленных аварскими свидетельствами.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты поззоляют решать комплекс актуальных задач, связанных с созде-hü..1 эффективных способов и новых средстч бурен"* горизонтальных ск ажин большого диаметра, и могут б: ть использованы при разработке коне рукций рабочих органов, с. ¡ековых ставов и колонн инвентарных обсадных труб; растлителей обратного хода с прицепным- устро'. -¿твау для реализация технологии с эмыценног с бурением крепления гчваяш,. тр; 'ами-кояухами диаметром от 540 до 1740 мм при дляне сква-ин Ди- ЬО и.

Ре: лизация выьодов и рекомендаций. Рззработаннче методы определения параметров 'i г.окас-'. .глей рр^личных способов шне :ового бурения и расширения горизонтальных с^вакин используются nu«¡ конструировании буро ж ыак-.н, о также в учебном проце. je при чтении лекций, курсовом-и "ипломнем проектировании, ,„етоды определения технологических, конструктивных, режимн ¡x и силор"х параметров бу-ропмеково^ o-opjr.oBaHim для бурения и раса' рения горизонтальных с. jaxctH по новым способам приняты для исполпозания заводом "Крас-ныГ. Октябрь" ассоциации "Ленинску го."ь", АО "Анжеромаы", Кемеровсиш завпцйм,ГР0. '. .

Разрабогс-аные '--»ыплекты ¿урошнекозого инструмента и ыашины го^нзонгальног бурения пр~ш."ч широкую продашленну» npoF рку. В -i гестах "Уралонергострсй" и "Главкуз'ласетрой" внедрено бурошнысо-пое о орудогш ие ни бьзе станков YTB-óOO, оГА-2 и УЕи^-25. 3 трес-

•е "Кузбас^энергострсй" внедрены машины горизонтального бурения на базе станков БГа-2 и ЕГА-4. В тресте "Мос'"абельсетьмонта*" внедрена насина гори: жтольного бурения на базе станка БГА-<!М. Машина экспонировалась на ВДНХ СССР а 1УУО г.

За период эксплуатации разработанного буро-чекопого оборудования пс учен су./арный экономический эффект около 450 тыс.руб. (в ценах 1УУ0 г.).

Апробация работы. Основные положения и результаты ргбо"и докладывались и обсуждались: на ежегодных научных конференциях Кузбасского политехнического инст-'ц а(Кемерсво, USI-ly^'i г г.); на обгцеминнстеоской школе передового спита "Механизация работ при прокладке под дорогами труб-кожухоз диаметром от 100 дэ 1400 та" (Минуралсибстрой Cv.JP, трест "ОргтехстроЯ", Кеуерово 1у6о г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсивная и безог-хгчная технология разработ л угольных и сланцевых месторождений" (Москва»1уШ г.); на техническом совещании з Главэнергомеханиза-ции Минэнерго СССР (Москва, 1УВу г.); на Всесоюзном семинаре "Новое в "теории, технологии и технике бурения" (Москва, г.); на В^союзЬчЙ ьаучной конфе^ „нции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физические ггроц ^сы горного производства" (Москва, 1Уу1 г.).

Публикации. По ти.е диссертации опубликовано 34 научные статьи и 58 авторских свидетельств на изобретения. .

Объем'работы. Диссертация состоит из ^ве"енкя, семи разделов и заключения, изложенных ка 4у2 страницах, й содержит 320 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 150 рисунков, список литературы из 217 наименований и 10 приложений.

ОСНОВНОЕ. СОДЕРЖАВ РАБОгЫ

Технология щ юадки подзе ■ «х коммуникаций бестранкеГ-ннм способом, реализуемым путем применения различного проходческого оборудование для проведения горизонтальных скважин, характеризуется значительной трудоемкостью и опасными уел зиями труда.

Специфичность эксплуатации подооного. проходческого сборудо •занйя в ограниченных шлемах рабочих котлов'чоз и ар* различных горно-геологических и климатических условиях прехгьяв. те? к- нему повышенные-требования по функциональным возможностям (ыойильногть транспортабел:ность и т.п.) и.по уровню его надежности.

Вопросами создания оборудования для проведения горизонтальных скважин занимаются институты: ИГД им. А.А.Скочинского, ИГД СО АН Pi, ВНИМСГ, ШНХиП им.Губкина, ДонУГ.., ПШИ, КШУИ, Донгипроуг-лемаа, Гипроуглегормаш, .¡узНИУИ, Сибгипрогорыаа, ЦНИИподземмаш, КуэНИйшачгострой, КТО, КузПИ, СКВ Газстроймашина и Ценный вклад в исследование процессов проведения выработок и с.зажин внесли Сафохин М.С., Катанов Б.А., Костылев А.Д., Башкатои Д.Н., Гор унов В.Ф., Ерофеев Л.М., Дворников Д.'1'., Моисеев Л.Л., Минаев В.И., Алг'са О.Д., Алейников A.A., Ламброз В.В., Лавров Г.Е., Перетолчин В.А., Поляков Ю.Й., Пуркаев И.Н., Ананьег А.Н., Карп iko С.М. и др.

11а территории Clif более 4Ш случаев предполагаемого проведения горизонтальных скважин приходится на глинистые и сугжнистыг породы, а более 2Q& - на песчаные и супесчаные. При : ^следовании и создании проходческого оборудования необходимо учитывать наиболее вероятные "Словия эксплуатации, характ ризущиеся большой частотой появления в приповерхностной толще влажных и липких горнчх пирод.

Проходка горизонт" шок сквагин различного назначения, диаметра и протяженности в породах с разнообразными физико-механичес^н-и свойствами обусловливает существование целого ряда методоь образовала горизонтальных скваетн. Наиболее распространен жми t.^ них являются: прокол, продавливание, проталкивание, горизонтальное бурение.

.Универсальны« и наиболее производительным пр». проведении скважин по породам с широким диапазсом физико-моханических свойств для бестраншейной прокладки трубопроводоь являе'.ся способ горизонтального шнекового бурения.

Способ бурения горизонтальных скваяин путем механического разрушения г^бок и удаления продуктов разрушения оптовым б-ровш ставом реализован в целом ряде машин у нас б стране и зарубежен. К ним относятся установки 'Ричмонд" (США), УГЬ-2, УГВ-4, У^Б 5, ГБ-1421, ГВ-162", трестов "Уралсибтр-нсстрой", "Оргтехстрой", "Главкузбасстрой" и др. ¿то один из наиболее механизированных способов проходки горизонтальных скважин диаметров до 1740 мм, при котором совмещение процессов разртаения заб^я, удаления продуктов разрушения : крепления скважин позволяет достигнуть высоких скоростей проходки.

Вурошкековые ма-чны,несмотря на высокую энерговооруженность, уступают установкам горизог-альь.го бурения с циклу ним удалением продуктов бурения по максимальной длине буримых скважин. Мощность врапгтеля буроонековой машины огра- ччивае: длину.бурения Это обусловлено тем, что по мере углубления скважин растет мощность", необходимая для преодоления сопротивления вращению шнекового бурового става.

