автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка бурового инструмента со встроенной системой контроля его пространственного положения при проведении скважин малого диаметра

' МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ! ' ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОЧЕРКАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПАВЛОВА АЛЛА АНАТОЛЬЕВНА

УДК 622.23.05.001.5

РАЗРАБОТКА БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА СО ВСТРОЕННОЙ СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА

05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск, 1997

Работа выполнена в Новочеркасском государственном техническом университете (НГТУ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ВОДЯНИК г.м. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

ЛЕНЧЕНКО В.В. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

СЫСОЕВ Н.И.

кандидат технических наук, доцент АЛИФЕРОВ А.П.

» I

Ведущее предприятие - Южно - Российское отделение Академии горных наук Российской Федерации (ЮРО АГН РФ)

Защита диссертации состоится 3 июля 1997 г.. в 13 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 063.30.02 при Новочеркасском государственном техническом университете по адресу: 346400, г. Но- . вочеркасск, Ростовской обл., ГСП-1, ул. Просвещения, 132 (гл. корпус, • к. 107)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

В.С. БАРАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из направлений в развитии горнодобывающей промышленности является создание автоматизированных средств добычи угля без постоянного присутствия людей в очистном забое.

Основными технологиями безлюдной выемки угля являются бу-рошнековая и скрепероструговая. Для этих технологий требуется бурение большого объема пространственно - ориентированных скважин длиной до 150 м. Сдерживающим фактором применения является отклонение технологических скважин от заданного направления в силу разнообразных, определяющихся конкретными геолого - техническими условиями, причин.

Требования по направленности предъявляются также к скважинам для дегазации и увлажнения пластов и шахтной доразведки угольных месторождений. Произвольное искривление приводит к невыполнению отдельными скважинами своего технологического назначения, в результате чего возникает необходимость их перебуривания, что увеличивает сроки и стоимость работ.

Опыт бурения скважин, основным требованием к которым является удержание их в плоскости пласта, показывает, что в среднем на одну рабочую скважину длиной 110 м в боковых породах теряется в общей сложности семь скважин.

Поэтому в процессе бурения скважин большое внимание должно уделяться определению пространственного положения их трасс и, в первую очередь, при совмещении процесса бурения с процессом контроля и автоматического управления.

Этим объясняется актуальность проблемы создания рабочего инструмента со встроенной системой контроля его пространственного положения.

Имеется значительное количество работ, посвященных созданшо средств направленного бурения и измерительных систем для определения положения оси буровой скважины в пространстве, в т.ч. и работ по созданию систем контроля положения бурового инструмента в процессе бурения. Но, в основном, предлагаемые системы получения информации о положении оси скважины в пространстве в процессе бурения рекомендуются к применению при бурении скважин большого диаметра как в угольной, так и в нефтяной и газовой промышленности. Рабочий же инструмент буровых станков для бурения скважин малого диаметра до 120 мм, работающих на угольных шахтах, не оснащен системами контроля и информации о его пространственном положении.

Соответствие диссертации плану работ НГТУ. Диссертация подготовлена по результатам работ, полученных при выполнении госбюджетных тем: 16 " Разработать научные основы создания ресурсосберегающих технологий безлюдной выемки пологих пластов угля некондиционной мощности ", № ГР 01890076071 ; 29.91 " Теоретические исследования и практические решения некоторых задач проблемы создания ресурсосберегающих технологий безлюдной выемки весьма тонких и некондиционной мощности пологих пластов угля ", № ГР 01910044039; 25.94 " Разработать научные основы эффективных методов и средств доразвсдки и отработки весьма тонких пологих антрацитовых пластов при комплексном воздействии на угольный массив с целью снижения его прочности".

Цель работы. Разработка бурового инструмента со встроенной системой контроля его пространственного положения при бурении скважин малого диаметра для решения задачи совмещения процесса бурения с процессом контроля трассы скважины при выемке угля и шахтной дораз-ведке угольных пластов.

Основная идея работы. Совместить технологические процессы бурения скважины, систематического контроля отклонения скважины от заданной траектории, коррекции направления при минимальных затратах времени на вспомогательные операции (разборка и сборка бурового става при замене буровых коронок, при проведении инклиномет-рических измерений и т.д.).

Методы исследования. При разработке методики определения координат точек оси буровой скважины были использованы математическое описание вращения с применением матриц преобразования; математический метод решения трансцендентных уравнений, приводящихся к алгебраическим: метод аппроксимации действительной оси буровой скважины между точками измерений, заключающийся в представлении криволинейной оси конечным числом линейных отрезков, точность которого в большинстве случаев удовлетворяет практическим требованиям. Встроенная в буровой инструмент система контроля его пространственного положения разрабатывалась на основе косвенных методов измерений. Исследования датчиков измерительной системы производились на экспериментальном стенде при помощи стандартных электрических измерительных приборов, обладающих достаточной точностью. Обработка результатов экспериментальных исследований производилась при помощи методов математической статистики. При разработке математической модели системы "податчик станка - специальный буровой инструмент - забой скважины" использован метод описания объектов уравнениями Лагранжа 2 рода.

