автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование основных параметров и разработка универсального комплекса технических средств для бурения неглубоких разведочных скважин

На правах рукописи

Зпштейн Валерий Ефимович

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ БУРЕНИЯ НЕГЛУБОКИХ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Специальность 05.05.06. - "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геолс ческой академии.

Научный руководитель - канд. техн. наук Бажутин А.Н.

Официальные оппоненты: чл.-кор. РАЕН, докт. теш. наук,

проф. Ошкордин 0.В.

действительный член МАМР канд. техн. наук Лещиков В.И.

Ведущее предприятие - ЗАО -"Машиностроительный завод ю

B.B.BODOBCKOrO"

■■20" ^С/ОЩ 19g7 г. ' / /о ™

Защита состоится на заседании диссертационного совета Л063.02. 01 в Уральской гос дарственной горно-геологической академии (620144, г.Екатер! бург, Куйбышева 30)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии.

Автореферат разослан "/У" //¿7/ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н. / Прокофьев Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Переход к рыночным отношениям существенным образом изменил ситуацию з сфере производства буровой техники. Многократкое повышение цен на продукцию машиностроения, небольшая глубина (до 100м) скважин, относительно малые объемы работ на объектах вынуждают потребителей ориентироваться на оборудование, з конструкции которого высокая производительность сочетается с зысо-кой степенью универсальности.

Из числа выпускаемых в нашей стране буровых установок наиболее полно соответствуют новым требованиям самоходные буровые установки с подвижным зрашателем УРБ-2А-2, УРБ-4Т, УГБ-13С. КГК-ЮО(ЗОО). Однако общим их недостатком является узкий перечень способов бурения, реализуемых з рамках одной установки. Это существенным образом снижает их универсальность по отношению к задачам и условиям бурения конкретной скважины.

Наиболее- перспективным направлением усовершенствования буро-зой техники, которая находится з эксплуатации, является разработка комплексов технических средстз, позволяющих повысить одновременно универсальность и производительность оборудования путем реализации новых прогрессивных способов бурения с непрерывным гидро- и пневмотранспортом керно-дламозого материала з сочетании с различными типами породоразрушаюшего инструмента и гшезмоударных машин.

Работа выполнена з рамках межотраслевой программы по Западно-Сибирскому нефтегазовому комплексу.

Цель работы. Повышение эффективности бурения неглубоких разведочных скважин за счет создания универсального комплекса технических средстз, позволяющего реализовызать широкий спектр способов бурения.

Идея работы: Применение сжатого зоздуха з качестзе основы очистного агента з сочетании с двойной бурильной колонной для реализации широкого спектра способов бурения.

Задачи исследований:

- обоснование рационального сочетания способов бурения и разработка на его основе функциональной структуры и органоструктуры универсального бурового комплекса:

- оценка взаимосвязей, функциональной значимости отдельны элементов бурового комплекса и определение внутренней иерархи анализируемой технической системы;

- исследование рабочего процесса породоразрушающего инстру мента с точки зрения эффективности очистки забоя;

- обоснование рациональных конструктивных параметров породо разрушающего инструмента и оценка влияния различных факторов н эффективность его функционирования;

- обоснование оснозных параметров и разработка комплекса тех нических средств, его испытания и экспериментальные исследования.

Методы исследований. Анализ литературных и патентных источнк ков; системный метод исследования и проектирования технически систем; математическое моделирование; метод экспертных оценок экспериментальные исследования на стенде и в натурных условиях математическая статистика; теория планирования эксперимента.

Защищаемые положения:

- базовой технической функцией универсального бурового комп лекса язляется вращательное бурение с непрерывным пневмотранспор том разрушенного материала на поверхность;

- буровой снаряд является одной из оснозных преобразующи: подсистем бурозого комплекса, а по своему месту в причинно-следс' твенной цепочке преобразования главного операнда является ключевьс элементов, бурового комплекса;

- процесс очистки забоя при бурении с внутренней циркуляше] в рыхлых породах характеризуется совокупностью процессов вытеснения породы в осевой канал и перемещения частиц породы по забою по, воздействием конструктивных элементов породоразрушающего инструмента;

- главным фактором, обеспечивающим дзижение частиц породы к оси скважины при механическом способе очистки забоя является проскальзывание частиц относительно рабочей кромки под влиянием сю трения между частицей и забоем;

- применение разработанного бурового комплекса позволяет решать широкий круг задач при бурении разведочных скважин в различных геолого-технических условиях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: достаточным объемом экспериментальных исследований;

применением апробированных методоз теоретической механики и математической статистики; соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований; результатами испытаний разработанного комплекса.