Для расширения технологически- возможностей бурошнековых машин в направяе ии увеличения длины бурения необходимо, в первую очередь, исследовать рао'оту шнекового бурового става с. целью повышения эффективности всего рабочего процесса.

Двухзтапная технологическая схема (трохски горизонтальных скважин большого диаметра, реал1иуемая путем первоначального бурения писпврной с*важной с последующий разбуриванием до требуемого диаметра расширителями обратного ход-ч, является перспектчв1"-и1 и конкурентоспособной. Проведение горизонтальных скважин по такоП технологии позволяет не только-уменьшить эке говооруже^ность и габариты оборудования, но такие повысить унифмецию бурошкиковых масин и низить но.леьклатуру бурового инегг-.-мента и устройств.

Для изыскакия путей повышения производительности бурения и совершенствования бурошнекового оборудования а направлении увеличения. длины и диаметра проводимых скважин негбходимо проведение исследований расширителей пр^ого и с ратного хода и буро^ог^ с^а-ва в различных горк .^-геолоп 1еских условиях.

Решение эт;;х проблем возможно только при комплексном подходе "к установление закономерностей функционирования вс„'Го комплекса бурошнекового оборудования, обобщающем взаимосвязь ■ эжду процессами разрушения забоя горизонтальных скважин, транспортирования И погрузки продуктов разрушения, а также крепления сооружг эмо. о подземного перехода.

Необходимо определять диапазоны эффективного применения совершенствуемого бурошнекового борудования как путем выбора ра-с.тональных, конструктивных, кинематических и силгзых пар-метров, та" и целенаправлен'-кк варьировгчием технологических параметров через реализацл<* альтернативных с-особс бург 'ия на однотипном обооудован^и.

В технологическом ци^ле провепения гор зонталышх скважин большого диаметра пак ;о„,ьшее влияние на кон'чний результат оказывает первый этап - бурение пиоиг-рне;'. сквчжины рас лрителями

прямого хода. Эта скважина задает и определяет точность направления бурения, предварительно прогнозирует физико-механические сво, ства пород забоя скважины, разулрочняет забойныя массив и облегчает работу расширителям обратного хода. Конструкция таких, наиболее важных, фун 4и0на..лннх элементов буг-чпнековог обору дозами как эабурк ьи, релиритьлк прямого и обратного хода,в значительн мере определяется принятой схемой разрушения забоя горизонтальной скважины. Породоразруща дая ^асть расширителей горизонтальна скважин мож.ет иметь вооружение в виде нокей, гребенок, резцов, сарошек и комбинированных элементов. Иссле; вания п родоразрушао-щих частей расширителе прямого и братнего хора, применяемых в буровьт- машине.., восстающего бурения, проводившиеся на кафедре гор'-чх машин и комплексов КузГ'-!, осуществлены при испытаниях на горизонтальных стендах что позволяет использов.' "ь их результаты для обобщения и прогноза ожичаемых нагр :зок при бурении горизонтальных скважин. В конструкциях расширителей использована два способа разрушения при бурег «и или расгтрен..л горизонтальных скважин: сг юшл.м забоем и по щелевой схеме со скалыванием целиков ы^хугу щелями.

Несмотря на конструктивное разнообразие, большинство рабочих органов для бурения т мерных скзэжян оснащено короткими "нбурни-каки. жестко прикрепленными к перецн...* частям режущих готовок. Их можно гопользовать нг «агамах горизонтального бурения с совмещенной т снологией прокладки кожухов. Н;. шнековых машинах с раздельной проклг: дк я кожухов их использование возможно лишь при бурении с!:вакин небольшой ддгш, так как с.вместное враш»ние забурника с рабочим органом приводит к дополнительному рааруи;сп:;з по-ро; '1 его боковой поверхностью. Это обусловливает отклонение оси ск-чжины от заданного н-правлеьля.

В работе предложены, разработаны и исследованы навесные расширители ибр'тне-о хода, конструктивно реализующие гравитационные, ттнудительные комбинированные способы погрузки. Комплект расхитителей с различными погрузочными устройствами по..-) о л ил ..ровес ги анализ качеств? norpyt.cn при натурных исследованиях с р ализаци-ей различны: способов буре! ;я, что дало вс можносгь обосновать • р коме, дации по рациональным режимам эксплуатации и областям при-¡енения. Наибольшее вниманий уделен^ соверяхенствов ния и модернизации расширителей барабанного типа, позволяющих реализовать все способы погрузки.

Двухэяапная технология бурения горизонтальных скважин конкурентоспособна, если суммарная продолжительность вулмени чис-ог' 63 рения.по двум этапам меньше продолжительности чистого бурения скважины по одноэтапной технологии.

Вторым условием сопоставлен« двух - зхноло. лй является достижение максимальной длины и наибольшего диаметра б"рения горизонталь«« скважин при одинаковых установленных мощностях приводов. , Здесь пре'чмущест о чвухэтапиой технологии.

Третьим.условием конкурентоспособного уровня является простота и удобство при изготовлении, >..анснии, эксплуатация и ремонте. К здесь преимущество за оборудованием, реализующим дэухэтапнуа т~хнояогию, которая к тому же сохраняет от износа внутреннюю поверхность ^пбочих труб-ко;жухс»в. Для выявления дейстг -тельных функ ционаяьных яозмогарстеи бурошнекового «нструм-нта и базовых буро-пв гковых машин в работе приведены экспериментальные и теоретические исследования с выбором и обоснованием альтернативных разработок кок по способам бурения, так и по конструкции устройств' пля их реализации.

ггЗя достижения поставленной цели в лабораторных экспериментах была получена систематизированная, обобщенная информации, позволяющая выделить в замеренной нагрузке отдельные структурные составляющие (усилие резания, ус те транспортирования и др.). Вопросы систематизации экспериментальной информации неразрешим« без разработки теоретических моделей функционировав :я агрегата, но последние требуют для своей конкретизации экспериментальных данных.

Натурные исследования различных способов бурения с комплектом бурошнекор'ого оборудования -роводмлись в дрч этапа. Первый этап включал лабораторные эксперимента на ^тенде, созданном на базе станка БГА-2, а второй этап предстаьлял собой провиденные испы-таш I в полевых ; словиях ка территории стрстгелькьгх площадок Урала, Кузбасса и Москвы.

Доследования режущих раоочкх органов и шнековых секций при бурении пионерных сквйлин без гбсаднку.труб приводились с целью установления закономерностей меяву 1акими параметрами, как скс' рость вращения шнеков го става, диаметр и тина скважины, с одной стороны, и модаосгь, потребляемая электродвигателем "ращателя, энергоемкость процесса разрушения, усилие подачи рабочего органа, с другой'.

Выявлены потери мощности в процессз бурения скважин и факторы, влияющие на величину этих потерь (р; I). При определении производительности шнека прк.дао, что скорость по высоте цилиндрического слоя транспортируемых продуктов разрушения остается постоянной и равна скорости одиночной частицы на этот* радиусс .