Автором защищаются следующие положения.

1. Новый технологический процесс бурения внутришахтных скважин малого диаметра (до 100 мм), отличающийся от известных тем, что:

- бурение производится сразу собранным до начала процесса бурения буровым ставом па всю длину буровой скважины;

- положение буровых штанг относительно друг друга и относительно шпинделя бурового станка строго фиксировано;

- режущий инструмент оснащен пластинами из композитного материала (твердые сплавы с наполнением техническими алмазами), стойкость которых достаточна для бурения скважин на всю длину в мягких и средней крепости породах;

- режущий инструмент соединяется с буровым ставом через устройство для принудительного отклонения скважины в заданном направлении при переходе на ударно - поворотное бурение;

- определение пространственного положения головной части бурового става производится практически без остановки процесса бурения путем кратковременного (до одной минуты) прекращения подачи и снижения частоты вращения до двух оборотов в минуту;

- измерительная система контроля положения трассы скважины, состоящая из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах (эффект Холла) и гравитационного датчика положения, встроена в головной участок бурового става, выполненного из немагнитного материала;

- водоподающий канал неразборного бурового става используется для размещения электрической линии связи для подвода питания и снятия информации с датчиков;

- определение пространственного положения трассы скважины производится через каждые 10 м подвигания забоя скважины и информация о величине и направлении отклонения скважины от заданной траектории выдается оператору управляющим компьютером.

2. Метод и устройство специального бурового инструмента (отклонителя) для принудительного исправления трассы скважины, отличающихся от известных тем, что:

- отклонитель перемещается вместе с режущим инструментом и может быть использован на любой длине скважины и в любом направлении от оси скважины;

- отклонитель до определенного усилия подачи, устанавливаемого оператором путем предварительного поджатия пружины, является просто частью бурового става;

- использование отклонителя по назначению осуществляется переходом на ударно - поворотное бурение при повышенном давлении в гидросистеме податчика; величина отклонения режущего инструмента за

один удар регулируется настройкой дросселя и величиной подачи рабочей жидкости в гидросистему податчика;

- поворот бурового става при ударном разрушении забоя осуществляется на 180° через каждые 10 -15°; число ударов при одном и том же угловом положении инструмента увеличивается от 1 до 5 по мере приближения к результирующему вектору отклонения скважины.

3. Математическая модель процесса ударно - поворотного бурения при принудительном изменении трассы скважины, программное обеспечение и результаты машинного и физического эксперимента.

4. Методика определения координат точек оси буровой скважины, структурная схема и аппаратная реализация системы контроля пространственного положения бурового инструмента при бурении пространственно - ориентированных внутришахтных скважин малого диаметра, отличающиеся тем, что:

- положение трассы скважины относительно системы координат, связанной с буровым станком, однозначно определяется по данным измерительной системы, состоящей из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах (эффект Холла) и одного гравитационного датчика положения вместо двух в сочетании с тремя неподвижно закрепленными в корпусе измерительного модуля гальваномагнитными датчиками при определенном положении вектора гравитационной силы относительно системы координат, связанной с преобразователем магнитного поля;

- алгоритм обработки данных разработанной измерительной системы позволяет непрерывно воспроизводить на мониторе управляющего компьютера конфигурацию скважины и заданную траекторию, а так же вести журнал направленного бурения скважины.

Достоверность результатов достигается корректным математическим моделированием сложных динамических процессов с учетом распределенных параметров бурового става, проведением машинных и физических экспериментов на реальных образцах специального бурового инструмента, использованием экспериментальных данных кафедры ГМиО НГТУ по стойкости режущего инструмента с композитными твердосплавными пластинами, экспериментальной проверкой лабораторного образца системы контроля положения оси буровой скважины, реальной стыковкой управляющего компьютера с системой контроля. Абсолютная погрешность измерения углов, характеризующих пространственное положение оси буровой скважины, не превышает ±5°. Несовпадение конца траектории скважины, воспроизведенной по экспериментальным данным, с началом идеальной скважины при длине скважины 314,16 м составило по оси ОХ' - 2,04 м или 0,65 % от длины скважины, по оси ОУ' - 3,95 м или 1,26 % от длины скважины. Такие результаты вполне приемлемы для

практических целей.

Научная новизна.