Научная новизна состоит в следующем:

- установлено рациональное сочетание технических средств для реализации различных комбинаций способов бурения;

- разработаны' функциональная структура и органоструктура бурового комплекса, определена его внутренняя иерархия;

- установлена механика'- рабочего процесса породоразрушаюшего инструмента при бурении в рыхлых породах;

- сформулированы требования к конструкции породоразруиаюшего инструмента при бурении з рыхлых породах с непрерывным гидро- и пневмотранспортом пробы на поверхность;

- выполнено обоснование основных параметров бурового комплекса -для реализации установленного сочетания способов бурения;

- установлены области эффективного применения, рациональные параметры режима бурения для основных элементов разработанного комплекса.

Личный вклад автора состоит: в разработке функциональной структуры и органоструктуры бурового комплекса; обосновании рационального сочетания способов бурения; определении внутренней иерархии системы; разработке математических моделей рабочего процесса инструмента и их экспериментальной проверке; разработке конструкции универсального комплекса технических средств; участии в проведении испытаний разработанных конструкций.

Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований сконструирован комплект сменных узлов, предназначенный для оснастки серийных буровых установок, находящихся в эксплуатации. Разработаны методические рекомендации по применению этого комплекта в самых различных геолого-технических условиях и для выполнения различных задач. Комплект сменных узлов позволяет повысить производительность буровых установок при бурении скважин диаметром 130-190мм и значительно повысить степень универсальности оборудования.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на Всесоюзной научно-практической конференции "Ускорение со-

циально-экономического развития Урала", г. Свердловск(1989г.), на 2-м научно-техническом семинаре ИГД СОАК СССР в г. Новосибирске (1990г.), на семинаре ИГД им. Скочинского в г. Москве(1990г.), на 14-й областной научно-технической конференции молодых специалистов н г. Сзердловске(1990г.). на школе передового опыта Мингео СССР в г. Свердловске(1991г.). на научно-технических конференциях СГШ987,1988 к 1990гг. )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения к 3 приложений. Работа изложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок. 21 таблицу и список литературы из 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса и постановка задач исследования. Вопросам бурения неглубоких скважин в рыхлых и перемежающихся по твердости породах посвящены работы Д. Н. Башкатова, В.Г.Кардыша, Б.Б.Кудряшо-ва, И.В.Куликова, Е.Л.Лиманова, Б.М. Ребрика, С.С.Сулакшина.

В настоящее время для проходки неглубоких скважин применяется широкая гамма способов бурения. Эффективность того или иного способа оценивается по ряду критериев, перечень которых, определяется целями к задачами бурения. При этом основными критериями можно считать: качество получаемой пробы; универсальность оборудования по отношению к условиям и задачам бурения; производительность.

Анализ существующих способов бурения показызает, что ни один из них в полной мере не отвечает перечисленным критериям. В связи с этим в некоторых установках для бурения неглубоких скважин предусматривается возможность комбинирования различных способов. Однако сочетание традиционных способов позволяет лишь в незначительной степени повысить универсальность буровых установок, не говоря уже о нерешенности задачи существенного повышения производительности.

Наиболее перспективным направлением здесь является применение семейства технологий с непрерывным пневмо- и гидротранспортом кер-

но-шламового материала.на поверхность(НТП). К достоинствам этого способа следует отнести высокую производительность по породам низкой и средней твердости, хорошее качество опробования, пониженную восприимчивость к изменению условий в скважине, высокое качество ствола скважины и снижение степени кольмгтации водоносных горизонтов, экологичность.

Вопросам создания и эксплуатации технологии и технических средств для бурения с НТП посвящены работы В.Г.Кардыша, Б.М.Ребри-ка, А. В. Агринского, С. А. Арифулина, В.Ф. Веселова, Б.Б.Данилова, Д.И.Когана, А.В.Кузнецова, И._В.Кузьмина, А.Н.Пешкова, В.Н.Савельева, О.В.Смирнова, Б.Н. Смоляницкого, И.П. Хаустова,С.Ю.Шаламова и др. В отечественной практике этот способ нашел широкое применение при бурении именно неглубоких скважин в рыхлых и перемежающихся по тзердости породах.