Процесс транспортирования продуктов разрушения пшено: при не годном его заполнении тлеет те же закономерности, что и при полном заполнении: материал перемещается ь осевом направлении я . вращается относительно оси, параллельной оси шнека с угловой ско-остью сс),. При неполном заполнений процесс можно представить как транспортирование материала снеком меньшего диаметра, но с тем : з шагом сгчрали.

Производи: .льность вквкозого бурового стаьа определяется по выражения

- 2}шр[т^-Ъ^-рагх^ рм^-г^Дтёа«г рйЩ> (I) где минимальный радиус транспортирования

/ О , при Ф ? 0,5;

при ^>0,5,

коэффициент» учитывающий взаимодействие материала о до^ухом и ш-еном; - коэффициент тре;тя м'^ериала о спираль тням; р = £/£х - параметр даека; <5 - шаг спирали шмека; - скорость подачи бурокнекового шсг-умен' .; - коэффициент, полезного объема анека; наружный радиус шнека; - радиус вала шнека.

Коэффициент производительности ел^ссого ста за при различном его за олнении

Режим удаления продуктов бдения из скваж иы не будет нарушаться при условии, когда производительность транспортирова ия инека преггшае? проьззводигельность рабочего органа по разрушению. Максимальная скорост подачи, при которой обеспечивается полное заполнет.з ггризонтального шнека, определится при лт^. » I.

О!, ж ал

л?

а

а.

/- полная (с *г*ои и о/юрой) ¿-холостой лсд С -разрушение 4 - /прение ста ¿а /

■Г - транспорт иро в- мчунш с /гг лей / / ?-ге

¿03 МЛ*/

опорой

¿,м

3.

<М,

кЪт

'-6

3м/м"»

0,з 0,4 а,*

Рис. I. ГЦвисимости эатр-- ■ мощности вращателя. от наргзмпгртз шнековосо бурения пионерных скзажми бел о''.эпннх гг>»Л: а- плинн скт.дсин Ь и тнгтэ и .ого'/мгогг ' а йядонсом Г- «¡хода ; б- ллиип ¿ и окямегра 2> екп.'джины на те« шоргир.-ь-чн.«*; в- скорое - ; 'прения »Л- и • ыгмегрц Ь екняыты на рлогчи'-ин*; г- от чэс1'ОП! ;щ;«яе?няя Л ьч "'ртцспопти; /Ызнпл

Установлена вероятность существенного повышения функциональных возможностей существующих инэковых буровик ставов с осевыми разрывами шнековых спиралей путем реализации ими при бурении пионерных горизонт?тьных л слабонаклоклых скважин способа ъурения по а.с. № 170190° (рис. 2).

Л

1-заб7рник ¿-расширитель 4 3 шнековая штанга 4-буровой замок

ЧУ

Р;:с. 2. Способ бурения горизонтальн!*х и слабонаклонны,, скважин ; а - прямой б - обратный ход

В процессе бурен».я элементам 1-4 бурового инструмента со-оидают вращение и осевые колебательные движения с суммарным перемещением на забой, обеспечивающим заданную дл-ну бурения 1Ск£ • При движении ин..трумен а на за'ой по стрелке А расширитель прямого хода 2 и забурник Г рапушают его, и .¡родукты оэчрушения попадает в зону работы первой шнекогэй штанги с рабочей длиной ¿т^к д-чноЗ участка шнековой спир' ли I и перемещаются буровым стар м до участка разр'т шнековой спирали Lp . При обратном движении инструмента : забоя по трзлке £ на величину, меньшею чем по стрелк° А , продукты разрушения перемещаются дальше к устью скважина. Затем буровой инструмент "■новь подают на забой по стрелке А

V порция ггопуктоэ разруиеиия захватывается и перемещается участком ¿ш.с,лопастей гснекпой спирали второй ог зебся шнековой штанги, а расширитель разрушает забой, и новая порция продуктов раа,.уа.-ния попадает в зону работа первого имена. Многократное повторение указанных колебательных циклов приводит к бесперебойной и.'даче продуктов бурения к устью скват.ы без «акоплепия .их в местах разрывов шнековой спкрали .

Данный способ позволяет предотвратить обрьэование иткбущих пробок в местах ^зс.ызов шкековоЯ спирали, обеспечивает по..ную очистку скваяин от продуктов буречия и предотвращает заклинивание и порыз шнекового бурового ст&,^а при его обратном ходе.

Рексмендои .но для поддержания режимов устойчивого бурения пионерных скважин по вязким грунтам с допустимыми энергозатратами на транспонирование п-и длине сквэкин до 25-30 м ограничивать: скорость бурения до 2 м/мин; коэффициент запо..нения шнекового счава до 0,25; коэффициент сопротиг^ения перемещении продуктов дс 30-35. Для сохранения направленности буримых скважин целесообразно применение рабочих органов с направляющими иглам- на подшипниках, с винтовыми анкер-забурицкойи и реверсивного лопастного буровою става.

Предварительные эксперименты выявили необходимость проведения следующих исследовздич;

- рыяпление основных э^-.сономерноетей рабочего "р~цесса расширителей горизонтальных скважин при проведении подземных переходов бурошчеког-кми машинами;

- разработку и исследование феноменологической модели взаимосвязи рабочего органа'с продуктами бурения на этапах загрузки

и разгрузки рэсаиратеяя;

- разработку Методики идентификации экспериментальных данных

с моделями нагрузки а буровом стаЕе на этапах загрузки и разгрузки.

Остановлено, что требуемым., свойствами [периодичность, характер изменения, амплитуда) для отождествления с отмеченным в осциллограмма:; избыточна моментом н* погрузку обладают следующие ' составляющие суммарной нагрузкг;

- момент сопротивления подъему порции грунта до зоны разгрузки,* . - момент .сопротивления проталкивание гр.. лта ао лопасти.

. Отмечается, что подобная структура нйгрузга присуща расширителям типа'РБ^ РБС, РКУЭ. Дяд последних нагрузка дополняется работой ударных- элементов.

Для расширителей с комбинированной и принудительной разгрузкой возникают кроме того моменты на трение зажатой призмы волочения (РШ1) и вращ-.ше разгрузочных шнеков (РПШ).

Для расширителей предложено использовать в качестве модели динамической составляющей внешнего усилия функции

irjtfSi/г 0,59ft, <6 S2j,6-с £<Ж + <х0 ;

¡ft 0,5¿¡¡fat > +

О , 2л+с(0 + аа с SijjtK&TCto'+f)', /п-0, ■хе^, - амплитуда внешнего момента на участках загрузки к разгрузки расширителя грунтом; £2р - номинальная круговая частоте вращения расширителя; сс^ - угол разгрузки; с(с - координата уст тановки лопает ; л at- дуговой размер лопасти.

Для расширителей без разгрузочной лопастиjtrs =0, а а0 =05,.

Утверждаете, полоконие, что по началь"ым условиям, определяемым резанием, момент на погрузку на этапе загрузки в свою очередь формирует начальные "словия для следующего этапе - разгрузки.

