автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка технологии бурения скважин во льду электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле

ГосуодкггоеиныП комнтег РосснГ:с:;о11 Федераиш пс высшему об^оапплнию

Сашип-Игтербургский государственный горный институт имени Г В.Плеханова р ^ 0 Д (технический университет)

5 Л Ей , 1 ,а "Р«"" рукописи

ТЛЛЛЛЛЙ Павел Григорьевич

УДК C22.243.D23

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКПШИП ПО ЛЬДУ ЭЛВКТРОМНХАПИЧЕСиИМИ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОПВСУЩШ КАВ1ШЕ

Специальность 05.15.14 - Технология и техника ' геологоразведочных работ

Автореферат

диссертации на соискание ¡/иеной степени . кандидата технических наук

Сшиг|-11стс|>бург - 1994

Работа выполнена и Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель - доктор технических наук, п[Хч{>сссор Ю.М. Г/арийский

Официальные ошюненты:

доктор технических наук В. П. Онищин • кандидат технических наук И. П. Николаев

Ведущая организация - Арктический и Антарктический ПНИ

Защита состоится " 1991 г. в /У час. мин,

в ауд.№ 1/} на заседании специализированного Сонет JO.OG3.15.1Z но защите диссертации на соискание учеибй сгененн 1ИШ,и1Дата технических наук л Санкт-Петербургском горном ниеппуге имени Г. В. Плеханова но адресу: 11)9020, Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Са/шг-Петербур|-ского государственного горного института.

Автореферат разослан " ^В " ШкИс'&Ц 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета профессор П. П. Тимофеев

ОГ.ЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обширная территория ипшсп планеты » приполярных и высокогорных районах зашгт оледененном; ледники покрывают площадь 1(1,1 м.ш.кп3 или 10,9% суши. Изучение оледенения имеет большое значение длп целого ряда естественных наук - географии, гляциологии, палеоклиматологии, геофизики, геоучмии, микробиологии и других. Оледенение является мощным фактором формирования и изменения климата на планете. Истощение ci.ipi.eisi.ix рсгурсоп планеты значительно повышает интерес к- запасам полезных ископаемых, скрытых ледниками. Кроме того, сами ледники обладают крупнейшими п мире запасами пресной коды и виде льда.

В нагокнци» нреми наиболее .эффективным ч комплекс! 1ым методом изучения ледпикои является бурение сквплаш с полным отбором керна. Области Земли, где расположены ледники, характеризуютея неповторимым сочетанием наиболее неблагоприятных для человеческой деятельности условий - ' суроиото климата, чрезвычайной удаленности, специфическими гряиспортны.мп условиями, почта полным отсутствием необходимой длп производственной деятельности инфраструктуры и т.п. Поэтому реализация в птнх условиях традиционных способоп . бурения екплжпн оказалась не только неэффеютшноН, но практически невозможной.

Как 1! пашой сграпе, таи и за рубежом для этих целей ведут разработку и используют новые технические средства и технологии, среди которых наиболее широкое применение поручили тепловые и мсхшшчсскис способы бурения колонковыми снарядами на грузонееущем клбело. Механический способ бурения имеет существенно большую производительность и .меньшую энергоемкость но сравнению с тепловым, поэтому о последние годы особое внимание уделяется разработке и испытанию различных электромеханических буровмх снарядов на грузслосущем кабеле. Работа пмпол пилась в Санкт-Петербургском гоеударспичимм хорном инстнтуго имени Г.В.Плеханова (СГ16ГГИ) на осиопе госбюджетных тем "Разработки, совершенетиованне н внедрение ск»ал;нпиых методов и технических срсцсти, исследование п>:ртккалм:ои сгруюури, состава и динамики :;е;'.ш«ков и лоднлконмх нлкронов" (ОКП "Мировой окс'ш", подпрограмма "Антарктика", крм.ч.т "Ледник", иод темы по ГЛСНТИ 09.03.01.1, гос.репи-грацнн 01860100207, 1991-1993 гг.) я "Онгнмнзацни процесса бурения

скважин во льду колоикопымн электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле" (Грлпт Государственного Комитета Российской Федерации но пыешему обризоашшю за 1993 г., код темы но ГАС11ТИ 38.59.15).

В соответствии с Протоколом о намерениях мегкду Федеральной службок России но гидрометеорологии н мониторингу природной среды, ЛнбораторисЛ гляциологии и геофизики окружающей среды (Франции) и Диинзноиом нолирных программ (США) работы по сосс{: ¿систвовапню технологии и техники бурения ледянсих» покрова Аитпрктиды, проводимые и СП6ГП1, включены и Россннско-франко-омерпкапскук) программу научения ледяных кернов.