В настоящее время наибольшее распространение получила разновидность этого способа с гидротранспортом керна. Бурение с гидротранспортом керна является базовой технологией целого семейства буровых установок типа КГК. Объем бурения этими установками к 1990 году составил 5500 тыс. п.м. Однако массовая эксплуатация этих установок выявила их несоответствие критерию "универсальность по отношению к условиям бурения".

Реальные возможности по повышению универсальности буровых установок предоставляет использование в качестве очистного агента сжатого воздуха и газожидкостных смесей. Многие исследователи отмечают большие потенциальные возможности применения этой технологии при бурении скважин различного назначения (разведка россыпных месторождений, сооружение гидрогеологических скважин и т.д.). Особенным преимуществом применения газожидкостных смесей(ГЖС) является удобство комбинирования широкой гаммы способов бурения: бурение с прямой и обратной продувкой; бурение пневмоударными машинами; бурение с обратной промывкой эрлифтом.

Одним из основных препятствий более широкого распространения технологий НТП является недостаточная изученность рабочего процесса породоразрушающего инструмента (ПРИ) с точки зрения очистки забоя от выбуренной породы.

Исследованию рабочего процесса ПРИ для случая применения НТП посвящены работы А. В. Агринского, И. В. Кузьмина. А.В. Кузнецова,

В.Н.Савельева, С.Н.Сергеева, О.В.Смирнова и др. В этих работах проведен анализ загрузочных характеристик основных исполнительных органов буровой установки на различных стадиях рабочего процесса, в общих чертах дана оценка влияния на эффективность очистки забоя свойств буримых пород, изменения величин параметров режима бурения. Выполнено обоснование отдельных конструктивных параметров ПРИ.

При проектировании буровых установок эффективная конструкция ПРИ создает предпосылки для создания в целом эффективного бурового комплекса. Однако эти предпосылки могут быть реализованы только при условии-соблюдения системного подхода к проектированию технических систем. Основные моменты системного подхода отражены в работах В.Г.Кардыша, А. И.Половинкина (все СССР), В.Хубки (ФРГ), А. Джонса (ВлБр).

Отмеченные обстоятельства определили круг задач, решение которых необходимо для создания универсального комплекса технических средств для бурения неглубоких скважик разведочного характера.

Обоснование рациональной структуры универсального бурового комплекса. На первом этапе создания бурового комплекса был определен набор целевых функций проектируемой технической системы.Сочетание целевых функций устанавливается в зависимости от конкретного перечня решаемых при бурении задач.

Определение перечня способов, реализуемых в рамках единого бурового комплекса, выполнено на основании их суммарной оценки по нескольким предварительно ранжированным критериям. Базовый способ определялся по максимальной оценке, а в качестве вспомогательных (сообщающих универсальность проектируемой системе) выбирались те способы, переход к которым мог быть осуществлен без замены значительной части технологической оснастки. В качестве базового принят вращательный способ бурения с непрерывным пневмотранспортом разрушенного материала на поверхность.

Применительно к избранному базовому способу разработана функциональная структура бурового комплекса, изображенная на рис.1. В качестве отдельных элементов функциональной структуры выступают функции, реализуемые различными органами бурового комплекса. Выделенные взаимосвязи между отдельными функциями отражают их взаимов-

Рис.1.Функциональная структура бурового комплекса

для бурения с НТП Функции: ГП - генерация потока; ПОА - приготовление очистного агента; 03 - очистка забоя; ЗП - захват пробы; ОЗИ -охлаждение ПРИ; РЗ - разрушение забоя; Т'Л - транспортировка шлама; РОА - регенерация очистного агента; 7П - транспортировка пробы; ОП - отбор пробы из потока ОА; С5С, ПБС - соответственно спуск я подъем БС; ОС - оборудование стзола. Состояния главного операнда: Ос^- начальное состояние, массив горной породы; 0с32 -варианты конечных состояний операнда, Ос!1;, проса в контейнере; Саг2 - необорудованный стзол скважины. ,0а32- оборудованный стзол скважины. Состояния вспомогательных операндов: КОА - компоненты очистного агента; 00А- отработанная часть очистного агента; НБС - новый буровой снаряд; ОБС - отработанный буровой снаряд; ОТ - обсадные трубы: ИОТ - извлеченные обсадные трубы

источники энергии

Л£

<

Траиснортная база

Ж ' "

'геи_^ , Л 7ч р

^ _'г 0__1 с у

Система управления Т)

-С

Зс

Привод

спк 2

3)"

ГСИ

ц

2 ^

'р-р

кр

цс

Нс-р. Ьт. н

0К£

/

БС 1

Оп Р ' О см

й\

г.

