автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка методов повышения эффективности разрушения забоя скважин большого диаметра при вращательном бурении

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМ IЯ НАУК УКРАТНИ ШСТИТУТ Г1ДРШЕХАНIКИ

СТЕПАНЕЦЬ Андр1й Миколайович

РОЗРОБКА МЕТ0Д1В П1ДБИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТI РУЙНУВАННЯ ЗАВОЮ СВЕРДЛОВИН ВЕЛИКОГО Д1АМЕТРУ ПРИ ОБЕРТАШЮМУ БУР1НН1

05.16.11 - "Ф1зичн1 процесн г!рничсго ЕироСництва"

Автореферат, дисертацП на здобутгя наукового ступеня кандидата техн!чних наук

На правах рукопису

Ки! в 19Э4.

ДиеертаШя ньляе собою рукопис

Работа виконака в 1нституп надтвердих матер1ал!в * 1м.В.М.Баку ля HAH Украши (м. Ишв)

Науковий кер!вник - доктор техн1чних наук

СВШН1К0В Irop Аргдд1йович

0ф1ц1йн1 опоненти: - доктор техн1чних наук

ВАС11ЛЬ€В Леон1д Михайлович - кандидат техн!чних наук ЗАКОРА Анатол1й Петрович

Пров 1 дна Устинова: ДОНЕЦЬКИЙ 11АУК0В0-Д0СЛ1ДШЙ

ВУГ1ЛЬНИЙ 1НСТИТУТ

Захисг в!дбудеться "(j " АЮгого 1995 р. о /О годин! на вас1данн1 Спец1ал1зовано1 Ради Д 016.56.02 при 1нститут1 г!дромехан1ки HAH Укра'1ни за адресою: 252057, м.КиЧв, вул.Ке-лябсва. 8/4, 1ГМ НАНУ.

3 дисертац1ею можна оонайомитися у 01бл1отец1 1ГМ НАНУ. Автореферат роз1сланий " С " Cilifß 199 S"p.

Вчений секретар - Спед1ал1зовано'1 Вчено! Ради кандидат техначних наук

/' В. I.Плужник

ЗАГЛЛЬНА ХЛРАКТт;иТЙКЛ ГОЕОГИ

ЛктуадьШсть роботи. Бур1ння неглибоких свердловин великого д1аметру у скелыгах породах неефективне через низьк1 екс-плуатац1йн1 характеристики сер!йного бурового 1нструменгу. Що-р1чне зростання обсяПв бур1ння свердловин (п1д опори ЛЕП, пальов1 фундамента) потребуе вдосконалення 1снуючих та засто-сування яових високоефекгивних р!зцевих бурових 1нструменг1в. Для створення ефективного 1нструменту великого д!аметру необ-х1дно обгрунтувати параметри ровм!щеиня р1зц!в, що забезпечу-ють рац1ональн1 умови роботи породоруйн1вних елеыент!в.

Таким чином, розробка метод!в п!двищення ефективност1 руйнуБання забою свердловин великого д1амегру йри обертальному' бур!нн1 являе собою актуальне науково-Гехн1чне завдання.

Тема дисертацП лов'язана з влаНобимл науково-досл!дними роботами (НДР) 1НМ 1м.В.М.Бакуля ПАН Укра'1ни. Результат« ц!х досл1джень представлен! у зв!тах по НДР:. 0843 (И ДР 01850021385), 1526 (И ДР 01890047601).

Мета роботи - розробка метод1В . п1двщення ефективност1 роботи р!зцевого 1нструменту на основ! оптим!аацП процесу обертального 0ур1ннЯ'.

Науков! положения, розробленн!' здобувачем, та 1х новизна:

- вперие розроблеко критер1й' оц1нки руйн!вно'1 здатност! введения у г1рську породу р!зц1в: чим бкньша площа зони у породному масяв! з порушенням умови мЗщост! при введенн1 1нс-трументу, тим вита руйн1вна здагн1сп> р1зц1в;

- вперше розроблено розрахунковий метод оШнки руйн1Ено'1 едатност1 введених у г1рську гюроду р1зц1в, шр дозволяе оц!ни-ти контур момивого руйнування породи 1 грунтуеться на анал1з1 напружено-деформованого стану (НДС) породного маслву та на знаходденн! у масив1 дшнки'з поруаенням умови м!шост1;

3

- вперше для конкретних рхзидв вим1рян1 ведичини KyTiB переднього розвалу, нахилу конгактно'1 зони, а також знайден1

заледаост! в!д гдибини р!зання i форыи р1зця, визначено в!дношення висоти контактно! вони до глибини р1зання з метою обгрунтування розрахуякових схем чксельного моделювання взав-модИ pisuesoro 1нструыенту з г!рською породою;

- вперше для обгрунтування вз.дстан1 шж р1зцяыи i висоти уступу, що забезпечуоть повне руйнування уступу, розроОленЗ чисельний метод 1нтенсиф1кацП процесу руйнування ступ!нчатого забою свердловини на 6a3i peanisaui'i розроблено! методики чи-сельнного моделювання з урахуванням критер!ю оЩнки руйШвно! Едатностг pisuiB та експериментальний метод - на основ! дос-л!джень руйнування ступенчатого-забою свердловини; вперше роз-рахунковим шляхом одержан! ращоналып параметра розмадення р!зщв у залежност! в1д шциосп г1рсы-:о5 породи; вперше екс-периментально досл!джено зм1нввання величини зони передруйну-вання В1д товиини стружки при cniflbHift дП р1зщв.