Целью работы лолаетсл исследование, разработка и оптимизация технологии вращательного бурения льда электромеханическими снарядами на гру.юнесущем »«»баю.

Основные г 10(1411 исследования:

1. Научить на окснеримснтадмюм стенде закономерности механизма р;ирушешш льда при вращательном бурении резцовым породоразруакнощнм инструментом и установить взаимосвязь между основными факторами, определяющими этот процесс.

2. Экспериментально исследовать закономерности удалении и сбора шлама, образующек>си при вращательном бурении льда, и пронести (чч) гранулометрический ннали.».

Л. Лн;1лит1гкч:кн определить мощность, необходимую для бурения, н рпцноиальные режимы очистки образующегося и процессе бурении шлама.

4. Разработать практические рекомендации но выбору оптимальной конструкции нородоразрушающего инструмеитн, системы анкерокки забойного привода и техническому проекгироиашпо режимов бу^'.ша лвд» алектромехаинчеекимн снарядами на грузонесущем кабеле.

5. Разработать основные принципы контроля и апюматичеекот управления процессом бурения алсктромеханнческнмн снарядами на грузонесущем кабели а обосновать рекомендации по дальнейшему совершенствованию техники и технологии бурения скважин и ледниках.

Методика ш:схЫ)ошшш. Дли [к'шсни.ч пмтанлеиних задач принят комплексный мешд исследований, мипочнмщкв апшим н научное обобщение лнгс|итуримх матсриачои, ннал/" и1 ские н :же-

нсримснтпльные нсслсдошшнл процесса праща гельнога бурении льда, разработку рекомендации по проектированию технологии бурена л скиа'.ции ко лччу электромеханическими сиаркдамн на груаонесущем кабеле. Плаиирошнше и обработка результатов экспериментальных исследований пыно^чнепа методами математической статистки.

Научная итшзиа зяклшч летел п том, что н результате проведенных теоретических и пксперимснтальных нсследоиапнн п и с р и ы с

- изу!ен процесс р:и<руш»гмпп л).да резанием при низких температурах;

- получена расчетная знписнмость длн определения мощности, необходимой для разрушения Л1.да при нрннщтелыюм бурении, па осиоие теишш хрупкого разрушения Л.Грпффшса;

- определены характеристики гранулометрического состава шлама, образующегося к процессе «ращательноге бурения льда.

Достоверность основных научных иыиодон и рекомендации подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследовании, близкой сходимостью расчетных и опытных данных.

Практическая ценность работы состоит н предложенном методе нрос1ГП!роиаиш1 технологии бурения скшикнн по льду злсктромсхашпескнмн снарядами на грузоиссущсм кабеле, позполяющем оеущеегшго» ¡шбор типа приходного алсктродпигател;!, определить мощность, необходимую для бурения, уста попить рациональные параметры режущих племсти» породоразрунгающет инструмента, системы инкеропкн забойного пршюдп н режима бурении.

Реализация результата» работы. Разработанная технология Зурсння екпажин по льду плектромехшшчссин.ми сирядами на грузоиссущсм кабеле испольлоиала при экспериментальном бурении на леднике Вапнлопа (прх.Сспсрная Земля) и ст.Восток (Восточная \нтар;пнда). Рекомендации но сог-ершенстнозапню технологии Зурсння скиажии колонкопым ллсктромсхапичсским снарядом >Т).\!С-112 будут пепольяопаны при продолжении бдения глубокой •кважины 5Г на сг.Восток п 1994-1995 «т.

Апробация рабпти. Основные положении работы догадывались и обсуждала:i> на Втором международном симпозиуме по бурению разведочных скважин г. осложненных условиях (Санкт-Петербург, 2-7 нюня 1992 г.), Четвертом международном симпозиуме но технологии бурении скважин по льдах (Токио, 20-23 апрели 1993г.) н Юбилейной научной конкуренции, посвященной 100-летию со дни рождения Ф Л.Шамшева (Санкт-Петербург, 7-8 октября 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть статей и одна' монографии; попнзна решенн:! защищена тре.мн авторскими

СИИДСТГЛ1ЛТШ1М и.

Объем и структура работы- Диссертационная работа изложена ¡:а 183 страницах машинописного текста и состоит из введении, ii.'iri; г.-.ае, общих выводов н рекомендации, списка литературы 120 наименовании, содержит 39 рисунков н 17 таблиц.