м

пр - объем выбуриваемой породы;

массив горной породы и внутрискважинные флюиды

Рис.2.Органоструктура комплекса для бурения о 1ГГП:

с.р- момент свинчивания-развинчивания; Ьт

компоненты очистного агента из окружающей среды или спец. устройства

машины для транспортировки и обработки проб

устройства для утилизации

о

I

0П - усилие на крюке, ход и усилие подачи; Уп

длина свечи .трубы. 0кр, Уб - скорость подъема снаряда и бурения; ш - час-

тота вращения снаряда; 0С

а',

(Гсм - подача П1!С; Рсн - давление ГЖС; 1тП, 1„с. 1Гси. 1ц. 1спкУг,~

равляющие воздействия на соответствующие подсистемы; воздуха; N г, г

1 б С' 'геи.

°р-р-

подача раствора ПАВ или воды; 0„ - подача

СП К '

г

1 су

мгси- Мцс- ~ отбор мощности на исполнительные органы; 0ГСН- расход Г'СМ; нагрузки, воспринимаемые ТБ от основных подсистем комплекса

лияние и влияние на преобразование главного операнда системы -горной породы.

На основании функциональной структуры разработана соответствующая органоструктура (рис.2). • которая представляет из себя конечное множество органов бурового комплекса в их заданной функциональной структурой различных взаимосвязях. Органы сгруппированы в подсистемы по отношению к процессу преобразования главного операнда системы с выделением конструктивных, энергетических, материальных и информационных связей.

Сравнительный анализ функциональных структур и органоструктур буровых комплексов, использующих традиционный колонковый и новый базовый способ бурения, показал:

- буровой снаряд в любом буровом комплексе является одним из основных преобразующих органов, значимость которого резко возрастает при переходе к принципиально новым способам бурения;

- по своему месту в причинно-следственной цепочке преобразования главного операнда буровой снаряд является ключевым элементом бурового комплекса;

- наиболее функционально значимым элементом бурового снаряда является породоразрушающий инструмент, который осуществляет непосредственное преобразование главного операнда системы;

-■при переходе к способу бурения с НТП увеличивается функциональная значимость бурового снаряда и подсистемы приготовления и подачи в скважину очистного агента, уменьшается функциональная значимость подсистемы спуска-подъема бурового инструмента (из разряда основных преобразующих подсистем она переходит в разряд вспомогательных) , появляется отдельная подсистема для отделения пробы от потока очистного агента.

Таким образом, по отношению к преобразованию главного операнда можно выделить три главные подсистемы бурового комплекса, использующего НТП: буровой снаряд; систему приготовления и подачи в скважину очистного агента; систему отделения пробы от потока очистного агента. Важнейшим из этих подсистем является буровой снаряд, поскольку он находится в начале причинно-следственной цепочки преобразования главного операнда и от эффективности его работы зо многом зависит эффективность работы комплекса в целом.

Исследования рабочего процесса породоразрушающего инструмента при бурении с внутренней циркуляцией. В рыхлом комплексе пород главным'критерием эффективности ПРИ является эффективность процесса очистки забоя. Специфика бурения с внутренней циркуляцией заключается в том, что очистка забоя осуществляется преимущественно механическим путем. И здесь можно выделить две составляющие данного процесса. Первая^- непосредственное поступление породы в шла-моприемный канал. Вторая - перемещение выбуренной породы по забою в направлении к его центру.

Для описания ' процесса поступления породы в центральный шла-моприемный канал предложена зависимость , в основе которой лежит предположение, что этот процесс во многом аналогичен процессу вытеснения вязкой жидкости из под поршня. В качестве критерия эффективности процесса принят массовый выход породы (ВП), выражающийся в процентах от массы разрушенного объема скважины.

Для определения величины ВП предложена формула

где бцк - диаметр центрального шламоприемного канала; Бк -диаметр бурения (инструмента); ш - частота вращения инструмента; К - коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние частоты вращения на скорость бурения; Д - коэффициент уплотняемости; д - условная вязкость; - скорость бурения.