ОбгрунговаШсть 1 достов1рн!сть наукових полсжень,_вис-

hobkIb 1 рекомендаций п!дгверджуеться внкористанням методу кхнцевих елемент1в (МНЕ), що базуегьса на застосуванш в!домах полсжень механжи дефориоБакого твердого тхла; задов!льною Бб1аш1стю розрахункових даних МКЕ на р1зних ciTKax дискреткза-цП , а також розрахункоьих та експерименталъних даних (розС1ж-н1сть не перевшцуе £££); обсягом експериыентальних даних, дос-татн!м для того, щоб при довхрчай iuoBipHocrl 0,9 в!дносна norpiknicTb апроксимацП даних не переьищувала 20%; проыисло-вими випробуваннами 1нструменгу, що п1дтвердили gchobhi науко-в1 положения дисертацП.

Значения роботи. Наукове значения роботи поллгае у 'роз-робщ нових_Шдход1в до оЩнки pyfiHlBno'i вдатност1 pisuie та 1нгенсификац11 процесу руйнування стунпшатого забою свердло-

вини великого диаметру, лк! дозволяють обгрукг/вати рад1ональ-ну схему розмЩення р!зц!в 1 завдяки цьому гЦдвпщпти ефектив-н!сть роботи бур1В обергально"! д1'1.'

Практичне значения робота полагав у використанн! наукових положень, ёиснобк1в та рекомендацй щодо вибору схеми ураження забою для створення 1шлрументу оберталъного бур1ння свердло-вин д1аметром 500 мм, застосувания якого забезпечуе пор!вняно з сер!йним зб1льшення швидкост! бур1ння у 1,5-2 рази. '

Економ1чний ефект в1д впровадження розробок з урахуванням часгково! учасг! автора становить '3 млн.крб. (у ц!нах 1990р.).

Особистий внесен: автора полягае у загальШй постанови! задач 1 вибор! п!дход1б до 5х вирГлення; у розрйбц!' чисельно! методики визначення вони можливого руйнування'та програмно'1 'П реал!зац11 на ПЕСМ; у розробц! критер1ю оц!нки- руйн!вно? здаг-ност! р!зц1в; у використанШ- ексйернменталый"визначено1 гео-метрП зони руйнування для "обгрун'тувания ройрахунковйх схем чисельного моделювання вгаемодГгз 'масивом породи р1зцеЕого 1нструменту; у вибор1 раЩонально! '(з позицП обраного притерт) схеми розм1щення р1зц1в на бур!;-. у розробц1 методики 1 проведения комплексу" експериментальних досл1джень зм1нювання величини вони передруйнуваккя в1д запшблення пари р1зн1в; у розробцГ методики-розрахунку необхгдних силових параметр1в бу-рильно! маюни^для забезпечення робоиткернозламника.

Реал1зац1я висновк!в та рекомендац!й ' роботи. Результати досл1джень, пауков! положения, висновки та рекомендацП виро-вадаен! при - створеяи1 -лових бур1в обертально1 д11 машин, ¡до застосовуються для проходленнн" свердловш великого д1аметру п1д опори ЛЕИ 1а пальов1 фундайенти.

АпробаЦ1я'роботи. Оснобн! результата допов1дались на нау-ково-тех;:1чз!й конференцП ДГ1 "Пути повкяения эффективности геологоразведочных работ" (м. ДШпропетровськ, 1990 р.); на 5

ceMiKapi 1ГД 1м.А.А.Скочшського "Новое в теории, технологии и технике бурения в пахтах" (м.Москва, 3900 р.).

Робота у 1илому дрпов!далась та була схвалена на об'една-ному наукоБОму .ceMiHapi в!ддШв N 8,15,26 IHM 1м.В.М.Бакуля НАНУ (м. Khib, 1994р.), на зас1данн1 секцП Вчено! Ради "Над-тверд1 матер1али i композита у породоруйнхвному 1нструмент1 та вузлах тертя" IHM 1М.В.М.Бакуля НАНУ (м.Кшв, 1094р.), на об'-еднаному науковому ceniHäpi 1ГМ НАНУ (м.Кшв, 1994р.).