В первой главе __ рассмотрены свойства природного льда, приведен краткий обзор средств и методов вращательного бурения скважин в ледниках, дан анализ исследовании процесса ¡нарушения льда резанием, определены цель и зодачн исследовании.

Но шпорой, главк изложена методика экспериментальных исследовании процесса разрушении льда резанием и процесса удаления и сбора шлама, образующеюся при вращательном бурении льда.

Тритии глава пссшнцена проектированию технологии вращательного бурения скважин во льду электромеханическими снарндамн на грузоиссущем кабеле, в частности, определении» мощности, необходимой для бурения, определению ршщонильпмх режимов очистки забоя скшикииы как при бурении кшсковымп элек^юмохапнчеекимн ашрпдамн, гаи а снарядами с празабоппоГ) циркуляцией н|кшыпичии<1 жидкости, а также определении! параметров систем!.« анкеровкн забойного привода.

Л четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследование процесса пращательного б>|>снш1 льда алек^ромеханнческими снарядами на груаонесущем кабеле, выполненных в лабораторных и полевых условиях.

И гиипой глине рассмотрен вопрос оптимизации технологии бурении скважин во льду электромеханическими снарядами на

грузонееущсм кабеле, приведены основы крннцнпов контроля и автоматического управления процессом бурения, дана оценка эффективности предлагаемой технологии бурения.

В заключении приведены общие выводы и рекомендации.

Диссертация пыполненп на кафедре технологии л техники буре.шя скважин СПбГГИ. Лвто|> выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Ю.М.Ппринскому за помощь и ценные замечания по работе, доктору технических наук, 11|мх]юсслру Н.и.Кудршпопу, кандидатам технических наук В К.Чистякову, Н.И.Нпсильсву, В.М.Пашкевичу >: другим сотрудникам СПбГГИ н ААНИИ за советы н помощь в проведс-иин исследований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

7. Полученная аналитическим путем и проверенна!» экспериментально «}юрмула нозполяет определить силу резания, возникающую на резцах пород,оразруптющего ншггрумента при вращательном бурении льда, з зависимости от глубины резания, длины образуемой тещины скола, геометрических хара1ггернстик режущего инструмента, свойств разбуриваемого льда. Характер деформирования льда определяется в основном скоростью нагруженни и температурой: при высоких скоростях деформации (свыше 10'® с"1) и низких н умеренно-низких температурах (ниже -(5Ю)°С) разрушение льда носит хрупкий характер. При вращательном бурении скважин по льду основным видом разрушении является 1)езш1ие, происходящее при периодическом скалывании разрушаемого тела. Мри этом отделение элемента массива осуществляется яри инициировании трещины за счет ннугренппх и внешних источников растягивающих напряжений. Возникновение трещины начинается с зародышевой трещины -микротрещины, погорая по Л.Гриффнтсу уже заранее сущеетиуег в нагруженном материале.

При детальном анализе нрпцесса разрушения лэдл резанием но.'О'кчш выражение, позволяющее определить силу резания не. одном резце породоразрушающего инструмента:

где Ь - !1!ьрнна резца, м, Л - глубина |м>занпя, м; о • угол

резания, град; ф - утл трени.ч материала |ч'зца по лыу.град;

7

Е -модуль упругости льда, П/м2; уе- удельная поверхностная

энергия льда, Дж/м2; ка • коэффициент, учитывающий пишст])0гп1Ы0 свойства льда; (1к - средний диаметр крпсталлон льда, м.

Для проверки аналитических рассуждений согласно разработанной методике проведен комплекс эшнерименталиних исследовании, включающий серию из 88 опытов на стенде, в котором в качестве породоразрушоющега инструмента используется единичный резец, а забои скважины имитируется блоком искусственна!« льда. На основе статистической обработки экспериментальных данных установлено, что при увеличении глубины резания сила резания и осевая нагрузка возрастают (рие.1). Максимальные расхождеп'.н теоретических и окиюримеетальных динних и исследуемом диапазоне глубин резании состаиляч/г 20%.

Экспериментальными нсследоваиинмн по изучению влияния гео.метрпчсскоп формы резца на силовые параметры рп;»]»у1:*<?||цл устано1У1еио, что ири изменении угла резания резцов в дпашиюне от 30 до 1)0° сила резании не имеет экстремадьпых значений и монотонно возрастает (рис.2), а при снижении заднего угла резании с 5 до ¡" осевая нагрузка резко возрастает (рис.3). Оценка статистической значимости посредством определения критерия Стыодепта показывает, чтс по всех случаях вычисленный критерий Стыодемта выше табличного, имеющего доиерите.н.ную вероятность, рапную 0,09.