Научная новизна состоит:

- в установлении закономерностей поведения собранного на всю длину бурового става в статике и динамике при вращательном и ударно -поворотном бурении и при различной его длине в скважипе. Поведение ненагруженной части бурового става схоже с поведением канатов подъемных машин на уклонах. Усилие изгиба с радиусом кривизны более 15 м очень мало и не оказывает заметного влияния на силы трения. Передача усилия подачи при потере устойчивости буровым ставом в скважине осуществляется благодаря опорам става о стенки скважины. Опорные усилия составляют 0,5 - 0,7% от усилия подачи. Длина стоячих волн при вращении нагруженной части става составляет 3 - 5 м и более.

- в установлении закономерностей поведения в статике и динамике специального бурового инструмента (отклонителя) при ударном разрушении забоя скважины в процессе гашения кинетической энергии бурового става и нарастания давления в гидросистеме податчика.

- в доказательстве возможности применения измерительных систем, состоящих из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах (эффект Холла) и одного гравитационного датчика положения, для однозначного определения координат точек оси буровой скважины в системе координат, связанной с буровым станком, при определенном положении корпуса системы, а именно, когда угол его поворота относительно лилии действия силы гравитации равен нулю.

Практическая ценность работы заключается в разработке математической модели "податчик станка - специальный буровой инструмент -забой скважины", инженерной методики определения координат точек оси буровой скважины по данным встроенной в буровой инструмент измерительной системы при совмещении процесса контроля положения бурового инструмента в пространстве с процессом бурения скважин малого диаметра. а также предложении программного обеспечения для определения координат трассы скважины и технологического процесса бурения длинных скважин по заданной траектории.

Реализаиия результатов работы. Разработанные в диссертации положения использованы проблемной лабораторией для выполнения госбюджетных тем 16 ,29.91 и 25.94.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях в НГТУ (1989 - 1997 гг.) и заседаниях президиума но выполнению госбюджетных тем 16 ,29.91, 25.94.

Публикации. Результаты работы отражены в 4 научных работах.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 164 страницах, состоит из введения, четырех глав с рисунками и таблицами и заключения. содержит список литературы из 119 наименований и приложения на 7 v страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ к диссертационной работе обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и основная идея работы, приведены методы исследования, изложены основные положения, представляемые автором на защиту, определены научная новизна и практическая ценность работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приводится обзор состояния вопроса.

Буровые работы находят все более широкое применение в горнодобывающей промышленности, в т.ч. и при добыче каменного угля. Необходимость бурения скважин для дегазации и увлажнения пластов, технологических скважин при выемке угля с использованием скреперо - струговой и бурошнековой технологий, а также шпуров при буровзрывном способе разработки горных пород позволяет предполагать всевозрастающее применение специальных буровых станков для направленного бурения пространственно - ориентированных скважин и самоходных бурильных установок.

За последние годы наметилась ярко выраженная тенденция всестороннего развития средств автоматизации процесса бурения шпуров и направленных скважин. Организация работ по направленному бурению предусматривает последовательность обязательных этапов, создающих систему оперативного управления процессом бурения, обязательным из которых является контроль пространственного положения оси буровой скважины.

Наряду с традиционными способами, основанными на проведении инклинометрических измерений в уже пробуренной скважине, делаются попытки совместить процесс бурения с процессом контроля положения бурового инструмента в пространстве. Для этих целей предлагаются новые устройства и новые способы определения необходимых параметров.

В настоящее время предложено оснастить низ бурильной колонны системами контроля положения трассы скважины в процессе вращения колонны при бурении разведочных и промысловых скважин большого диаметра на нефть и газ. Для контроля положения бурового инструмента в автоматизированных буровых установках, предназначенных для направленного бурения по гипсометрии пласта в угольных шахтах, используют-

ся датчики уголь-порода. Такие установки применяются для бурения скважин большого, не менее 350 мм, диаметра. Буровые же станки для бурения технологических пространственно-ориентированных скважин малого диаметра, работающие на угольных шахтах, не оснащены системами контроля положения бурового инструмента.

В связи с этим в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработан буровой инструмент для буровых станков, предназначенных для бурения пространственно - ориентированных скважин, и технологический процесс бурения длинных скважин малого диаметра.

2. Разработана и исследована математическая модель системы "податчик станка - специальный буровой инструмент - забой скважины" при искривлении трассы скважины пульсирующей подачей.

3. Разработана встроенная в головную штангу бурового става измерительная система для проведения контроля положения трассы буровой скважины в процессе бурения.

4. Создана инженерная методика определения координат точек оси буровой скважины относительно глобальной неподвижной системы координат по данным разработанной системы контроля.

5. Создан экспериментальный стенд для исследования системы контроля.

6. Исследована на экспериментальном стенде система контроля положения бурового инструмента в пространстве.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке бурового инструмента со встроенной системой контроля положения оси скважины относительно заданной системы координат, исключая разработку режущего инструмента.

