Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Технологические параметры режима ударно-канатного бурения

11.05.2019

Основными параметрами режима ударно-канатного бурения являются: вес рабочей части бурового снаряда Qб.с; высота сбрасывания снаряда 5; шламовый режим, характеризующийся плотностью рш и высотой столба lш зашламованной жидкости в призабойной части скважины; частота п и число ударов т, необходимых для углубления скважины на величину h, а также величина подвески долота над забоем l.

Вес снаряда при подборе (расчете) параметров режима бурения, необходимый для эффективного разрушения породы, может быть определен теоретически, исходя из того, что энергия удара расходуется на деформацию (сжатие) самого снаряда X и разрушение породы на глубину h. Полагая, что при ударе и внедрении долота в породу сила удара P расходуется в равной степени на деформацию снаряда и разрушение породы, можно записать
Технологические параметры режима ударно-канатного бурения

Или, заменив E ее значением из выражения (24.6), получим

Находим вес бурового снаряда:

Как известно, величину деформации стержня под действием продольной нагрузки определяют выражением

где Р — сила удара; L — длина рабочей части снаряда, подвергающегося сжатию при ударе; Е — модуль продольной упругости (E = 2*10в6); Fср — среднее сечение бурового снаряда.

Подставляя в формулу (24.9) значения Л и Р, определяем вес снаряда

За среднее значение сечения снаряда принимают сечение ударной штанги, имеющей диаметр Dу.ш. Следовательно,

Диаметр ударной штанги подбирают, исходя из диаметра скважины:

Подставив выражение (24.14) в формулу (24.11), получим

Таким образом, задавшись реальной глубиной внедрения h долота определенного диаметра D, с учетом сопротивления породы разрушению o и значений других параметров можно для конкретных условий определить ориентировочный вес бурового снаряда.

Практическая реализация расчетного веса снаряда делается за счет длины и диаметра его элементов — в первую очередь ударной штанги. Однако при этом есть определенные ограничения. Дело в том, что с увеличением диаметра ударной штанги связана необходимость увеличивать диаметр скважины и, следовательно, диаметр долота, что влечет за собой рост площади забоя, расходуемой на разрушение породы энергии и материальных средств. Увеличение же длины снаряда снижает его жесткость и увеличивает напряжения сжатия в нижней части снаряда, что может приводить к чрезмерным деформациям элементов снаряда и их поломкам. Кроме того, рост длины снаряда ограничивается высотой мачты станка, которая определяется, исходя из конструктивных соображений и требований техники безопасности. Таким образом, реальный вес бурового снаряда определяют по формуле

где L — длина рабочей части снаряда, м; Fср — площадь поперечного сечения ударной штанги, м2; р — удельный вес стали, даН/м3. Площадь поперечного сечения ударной штанги

Подставив это выражение в формулу (24.16), получим возможную величину веса снаряда для конкретных условий

Диаметры скважины и соответственно долота определяют, исходя из назначения и конструкции скважины с учетом буримости (твердости) горных пород.

Руководствуясь необходимостью получения максимальной скорости бурения, следует с увеличением твердости пород увеличивать вес снаряда, что можно достичь при увеличении диаметра скважины, так как вес снаряда, как видно из выражения (24.18), пропорционален его квадрату. Ho при этом следует учитывать, что рост веса бурового снаряда влечет за собой необходимость применения более мощных, тяжелых и не очень мобильных буровых станков, что неприемлемо для условий проведения геологоразведочных работ.

Длину бурового снаряда подбирают в соответствии с высотой мачты H станка с учетом интервала возможного переподъема снаряда n = 0,4-0,6:

Тогда возможный вес снаряда

В случае реализации этой формулы следует учитывать потерю веса при погружении снаряда в зашламованную жидкость с плотностью рж. При этом

Практически при выборе параметров режима бурения пользуются величиной относительного веса q, определяемого отношением абсолютного веса снаряда к длине лезвия долота. Относительный вес снаряда в зависимости от свойств пород может иметь следующие значения: для мягких пород q = 15-30 даН/см; для пород средней твердости q = 30-50 даН/см; для твердых q = 40-70 даН/см и для очень твердых q = 60-90 даН/см. Исходя из этого, абсолютный вес снаряда определяется выражением

где D — длина лезвия (диаметр) долота, см.

Абсолютный (общий) вес бурового снаряда формируется за счет веса его элементов:

где qд — вес долота; qу.ш — вес ударной штанги; qр.ш вес нижней половины раздвижной штанги. Если раздвижная штанга в снаряд не включается, то вместо qр.ш берется qк.з — вес канатного замка.