Публ1кацП. За матер!алами роботи опубл!ковано 10 друко-ваних праць.

Обсяг роботи. Лисергац1я складаеться з вступу, чотирьох роздШв основной частики i зак!нчення, викладених на 103 стор. машинописного тексту; вьвд/е 66 рис. на окремих аркушах, 11 таблиць, б1бл1огра1$1в з 139 найменуванв та 6 стор.додатшв.

ОСНОВШЙ 3MICT РОЕОТЙ

Ефективн1сть роботи бурового анструменту в основному еиз-начаеться умовами руйнування Прежних порад у npoueci SypiHHH.

Значнин внесок у розвигок reopi'j руйнування ripcLwix пс-р1д при взашодП з 1нструментом зребили Б.В.ЦарЩин, Е.Ф.Епш-тейн, I.А.Остроушко, Л.М.Васильев, P.M.Ейгелес, Л.Е.Глатман,

A.1.Сп1вак, О.Д. AJiMOB, Л. Т.Дворников, Г.В.Арцимович, А.Ф.Ки-чиПн, Л. А.Шрейнер, С.Я.Сологуб, Ю. I. Протасов, В.Н.Гетопанов, I. А.Свеояиков, М.Р.Мавлютов, I .Ф. Кагармаиов, М.Г.К.ралшин, E.3.ItoaiH та 1н.

Щкав! досд1дження у галуз1 напрямк!в удосконалення конс-тругадй бурового ггородоруййвного Инструменту були проведен!

B.С.Федоровим, Л.U.Васильев™, I. А.СвецшкоЕим, Е.I.Асиченком, Г.Г.Карюком, О.М.Бочковским, Ю.И.ЛДненко-Мельникоыш, Г.В.Ар-цимовичем, Л.Б.Глагманом, М.Р, Мавлютоьим та 1н.

Георетичн! досл1дкення процесу рушувакия ггрсьгак лор!д базуються на вивчеян! НДС лор1д при взагмодг! п 1нструментсм методами механ1ки деформовзного твердого т!ла.

У працях Фадеева A.B. та 1н. зазначаеться, що чкссльн1 методи дозволяють одержувати р1шеняя при будь-яких складних граничных умовах. Серед р!зних чисель.'Ш метод!в механ!кк су-Шжьних середовщ найб1льл; дссколалим е ЖЕ.

Бундазв В.В. та НШсроровський B.C. ЖЕ доел;длують псве-д!кку зони руйнузакнк у пород! при зшнюванш кута лрикладення 1нструменту до забою (гид уступ) та товцини зруйков&чего жару.

Свеш1коз I.A., Еорисешсо B.S., Подорога В.А. вккарпсто-вують МКЕ для прогнозуванля зародження руйнування 1 подальиого розповсюдження тр1щик; ксал1джуать МКЕ ИЛС та м!цн1сть тстру-ыенту, &тал1зуши остакя!й з точки зору MiHlMisaun об'гму розтягуючих напружень; ыоделотть сколення при зведенн! гндек--тор1в призматичох i клиново? форми у плоский saöiü та його тову зону.

Проте проведен!1 доелгдження для практичних завдань не да-ють конкретних рекомендац!й. Тому з рабоЛ поставлен! та рсв-в'язаи!- так! задач!:

1. Розробити розрахунковий метод ощнки руйн!вно1 здат-:юет1 ■ взеденого у Прську породу р!жучого 1кструменту та зд1йснити його программу реапзаЩю на ВЕОМ.

2. Зробити теоретичн! досл!дження НДС масиву г!рсько! породи МНЕ у взаемодП s р!зцевим 1нструментом э урахуванням експериментажьно визначеннх реатаних геометричнги параметра зони руйнування; для п!двицення ефективкост! роботи бура великого д!аметру запропонувати критерш, ао базуеться на дослп;-кеннях НДС породного масиву.

3. Розробити методи ^нтенспфхкацг; процесу руйкувакнл ступ!нчатого забега свердлоыш вл рячувсяс г иберу рацЮч.глыга;

висоти уступу та в1дстан1 мхк р!бцями, що забезпечують повне руйнування уступу.

4. Еикористовуючи метод фотолюм!несценци для анал!зу зон руйнування I передруйнування породного масиву розробити методику та провести експерименталън1 досл!дження взаемодП р!зце-вого инструменту в прськсю породою.

5. Запрошнувати практичн! рекомендацп ш,одо рац!ональних схем розмщення р!вцгв на буровому 1нструмснт1.

Метод оц!нки руйн1вно'1 здатносп введеного у Г1рську породу р!жучого анструменту розроблювався на основ! таких поло-жень. Матер1али лружно деформуються Оезпосереднъо до руйнування. Поставлена задача теорм прузшост! про знаходження ЫКЕ НДС масиву породи у вигляд! нап!впростору при введеыи !нструмен-ту, у результат! - д1лянка разбита на к!нцев1 елементи (у ви-падку плоско! деформацП - л!н!йн1 плоек! трикутн1) 1 знайдено. вуздов! пераыщення, компонента тензор!в напружекь та деформа-цхй у центрах ваги кшцевих елементгв.