С целью еннн.'ени}' энергоемкости процесса разрушения льда на забое скаажины, а также упрощенна конструкции резцов н корпуса буровой хороша! рациона,ч..11мм диапазоном изменении утла резапн:! резцов с.ч;дует считать 45-00й. При малых значениях задней» утла резцов (меньше 4е) создание потребной осевой нагрузки зачрудшпелыю, что связано с незначительным весом оло!л'р'1.мрхпппче<'к<1х бурошзх снарядов.

2. Предложенный метод простнровання технологии бурении ■ екг.ажг.и г.о льду электромеханическими снарядами ча гру зопесущем кабеле позволяет ос.шестыгг:» зыбор иша нрниодшно олшетродаигателк, определить мощность, необходимую для бурешн, установит;, рациональные параметры режима бурения и сиея'ми анкероики забойного привода.

Механическая мощность на валу приводною аюкфодвиыге.ш электромеханического снаряда с призабониоп цнркулицшчУ иаеоеом, расположенным п.'. оси ирПг.однои» ¡»лсктролвиииуш:, определно/ген но следующему соотношению:

Рис. 1. Экспериментальные записнмосги силы рсдян.:я Рр (1) и особой

ппгрузки Ро (2) от глубины резлнпя h и тсоретичссклл аьонсимости силы i^uuii!« Рр от глубины резания h (3) (скорости розапил 1,2 м/с ; угол резаннп резцоя 45е; задний угол резким резцов 5°)

п

)3

и

10

»-

• •

ч

** •

•

20

30

40

50

60

70

во

90 о1,гьад

Рис.2. Экспериментальна* зависимость снли резапга Рр при б}рсняи льда ст угла ргаания резцов (глубина рочния 0,3 км; скорость розлпня 1,2 м/с; кдчий угол рс&шшрсзцоа 5°)

Рис.3. Экспериментальная зависимость оссгоЛ нагрузки Р0 от м чьего >тла решит резцов (скорость »чзаиия 1,2 м/с; гл><5наи рлшикя 0,3 мм; угол регашш резцов

где к3 - коэффициент запаса мощности, расходуемой на преодоление дополнительных сопротивлении при з^шламованнн, подклинке и т.д.; N - мощность, расходуемая на р;ц)рушспнс льда на забое скважины, Вт ; Nkh - мощность, расходуемая на вращение колонкового набора,Вт; Т], - к.п.д. трансмиссии; N„ - полезная мощность насоса, расположенного па валу приводного мектродг.Щглеля, Вт; г)ь - к.п.д. насоса.

Выбор тппа приводною электродвигателя осуществляется нугем подбора номинальной мощности серийно выпускаемых погружных aiектродв 1 s 1 ателс¡1, наиболее близкой к вычисленному значению Ndv , так как при этом обеспечиваются паивысшпс значения к.п.д. двшатсля н коэффициента мощности.

Мощность, потребляемая приводным электродвигателем при бурении, определяется по формуле:

+ "-(3)

где к.п.д. приводного олеюродвигателл; Nt - потери мощности и токоиодаоде, Вт.

В работе приведены зависимости по вычислению составляющих Np < N,„ î • ^Ч Я-1" различных условий бурения. Расчетный анализ баланса мощности, • потребляемой приводным электродвигателем колонкового электромеханического снаряда Iw)MC-H2 при бурении на леднике Вавилова, показывает, что механическая мощность па вазу приводного электродвигателя составляет лишь 18,2% от общей потребляемой мощности. Проектирование режимов очистки забоя скважины занимает особое место н разработке технологии бурении, поскольку правильный выбор тина и характеристик шламоудалення в значительной степени определяет безаварийность проходки.

Удаление шлама с забоя сшисшны ч ншековых электромеханических снарядах производите;! за cw выпмоденгпшя частиц ш.гама с поверхностью вращающегося шпека и наружного кожуха, роль которого могут играть как наружная колонковая труба, так и непосредственно стенки скважины. Инвариантный расчет показывает, что для повышения сил сцсплепш: частиц шлама с кожухом iuhcs: необходимо помещать в наружную колонковую трубу, на внутренней поверхности которой имеются продольные паюсы.

Это позволяет сущсстиенно снизить потребную частоту пращения шнека. При атом максимально возможная механическая скорость бурены;, при которой производительность шнека равна объему шлама, образуемому п единицу нргмеш:, может состапллть G0-7G м/ч и более.

При бурении олектромехапкчсскнмг, снарядами глубоких залитых незамерзающей жидкостью скважин удаление образующегося шлама осуществляется прямой или обратной аризабонной циркуляцией очистного агента.