Необходимость наращивания бурового става в процессе бурения пространственно - ориентированных скважин малого диаметра буровыми станками БСК-2М-100У существенно усложняет решение проблемы совмещения процесса бурения с контролем пространственного положения оси буровой скважины и оснащения бурового инструмента встроенной измерительной системой. Это связано с тем, что в данном случае остро стоит вопрос о канале связи, по которому происходит передача информации между системой контроля и вычислительным устройством. Было принято решение проводить бурение сразу собранным на необходимую длину буровым ставом, состоящим из модернизированных буровых штанг, соединенных безлюфтовым соединением, обеспечивающим строго фиксированную ориентацию штанг друг относительно друга. Бурение таким буровым ставом открывает возможность применения электрической линии связи между системой контроля и вычислительным устройством. В качестве информационного носителя принят кабель в водостойкой полихлорвини-

ловой изоляции, расположенный в канале для подвода промывочной жидкости.

При бурении пространственно - ориентированных скважин станком БСК-2М-100У став собирается на необходимую длину до начала процесса бурения и располагается вдоль штрека (см. рис. 1). Хвостовая часть става закрепляется на тележке для того, чтобы избежать возможного вращения става с повышенной амплитудой. Бурение скважин сразу собранным буровым ставом требует искривления става для обеспечения выхода инструмента на проектную трассу. Для скважин диаметром 70 мм минимально допустимый радиус искривления става составляет «24 м. Для ориентации положения става в момент забуривания в штреке устанавливается направляющее устройство в виде изогнутой трубы внутренним диаметром, соответствующим диаметру реальной скважины.

Режущий инструмент соединяется с буровым ставом через специальный буровой инструмент (отклонитель) (см. рис. 2), при помощи которого производится исправление оси буровой скважины вследствие отклонения последней от заданного направления или же проектное изменение ее оси при переходе на ударно - поворотное бурение при повышенном давлении в гидросистеме податчика бурового станка. Отклонитель перемещается вместе с режущим инструментом и может быть использован на любой длине скважины и в любом направлении от оси скважины. Корпус отклонителя состоит из двух соединенных друг с другом резьбовым соединением частей: передней 1 длиной 135 мм и задней 5 длиной 137 мм. В корпусе расположен конус 1 с надетой на него рабочей пружиной 4, имеющей коэффициент жесткости Спр - 300000 Н/м. Конус отклонителя конструктивно связан с исполнительным элементом 3, опорная поверхность которого имеет размеры 10 х 16 мм. Конус соединен с передней частью корпуса шлицевым соединением (длина шлица 42 мм). Он обладает способностью получать перемещение при увеличенной подаче бурового станка.

В нерабочем состоянии отклонителя пружина 4 сжата между опорными поверхностями передней и задней частей корпуса на величину 0,026 м (максимальное сжатие пружины составляет 0,04 м). При увеличенной осевой подаче происходит сжатие пружины отклонителя упором 6, конус отклонителя получает определенное перемещение и выдавливает исполнительный элемент отклонителя. Исполнительный элемент опирается на стенку скважины, что ведет к нарушению равновесия системы, которое может быть восстановлено путем смещения оси отклонителя (скважины) в сторону, противоположную движению исполнительног о элемента отклонителя за счет возникновения сил реакции буримых пород.

Величина отклонения оси скважины за один удар регулируется на-

стройкой дросселя и величиной подачи рабочей жидкости в гидросистему • податчика. поворот бурового става при ударном разрушении забоя осуществляется на 180° через каждые 10 - 15°; число ударов при одном и том же угловом положении инструмента увеличивается от 1 до 5 по мере приближения к результирующему вектору отклонения скважины.

Для определения положения исполнительного механизма отклони-теля в скважине относительно линии действия силы гравитационного поля Земли отклонитель снабжен гравитационным датчиком угла поворота, представляющим собой расположенные по длине окружности желоба, внутри которого расположен магнитный шарик, 64 магнитоуправляемые микросхемы КР1116КП4.

Для исследования динамики системы "податчик станка - специальный буровой инструмент - забой скважины" была разработана математическая модель с использованием описания объектов при помощи уравнения Лагранжа 2 рода.

В соответствии с этим уравнением кинетическая Т и потенциальная Пэнергии системы определятся следующими выражениями:

2 2 2 2 дг 2

V V GT li V-

где Шщп, тш тт mi - массы шпинделя, режущего инструмента, хвостовой тележки, элемента бурового става соответственно; ve<(BvI0vm,v/- скорости шпинделя, режущего инструмента, хвостовой тележки, элемента бурового става соответственно; /„ - приведенный момент инерции насосного агрегата; а>н - угловая скорость ротора насоса;

п = с (g^-^A.)2 | с {^nSnum'Q7luj)2 {

z п ^ г 1Ш71 ^

2

" 10 -Q,A N. л 2 Av 2

2

Дх ,2 "...