Анализ зависимости показал :

- эффективность рабочего процесса ПРИ возрастает с увеличением диаметра центрального шламоприемного канала, величины суммарного подпора и частоты вращения, с уменьшением диаметра бурения и величин коэффициентов уплотняемости и условной вязкости;

- необходимым условием эффективности забойного процесса является полное перекрытие забоя корпусом инструмента;

- влияние скорости бурения на. эффективность рабочего процесса носит двойственный характер,, однако в целом этот параметр оказывает негативное влияние на качество чистки забоя;

- вес столба очистного агента в бурильных трубах отрицательно влияет на величину суммарного усилия подпора, поэтому снижение ве-

ВП

(1)

(Ус-Кш)Д-Бк2 '

са столба очистного агента при переходе от водных растворов к ГКС должно сказываться положительно на эффективности рабочего процесса ПРИ.

Перемещение породы по забою в направлении к центральному шла-моприемному отверстию напоминает работу автогрейдера, движущегося по окружности. Под действием наклонной кромки рабочего сектора коронки частицы породы перемещаются от внешнего радиуса инструмента к его внутреннему радиусу.

В качестве критерия эффективности этого процесса принято вре-_ мя транспортировки частицы 'до ее входа в шламоприемный канал. На рис. За представлена схема сил, действующих на частицу породы, лежащую на кромке рабочего сектора.

Дзижение частицы общем случае описывается системой нелинейных дифференциальных уразнений в полярных координатах: '

•„...„ . . fjmgi rn (-шгг+г-гф2-2шпр) = КГф---fg'vr. (2)

(/f2+r2 (со+!р)г

........... fingr(Ш+ф)

т (гф+2ГФ+2ШГ) = - уг---Г2ТГФ. (3)

|/г2+гг(ш+ф)г

где у = N/n , N - реакция кромки, п - направляющий вектор реакции кромки, Tj - коэффициент трения частицы о забой, f2- коэффициент трения частицы о кромку.

Подстановки в эту систему уравнения той или иной кривой позволяет получить соответствующие уравнения движения частицы. В работе исследовались три типа кривых: архимедова спираль, прямая линия и логарифмическая спираль.

Результаты решения дифференциальных уравнений для всех трех случаев показаны на рис.36. Как явствует из приведенного графика, наименьшее время дзижения частицы наблюдается в случае логарифмической спирали, которая имеет определенное экстремальное значение сзоего глазного параметра.

Анализ случая, когда частица породы находится в покое относительно кромки рабочего сектора, показал, что основными активными силами,влияющими на процесс перемещения частицы, являются сила тре-

ния и центробежная сила, при этом движущей силой, обеспечивающей перемещение частиц шлама к центру забоя, является сила трения скольжения частиц по забою.

Проверка адекватности математической модели была выполнена экспериментально на специально разработанном стенде. Стенд был изготовлен на базе вертикально-фрезерного станка, позволявшего получать широкий набор частот вращения. Забой моделировался с помощью кюветы, в которой находился слой грунта, присыпанный слоем мелкозернистого песка. Движение модели породной частицы (круглого металлического диска с шипом на нижней поверхности) осуществлялось под воздействием модели рабочего сектора породоразрушающего инструмента. Параметры движения определялись по следу, который оставлял шип з поверхностном слое мелкозернистого песка. За единичный опыт принимался отрезок пути частицы в пределах 1/8 возможного радиального перемещения частицы, обеспечивающий определение средней скорости движения частицы с точностью 10-15% при коэффициенте вариации до 30% и получении надежности результатов опытов 0,85 и выше.

Эксперимент показал, что по достижении определенной (критической) частота вращения движение частицы по направлению к центру забоя становится невозможным, и модель частицы выбрасывается за внешний радиус наклонного сектора. С уменьшением радиуса, с которого начинается движение частицы, величина критической частоты вращения увеличивается. Выявлена удовлетворительная сходимость

модели частицы в условиях стенда.

Определение значения параметра логарифмической спирали, при котором время перемещения частицы от периферии к центру забоя имеет минимальную величину, было выполнено аналитическим способом. В результате получена зависимость

где ф- угол поворота, рад.; И - наружный радиус инструмента; Й! - внутренний радиус инструмента (радиус шламоприемного канала); р - параметр спирали, определяющий положение спирали относительно главных координатных осей (точка отсчета); г - текущий радиус.

расчетных и экспериментальных характеристик процесса перемещения

(4)

а)

vr

пер

IV,

N

ф

ш= const

м

2.00

1.80

1.00

1.40

1.20

Эк __ 1.00 0.80

F, 0.60

г отн 0.40

^ОТИ 0.20

0

б)

\ 1,ЯВ 0.009 0.01 0.0075 ОЛИ

п

У

,гп я.о а,го я,п ?.гп з.О

0.013 0.015 0.017 0.019 а

0.0125 0.015 0.0175 0.02 Г, м

Рис.3. Расчетная схема и графическая интерпретация результатов а) Схема сил и ускорений действующих на частицу; б) характер влияния формы кромки на общее время перемещения частицы; 1 - спираль Архимеда. 2 - прямая линия, 3 - логарифмическая спираль.