Для !м!таци умов контакту введено пром!жний тонкий, шар (у к1лька елемеитШ по методшй 0.Зенкевича !з вменшеним модулем Юнга породи та заданим коеф1 ¡центом Пуассона ¡ч - 0,45.

Для оц1нки рушпБно! здатносг! !ндектор!Б, при розллданн! '!х взаемодН з породним масивом, аналхзувався НДС останнього 1 знаходилися екБ1валентн1 напруження за теор1б! м!цност! Писа-ренка - Лебедева. РуйнХвна здатн1сть вьажалася.тим вгацою, чим б!льше матер!алу породи перешило у небезпечний стан за нор-малышми налрукеннями, що перевивдють гранищо мЩност!, 1шшш словами, визначадась площа елемент!в, для яких екв1валентн1 напруження перевицують допустим!, як площа руйнування (сколен-ня породи, схильно'5 до крихкого руйнування) та П контур.

За формою р!жучо! гран! уса породоруйн1вн! елементи, яки-ми сснааують зн1мн! р!зц1 бур!в великого дтаметру, додйяють

8

на два тапи: нал1вкругл1 та клйнуват!. Вгаемод1я цих едамент1в з масивом породи розглядалась у двох "проекциях", у с1чн1й площин 1, перпендикуляры!й до лередьо'1 I задъо! граней, та у плоиин1, ф перпендикулярна с1чнЗй i проходить через напрямок подач1. Це припуцення прийняте, оск1льки вир!шування об'емно! ' задач! мае IctothI складност1, а також в1дом1 експериментальн1 дан1, обсяг яких дозволяе у загаяьному вигляд1 як1сно описува-ти повед1нку г1рських пор!д ври р!занн! в процес! öypimw. Для оц!нки руйн!вно! здатносо! р!эц1в вапропоновано роэглянути йзаемод!ю, з використанням схем, зобракених на рис.1, 2.

Для обгрунтування розрахунково'1 схеми (рис.1) необх!дно описати геометр!ю д!лянки руйнування перед р!вием конкретно! форми ври р1занн1, тому що л!тературн1 дан! з .цього питания суперечлив!. ДоаШження виконувались на експерименталыгому стенд1, що створений на базе повздовжшз-стругального верстата мод.7в25. Р1зання блок1в мармуру Газганського родовища (Рм-12ÖO МПа) та п!сковику Требовляясвкого родонита (р^- 850 МПа) . проведено твердосплавниыи р1зцями,:двох форм. У дослгдах визна-чалась величина кута переднього розвалу в залелност! в!д гли-бини р1зання h - <0,5...3) мм i форми р!зця. При виконанн! ро-61т породи 1 блоки закр1штвались у розробленому В.Г.Красн!ком пристро5, який дозволяе переривати процес р1зання шляхом горизонтального перем!цення вказаних блок!в - 1з. бони р1зання з авидк1стю, що перевищуе шввдк1сть руху рГзця. Пот1м Судуванням профиго перех1дно1 д1ляйки В1д мезруйновано! породи у зруйно-вану вианачалась геоыетр1я :'Зони руйнування породи перед пе-реднЬов граннп р!зця (разом з М.ег.Сгахн1всм).

Для досл1дження 1нтенсцвност1 зон передруйкування г.асто-совано фоголш!несцентний анал1з, що включав руйнування породи р!зцем, " просочування- зони - руйнування лш1несцентною р1диною з наступним фотографуванням жоетого сзШння люм1нофору у тр1ши-

Рис Л Рсзрахуякова схема вьае- Рис. 2 Розрахункоьа схема. азаг-

модП р!зця з породою

модП деох р1зц1в з породним настом

То м ¿V М1чп1сть, МПа

и

и

I

1«

у

Рис.3 Розрукунков! Уйдельсст! Рис.4 Схема р!зання ступ1нча-

Еддсташ шя р18ця«и Y^J того блоку породи двома

1 висоти уступу Чи Б1д р1бцями мШяосп пор!д

яах зони лередрушування в ультрафиолетовому св!тд!.