I

где Сгп - гидравлическая жесткость поршневой полости; - расход рабочей жидкости в поршневую полость через золотники; х„ - перемещение поршня податчика; 8„ - площадь поршня; Сгшт - гидравлическая жесткость

подштоковой полости; Бпшт - площадь штока; 0.пит - расход рабочей жидкости из подштоковой полости; Сгк - жесткость гидросистемы насоса; <рн -угол поворота ротора насоса; до - рабочий объем насоса; ()т - расход рабочей жидкости через гидрораспределитель из насосной линии; С, - упругость элемента бурового става на сжатие и растяжение; Лх-, - деформация элемента бурового става; С„р - коэффициент жесткости пружины откло-нителя; Ахпр - деформация пружины отклонителя; Супи Суп2, - жесткость упоров в корпусе инструмента; Ахуп1) Лхуп2 - деформация упоров в корпусе инструмента; /»; - масса элемента бурового става; # - ускорение свободного падения; // - длина элемента бурового става; А- угол наклона скважины.

Диссипативные потери в нашем случае определяются объемными и механическими КПД насоса и податчика; усилием Г^ и моментом М^ холостого хода шпинделя и насоса; коэффициентом структурной перестройки стали; коэффициентом вязкого трения; углом трения на конусе отклонителя; хрупким разрушением породы при вдавливании режущего инструмента; к обобщенным силам относятся движущий момент насоса, трение става и сопротивление буримой горной породы вдавливанию применяемого режущего инструмента.

Были установлены закономерности поведения собранного на всю длину бурового става в статике и динамике при вращательном и ударно -поворотном бурении и при различной его длине в скважине, закономерности поведения в статике и динамике специального бурового инструмента (отклонителя) при ударном разрушении забоя скважины в процессе гашения кинетической энергии бурового става и нарастания давления в гидросистеме податчика (см. рис.3). Исследования показали, что отклонение трассы скважины в породах с коэффициентом крепости по шкале проф. Протодьяконова/= 5 возможно только при давлении настройки предохранительного клапана >3,5.

Для устранения искажающего действия ферромагнитного бурового , става и получения более объективной информации головной участок бурового става должен быть выполнен из немагнитного материала, выбор которого рассматривается в этой же главе.

В ходе выполнения работы была разработана измерительная система определения пространственного положения бурового инструмента, состоящая из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах для определении пространственной ориентации вектора напряженности геомагнитного поля и гравитационного датчика положения для определения положения бурового инструмента.

Были предложены различные конструкции гравитационных датчиков положения. Это ртутные электроконтактные датчики, принцип действия которых основан на замыкании контактов электропроводящей

жидкостью; гравитационные индукционные датчики, принцип действия которых заключается в изменении индуктивности катушки или пары катушек при наличии там шарика.

При разработке и изготовлении системы контроля в качестве окончательного варианта был встроен гравитационный датчик (см. рис. 4), представляющий собой вращающийся шарик и магнитоуправляемую микросхему КР1116КП4, обеспечивающий снятие показаний с измерительной системы при определенном положении ее корпуса, а именно, когда угол его поворота относительно линии действия силы тяжести равен нулю.

Лабораторный образец измерителя был изготовлен в НПП "Интор" на основании разработанного в НГТУ технического задания. Измеритель магнитного поля, функциональная схема которого изображена на рис. 5, предназначен для измерения составляющих напряженности геомагнитного поля по трем координатам, преобразования напряжений, соответствующих напряженностям по координатам, в частоту и передачу выходного сигнала к вычислительному устройству.

Измеритель напряженности является одноканальным. Он содержит три чувствительных элемента, в качестве которых использованы гальваномагнитные датчики Холла ПХИ-314, расположенные на гранях кубика, выполненного из немагнитного алюминия. Расположение датчиков в корпусе измерительной системы показано на рис. 4. Для снятия сигналов с измерительной системы и передачи их вычислительному устройству служит стандартная плата ЬС - 154, в состав которой входит 32-х канальный коммутируемый АЦП.

Предложенная схема малогабаритна. Это позволило поместить разработанную систему в корпус диаметром 22 мм и длиной 260 мм. Такие размеры корпуса позволяют встроить ее в головной участок бурового става. Установка системы контроля в головной участок бурового става изображена на рис. 6.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматривается методика определения положения бурового инструмента в процессе бурения скважины по данным встроенной в него измерительной системы.

Схема к расчету координат точек оси буровой скважины изображена на рис. 7.

В соответствии с предлагаемой методикой вводится три прямоугольные декартовы системы координат: ОХ'У^' - неподвижная глобальная система, связанная с буровым станком; ОХтУтгт - система, связанная с вектором напряженности геомагнитного поля таким образом, что координата вектора Т но оси Zг равна нулю; ОХЮ - подвижная система, связанная с преобразователем магнитного поля.

При разработке методики определения координат точек оси буровой скважины было использовано математическое описание вращения с использованием матриц преобразования.