гл

I

Анализируя зависимость (2), можно сделать вывод о том, что с увеличением диаметра инструмента при равном сечении шламоприемного канала спиральная кромка должна быть более пологой.

Разработка и испытания бурового комплекса. На основании результатов аналитических и экспериментальных исследований сформулированы требования к конструкции комплекса механизмов и инструмента для бурения с пневмотранспортом керношламового материала на поверхность потоком ГЖС, а также для реализации вспомогательных способов бурения.

Для реализации этих требований разработан комплекс, включающий буровую установку с зращателем подвижного типа, компрессор, технологический блок с устройством для улавливания пробы из потока очистного агента. В качестве базовой выбрана буровая установка УР5-2А-2 с вращателем от установки УРБ-4Т с увеличенным проходным сечением шпинделя. Вращатель оснащен специальными сальником и эле-затором для работы с двойными бурильными трубами. На платформе установки размещен вспомогательный компрессор и система приготовления и подачи з скзажину ПКС. Система состоит лз резерзуара с раствором ПАВ или зодой, пеногенератора зихревого типа и распределителя потоков.

На технологическом блоке установлена емкость с зодой. откидной циклон с поддоном и набор технологического инструмента. 3 комплект бурового снаряда вошли: двойные бурильные трубы ТБДЛ-75, коронки КГ-34(93)МС, пневмоударники 0-105(125,160). шарошечные долота диаметром 130-190мм, стандартные колонковые наборы диаметром 76 и 93мм. Помимо стандартного инструмента в состав установки зключены специально разработанные инструменты для реализации базового способа бурения: съемные расширители ГКР-112(152,190) и шне-■хсзый снаряд 5И180/230М. соответствующие переходники для работы стандартным инструментом с двойными бурильными трубами.

3 целях проверки аналитических зависимостей и зыявления основных характеристик реального бурового процесса был осуществлен" дзухфакторкый плакируемый эксперимент, который выявил злияние осевой нагрузки, частоты вращения и типа очистного агента на эффективность функционирования бурового комплекса (зыход зыбуренной породы) . Статистическая обработка производилась с использованием методов регрессионного анализа. 3 качестве стенда использовалась базовая буровая установка с комплектом навесного оборудования для

бурения с внутренней циркуляцией. Определение выхода выбуриваемой породы производилось методом замера объема вытесненной жидкости, который обеспечивал точность измерений 15-20%:

Y112 = 0. 533+0. 049Х!-0. 083Хг-0. 017XjX2; (5)

Yj5g = 0. 65+0. 017XJ-0. 184Х2; (6)

У190 = 0.558+0.033Xj-0.233X2+0.75XjХ2. (7)

Результатами планируемого эксперимента определен характер и диапазон влияния различных технологических факторов на эффективность бурового процесса:

- увеличение частоты вращения (Ха) в диапазоне от 60 до 120 об/мин.позитивно влияет на эффективность бурового процесса;

- осевую нагрузку (Х2) необходимо ограничивать в зависимости от диаметра бурения значениями от 2,5 до 10 кН.

Экспериментальные исследования показали, что'зависимость (1) адекватно описывает процесс бурения в рыхлых пластичных породах. Экспериментально подтверждены вызоды аналитических исследований о влиянии осевой нагрузки и типа очистного агента на процесс бурения.

Для проверки эффективности работы оборудования были проведены испытания комплекса в производственных условиях. Установлено, что конструкция установки позволяет применять широкую гамму способов бурения: вращательный твердосплавный с пнемотранспортом и прямой продувкой; колонковый твердосплавный и алмазный с обратной промывкой эрлифтом; ударно-вращательный с прямой и обратной продувкой; ударно-забивной с пневмопробойником; вращательный с прямой продувкой и обратной промывкой эрлифтом шарошечными долотами. Это обстоятельство обусловило высокую степень универсальности комплекса. Переход от одного способа к другому осуществляется очень быстро за счет применения двойной бурильной колонны, набора переходников и переключения распределителя потоков. Время перехода на другой способ составило Ю-15 мин.'