Высота сбрасывания снаряда является одним из факторов, определяющих производительность ударного бурения. Чем больше эта высота, тем большую скорость приобретает снаряд и тем с большей силой наносит удар по забою, так как формирующаяся при этом энергия пропорциональна квадрату скорости [см. выражение (24.4)]. Ho при нанесении ударов по забою происходит и деформация снаряда. Очевидно, что при возникновении в отдельных звеньях снаряда напряжений, превышающих их прочность, в частности, в резьбовых соединениях, произойдет поломка одного из них. Это возможно допустить при условии, что при бурении в очень твердых породах внедрения затупившегося долота не происходит, а вся энергия идет на деформацию снаряда.

Исходя из допустимой (критической) величины напряжения продольного сжатия, возникающего при ударе, высота сбрасывания бурового снаряда S может быть определена выражением

где [осж] — допустимая величина напряжения сжатия.

При определении высоты сбрасывания снаряда (величины хода оттяжного ролика) S следует учитывать физико-технические свойства пород — твердость, упругость и трещиноватость. Руководствуясь установленной зависимостью, с увеличением твердости пород следует увеличивать высоту сбрасывания, но в пределах прочности снаряда для конкретных условий выражения (24.24).

При наличии трещин, пустот, слоистости, в особенности при чередовании наклонно залегающих слоев пород различной твердости, высоту сбрасывания уменьшают во избежание осложнений.

Рекомендуются следующие величины высоты сбрасывания снаряда: при бурении пород мягких и средней твердости — 0,5—0,8 м, твердых — 0,9—1,0 м, очень твердых — 1,1—1,2 м и трещиноватых — 0,9 м.

Частота ударов n, наносимых снарядом по забою существенно влияющая на эффективность ударного бурения, жестко связана с двумя факторами: высотой сбрасывания S и ускорением j падающего снаряда в жидкости, заполняющей призабойную часть скважины. Действие этих факторов накладывает определенные ограничения на частоту ударов. Действительно, чем больше высота подъема и сбрасывания снаряда, тем больше требуется времени на один удар и тем меньше может быть нанесено ударов в единицу времени. Увеличение же плотности жидкости ведет к снижению величины j и скорости падения снаряда, в связи с чем также увеличивается время его падения.

Движение бурового снаряда в скважине зависит, кроме того, от работы ударного механизма станка, в частности, от режима движения оттяжного ролика (см. рис. 24.1), при движении которого вниз из положения А в положение Б снаряд поднимается на высоту, равную величине хода оттяжного ролика S, а при обратном движении — падает. Скорость движения ролика при этом меняется синусоидально: вначале возрастает от 0 до максимума, а затем снижается вновь до 0 (см. рис. 24.1). При одинаковом пути перемещения оттяжного ролика и соответственно бурового снаряда время его подъема t1 больше, чем время падения t. В соответствии с этим скорость движения оттяжного ролика вниз меньше скорости движения вверх. Это связано с тем, что палец кривошипного механизма станка при движении ролика вниз описывает угол у1, а при движении вверх — угол у<у1 (см. рис. 24.1). Этим обеспечивается практически свободное падение снаряда на забой. В связи с тем, что в точке А ролик останавливается (v = 0) и меняет направление движения на обратное, канат 2, на котором подвешен буровой снаряд 1, будет тормозить движение снаряда в момент нанесения удара, что приведет к уменьшению силы удара.

Однако за счет растягивания стального каната 2 под нагрузкой и сжатия амортизаторов 3 в момент остановки оттяжного ролика в верхнем крайнем положении буровой снаряд наносит удар по забою, а долото углубляется в породу. Часть энергии при этом расходуется на растяжение каната и сжатие амортизаторов, что необходимо учитывать при определении веса бурового снаряда.

Таким образом, для нанесения одного удара по забою требуется время двойного хода оттяжного ролика tд.х = t1 + t. При этом условием свободного падения снаряда будет t1 больше t.

При частоте ударов в минуту n время, затрачиваемое на подъем и падение снаряда (в с),

При условии у1 больше у время движения оттяжного ролика вверх

Путь, пройденный снарядом за время t при начальной скорости движения v0 = 0, определяется выражением

Откуда время падения снаряда

Ho условием свободного падения снаряда является t1 больше t. Тогда можно записать

У легких буровых станков ударно-канатного бурения палец кривошипа движется практически с неравномерной угловой скоростью из-за меняющейся нагрузки на ударный механизм — максимальной при подъеме снаряда и минимальной при его падении (движении пальца кривошипа вниз). Это учитывается при расчете частоты ударов коэффициентом р, имеющим величину 0,90—0,95 в зависимости от степени неравномерности скорости движения пальца кривошипа. При равномерном движении ф = 1. Тогда окончательно будем иметь

Как видно, частота ударов зависит от ускорения падения снаряда в скважинных условиях и высоты его сбрасывания. В тех случаях, когда рекомендуется небольшая высота сбрасывания снаряда, следует увеличивать частоту ударов и наоборот.