Определив угол ат для совмещения неподвижной системы с системой , связанной с вектором напряженности магнитного поля Земли, приняв во внимание расположение вектора напряженности в пространстве, можно найти направляющие косинусы вектора напряженности в системе OXTYTZT, причем cosazT = 0.

Оси прямоугольной декартовой системы, связанной с вектором напряженности геомагнитного поля, можно повернуть так, чтобы они были направленными вдоль соответствующих осей подвижной системы, связанной с преобразователем магнитного поля, в любой точке скважины. Эго комбинированное преобразование включает в себя следующую последовательность поворотов: вокруг оси ZT на угол <р; вокруг оси X¡ на угол ф, вокруг оси Y¡ на угол в.

Перемножив матрицы вращения вокруг трех различных координатных осей и приняв во внимание, что угол в = 0, получаем следующую систему трансцендентных уравнений:

cosaxr = cosax¡ coscp- cosaY¡ sin(pcos<f> + +cosaz¡ sin (p sin ф; - cosayT = cosax¡ sing) + cosaY¡ cos(pcos<¡)--cosaz¡ eos (p sin ф; cosazr = cosa¥¡ sin(¡) + cosa7 cos<¡>.

где cosaxT; cosa/; cosa/; cosax,; cosaY¡; cosaz¡ - направляющие косинусы вектора напряженности геомагнитного поля в системах OXTYTZT и OXiYjZ, соответственно.

Эта система имеет единственное решение в случае определения угла ф на интервале ]-я/2-ат; л/2-ат[.

Зная углы <рп ф, можно определить координаты любой точки скважины в системе, связанной с вектором напряженности геомагнитного поля, точность определения которых зависит от способа аппроксимации действительной оси между точками измерений. Выражения для определения координат в неподвижной глобальной системе получаются, если использовать матрицу вращения, т.е.

(Xt';Y,' ;Z,')= R (ОХ т ;- а т )(х,т ; Y,т ; Z ,т ).

Для проверки возможности применения описанного алгоритма расчета координат точек оси буровой скважипы была математически смоделирована пространственно - искривленная скважина, представляющая собой окружность радиусом 50 м, лежащая в плоскости, расположенной иод углом 45° к горизонту. Для этой скважины определены координаты тридцати точек ее оси, а также направляющие косинусы вектора напряженности геомагнитного поля в прямоугольной декартовой системе координат, связанной с преобразователем магнитного поля измерительного модуля системы контроля, в каждой из этих тридцати точек. К данной скважине был применен разработанный алгоритм расчета координат по данным предлагаемой измерительной системы.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены экспериментальные исследования встроенной в буровой инструмент измерительной системы, целью которых являлось доказательство возможности использования явления возникновения э.д.с. в полупроводниковом слое в магнитном поле при пропускании через полупроводник тока (эффект Холла) для определения пространственной ориентации вектора напряженности геомагнитного поля; анализ полученных данных при помощи методов математической статистики; изображение функциональной зависимости и сглаживание данных; их использование для проведения расчета координат.

Исследование лабораторного образца измерительной системы проводились в лаборатории НПП "Интор". Корпус измерительной системы помещался в алюминиевую трубу, которая была закреплена на маркшейдерском столе. Вращение корпуса измерительной системы на угол 360° осуществлялось в плоскости, параллельной плоскости горизонта, вокруг вертикали с шагом угла поворота 20°. За начальное положение было принято такое положение корпуса системы контроля, при котором направление его оси совпадало с направлением магнитной стрелки. Питание датчиков осуществлялось напряжением 9В от блока питания БП-47, продолжительность следования импульсов была определена при помощи частотомера электронносчетного 43 - 54.

Т.к. распределение данных эксперимента было близко к нормальному (проверка нормальности распределения проводилась по показателям асимметрии и эксцесса и по критерию согласия Колмогорова - Смирнова), то наилучшей оценкой истинного значения показаний гальваномагпитных датчиков явилось среднее п = 20 измерений.

Аналитические выражения функциональной зависимости продолжительности следования импульсов от угла поворота измерительной системы будут иметь следующий вид:

для датчика № 1 преобразователя магнитного поля

Тг= 213,40205 + 59,331283бШУ+ 0,7553756)

для датчика № 2

Т? = 140. 62769 - 39.963610.16670688).

Графики зависимости показаний датчиков от угла поворота из-за систематических погрешностей измерителя сдвинуты и максимуму датчика № 1 не соответствует нулевое значение датчика № 2. Для определения погрешности измерения углов, характеризующих пространственное положение корпуса измерительной системы, что соответствует положению головного участка бурового става, при проведении испытаний, экспериментальные точки, соответствующие показаниям датчиков № 1 и № 2, необходимо сдвинуть навстречу друг другу на угол 71 = (0,7553756 + 0,16670688)/2 = 0,46104126рад = 26,4°.