Испытания разработанного комплекса технических средств показали следующее:

1. Степень перекрытия забоя корпусом инструмента является одним из важнейших факторов, обеспечивающих эффективность функционирования инструмента при бурении с внутренней циркуляции. При проектировании ПРИ следует стремиться к полному перекрытию забоя корпусом инструмента. Для снижения крутящего момента целесообразно на

боковой поверхности инструмента размещать спиральные наклонные полки, действие которых предотвращает выдавливание породы в зат-рубное пространство, а также снижает вероятность прихвата инструмента в скважине.

2. Инструмент для бурения с внутренней циркуляцией целесообразно выполнять со сменной периферийной частью, износ которой протекает значительно интенсивней.

3. Профили загребающих кромок, выполненные в соответствии с ранее полученными зависимостями, позволяют осуществлять эффективную очистку забоя.

4. Применение шнекового снаряда позволяет при меньших величинах загрузочных характеристик бурового оборудования достичь больших скоростей бурения и высокого качества очистки забоя скважины.

5. Применение раствора ПАВ в качестве жидкой фазы ГЖС позволяет в значительной степени стабилизировать процесс бурения, повысить скорость бурения и снизить затраты мощности.

6. Испытания доказали работоспособность примененных и разработанных пневмоударных снарядов. Однако для их более эффективного применения необходимы бурильные трубы со щламоотводящим каналом большего сечения.

Обобщение полученных результатов позволило в конечном счете обосновать основные параметры универсального бурового комплекса и определить области его эффективного применения.

Опытно-производственные испытания универсального бурового комплекса. На основании результатов проведенных исследований в 1990 году были разработаны предложения к проекту технического задания на установку для добычи вод УДВ-30, изготовлен макетный образец. Испытания макетного образца проводились на территории АО "Машиностроительный завод им. В.В.Воровского" при бурении экспериментальной скважины в пойме р. Исети.

Для сравнительного анализа параллельно в сопоставимых условиях осуществлялось бурение традиционным шнековым способом. Результаты экспериментального бурения представлены в таблице-1.- Анализ результатов показывает, что при использовании обратной промывки эрлифтом механическая скорость бурения возросла в среднем в 3,4 раза, в то время как крутящий момент снизился в 2-2,5 раза. При проведении откачки жидкости при помощи эрлифта использование разработанной оснастки позволяет увеличить производительность откачки

Таблица 1

Результаты сопоставительного бурения

Показатели бурения

Интер- Поо- Время Ско- Давле- Расход Крут. Усилие

вал, м ходка бурения рость ние воздуха момент подачи

'бурения воздуха КН

от ДО м мин м/мин МПа м3/мин Нк

1. Бурение шнеками

0 / 4, 0 20 0,20 _ 1050 а

л 8 4, 0 И 0,46- - - 1200 а

8 12 2, 0 а 0,50' - - 1400 О

12 15 3, С 13 0,24 - - 1600 8

15 20 5, 0 29 0. 18 - - 2000 12

2. Бурение с обратной промызкой

0 1 4, 0" 4.0 1,00 2,6 5,0 600 а

А 8 4, 0 5.6 0,72 3, 0 2,0 600 А

8 12 4', 0 5. 6 0,72 3,5 2,5 700 10

12 "16 4, 0 9.3 0,43 3,5 2,3 800 10

16 20 4, 0 10. 0 0,40 3,6 2,5 800 12

* Бурение с пневмотранспортом

почти в 2 раза. Применение пневмоударников позволило пройти скважину в весьма крепких породах, где серийно выпускаемая установка шнекового бурения УДВ-25 принципиально не могла быть использована.

На Среднем Урале в Нейво-Рудянской геолого-поисковой партии Среднеуральской ГРЭ и Уральской гидрогеологической экспедиции были проведены испытания с целью определения характеристик разработанного комплекса при бурении гидрогеологических и геологоразведочных скважин на россыпях. В ходе испытаний пробурено свыше 2500м скважин глубиной до 100м, диаметром 93-230мм.

Установлено, что средняя механическая скорость вращательного бурения с пневмотранспортом составляет при бурении геологоразве-• дочных скважин диаметром 190мм составила 15-20 м/час, при бурении гидрогеологических скважин - 40-50 м/час. Общая производительность составила соответственно 35-50 ы/ст.смену и 120-150 м/ст.смену. В ходе испытаний было отобрано более 300 шламовых проб для определения представительности и качества опробования. Результаты изучения отобранных проб показали удовлетворительную сходимость с результатами опробования контрольных скважин, пробуренных традиционными способами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дане новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с повышением производительности и универсальности буровой техники за счет создания универсального комплекса технических средств для бурения неглубоких разведочных скважин.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана функциональная структура и органоструктура универсального бурового комплекса для бурения неглубоких разведочных скважин, установлено рациональное сочетание способов бурения для реализации в рамках этого комплекса.