Анал!з результатов екепериментальиих досл1джекь показав, що на фотограф!ях видно окрем! тр!щини, кут нахилу яких до траекторН р!зання досягае 30; величина куча переднього розва-лу У„ - 11...17" для дослхдженких пор1д, при цьому 1з зростан-ням м1цкосг1 пор!д досягае максимальних еначень, 1з зб!ль~ шенням ¡1 пом!тних зм1н ке спостер!гаеться; висота д!дянки контакту передьо! гран1 элементу складае (0,13...0,27)-Ь; вплив геометр! "1 !ндентора на величину кута передього розвалу 01 1 в1дно!вечня висоти контактно3 частили до глибини р1зання для умов нааих ексяерикенПв кезначний, Ровглянуто задачу теорП пружност! про введения 1ндентору у породу - малоабразйвний Шсковик (Е 10000 1Д1а, /ч - 0,19). 1ндентор - з твердого сплаву ВК6В: Е >-- 608000 Ша, ^ - 0,22. Розрахункова схема взаемодП породоруйн1вного елеменгу з породним масивом, з урахуваням експериментаиьних значень /п 1 с'., эобраувна на рис.1, пркйнято, що гран! породного масиву АЕ, ЕЦ, 1«Ш - Е1льн1 (нульав! напру&ення); до 1ндеитора црикла-ден1 так! перемещения, аоб результуюче перемИцення бую пара-лельне площин! рхзання МО; ¡то гран! Щ зд!йснене зчеплення по- . роди з !ндентором.

Э ф1зично1 точки гору цл роерзлункоса схема являс собою випадок, коли р!зець вза8иод1е з зоною р1гагшя, утворбнсз на забо'г ран!ш. Така 1нтерпригац1я дозволяв о(дйти твкнШнх груднощ!, ар виникають при модедюваин! взаемодП инструменту з г!рськон породою, нов'язан! в ыоделюваннян виведенкя вруйно-ванного матер1алу (р!впяння -теорИ прукносИ Сазуються на при-пущент про с.уШльн!стъ деформовачого середсвща).

Ангииз пол1в налружень у пород! (схема рис.1), показав,що перед р!лучоя грзншо р!зцл формуеться зона всеГячного етиснен-ня. 1снус д!лянка розстлгувакня виасл!док зсуву перед зоною

стиснення, щр приводить до утворенвя тр1щип перед р!зцем, на-явн!сть яких заф!ксовано на фотограф1ях вон передруйнування. Це д!лянка иезруйвованого материалу городи, бо розтягуюч! нап-руження не досягають максшальнйх зиачень, але завдяки !сну-ванню . дефектХв у будов! . г!рських пор1д достатн! для утворен-ня локальних тр!щин. Звернем увагу на висок! розтягуюч! налру-ження у простор! п!д зрдньою гранню р!зця. Саме !х наявн!стю можна пояснити при р1занн1 твердосплавним р!зцем блоку породи виникненнл тр1тия передруйнування, що одержан! па фотограф!ях, 1 кут нахилу яких до траекторП досягав 30°.

Ыегоди 1нгенсиф1кац11 процесу руйнування ступ!кчатого забою свердловини за рахунок вйбору висоти уступу ! вздстан! м!ж рхзцями, що еабезпечують повне руйнування уступу, розроблялися двома шяхами: перший - теоретичний на баз! реал!зацП розроб-Лено! методики чисельиого моделювання та критер!ю оц!нки руй-н!вно2 адатност! р!зЩв; друга! - на основ! експеримантальних' досл1джень.

Розглянута розрахункова схема взаемодП двох р1зц1в з г!рською породою, що представлена на рис.2. Задан! грачичн! умови: гран! породного масиву АЗ, Щ ТО та !ндентор!в КЕ, Ш, КМ, ГО - в!льк1 (нульов! напруження); по гранях И и КР прик-' ладен1 вертикаль«! лерем!щення VI, паралельн! ос! 0У; по гранях ЕР, Г6, ш, N0 вд!йснено зчеплення р1зц!в з породою, по - БЕ, 61, Ш, ОТ - проковзування. Щсля вир1шення задач! прэ введен-вя двох !ндентор!в отримано 1зол!н11 пол1в напружень. Капру-жекня б!ля кутових кромок !ндентор!в трохи в!др1зняються завдяки Наявност! для верхнього р!звд послаблено! д1лянки зл!ва. Зовн!сн1 кутов! кромки 8находиться у вон! всеб!чного стиснення. " При цьому. не в!дбуваеться виколу породи (при невеликому р!вн1, деформування), а т!льки Л з!м'яття. Внутр!шн! кутов! кромки знаходяться у зон! меньшого'все"б!чного-стиснення (особ-

ливо для верхнього !ндентора) эавднки наявност1 розтягуючих нопружень. Явно виражена зона розтягуючих напружень м1ж двома 1нденторами з мождивим сколенням породи. Зм!ню»чи в!дстан! ХО, YO i акаЛвуючи НДС Нрсько! породи за критер1ем (плода зони можпивого руйнування), одержано залежност1 ХО, Y0 як функцП MimocTi пор1д C(Ttrn до 80 Ша), як1 представлен! на рис.3.

Таким чином, значения рацЮнальних параыетр1в ХО, Y0 одержан! у залежност! в1д uimiocTi ripcbioix пор1д шляхом чи-селыюго моделювання з . ьикористанням методу !нтенсиф!кацП руйнування ступ1нчатого забою свердловини.