Определение обьемного расхода очистного агента производится посредством установления критической скорости носходящего потока, при которой выносимые частицы шлама находятся по взвешенном состоянии:

к = 0M7J& + 1,723 • 10-=)$-Л). (-i)

где - механическая скоросп. бурения, м/ч; т - количество

резцоя п буровой коронке; п - частота вращения породоразрушающего инструмента, об/мин; р. - плотность

разбуриваемого льда, кс/м3; р - илотнссп. очистного агента, кг/м5.

Давление, различаемое забойным насосом, должно быть достаточным для преодоления гидравлических сопротивлении » циркуляционной системе бурового снаряда:

= (5)

í=\ j=i

Т

где р„ - потерн давления на преодоление гидравлических сопротивлений треннп на различных участках циркуляционной

системы. Па; p')f - потерн даилеш:л iia преодоление местных гидравлических сопротивлений, Па.

Прог.едснныН расчетный анализ режима обратной прнзабойпон циркуляции снаряда КЭМС-П2 показывает. что с-ффектнвнал работа системы шламоудалем.н при использовании насосл тина БПК-1Л возможна при ограничении механической скорости бурения до 15-J8 м/ч при бурении с колонковым н бором диаметром IOS мм и до 5-7 м/ч при бурении с колонковым набором диаметром 127 мм (при ку ~ КЗ).

Процесс безаварийной проходки скважин во льдах невозможен без падежного восприятия рсачтапного момента, возникающего в скважнне при вращении забойного -электродвигателя. Лнкеровка лрнвода осущестрляс.'сл • при помощи рдспопных устройств, коптшанрующнх со стопками скважины н скользящих вдоль оси скважины в процессе утлубкн. Распорные устройства вынолзопотен, кап правило, или в вид; пружинного фонаря, состоящего из плоских изогнутых пружин, закрепленных ъ невращзющейсл части бурового снаряда, или в виде коньков, связанных с корпусом снаряда через систему рычагов.

Падежная онкеровка привода элскт1юмсханнческих снарядов обеспечивается нулем соотпечствучш'.его выбора геометрическом формы рабочей чнеги распорного устройства, контактирующей со стенками скважнны, н усилия ее прижатия к стенкам скважгны, И1)Н которых обссиечпшпотсн, во-первых, внедрение рабочей чети нружип распорного устройства в стенки скважкпи па глубину, достаточную для компенсации реактивного момента без обрушения стенок скважины, н, во-вторых, подача бурового снаряда вдоль оси ствола скважины в процессе углубки. Первое условно выполняется при

Ъ ¡¡¿Пл.], \ ч

'ЧЛ 2 +Н1<) > V 2Еу« ' ( '

где - глубина внедрения пружин распорного устройства в стснкп скважины,м; Пс - диаметр скважины, ;д; М„ - реактивный момент, возникающий на нрниод.чоп электродвигателе, Н м; ЬР - угол заточки рабочей части пружины распорного устройства, град;

у - угол трепня материала пружины но льду, град; р • угол, образованный осью симметрии пружины в радиусом, спущенным к кромке лезвия пружины, град: п - количество нружип ра^.юрного уст)юйгтва; Ц, - ;(лииа контакта пружин со стенками скважины, м. Для обеспечения данной гл>бппь: пнедрения пружен распорного Зсфойствп в стенки скважины потребное усилие, действующее со сгороны пружины на стснкп скважины, составит:

* /' мпр«-)^,,'

где (Уо: - предел прочности льда иа одноосное сжатие, Па; ур -мдпий угол заточки рабочей части пружины, град. При этом с целыо обеспечения подачи буропого снаряда и процессе углубки должно выполнялся следующее услопне:

„ 1срРс-Р„ 1 Р ь '

где кр - коэффициент разгрузки: Ре- вес бурового снаряда . учетом действия выталкивающей силы п жидкости, П; Рп - потребная осевая нагрузка на породорлзрушпющнй и.четрумеит, II.

3. С^днин эквивалентный диаметр частиц шлама, образующихся при вращательном бурении льда, находится в прямопроиорг.иональной зависимости от глубины резапня; распределение размеров частиц по классам крупности подчиняется лопюрмалыюму закону. .