Предложено на эт"пе загрузки в исследуемом диапазоне нагрузок, близких по величине к номинальному моменту, электродвигатель писывать модель« А.С.Пиччука. Приведенная к валу двигателя ¡ынамиче-с. ля модель агрегата представлена системой уравнений

^"вт^-/-тк«»' (4)

р9 ^¡г^ " 'if*

г до ¿'¿(¿}- 1..СМСКТ, развиваемый двшателе:.; <o(t) круговая частота вращения ротора; <Jg - собственный мог^нт инерции ротора;^' -передаточное отношение редуктора; и>0,Я- синхронная и-номинальная крупные частоты вращения рогоза; >> - условный коэффициент крутизны статической характеристики двигателя; критическ-.й

(опрокидной) мо.«ент и со ?ветс.вук>ще>ч ему круговая частот** ращения ротора; (/ - коэффициент вязкого грения в агрегате.

С другой стороны, в рамках предложенной модели момент сопротивления идентичен моменту

AfgH (£) - Мв0 +JV»<0 «Мс . лЪ)

С.учетом предело' изменения моментов приведены формулы для .■пределен..я полных параметроь вида

Ко d*** (M^-MOyros^SJStj; OMa

На этапе разгрузки расширителя модель рекима раОоты бурошне-корого оборудования предложено описывать системой дифференциальных уравнений вида

¿Mtrcú) / /

c(uHt)/dt Mj(t) - Moa -,?t**Ct) ; (б)

[сxoüCÚ) yJvCtM =J<**<¿) - Г„ >

гд^/е^Л- составляющая момента сопротивле"яя, лорождеиная взаимодействием расширителг с упруго-вязким телом; ос - коэффициент вязкого трения модели; yi - козффиг. енг жесткости модели; Тл - постоянная времени транспортируемой породы.

Иомен- на валу двигателя представлен выражением

Ме (t) - А/,, yr**<t> . (?)

При идентификации рассмотрена приближенная ••оиель, в которой заложено линейное дзменение 'корост« в претоложении, что к моменту очередной загрузки в буроснгловом оборудовании полностью закончен?! релаксационные процессы и его состояние достоверно-описано начальными условиями Mg - Af„ к со(2л/5?) = сооа.

Поведение машинного агрегата в ре. .иие принудительной раз1 р: ки (при наличии jioi.jcfii} описываете." аналогичными выоажениями, а номент сопротивления представлен выражение«

Mc(t) - Afee> C¿), ¿a ¿ ¿ 4 + ¿Ú . (tí)

Решения и Afj(6g*át) даот начальные условия

для рассмотрения релаксации агрегата юсле разгрузки.

Для этапа разгрузки разрабсгана методика идентифик,' цv экспе-риу>нтальних данных на основе аппроксимации полиномами Чебышева и Дежандра. Разработана ппогра^а аппроксима ,и*» а аналитическое описание избыто' ного момонта на отапе разгрузки имеет вил.

МЮ* (éi-Sg+Sti+'tff-jSj + ы

* y¿3 + 8á+ óV fS¿s£S,

где Say.., - .1оэ1рфициен,,н полиномов.

оценки качества моделирования мс.лента на погружу в работе определены аналоги автокорреляционных функций и функций спектральной плотности табулированных чьоловых рядов.

Произведена гренка лроиэводител!чости процесса расши^зния по оанофактогь^м и -вухфа» орнш аппроксимациям результатов замеров.

По результатам и«, .ытаний на рис. 3 приведены режи"Ы,,в которых достигались наиболее вызокгэ скорости бур'чин.

погтачи ярч наиболее щытво&ггсхънях режимах работы расширителен

Усгч.ручается прег-ущезтво расширителей РБ, имеющих высокую скорость'б -рения а низкую энергоемкость. Наименьшая энергоемкость отмечена у расиф4.год.. РП|Н, обладающего пост"г чно высокой производительностью. Худшим по эксплуатационным показателям является растлитель РПЛ, висли;: ан ргоемкость работы которого вы -зана "яжельми ,,с..свиями резания через зожа-у» призму волочения.

Накменьиме потеря ил/ остаток грунта в скважине з.-фиксиоовани при р, боге расширителей РБ, РБО :: РШ].

Для всех расширителей отме ан близкий к линейному характер угеличе;тя реднис на. рузок о ростом усилия лодачи Р .

Выявление общих закономерностей, присущих моделям момента на погрузку при измене' чи режимов работы и для различных типов расширителей, получило пальпа":^.--- рл?витне в построена. регресс! зависимостей параметров моделей пт режимных показателей.

Определены Форш регрпссиокник зависимостей параметреп модели: длительности этаг^- загрузки длительности этапа разгрузки

tp(P,f^) . момента сия резаиия Л!рг}(Р.л), макекмалы >го момента на валу расширителя л) (без учета пиковых значений сил реза-

ния) и момента, характеризующего начало разгрузки (Р,->).

Внлплено, что фактором, опред" чя.сз№м длительность каждого из этапов работы, является частота вращения расширителя. 8 интервале п => 26...3» м.лГ1 наблюдается стабилизация указанных параметров

и ¿р. Снижение ^корости вращения {ж 26 приводит к

возрастанию длительное ! каждого этапа примерно пропорционально росту периода вращения. Соответствующее снижеьле длительности этапов при п > Зи мин"1 также отрахас изменение периода вращения.

Определены области применения созданных расширителей обратного хода. Отмечается, что в скаллсто-пресвяпнстых и пес-зных грунтах возможно яр 'ленекие расширителей с гравитационно! разгрузкой (типа Рдуу), а при бурении песчаных неустойчивых грунтов целесообразнее применять расширители с принудительной загрузкой па РПЛ). Процесс бурения необ* д-/мо веси в среде защитных кожухов и обсадных труб. Установлено, что лри буренки скважин по -ч-чим'и липким грунтам целесообразно применять ^арзбанни'4 расширители (РВ и РВС).

Одним из наиболее перспективных, путей повышения эффективное и очистки скважин является целенаправленное изменение физико-механических свойств продуктов бурения путем их увлажнения. Известны работы, в к торых отмечается . лагопзорное вли иие увлажнения прокатов бурения (подачи жидкости э скважину) на процесс проходки скважины.

увлажненные продукты разрушения в общем случае представляет собой двухфазную смесь с дисперсной фазоя в виде глинистого раство\ ., в котором н содятся и перемещается дискретные частицы продуктов разрушения.

Дяя определения момента согц "гияления вращения шнека при е.о ззаиюдействии с .-ранспоргируедам магзризло... ре смотрена модель шнекового става ч "окух<з, предс.тазля'лцая собой вал с плоским»: дисками (рис. 4,а). Одновременно с зр-чцением диски совершают осевое

Рис. 4.Модели горизонтального шнекового става (а-к определению силочых параметров и,г): 1 3 - шнеи, 4 - гиск

упрощенная, б- реальная) и cxeie: - кожух, 2 - продукты разрушения,

перемещение вместе с валом.

Момент сопротивления вращению рисков обу^ловлгч давлени ч • ч них транспортируемого материала (рис. 4,в)

где й^у = Га1гс(<я - площадь элементарной площадки на чиске; гг сс - текущие косрдинатм; ¿Д, - коэффициент сопротивления перемещения материала по поверхности шнека (диска); рш - боковое давление материала.