Експериментальний метод 1нтенсиф!кацП процесу руйнування ступенчатого забою свердловини разроблявся на основ! таких положень. У результат! експериментальних досл!длсень взашодП р1зця з г1рськсю породою встановлено, що при глибин! р1зання h 0,1... 0,8 мм енергоемнЮть процесу'руйнування р!здем з нал!в-круглою р1жучою кромкою (HPK) на 15.. .'¿07. нижча, н!лс р!зцэм з клинуватою рхжучою кромкою (КРК).' При глибин! р1зання 0.9...2 ш енергоемн1сть рцзання р1зцем з КРК у пср!внян! s piaueM з ЙРК нижча на 20...25Z, оайлъки при глибин i 0,9 мм кутов! кромки, як! маить велик! концентратори напружень, взаемод!ють з ripcbKOM породою.

У в1дпов!дносг! б експериментальним методом !нтенсиф1ка-ц!í процесу руйнування ступ!нчатого забою свердловини виконано комплекс дослдаень процесу руйнування прсъких пор1д при сп!льн1й д!1 р!зц1в на блоках л!товапняку (р^- 1440 МПа) Ал-гетського, пЮковику (Р^- 1380 МПа) Требовлянського, мармуру (р^- 200 МПа) Газганського родовщ, опгичного скда БК-8 Ср^-2570 Ша). Схеш проведения експерименПв показан! на рис.4. Використовуючи фэтолюм1несцанц1ю, одержан! фотограф!'! зон пе-редруйнування ступ!нчатих Олок!в л!товапняку. Встановлено, що для р!зц1в з HPK форма pisa повторюе форму р!зця (в1дсутн1сть

¿3 •

бокового розвалу при нвявност! sonn лередруйнування); для pis-ц!в з КРК за рахунок бокового розвалу при кашвб.лскэваному рз-занн! 1з зб!льшенням уступу К площа загального виколу зб1льву-еться ! для Н - 8 мм - максимальна.

На блоках скла дослХджено утьорення зони передруйиування при сп1льн1й д!5 р1зц!в. Використан! т!ж caMi схеми проведения експерименту. Одержан! залежност! глибини зони передруйиування (HJn) в!д числа заглиблень при ступ!нчатому р!занн! скла.-Встановлено, що при посл!довному заглиблекн! у блок р!зц!в двох тип!в зросгання зони передруйиування носить стрибколодЮ-ний характер, який поясиоегься ефектои екранувания тр1щин зон передруйиування; не знайдено очевидно!" залежност! И fn в!д вк-соти уступу для р!за!в з HPK; для сгалого процесу р!зання (коли боков! кромки контакгують з забоем) величина 11 для р!з-щв з КРК б!лма, н!ж для р!зд1в з HPK; для р!зц!в з КРК величина Н}й з зростанням висоти уступу Н зб!льшуетьсл, так при Н - 8 мм величина Н зб1лынуегься у 1,5...2,0 рази у пор!в-нян! з схемами р!зання К - 3 мм i Н - Б мм.

Таким чином, р!зц! в КРК рац!овально виксрлстовувати у ступ!нчатих схемах з висотою уступу 8 мм.

Одержано. залежносп загаяыю! еяергоемносг! руйнування ступ!нчатого забою В1д величин» заглкблення pisuiB. встановлено, що загальна екергоеын!сть руйнування сгуп!нча?ого заСою двома р!зцями з КРК у пор!внян! з р!зцями з HPK меква для мар-куру, скла на 30...50%, ли-овапняку - на 50...РЖ, йсксвику -на 60%; зм!нювання загально! екергоемност1 руйнування ступ!н-чатого забою р!зцями в HPK у заледенеют! в1д схеми р!зання (вы!нення П) яезначне; наймекшу аагальну енергосмя!сть руйнування ступ!ичатого забою при р1занн! мармуру, окла та л1товап-кяку р!зцями з КРК мае схема р1закня'ё уступом и мм.

Таким чином, пропедолцп екекоршентамн! досл!дяення 1 ■'(

п1дтверджують можливЮть внкористання поло.тень, ЯК1 закладен1 у розрахунки оц1нки руйн!вно1 здатност! р!зц1в. 3 ц!б'1 точки зору р!зц1 з КРК мають б1льпу зону передруйнування, меншу енергоемн1сть як при единичному Tai-: i при спальному р!занн! блок1в рОЗГЛЯНУТИХ ripCbKUX nopifl при ТОВЩИН! стружки б1ЛЬШ1Й 0.9мм, отже 1'м сл!д в!ддаги перевагу при оснаценн! бур!в обер-тально! дГ1 хоч при ргзани! м1цних пор!д у р1зц1в з 1-РК ймо-в1рн1сть сколення кугових кромок б 1лыла Hin у pisuia з HPK.