2. Заполнена оценка Функциональной значимости отдельных элементов комплекса и установлена его внутренняя иерархия..

3. Разработана математическая модель процесса очистки забоя от продуктов разрушения буримых пород, на основании которой выполнена оценка влияния на эффективность бурового процесса конструктивных параметров ПРИ, Ф.М.С. буримых пород, величин параметров режима бурения, типа очистного агента.

4. Результаты аналитических и экспериментальных исследований позволили определить основные требования к параметрам бурового комплекса з целом и конструкции породоразрушающего инструмента.

5. Разработан комплекс технических средств для оснащения буровых установок типа УР5-2А-2, позволяющий в 1.5-1.8 раза повысить производительность бурения, расширить их технологические возможности и область применения.

6. Разработаны методические рекомендации по внедрению и использованию универсального комплекса, предназначенного для оснащения серийных установок.

7. Разработаны предложения к техническому заданию на конструирование новой буровой установки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гюрожский К.П., Эпштейн Б.Е. О снижении энергоемкости процесса бурения геологоразведочных скважин // Ускорение социально-экономического развития Урала: Тез. докл. Зсесоюз. науч. -практ. конф. - Свердловск. 1989. Т. 2. С. 142

2. Эпштейн В.Е.. Порожский К.П. К вопросу о системном подходе к проектированию буровых комплексов// Совершенствование техники и технологии геологоразведочных работ: Межзуз. науч. темат. сб.-Вып.15.- Свердловск: СГИ, 1990,- С. 40-48.

3. Эпштейн Б. Е., Ожиганов А. Л. К вопросу о рациональной геометрии породоразрушающего инструмента с обратной продузкой к промывкой // Научк.-техн.. конф. СГИ: Тез. докл. - Свердловск, 1990. С. 31.

4. Эпштейн В.Е. Роль и место забойного инструмента в системе бурового комплекса с обратной или внутренней циркуляцией очистного агента // Х1У Областная научк. -техн. конф. молодых специалистов: Тез. докл. - Сзердловск, 1990. С. 16.

5. Эпштейн В. Е., Ляпцев С. А. К вопросу о рациональной геометрии рабочих сектороз коронок для бурения с обратной промывкой// Техника к технология бурения на твердые полезные ископаемые: Мек-вуз. науч. темат. сб. - Вып. 14. - Свердловск: СГИ, 1991.- С. 33-38.

6. Бажутин А. Н., Порожский К. П., Эпштейн В.Е. Бурение неглубоких скважин с применением сжатого воздуха // Инф. листок СПНТИ N 180-91. - Сзердловск, 1991.

7. Бажутин А. Н., Порожский К. П., Эпштейн В.Е. Описание конструкции комплекса технологического оборудования для бурения неглубоких скважин с использованием сжатого воздуха. - Свердловск: СТП ВНТГО, 1991. - 60 с.

8. Эпштейн В.Е. Эффективность породоразрушающего инструмента при бурении с внутренней циркуляцией очистного агента // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Межвуз. науч. темат. сб. - Вып. 15. - Екатеринбург: УГИ, 1992,- С. 51-55

9. А.N.Bazhutin, К. P. Porozhskiy, V.E.Epstein. Compressed Air Shallow Wells Drilling //Jornal of Changchun university of Earth sciences.- Changchun. Changchun university of Earth sciences, 1993. - C. 144-145

10. A.c. 1528893 СССР, МКИ Е 21 В 21/00. Буровой снаряд / К. П. Порожский, А.Н.Бажутин, В.Е.Зпштейн (СССР). Опубл. 15.12.89 Еюл. Мб

11. A.C. 1596064 СССР, МКИ Е 21 В 21/00. 25/00. Устройство для бурения с обратной промывкой / К.П.Порожский, А.Н.Бажутин. В.Е.Зпштейн (СССР). Опубл. 30.09.90, Бюл. N36

12. А. с. 1834352 СССР. МКИ Е 21 В 25/00. Устройство для отбора пробы с забоя / К.П.Порожский. А.Д.Табарин. В.Е.Зпштейн (СССР). Зарегистр. 13.10.92.