Для оценки искажения траектории буровой скважины из-за погрешностей датчиков измерительной системы полагаем, что экспериментальные данные принадлежат точкам оси круговой скважины диаметром 100 м, лежащей в горизонтальной плоскости (см. рис. 8). Расстояние между замерами составляет 17,45 м. Ось скважины расположена относительно глобальной неподвижной системы координат таким образом, что центр скважина смещен относительно оси ОУ' на расстояние 8,725 м.

В результате было выявлено, что абсолютные погрешности измерения углов, характеризующих пространственное положение оси буровой скважины, не превышают ±5°. Несовпадение конца скважины с началом при длине скважины 314,159265 м составило по оси ОХ' - 2,04 м или 0,65 % от длины скважины, по оси ОУ' - 3,95 м или 1,26 % от длины скважины.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ к диссертации представлены программа расчета для математической модели "податчик станка - специальный буровой инструмент - забой скважины", принципиальная схема измерителя магнитного поля, программа считывания данных измерительной системы с АЦП стандартной платы ЬС - 154, программа и результаты расчета координат точек оси проектируемой круговой скважины, программа и результаты расчета направляющих косинусов по координатам заданной скважины, программа и результаты расчета координат точек оси буровой скважины по направляющим косинусам, частотные гистограммы, результаты расчета критерия согласия Колмогорова - Смирнова, акт испытаний лабораторного образца измерителя магнитного поля, акт внедрения результатов диссертационной работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработан новый технологический процесс бурения пространст-

венно - ориентированных скважин в условиях угольных шахт буровыми станками БСК-2М-100У, совместимый с процессом контроля положения трассы скважины, при котором бурение производится сразу собранным на необходимую длину до начала процесса бурения и расположенным вдоль штрека буровым ставом, состоящим из модернизированных буровых штанг, соединенных безлюфтовым соединением. Положение буровых штанг относительно друг друга и относительно шпинделя бурового станка строго фиксировано.

2. Разработан специальный буровой инструмент (отклонитель), соединенный с режущим инструментом, оснащенным пластинами из композитного материала (твердые сплавы с наполнением техническими алмазами), для исправления оси буровой скважины вследствие ее отклонения от заданной траектории или же проектного изменения трассы.

3. Отклонитель до определенного усилия подачи, устанавливаемого оператором путем предварительного поджатия пружины, является просто частью бурового става. Он перемещается вместе с режущим инструментом и может быть использован на любой длине скважины и в любом направлении от оси скважины.

4. Использование отклонителя по назначеншо осуществляется переходом на ударно - поворотное бурение при повышенном давлении в гидросистеме податчика. Величина отклонения режущего инструмента за один удар регулируется настройкой дросселя и величиной подачи рабочей жидкости в гидросистему податчика бурового станка.

5. Поворот бурового става при ударном разрушении забоя осуществляется на 180° через каждые 10 - 15°; число ударов при одном и том же угловом положении инструмента увеличивается от 1 до 5 по мере приближения к результирующему вектору отклонения скважины.

6. Решена задача передачи информации о положении бурового инструмента в пространстве по электрической линии связи, проложенной в канале для подвода промывочной жидкости. В качестве информационного носителя принят кабель в водостойкой полихлорвиниловой изоляции.

7. В головной участок бурового става, выполненного из немагнитного материала, встроена измерительная система контроля положения трассы скважины, состоящая из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах (эффект Холла) для определения пространственной ориентации вектора напряженности геомагнитного поля и гравитационного датчика для определения положения бурового инструмента относительно линии действия сил гравитации. Определение положения трассы скважины производится через каждые 10 м подвигания забоя скважины и информация о величине и направлении отклонения скважины от заданной траектории выдается оператору управляющим компьютером.

8. Определение пространственного положения бурового инструмента производится практически без остановки процесса бурения путем кратковременного (до одной минуты) прекращения подачи и снижения частоты вращения до двух оборотов в минуту.

9. Разработана и исследована математическая модель системы "податчик станка - специальный буровой инструмент - забой скважины".

10.Установлены закономерности поведения собранного на всю длину бурового става в статике и динамике при вращательном и ударно - поворотном бурении и при различной его длине в скважине. Поведение не-нагруженной части бурового става схоже с поведением канатов подъемных машин на уклонах. Усилие изгиба с радиусом кривизны более 15 м очень мало и не оказывает заметного влияния на силы трения. Передача усилия подачи при потере устойчивости буровым ставом в скважине осуществляется благодаря опорам става о стенки скважины. Опорные усилия составляют 0,5 - 0,7% от усилия подачи. Длина стоячих волн при вращении нагруженной части става составляет 3 - 5 м и более.