Для ефективпо! робота кернозламника (у центральна части-н1 бура) розроблена методика розрахунку необх1дких силових параметров бурильной машини; одержана залежтсть, що зв'язуе на-nipHe зусилля сколення керна з мщпстю матергалу керна, кутом нахилу керюзламника, Д1 мэтром та висотою керна.

Виробнич: випробуванш 6ypiB типу £11-300 i ВС-500, що оснащен! р!ввдии РБ-158, РБ-255, РБ-261 проводились на одному з об'екИв БУ "Спецсгрой" ком51нату "Якутуглестрой" у селищ! Чульман при öypiHHi технолог 1чних свердлоыш д1аметром 300 та ЬОО мм 1 глибингао 10 м бурильного машиною БКМ-1501. Вккористан-ня нового 1нсгрумекту заСезпечило п1дьиценш ивидкост! бур1ння у 1,5-2,0 рази у пор1внян1 з сер1йнмм, що склало 0,16 м/хв при питокий витрат! pinuis 0,1'шг/м.

ЗШНЧЕННЯ

У дисертадП вир Шеи i актуальи! науков1 задач! розробки метод!в п1двищення ефективюст1 руйнування забою свердловин великого д1аметру при обертальному бур!нн! i залропонован! ре-ксмендацП щодо ьдосконалення кокструкцП бургв.

Основн! науков! ьисновкп та практичн! результата поляга-ють у сл!дуючому:

1. Вперв.'е розроблепо критерий оцiнкл руйн!вно1 здатноот!

/6

введених у г!рську породу ищенторов: чим Ыльший роз>пр зони у породному масив1 з порушенням умови Шцност!, тим в ища руй-н!вна здаттсть р!зд1в.

2. Вперше розроблено метод оц1нга руйн!вно! здатност1 введеного у г!рську породу ртжучого 1нструменту, що дозволяе оц1нити контур мо/ливого руйнування у пород1,1 грунтуеться на анал!з! налружеио-деформованого стану породного масиву та вна-ховденн! розм!р!в зони у ыасив1 з'порушенням умови М1ц;юсг1.

3. Вперше для конкретних форм р_!зц!в вим!рян1 кути пе-реднього розвалу, . нахилу контактно! зони га 1х залежност! в!д глибини р!зання 1 форми р1зця, визначено в!дноШення висоти контактно! зони до глибини р!зання для експериментального об-грунтування розрахункових схем чисельного моделювання взаемодП р!зцевого !нструменту г Прською породою.

4. Розроблен! чисельний та експериментальний методи !н-тенсиф!кац!1 процесу руйнування стуШнчатого забою свердлови-ни, як! лолягають в обгрунтуванн! висоти уступу 1 в!дстан1 м!ж р!зцями, що забевпечують повне руйнування уступу.

5. На основ! теоретичних досл!джень одержан! рацЮнальн! значения в!дстан! м!ж р1зцями та висоти уступу, як! забезпечу-ють його руйнування; залехност! цих значень в1д м!цност1 г1р-сько! породи (до 80 МПа) описуються гипербол1чшаш функц!ями.

6. Одержано експершентальп1 валехност! утворення зон передруйнування 1 руйнування при посл!довному введенн! лвох р!з-ц!в вглиб ступ!нчатих блок!в г!рських гор1д ! скла в!д висоти уступу та форми р!зця. як! п!дтвердили теоретичн1 висновки (в!дносна погр!шность 15...23%).

7. Досл1джено аалежнсст! загально! енергоемност! процесу р1зання при посл!довному заглибленн! двох р1зщв вглиб ступ!н-чатих блок!в г!рських пор1д ! скла вщ висоти уступу, форми р!зця. Встаноилено, шо енергоемн!сть "руйнування ступ1нчатого

16■

забою парою pisLiiB з клинуватою р!жучою кромкою (КРК) у 1,3...2 рази менше, Hi» р!зц!в з нал!вкруглою р!жучою кромкою (HPK) для тих же умов. Серед пар р!зц1в з КРК для умов досл!-д!в найменш енергоемна схема з уступом 8 мм.

8. На ochobI результатов теоретичних та екслериментальних досл1джекь обгрунтована ращональна схема розаЦщекня р!жучих елемент1в на бурах обертальноЗ дГ1.

9. У результат! експериментальних i теоретичных досл!д-жень створено новий буровий 1исгрумент, виробнлч1 внпробування якого показали в пор1внян1 з сер1йним п!двищення швидкостх Су-рш'.я у 1,5-2 рази та зниження литомо! витрати р!зщв у 2-3 рази.

QcHOBHi положения диссертацП опубл1кован1 в роботах:

1. Свешников И.А., Степанец А.Н. Моделирование работы буровых исполнительных органов по крепким горным породам//Син-тет. сверхтвердые материалы в буровом инструменте-Киев:ИСМ АН УССР,1988.-с.40-43.