С целью изучения режимов обратной прп.чпбоЛион циркуляции очистного агента проведены сравнительные испытания насосов ПГП1-4А, роторного тина, и ЭЦП-01П, центробежного типа. Для этого исполиюпался макет колонкового алсктромсханнческого снаряда ГСОМС-112 и специальный стенд, позволяющий имитировать на поверхности ряботу.бурового снаряда. "

При проведении исследований было обнаружено, что сечка шламосборнпка, вращающегося со скоростью, равной частоте вращения колонкопого набора снаряда, создает очень высокие гидравлические сопротивления. При запуске приводного электродвигателя снаряда объемный расход насоса ЭЦН-91Б падает с 35 до 8 л/мин, насоса БГ1К-4Л - с 41 до 30 л/мин. Причем размер ячеек сетки шламосборнпка н диапазоне ог 0,3 до 5,0 мм практически не влияет на падение производительности наеосои. Проведенные исследования «выявили нслозмоянюсть иснолилогшния насоса ЭЦН-91Г» для создания обратной нризабойнон 'циркуляции с сетчатым фильтром и позволили определит!» коэффициент местных гидравлических сопротивлений вращающейся сетки шламосборнпка (5 !07), который оказался в 104 раз выше значений, установленных для неподвижной сетки и имеющихся и литературе. Для определения характера накопления шлама » сетчатом фильтре было проведено шесть экспериментов с разборным фильтром при бурении послойно нймороженкого цветного льда. Установлено, что при бурении с механической скоросп.ю бурения до 21 м/ч шлам

распределяется рапномсрно по всей высоте фильтра. Граница межд слоями выражена нечетко н представляет собой волнистую линию.I двух экспериментах при высоких механических скоростях бурения превышающих 21 м/ч, выявлено перемежившие слоев, чп .свидетельствует о палнчин застойных зон в циркуляционной сисп\м< бурового снаряда.

Шлам, собранный в фильтре, представляет собой однородиук изотропную С1>еду • зернистый алой - из частиц нерегулярной ()юр.мь с неупорядоченной упаковкой. Важнейшими показателями зсрнистого слон являются объемная плотность и пористость, значении которых установлены п зависимости от глубины резания:

р. = 2,84 ■ 10* h + 343,7 ; ( 0 )

е --310 h f 0,63 , ,(10)

р , - обьемная плотность шлама, кг/м*;г - пористость шлама; /» - глубина резания, м. .

Одним из важнейших факторов, влияющих на эффектнштэть шламоудалечпн, является размер образуемых частиц шлама. Для изучения ¡-ранулометрического состава шлама отобрано четыре iipoííí.s и определен средний эквигллеитиый диаметр частиц. При помощи корреляционного анализа зависимости среднего эквивалентного диаметра частиц шлама от глубины резания построено уравнение линейной регрессии о коэффициентом корреляции, равным 0,92:

d, =0,867 h + 2,49 10 ', (11)

где dt - средний эквивалентный диаметр частиц шлама, м. При грунннропанмн размеров частиц шлама но классам крупности с ¡шгерпалом 0,1 мм установлено, что распределение имеет явно выраженный асимметричный вид. Пртверка гипотезы о том, что распределение размеров частиц шлама, полученных, при резание, льда, подчиняется лоптрмалыюму закону, позволила установить, что вычисленное значение критерия Пирсона tie превышает предельно допустимого. Это позволяет сделать вывод о соответствии распределении размеров частиц шлама логнормальному закону.

4. Разработанные .методы оптимизации технологии бурения скважин но льду электромеханическими снарядами на гру-зпнееущем кабеле позволяют существенно г.овыспть эффективность бурения.

1« буянил глубоких скважин ш> льду в СПбГГИ разработан лонконып электромеханический ''нар«;!. KDMC-112, которым нробу-но -qui скважины па леднике Вавилова и глубокая скважина на лндин Восток в интервале 2128,5-2510,4. В последнем случае ми достигнуты сле;утощие технологические показатели: ханическал скорость бурения - 12,5 м/ч, рейсовая проходка - 2,Г>7 средня)! ско|юсть спуска - 0,С9 м/с, средняя скоростт. подъема -18 м/с.

ггнмшацня технологии бурения скважин в ледниках .четромсханнчсскимн снарядами па грузс.несущем кабеле позволяет брать нз множества разнообразных действий и мероприятий, 1ППОЩИХ процесс сооружения скважины, только тс, которые ?спечнв!нот наилучшее для конкретных условий состояние >цесеи бурения.