Общий момент.сопротивления вращению шнекоаого бурового става с транспортир-у-мым материалом при переходе от модели к реальному устройству (рис. 4 б) определен о виде

/гв\'пг У/смф „ , „ 7 г-'•¿■«/я*г (-Ч)

-(/)ЛЛ—(¿у-* о)-ау] /_ ,

где коэффициент,учитывающий перемешивание и истирание частиц матерчала; - число трансд.ртирусщих витков шнека;- коэффициент сопротивления вращению шнека, возникают* чо от взаимодействия продуктов разрушения с лопастью шнека; - объемный вес продуктов разрушения; £. - отношение бокового давления материала к вертикальному р^^Ь на глубине А от свободно.. ..оверхности (рис. 4,г); т - отнзкение площадей боков Л поверхности лопасти шнека, за опин иаг и лиска с тем же радиусом; Я - радиус инека; ¡9 - угол отклонения материала в сторону вращения шн ка.

■ Величина момента сопротивления вращения шнека при транспортировании з висит от физико-механических свойств продуктов разрушения , $ .), геометриче ких параметров ( Я, 6, т ) и степени заполнения шнека ( / а также количества транспортирующих витков (). Физико-механичес ие свойства продуктов разрушена- в той или иной стелен* зависят от влажности.

За висим*. ;ти объемного веса () и коэффициента сопротивления перемещению по лопасти шнека и кожу: а продуктов разрушения ОД, и ^ ) от .влажности .определены экспериментально.

Коэффициент сокового давления определяется и помсщью формулы, полученной, с испол зова ни ей теории давления грунта на подпорную стенку. .

'Расчете. произведенные ; курпвнению (1Л для продуктов рллру-

иения глинистых поре", позпо..лли получить характер зависимости момента сопротивления вращению шнека при транспортировании от степени заполнения шнека и влажности продуктов разрушения (рис. .

Границы зон, при которых происходит рост, резкое падение и стабилизация крутящего момента по.мере увеличения вл.-лности продуктов разрушения (глшш), составляют: до 2'-ЗСЙ, ч'г до 35-46%, свше 45-50& ( ис. 5,6). J продуктов разрушения имеж :я области нерациональной плзкено-сти (глина-25-3 X, песок-15-23%, уголь-20-ЗС$), при которых процесс 'взаимодейс-зия их с элементами тискового става ослож! лется налипа-ниьм, перебросом, пробк образованием и характеризуется низкой про-изоод-тел ностыз транспортироьания и высоки«« энергозатратами (рис.^, Псрехс.; продуктов разрушения в текучее состояние при их искусственном увлажнении позволяет повысить коэффициент за. элн-эния шне-козого бурового стгша до 0,45 (при отсутствии переброса) и до

= 0,1 (с пгпросом) и снизить крутящи мдмент на транспортирование глины в 4-9 раз, угля- в 3-1 раза, песка - в 2-3 раза гчя всех испытанных типов буроьлс г:гапов.

Изучение условий и выбор пути лопшдения эффективности работы горизонтального шнекоаого бурового сгава, моделирование крутящего мокгнта на транспортир«ьние продуктов разрушения шнеком в обсадной трубе, результаты с~еняосш и^следованиЧ с учетом влияния влажности продуктов разруюння и коэффициента заполнения ими шнеково-го стпа позволили разработать новый способ бурения (а.с.15130У0), Б зависимости от скорости бурения расход увлажняющей жидкости для достигни;; г.р-эручг и* рациональной влажности и' =50^ определяется из гыражепия

¿V = то—-----—(12)

4 а '

Повышение эффективности процесса бурения по новому способу достигается посредством целенаправленного изменения фияико-мс :а.(иче-ских свойств продуктов разрушения, а :менно, п.уте" их увлажнения до границы текучести. Для предотвращения опасности образования каверн в стпнках скважины целесообразно увлажнение продуктов разрушения осуществлять в зоне работы "'некового оурового става,заключенного в обсадную трубу. При увлажнении до границы' текучести продукта разрушения теряют с.юсобногть к налипание,чго позволяет исключить опасность образования пробок в шке.овом буровом ставе.

Большие с -¡ложнейля, вплоть до аварийных ситуаций, могут возникну г а при реализации совмещенной технологии прокладки трубы-кожуха одновременно с расширением скважины. Это характеризуется процессами, возникающими в приоабойной камере расширителя обратного хода, ограничение ! забсм и прицедь-м устройством расширителя К трубе-коаг;*./ и заполняемой при бурении непогруженными продуктами разрушения.

Крутящий момент на валз расширителя Л/ складывается из моментов, возникающих при его взаимодействии с продуктами разрушения, заполняющими внутреннюю полость барабана л;* и при' 1бойную камеру

Момент А(е складывается из составляющих моментов трения, обусловленных действием центробежной силы и силы тяжести продуктов разрушения (рис.7,a) v момента сопротивления вр-щению стенок расширителя (рис.7,б). Момент Мн кроме составляющей сопротивления вращению стенок включает также моменты на перемешивание . родуктов разрушения элементами расширителя (рис 7,в) и трение нар.'-хной поверх ост. цилиндра.

Формулы для определения результиру>*дого момента М получена с учетом выражений, включающих параметры центральных углов Z^t и 2/V-а использованием э качестве аргументов коэффициента заполнения Vs и диаметров расширителя J> и приемного лотка J>0 .

Для заполнения расшгтрителя, соответствующего , где

fy- значение ji , при котором хорда с; гменга материала касается лотка {jiy-arct-os j* ), формула для определения момента М имеет вид

M^^ifr^.^ »рея.

Cos ' *

J /• f { „ (J.oS-0,SgJ>)

K*>e** ' Ь*3* *

- „ л l ' Т/'-Я'б'* Z. J CO „ 2 r- s \ „,,

-ajJhJC-— * zz^.^S^O-— ), (13)

Рис. 7.Расчетные схемы для определения крутящего момента а,б) и Мц{ь)

где к„ - .соэффициент, учитывающий перемалывание и истирание грунта.

Величина момента при взаимодейс -»ии расширителя с продуктами разрушения зависит от конструктивных (-¿>, Л>, ¿е >го, Л ), режимных и кинематических параметров, л также параметров, характеризующих физико-механическк"! свойства грунта (г-,/"* ) ,где и " внутренняя и наружная ии^ина барабана; Я - коэффициент сопротивления вращению лучей; X - касательное напряжение сдб„гй;(_/', - эффективная вязкости среда.

Зависимости объемного веса и коэффициент« сопротивления перемещению по по: .рхности расиирйтеля продуктов разрушения ,/ о? влажности определены экспериментально. Коэффициент бокопго давления } определяется по фоь дуле, полученной с пс;.ющь>о теории

давления грунта на подпори-то сменку. Реологически характеристики увлажненных продуктов разрушения определялись с помощью ротационного вискозиметр;'..

Анализ расчетных зависимостей показывает, что увла',...1ение продуктов разрушения до достижения ими текучего сос^сния (М -45-50$) позволяет снизить величину крутящего момента г"> срзвне.шч с максимальным в 6~ь раз {рис. В).