2. КрасникВ.Г., Коршунов В.В.,' Степанец А.Н. Бурение мерзлых грунтов инструментом из сверхтвердых материалов//М.: Энергетическое строительство,N 8,1989.-с.11-42.

3. Свешников И.А., Степанец А.Н., Ста*нив Н.Е. Новая методика определения параметров разрушения горной породы при резании твердосплавными резцами// Пути повышения эффективности геологоразведочных работ.Тез.докл.-Днепропетровск:ДГИ,1990.- с. 16-18.

4. Красник В.Г., Степанец А.Н., Ущаповский Ю.П. Расчет конструктивных параметров керноприемньх устройств буровых исполнительных органов//Гор1ше, строительные, дорожные и мелиоративные машины. Выпуск 44.-КиеВ:КИСИ,1991.-с.68-72.

5. Свешников. И.А., Степанец А.Н., Смирнов В.Н. Определе-

LI .

ние параметров разрушения горных пород при резании твердосплавными резцами//Горные, строительные, дорожные и мелиоративные машины.Выпуск 45.-Ккев:КШ1,1991.-с.45-48.

6. Свешников И.А., Степанец А.Н., Беспалов С.Ф. К вопросу эффективного разрушения ступенчатого забоя в крепких горных породах//Новое в теории, технологии и технике бурения. Тез. докл. -М. :МГД им.А.Л.Сксчинского,19Э1.-С.24-29.

7. Свешников Ii.А., Степанец А.Н., Гришин A.C. Экспериментальная оценка прочности породоразрушающего элемента оптико-поляризационным методом/7Синтет. сверхтвердые Материалы в геологоразведочном'бурении.-Киев:ИСМ АН УССР,1991.-с.30-35.

8. Степанец А.Н., Беспалов С.Ф. Экспериментальные исследования взаимодействия породоразрушающих резцов с горной породой. //Новый породоразрушалхций инструмент из сверхтвердых материалов: Сб.науч. тр./ АН Украины. НТК ШЛ им. В. Н.Баку ля.-Киев,1992.-с.40-42.

9. Степанец А.Н. Методика математического моделирования процесса взаимодействия инструмента с горной породой.//Совершенствование техники и технологии бурения сквакин: Сб.науч.тр./ АН Украины. НТК ИСМ им.В.Н.Бакуля.-Киев,1993.:с.4-10..

10. Лукаи В.Д., Федоренко Н.Д., Степанец А.Н. Анализ отработки резцов типа РШ в производственных условиях.//Совершенствование техники и технологии бурения скважин: Сб. науч. тр. / АН Украины. НТК ИСМ. им. В.Н.Бакуля.-Киев,1993.-с.81-85.

Степанец А.Н. Разработка методов повышения эффективности разрушения забоя сквакин большого диаметра при вращательном бурении. Автореф.дис. ... канд.техн.наук по специальности 05.15.li - "Физические процессы горного производства". Институт гидромеханики HAH Украины, r.Knet. '1934г.

U

Разработан метод оценга разрушающей способности внедренного в горную породу режущего инструмента, позволяющий оценивать контур возможного разрушения в породе, и основанный на анализе напряженого состояния породного массива, нахождении размеров области в породном массиве с нарушением условия прочности. Разработаны численный и экспериментальный методы интенсификации разрушения ступенчатого забоя скважины, заключающиеся в определении условий разрушения уступа. Обоснована рациональная схема размещения -режушях элементов на бурах вращательного действия.

Stepanets A.N. The development of methods of rise of effectiveness of destruction boring face of large diameter in rotary drilling. Abstract of thesis of cand.sc.eng. by the speciality "Physical processes in mining engenerlng". Institute of Hydrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev. 1994.

The method has been developed of evaluation of destructive ability of cutting tool Introduced in rock enabling to evaluate the contour of possible destruction in rock and based on analysis of stressed state of rock and finding of sizes of zone in rock with infringement of condition of strength. The numerical and experimental methods of intensification of destruction of step boring face, based on definition of conditions of destruction of step have been developed. The outline of arrangement of cutting elements in drills of rotary action has been substantiated.

Ключов! слова: бур1ння,г1рська порода,твердосплавн! р1зц1, ступ!нчатий заб!й,бури обертапьно! д11, налружений стан пор!д.

ГИдп. у друк 05,05.93 Формат 60x90/16. Пап.друк. N 1 Ми, др wL._L._0. Ум. кр,-в1дт. 1.0. 9м.-вид. л.'0,9 Тира« 100 Замовл. Ji 674

1нйтитут надтвердих ыатер1ал1в АН УкраЭни

252133 Kidi)-153, вр.Двгозаводська, 2 -

Ротапринт Ш flil А)кра1ни. •