11. Установлены закономерности поведения в статике и динамике специального бурового инструмента (отклонителя) при ударном разрушении забоя скважины в процессе гашения кинетической энергии бурового става и нарастания давления в гидросистеме податчика. Исследования показали, что отклонение трассы скважины в породах с коэффициентом крепости по шкале проф. Протодьяконова /= 5 возможно только при давлении настройки предохранительного клапана Ртах >3,5.

12. Разработана инженерная методика определения координат точек оси буровой скважины относительно системы координат бурового станка по данным датчиков встроенной в рабочий инструмент измерительной системы. При расчете координат точек оси круговой буровой скважины радиусом 50 м, разделенной на 30 участков, по "идеальным" показаниям датчиков Холла с применением разработанной методики максимальная абсолютная погрешность при определении значений углов <рк ф, характеризующих пространственное положение оси буровой скважины, составила 0,0000075 рад или 0,000634°, при определении координаты X составила 0,0003889 м в 28-й точке, координаты К - 0,0003734 м в 23-й точке, координаты Ъ - 0,0000005 м в 21-й точке.

13.Экспериментальные исследования измерительной системы контроля доказали возможность применения системы данного типа для определения пространственного положения бурового инструмента в процессе бурения скважин малого диаметра.

14. Результаты исследования датчиков Холла при вращении корпуса измерительной системы в плоскости, параллельной плоскости горизонта, вокруг вертикали в каждой точке измерения подчинены нормальному за-

кону распределения, что подтверждается их проверкой по показателям асимметрии и эксцесса (показатели асимметрии и эксцесса не превышают более, чем в 3 раза свои среднеквадратические ошибки) и по критерию согласия Колмогорова - Смирнова (полученные значения критерия согласия Колмогорова - Смирнова не превышают его критическое значение Dt(2o,o,io) = 0,256).

15. Относительные погрешности измерений при сравнении показаний датчиков Холла и значений, полученных при расчете точек аналитических зависимостей, находятся, в основном, в пределах 0-3%. Абсолютные погрешности измерения углов, характеризующих пространственное положение оси буровой скважины, не превышают ±5°. Несовпадение конца траектории скважины, воспроизведенной по экспериментальным данным, с началом идеальной скважины при длине скважины 314,159265 м составило по оси ОХ' - 2,04 м или 0,65 % от длины скважины, по оси OY' - 3,95 м или 1,26 % от длины скважины. Такие результаты вполне приемлемы для практических целей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Водяник Г.М., Павлова A.A. Исследование ртутного датчика положения для определения угла поворота бурового инструмента 1 Новочерк. политехи, ин-т.- Новочеркасск, 1993. - 7с. - Деп. в ЦНИЭИуголь 22.09.93, № 5435.

2. Водяник Г.М., Павлова A.A. Разработка бесконтактных гравитационных датчиков системы контроля пространственного положения скважины / Новочерк. политехи, ин-т. - Новочеркасск, 1993. - 7с. - Деп. в ЦНИЭИуголь 22.09.93, № 5436.

3. Павлова A.A. Метод определения координат точек оси буровой скважины / Новочерк. политехи, ин-т. - Новочеркасск, 1993. - 11с. - Деп. в ЦНИЭИуголь 22.09.93, № 5437.

4. Павлова A.A. Компьютерное моделирование системы датчиков контроля в головной буровой штанге и обработки информации для воспроизводства на экране ЭВМ всей трассы скважины // Компьютерное моделирование технологических процессов и технологий горного производства и транспортных работ. - Новочеркасск, 1996. - с. 29 - 36.

СХЕМА БУРЕНИЯ СКВАЖИН СТАНКАМИ БСК-2М-100У

II II ц

Рис. 1 ОТКЛОНИТЕЛЬ

0¿ Ofi 0,8 /,û ¿/t

2¿-/7P/!awewe ремущееа

XB2 - шкальный 3(2üOú CXAomi/W;

d, - смещение оси CKÓáWat/Ы

Fü/n- ycu/lde Ш um/Hüe/te ; pc ■ - усилие ма ¿J.H-cmpt/rtírtme ;

реакция Vм' pa o/nxiowne/v/

Ù/£ qt О,g OS to ¿*

РМ/la ■ 8

â

i

£

О

"TT

q2 q4 o,û /,¿? ¿ с

насоса -, - дабленае перед поршнем; Рлшт ' даблеме л? ПОри/МвА?

РАСПОЛОЖЕНИЕ ДАТЧИКОВ В КОРПУСЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

СХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

2 1

УСТАНОВКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ

Рис. 6

СХЕМА К РАСЧЕТУ КООРДИНАТ ТОЧЕК ОСИ БУРОВОЙ СКВАЖИНЫ

№

/8

Траектория скважины, воспроизведенная по экспериментальным данным;

Траектория идеальной круговой скважины по замерам через каждые 17,45 м при повороте радиуса на 20°.

Рис. 8