В ходе лабораторных исслегоааний были применен! < расшипители барабанного т<па диаметром 0,Ь2; 1,02; 1,22 м. Для изучения структуры крутящего момента на палу расширителя стенд 6п оборудован шерой, имитирующей расширенную скважину. При измерении составляли*- момонта и Мн осуществлялась загрузка продуктами разрушения соответственно расширителя и камеры.

Неблагопри. гными диапазонами влажности, приводят ими к налипанию продуктов разрушения на расширитель и повышению онергозат-сат, являются: ^..я глины - 23-33%; для пе на - 15-22% и для угля -15-26%.

Для уменьшения крут4-го момента из вращение расширителя б призабойной камере необходимо выдерживать диапазоны влажности: сля глину - 40-50,5; для песка - 28-33%; для угля - 33-3с&, что . обеспечит продуктам ^аэруштнч текучее состояние (рис. у).

Изучение и обобщение закономерностей взаимодействия расширителя горизонтальных сквади с .уаяаиненндаи продуктами разрушения в призабойной камере путем моделирования крутящего момента и осе-зого усилия перемещения продуло!- бурения прицепным устройством расширителя и прсвадшшя экспер"чентально-аналитических исследований расширителей на натурных стенках ¿^звслк.-) обосновать и разработать ноььц! способ бурения (а.с. '3550). Цель способа заключается ч повьгленки 3'|)>эктив[юсти бурения путем ускорения процесса удаления продуктов разрушения из оСраэозанной р^ыкритепем обратного хода скважины. Согласно способу, в процессе бурения осуществляют разрушении забоя р1 -тар*.елем Т. (рис. ±0), после че-о продукты разрушанм попзда'от с призабо^чсе пространство, где поверхностью забоя,- стенками скважины и ограждающей стенкой 2, закрепленной на заднем спорном фон-ре 3, посредством гидроцилиндра'4, образуется камера А . Влакность продуктов разрушения повышай.-*' до ооразовгчня текучей пульпы, например, .'Г'^еи подачи в камеру жидкости по трубе-камлу 5, наполненному в ш лтщричеекой обечайке 6 фонаря 3 Содержимое камеры пере.У'ШИВач)т элементами вр£щао-

гис.е Структура крутящего момента на валу ра мрителя прк взаимодействии с увлажненным., щ. ^ду '.гами разрушения

Ркс.9.Зависимости крутящего момента на Балу расширителя М от влажности продуктов

разрушения N (-—глина;---—уголь;

---песон^

Рис. 10.Устройство дл." осуществления горизонтальных скважин

лособа бурения

и,егося расширителя I. Увлажненные продукты разоушения загружают в шне..овый буровой став 7 в радиальном и осевом направлениях.

Рекомендуемый расход увлажняющей жидкости ¿^ зависит от пи-амера скважины, скорости разбурр.зания г^- , естественной и реко-мегтуемои вле :ности пород и & :

а , ,

* ¿V //* Кг

(14$

Реализация нового способа бу^ккк. горизонтальных скважин расширителями обратного хода различных конструкций позвоя т осуществить радиальнуо и осевую загрузку при коэффициенте заполнения пру забойной камеры / ■ 0,35-0,5, ускоряя погрузку текучих продуктов разоунения в шнековый буровой став, многократно уменьшить крутящий момент и осевое усилие на валу расширителя, увеличить скорость бурения на вгор^ с проходки, а также -'с-ранить воч~ можнзсть залипания и прихвата инструмента и аварийных ситуаций в три^оде бурошнековых машин.

Реализация ш^хэтапной технологии проходки горизонтальных скважин в пр. лишенности лгтребовалч создания специальных бупо-шнекових машин, пригодных для использования новых способов бурения. Комплексная разработка, ис-ытания и внедрение бурошнековых

машин и бурового инструмента с анализом результатов всесторонних промышленных испытаний позволили обосновать и выбь зть эффек ив ныв конструктивные технологические и технико-экономические параметры при горизонтальном бурении.

Установлено, uto для реализации двухэтапн^й технологии бурения горизонтальных сквалин наиболее приемлеми б •рояшековие ма-атии с пгдродокнрагнши механизмами подачи (т«яа ЕГА), которые отличаются компактностью я унификацией узлов с освоенными .. горном деле и строительстве буровыми машинами.

Достижение рациональных пс.;аэателей работы комплекта инструмента с расащ. гелями прямого и обратного хода невозможно без обеспечения буроянеяовкмя машинами npü бурении осевой усгоЯчузости, основанной на соосности действующих сил и реакций.

Для оценки эффективности новых способов бурения в различных г^рно-геологических условиях на прг-яжении ряда лет (I9B3-I99I гт ) на строительных площадках трестов "УралэНергостроЯ", "Кузбэссэнер-гострой" и "Моекабельсе'гьмснгаж* прозоднлксь промыг-енные испытания. За время испытаний пробурено III3 м горизснг'хчьных скважин различного назначения и диаметра (0,16 м - 1,44 м}. Бурение велось э однородных к неоднородных мзссивах, представленных п-".чаными, глинистыми,дресвянясчми я екая зтыми породами в мерзлом и талом состоянии.

Промышленные испытания помззалм эффективность применения раз-_ работанных способов бурения (рис. И и 12), .Наибольший эффект дсстягаетсл при бурения скважин в.глинистых мзссивах, где но только резко (в I,ü-2,5 раза) снижаются нагрузки на приводе вращения бурового инструмента и воэр стает скорость <уреничг, но и полностью исключается опасность возникновения аварийных ситуаций, связанных с залипаняем межвяткового пространства шкекового бурового стаьд и образовавшем пробок. Применение раг.)абога*"шх способов бурения позволяет без увеличения мощности привода вращения буровсг инструмент? увеличить длину бурения в 1,8-2,3 раза.

3 Д К Л Ю Ч Е Й Е

В диссертационной работе дано зкепериме таг'-ко-теорзтическое обобщение и новое Решение крупной научной проблемы, заключающейся в обосновании и разработке способов горизонтального бурения скважин- диаметром 0,5-1,74. м и оборудования буропшековых мэьин, и; э:о-

<У>

1,2 - Ф /,44 м У - 0

¿о '<о ео $о ¿}*4

Рис. II.Завасьмость иацности вродэтоля-при бурении г>г длину скважины

и/, кВт

л

ю

о

Рис.

1 глина «

л V* ¿ 0, ним.

/-1 о

>=0,5-0,3 м/ним Л ? П - //3 мин'*

5 а ■ & 20

12. Завис« ость мощности на вращен.;а'бурового инструмента от длины ск'.здиюц 1-"сухоея бурен"е-,2-буренка с увх мнением

щей важное народнох зяйсгвэнноэ значение и обеспечивают^ повышение производительности провесов бестрянпейноК прокладки попзем-них коммуникаций - трубопроводов в пгчодах с широким пг пазоном физико-механических свойств.