качестве критерии оптимизации предлагается критерий кимальпого времени нрочодки, который выра;кается в достижении юным снарядом конечной глубины за наименьшее время:

T=îl^-îtr+ Î С ==> min, (12) ы ;=i i=t

Т - общее время, затрачиваемое на coopj;i;einic скважины; • <5 х '

, l-t - оо:цее время, затрачиваемое непосредственно на углуоку

а:кпны; Z /¿' - o6iii.ee время, затрачиваемое па î=Î

ско-кодьемпыс операции; Ь - оощее время, затрачиваемое

¡--1

(сномогатсльпые операции; m - число рейсов, лнз этого уравпення показа1!, что критерий мшммалышш «епн проходка не имеет явно выраженного экстремума в ¡(■дуемом диапазоне изменения механической скорости бурении, .'овой проходки и среднее скорости снуско нодымт.'л операций, учетом конкретных условий бурения скважин в ледниках слепы следующие целесообразные .niaviria факторов, ibHHCHiie которых практически ne влияет на суммарное время •пня; механическая скорость бурения - 70 м/ч: рейсовая шдка - 3 л» при конечной глубин'- скважины 500 м, ;> при 1 м, U M ври 200'.) м, 15 м при -1000 м; средняя еко|ють коподьемпых oui раций ■ 1 м/ч.

н.чши достигнутых показателей бурения снерндом K.').\K.-I ¡2 в фктиде существенно пнже этих н;пеинн.

Увеличение механической скорое".»! бурения снарядом КЭМС-!15 достигается путем погашения рффсктишюстн удаления и сбор! шлама. Для этого и конструкцию снаряда предложено внести ря; технически.* усопсршенстлоышпй, позволяющих снизил гидравлические сопротивления и увеличить перепад давлений 1 циркуляционной системе снаряда.

Повышение рейсовой щюходкн достигается путем увеличения длины колонкового набора, которая,в свою очередь,ограничивается высотой используемой буровой вышки. 'Гпк, высота вышки, используемой 1 Антарктиде на станции Восток, позволяет вести бурение снпрядо.\ КЭЛ1С-112 с максимальной рейсовой проходкой, рапной 4 м. Увеличение длины рейса при бурении . шнекоиы.м! электромеханическими снарядами с сохранением общей длннь снаряди возможно нрн помощи различных устройств увеличивающих объемную плотность шлама в шламосборннке например, путем механического уплотнения итн распливлення шлам; (оба уст|юйсгва защищены ангорскими свидетельствами). Увеличение средней скорости снуско-нодьсмных оиерацш достигается путем регулирования радиал1.пого задора межд; наружной новерхност'ыо бурового снаряда и стенками скважины. 1 качестве одного из путе!!, решения этой проблемы гозможп; проектирование ступенчатой конструкции скважины. С целыо нолчержания оптимального технологического режим; бурения скважин электромеханическими снарядами на грузонесуще: кабеле и предотвращения аварийных ситуаций разработан! нрннцнны контроля и шггомнтичсского управления процссеог бурекпя. В частности, для обеспечения работы буровиг оборудования без вмешательства онерап>ра СП61ТП ршработаш системы atrro.MaTH4eei.-oii подачи бурового снаряда в процесс бурения, автоматического регулирована воспринимаемо!' распорным устройством мимента и автоматическою спуска снаряд на забой екг.ажнпы. Основные элементы системы контроля управлении изготовлены и испытаны при бурении глубоких скважп в Антарктиде, что позволило существенно повысить эф<|юктивпост бурения. 'Гак, средзна скорость спуска буревого снаряда нр использовании агл-.»\1.1П1 спуска увеличилась на 10%. Эффективность разработанных 1! данной работе метод»» оптимизации определена п\тсм расчета увеличит производительности бурения, которая при неизменных значения коэффициента нспотьзовапня и продолжительности см»1!!, возрастает на ¡¡-1%,

опщнв ВЫВОДЫ II РШЮМШТДЛЦНП

1. Режимы механического вращательного бурении льда, конструкции и геометрии нородорпзрушашщего инструмента, нрнменке-.

мыс при проходке скважин н ледниках, изменяются в широком диапазоне. Значительные расхождения между теоретическими и экспериментальными данными по разрушению льда резанием с|н(детсльстнукгг о неадекватности аналитических зависимостей и несовершенстве методик технического проектирования механического бурении скаажин по льду.

2. Аналитическая зависимость, получении» из положения, чго ог-деленис элемента массива при резании происходит при инициировании трещины нормального отрыва за счет г.иупроннпх ¡1 внешних нсточннко» растягивающих напряжений, позьоляет определить силу резании, иозникшон^ую на резцах породоразрушающего инструмента при вращательном бурении льда, и ааписнмости о г глубины резания, длины образуемо!! трещины скола, геометрических характеристик режущего инструмента н свойств разбури пасмою льда. Результаты исследовании параметров разрушения льда при вращательном бурении на экспериментальном сгепде в сопоставлении с аналитической заг.исимоетью указывают на их удовлетворительное качественное и количественное совпадение в практически реализуемом диапазоне глубин резания, что позволяет рекомендовать полученные зависимости для практического использования.