Проведенные комплексные исследования позволяют сделать следующие итоговые выводы:

1. Наиболее перспективной технологией, обеспечивающей снижение энергозатрат, стога ->сти, удобство эксплуатации и ра-ведения буро-онекового оборудования, является двухэтапное бурение свалгин путем первоначальной проходки пионерной горизонтальной скважины л последующего ее раэбурнвзнил распирителяма обратного хода.

2. Определена зависимости пл«с расчета компонент затрат мощности на вращение и подачу расширителей прямого хода при разрушении забоев пионернше го язонтальнг ■ скважин. Установлена аналитическая зависимость производительности щнековог^ бурового сгэва от -оерфи-цкенга зеполие. ли продуктами разруигния что позволило определить коэффициент производительности при различных режимах работн. Для поддержания ре~п«ов устойчивого раздельного Руг.мш пигчерннх скьааян по вязким грунта! рекомендуется ограничивать: скорость бурения до 2 и/мнн; коэффициент заполнения "первого става до 0,25; "оэффициинт супротив,, ения перемещению продуктов разрушения дй 30-35; длину буртапс скважин до 25-30 м.

3. Разработана дингглгческая модель момента на погрузку продуктов разрушения и методика идентификации эксперимент.' чьных данных

с моделью на этапе разгрузки раезиригеля с использованием ортг^о-нальных полинсмо" Чеблшева и Леяандра. Степень достоверности и качество модели режима работ и бурогензково^о оборудования при погрузке продуктов ррзрузления ;ласпярителем зави-яг от длительности этапов загрузки и разгруз'*и, а такие .наченкТ момента от сил резания, подъема грунта и начала разгрузки. Установлено, 1г работа распиритслей горизонтальных скваяпн при погрузке характеризуется остатком грунта в скважине в пределах

4. Повышениг эффективности процессов внекового бурения пионер-нн;. скважин догтигаогс'я увлажнеыем продуктов разрушения при транспортировании до ^екучего состоян..я. Разработана модел! горизон-тал'ного п-экового бурового става в обсадной колон е, позволившая получить зависимость кру ящего момента от неметрических параметров степени заполнения шнека и физико-гчханическлх свойств транспорт-

р. змьгс продуктов разрушения.

5. Установлено, что переход продукта разр^тпения в.текучее состояние при их искусственном увлажнении позволяет повысить коэффициент заполнения юнекового бурового става до f « 0,45 (при отсутствии переб^->са), до -f «1,0 (с перебросом) и снизить крутящей момен- ла транспорт..рование гликы в 4-у раз, угля в 3-4 раза, песка в 2-3 раза по сравнению с "сухим" способом буре.ля для всех испытанных типов бурогчх ставов.

С. (уJоснован и разработан новый способ совмещенного с креплением процесса расширения горизонтальных ск-анин. Установлены закономерности взаимодействия расшг •♦геля бара знного типа с увлажненными проду тами разрушения в лризабсйной камере. Доказано, что новый способ бурения для всех конструкций расширителей обратного хода обеспечивает радиальную и осейуо загрузку -тнекового става при коэффициенте заполнения призабойной камеры « 0,35-0,5.

7. Рекомендовано использование в качестве базовой модели для реализации дэухэтапной технологии бурения i^изонтальных скважин буровь— ст'нков типа S'A, для которых разработан пакет техдокументации, позволяющий создать у,.иверсальн_е буроьнековые машины с модульной структурой, обеспечивающие работу в ::ироком спектре способов бурения и диаметров буримых скважин (от 0,&* до 1,74 м) одним комплектны инструмента.

d. Применение при двухэтапной технологии способов бурения с увлажнением продуктов разрушения позволяет использовать привод врмателя мосчосьо^б-ЗО кВт, что позволит бурить горизонтальные скважи"ы на длину до CO-uù ы, угсл;:ч::ть механическую скорость бурения в 1,5-3 раза, снизить энергозатраты в 2-3 раза по сравнению с традиционным "сухим" бурением.

i л время внедрения результатов работы в промышленности Урала, Кузбасса и Москвы лолучен суммарный экономический эффект около 450 тыс-ч рублей в цент Ií JO г.

Основное соцэржан'") гисс ртации опубликовано в "лодуотчх рцбо-ах:

1м Маметье*. JI.E. О. раепщ лелтх для разбуриват.л горизонтальных скважин ffi'rx 1ИЗЯЦИЯ горних работ : Межи"-). сб. науч. тр./Кузбас. политехн.ин-'. -Кемерово.- -Ту:.I.-197?.- С.13у-144.

2. Сафс.лш U.C., Момегьев Л.Е., Вухораев М.С., Пуркаев И.Я. Результата эксперта чталыгого исследования ррстгрителей горнзон- . тальннх сквакнн //Механизация горних рабст: Менвуз.сб.науч.'^., вкп.1 /Куэбос.политехи.ин-т.- Кемерово,ХУ77.- С.144-1Б0.

3. Маметьев Л.Б., Пуркаег, И.Н. Результат« поомтатеннк: испытаний рпсЕсплтелой обратного хсдк пря сооружении подземных горизонтальных переходов //Механизация гор,гчх работ: Me~i.уэ.сб.-ауч.тр., вып.I /Кузбас.политехи.ин-тКеморово,1у77.- С.150-152.

4. Манетьев Ji.E., Цехин А.М. О закономерностях' транспортирования частицы разгрузочными ŒHeKwi расягиритслэ" горизонтальных скваяпн //Механизация горних работ: Мгжвуз.сб.науч.тр.,выл.2 /Куз-бес.политехи.ип-т.-Кемерово, 1У78.- С.157-163.

5. Макетьев Л.F Создание расширителей обратного хода для бурошнековг установок Механизация р^-шого труда в угольной пра-кшшеннсстн Кузбасса: Тез.^кл.науч.-техн.конф.нолод.учен, и спец. -Прокопьевск,1980.- С.52.

6. '.{аметьев Л.Е. Оценка производительности процесса расширения горизонтальных скважин //Механизация горних работ: ! завуз.сб.науч. тр., "Ып.З ."{узбас.политехи.• ч-т.- КемероаоДУУО. ■ С.I57-I6I.

7. Мзметьев Л.Е., Ананьев А.П., Чернов М.Г Определенно значения крутящего момента пря бурении горизонтальных сквзжь барабак— кыми расЕирителтаи //"зхачизацк». горных работ: Сб.иауч.тр./Куз-бас.политехн.ин-т.-Кемзроро,1У04. - С.141-14У,

8. йаметьев Л.Е., Ананьев А.Н. Влняниг влаяности продуктов бурения на работу пнено&ого става //Механизация горных работ:Мэ. -вуз.сб.науч.тр./Нузбас.политехи.ин-т.-Кемерово, 1уЬ8.- 0.У0-У4.

У. Наметьев Л.В., Ананьев А.Н. Влияние влажности продуктов бурения н объективность раи^тн снекосого б„рсвсго става -

сивн&я к безотходная технология разработки угольных н сланцезых месторождений: тез.дога.Зсесооз,туч.-техн.конф., 1у8у. -С.5Ы.

10. Маметьвв Л.Е., Карпенко С.М. И'попр^су пов-шення эффеэтип-ност" процесса расширения горизонтальных скняжин //Интенсивная и безотходная 'ехнология разработки угольных и-сланцевух месторождений :Тез.докл.Всес оюз.науч.-i~хн.vонф.-М.,.-С.100-101.

11. Мяметьев Л.Е., Ананьев / Н..Карпенко С.М., Цветнипкий п.к. Зурение горизонте.;ьных скважин в.налипаияах лор jnx для бестраншейной прокладки / "женерннх коммуникаций //Энергетическое строительство.- 1УУ0.- № 4.- С.оУ-61.

12. Цехин А.М., Уаиетъев Л.Е., Ананьев А.Н., Карпенко С.М, Определение параметров течения вязкоппастичных суспензий //Механизация шх работ: Сб.на-ч.тр. /Кузбас.политехи.ин-т.-Кемероьо, 1УУ0.~ С.114-118.

13. Сафохин М.С., Маметьев Л.Е., Карпенко С.М. ¡.овычение работоспособности раскирител'ей горизонтальных скважин при бурении в налипающих горных ..ородах //хеория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подзеь...ых рудников: хез.доКл.Есесоюз.науч.-техн.конф.-М.,1990.- С.14.

14. С £охин М.С., Маметъев Л.Е., Ананьев А.Н. Новые спсобя бурения горизонтальных гкванин при строительс" те и эксплуатации по, земных рудников //Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников: чез.докл.Всесоюз.науч. конф.~М.,19УО.» С.42.

15. Сафохин У С., У-кзтъев Л.Е., Ананьев А.Н. Взаимосвязь процессов разр. шония и транспортирования горных пород при шнеповом бурении геризонтальнж скважин //Физические процессы горного г.^о-изводстЕа:Тез,докл.Х.Всесо«ад, уч.кенф. вузов СССР с участием науч.-исслец. кнег. -М., 1991.-г С. 102.

16. Сафохин М.С., Маметьев Л.Е.» Ананьев А.Н., Карпенко С,М. Почтение погрузо«ио--'£раг1спор?крувцей способности шокового инструмента при С -репйи го. лзонталькг'С скважин //Нпое в теории, технология и те-чнк« (]урвния: Тез.докл.на семинаре »-М-, 1991.- С.34.

лГ.Маметьев Л.Е., Карпенко СЛ. К сширенне области применения навесных расаирителей 'горизонтальная сквашн /ЛЬвое в теории, технологии '* технике бурен: г. те.,.докл. на семинаре -М. ,1991.-С.26-27.

10. Маметьев Л.Е. Прогноз грунтовых условий при зкеплуагациу. шнековых машин горизонтального бурения //Механизгцкя горных работ: Сб.науч.1р./Кузбас.полигехн,ин-т.-Кемерово,1992.- С,92-9и,

19. Маыетьев Л.Е. Параметру технолог-ячеек й схемы и оборудования для двухэтапного процесса бурения горизонтальных скважин //Механизация горных работ:Сб.науч.тр./Кузбас.полптехн.ин-т,-Кемерово,1992. - С ">9-105.

20. Маметьев Л.Е.',Ананьев А.Н.,. Карпенк" С.М. Влияние наружных пове^. .ностей барабанных расииршч 1ей горизонтальных скважин на крутящий момент /Д!ехакизацня горных работ:Сб.науч.тр./Кузбас. голитехн.и«--!. -Кемерово, 1992. С.105-109.

21. A.c. !? 9414м СССР. Mid!3 Е 02 F 5/18, F16L т/04. Устрой-ст. о для протаскивания труб-кожухов /М.С.Сафэхин, Л.Е.Маметьев и др.; Опубл. 07.07.82, Бол. » 25.

22. A.c. J? 941497 СССР, f.iKIl3 Е 02 F 5/18. Устройство для бес-трансейной проплати труб /М.С.Сафокии,Jl.EJ'sueTiea и яр.;Опубл. 07.07.62, Бил. № 25.

93. A.c. 1328473 СССР, ЖИ4 Е 21 В 19/08. Устройство для измерения осев««'усилий в буровом ставе Д!.С.Сафохиь,Л.Е.Ма, етьев, А.».Ананьев и др.;Опубл. 07.Св.87, Бчл. $ 29.

24. A.c. }? I469II5 СССР, töffl4 Е 21 С 700. Буровой став для кав"ч горизонтально!" бурения Д{.С.Са$зхик,Л.Е.Нзметьев и др.; ОдубЛ. 30.03.89, Бол. » 12.

25. A.c. Я» I5I3090 СССР, ШШ4 Е 02 F 5/18. Способ буренг - го-ризонтальгис и сл^ооняклокнь.л скважин /М.С,Са*)охин.Л.Е.Мпчетьев

и др.;Опубл. 07.10.89, Бая. № 27.

26. A.c. В 153268I СССР, ШШ4 Ь 21« 7/2", Е 2Г С "/00. Расширитель горизонтальннх сквдлин /М.С.Сафохин,Л.Е.Маметьев и р.; ОП"бл. 30.12.89, Б'ол 48.

27. A.c. № I6I356Q СССР, ШШ5 К 21 В 7/20, 7/28. Способ бурения горизонтальных и слабонаклонних скв'аяин и устройство для его ос.у-щест ления /М.С.Сафохин.Л.ЕЛ'янетьев и др.;0публ.15.12.90, Бал.'Мб.

28. A.c. № I63II54 СССР.МКИ5 Е 21 В 7/Р.8. Расширите«! дг бурения горнз нталыV ■ сквазотм /М.С.Сяфохин,Л.Е.Маметьев и др.; Опубл. 28.02.9Т, Бол. I? 8.

29. А. . Р I70I903 СССР.МШ^ 21 С 1/00, Е 21 Ч 7/00. Слое ,б бурения горизонтальных и слабонаклонних скваган /М.П.Сафохи., Л.Е.Маметьев и др.;Опубл.20.12.91, Бгол К 48.

30. Пс :ояит.ре:.эн :е по заявке на патент !? 502742Ы03.МКИ5" 21 С 1/00. Буровой став для ка-лн горизонтального и наклонного бурени,, Д{.С.Сзфохш,Л.Е.Маметьев и др.;-Реп:ение о вндаче патента от

12..5.92.

Е-визна технических ], .шений в работе зацицен« такие следующими авторскими свидетельствами (в соавторстве): 454343 , 457795, .57797, 517696 , 533727 , 542827, 555224 , 5929^, 594316, 597778, 6j49b5, 628306, 682642, 744II0, 771323, 791907, 794.74 , 80^351 8.0921, Ы719 , Ш9.-97, 82*845, 82эУ. 3, «27777, 848560, J55I80, 8574"?, ./?4У62, 876951, 8769U', 883306, 8ьЗЗУ9, J0I45I, 90721.',, 935609, 949 Г2,' Уоь /42, 960416, 96С28, 96260?;, 964100,-96!679, 93Ö3Ö0, I.MP'536, 16ГЯЗГ". ¿661455, 1666676, !>.. '•.й.'Й:.