•7. Распределение размеров частиц шлама, полученных при резанни льда, соответствует лошормалмкжу закону. Пкспсрнментальиан зависимость среднего эквивалентною диаметра образуемых частиц (¡¡.лама и объемной плотности шлама и фильтре шла.мосборннка от глубины резания позволяют провести уточненные расчеты систем удаления и сбора шлама.

4. Предложенный .метод проектирования технологии бурения скаажин во льду электромеханическими снарядами на грузопесущем кабеле позволяет осуществить выбор типа приводного электродвигателя, определить мощность, необходимую для бурения, установить рациональные параметры режима бурения и системы анкеровки забоиною привода. Рекомендации но еоверженстзошшню технологии бурении скиажпи ■•олонховым электромеханическим снарядом КЗМС-П2 будут использованы при бурении глубокой скважины на ст.Восток.

5. Эффективность разработанных методом оптимизации технологии бурении сквлжпп ио льду электромеханическими снаряда,мн па

грузонесущем кабеле определяется обеспечением минимального времени проходки.

6. Перспективы дальнейшего совершенствования техники н технологии бурения скважин во льду снизаны с решением следующ-

щих научно-нрактнчееккх задач:

- продолжение теоретических и экспериментальных исследовании устойчивости ствола глубоко'' скважины, пробуренной во льду, н совсршенстиопанне комплекса мероприятии, направленных на централизацию влияния сужения ствола скважины на процесс бурения;

- разработка новых технических средств для бурения скнажнн по льду (например, электромеханических снарядов на грузонесущем кабеле с прнзабойной циркуляцией ежптым воздухом);

- продолжение работ но исследованию процесса бурения под-ледпнкопых горных пород н созданию падежных технических средств н технологии проходки зоны контакта ледника с ложем.

Основные положения диссертации опубликованы о следующих работах:

1. Бурение скважин в снежно-фирновых п ледовых толщах за рубежом/ Техника, технол.н организация геол.-развед.работ: Обзор.-М.: ВИЭМС, 1991.- 57 с. (Соавторы: Иудряшов Б.Б., Чистяков В.К.).

2. Оптимизация процесса разрушении льда резанием// Зап. ЛГИ.-1991.-Т. 125. - С. 108. (Соавторы: Васильев Н.И., Чистяков В.К.).

3. Теоретические исследования режп.ма разрушения льда при резании единичным резцом/ Тез.докл.Второго Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях, Санкт-Петербург, 2-7 июня 1992 г. - СПб.: СП6ГП1.1992,- С.114.

4. Техника и технология бурения скважин п ледниках элск-. тромсханнчсскнмн . снарядами на грузопссущсм кабеле/ Тез. до1сл. Юбилейной научи.конф:, посвященной 100-летню со дня рождения Ф.Д.Шамшека, Санкт-Петербург, 7-8 октября 1993 г. -СПб.: СПбГГН, 1993. - С.16. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Васнлыв П.П.).

5. Бурение неглубоких скважин я ледннкпх // Материалы ляциологичсских исследовании.- 1903. - Вып.77. - С.74-77. (Со-штпрм: Васильев U.U., Жигалев С.П., Зуйков В.М., Чпетякои

(i. О разрушении льда при вращательном буренки// Совер-ненстышапие техники и технологии бурения скважин па твердые юлезные иеконае.мые. Вьнг. IG: Межвуз.научи.темат.сборннк. • ¡к.тгсринбург: УП1, 1993.- C.9I 97.

7. Л,е. 110715 5 (СССР). Пуровон снаряд.- Заявл. 19.12.8« 4КШ10/22-03). - Опубл.в IUI, 1989, № II. (Соавторы: Васильев (.11., Уфлсв В.В.).

8. A.c. I7100G7 (СССР). RypoBoii снаряд. - Злянл.07.09.89 4734041/03).- Он>Г>л.в Uli, 1992, Av 8. (Соавторы: Васильев H.H., ¡пешкой В.К.).

9. A.c. I7ÜI93 I (СССР). IJypor.oii снаряд. - Злипл.01.09.89 1733525/03). - О публ. в IUI. 1992, № 34. (Соаитор:Чпстяков .1С.).

10. KEMS-1I2 Eicclromcclmnical ice core dr¡ll//Memo¡rs of alional Institute of Polar НемчисМ (Japiui).- 1991.- Spec.Issue No 19. P. 133-152. (Co-nulliors: Kmirynsliov B.B., Vasiliev N.I.),

i.K).