Практически при бурении в мягких породах частота ударов в минуту составляет 58—60, в породах средней твердости 50—53, твердых 48—50 и в трещиноватых 50—53.

Число ударов снаряда по забою m, необходимое для полного разрушения породы по всей его площади на глубину А, зависит от угла поворота долота после каждого удара. Практически при бурении на канате поворот снаряда происходит самопроизвольно и бессистемно за счет канатного замка с вращающейся втулкой при растяжении каната во время подъема снаряда. Поэтому число ударов m всегда должно быть больше расчетного. Долбление обычно ведется на одной глубине до тех пор, пока снаряд не начнет «зависать», в связи с чем появляются рывки, действующие на ударный механизм. Это свидетельствует о необходимости удлинения каната (стравливания с барабана инструментальной лебедки) забоя. При этом долото (снаряд) может быть в подвешенном положении — лезвие находится на расстоянии l от забоя (см. рис. 24.1) — или опираться на забой (l = 0), но при натянутом или ослабленном канате. Ролик оттяжной рамы во всех случаях находится в верхнем крайнем положении. От величины подвески долота существенно зависит характер работы бурового снаряда и ударного механизма.

Если величина подвески снаряда будет больше рациональной, режим работы ударного станка резко ухудшается: подъем снаряда происходит с неравномерной скоростью, рывками, а падает он с торможением, и скорость к моменту удара будет меньше максимального ее значения. При этом снижается кинетическая энергия и уменьшается сила удара. Если величина подвески снаряда будет меньше рациональной или совсем отсутствовать, изменение скорости подъема снаряда происходит еще более резко, но без торможения в момент удара. Бурить из-за сильных рывков при подъеме практически невозможно. При рациональной подвеске бурового снаряда наблюдаются плавный подъем и падение без рывков. К моменту нанесения удара по забою скорость падающего бурового снаряда близка к максимальной ее величине.

Величину подвески бурового снаряда устанавливают в зависимости от характера проходимых пород, что определяет глубину внедрения лезвия долота, а также от эластичности амортизатора и удлинения бурильного каната.

Рациональная величина подвески бурового снаряда может быть определена выражением

где lп — величина подвески снаряда, см; l — суммарный прирост длины каната при ударе, зависящий от сжатия амортизатора и собственного удлинения бурильного каната, см; h — глубина внедрения лезвия долота, см.

Только при равенстве l = lп + h будет происходить согласованная работа ударного механизма станка и бурового снаряда. Величина l зависит от веса бурового снаряда, под действием которого вытягивается канат и сжимается амортизатор, и от качества и конструкции амортизатора. Сжатие амортизатора на 1 см приводит к увеличению l на 2 см. Кроме того, это увеличение зависит от диаметра и длины бурильного каната. Чем тяжелее снаряд, чем меньше диаметр и больше длина каната, тем больше величина его удлинения и тем больше должна быть подвеска бурового снаряда над забоем скважины.

Глубина внедрения долота в породу при ударе зависит от характера пород и силы удара. Чем мягче породы и чем сильнее удар, тем глубже внедряется долото и тем меньше должна быть подвеска снаряда. Если при этом глубина внедрения долота будет равна суммарному приросту длины каната, то подвеска снаряда отсутствует — долото устанавливается точно на забой скважины при натянутом канате. Чем меньше глубина внедрения долота, т. е. чем тверже породы, тем больше должна быть подвеска бурового снаряда.

При бурении в мягких рыхлых породах величина подвески составляет 0—0,5 см, в породах средней твердости — 1—3 см, в твердых — 4—6 см и в очень твердых — 5—7 см. В трещиноватых породах величина подвески равна 1,5—2 см. Контролируется этот параметр по характеру работы ударного механизма и натяжению или ослаблению каната.

Шламовый режим определяется спецификой ударного способа бурения, при котором удаление продуктов разрушения в процессе долбления происходит с помощью жидкости (воды), заполняющей призабойную часть скважины. Перемещающийся в скважине снаряд приводит жидкость в движение, за счет чего частицы породы переходят во взвешенное состояние. Плотность зашламованной жидкости по мере насыщения ее шламом увеличивается. Такое изменение характера жидкости двояко влияет на производительность бурения. С одной стороны, увеличение плотности повышает удерживающую способность жидкости, а с другой, — снижает скорость падения снаряда, в связи с чем ослабевает сила удара и появляются рывки, так как снаряд не успевает вовремя долететь до забоя. Производительность бурения при этом снижается. Также существенно снижаются скорость падения снаряда и эффективность ударного бурения при увеличении высоты столба зашламованной жидкости до 3—4 м. Поэтому для обеспечения нормальных условий бурения в скважину подливают воду, если нет естественного водопритока, а зашламовывающуюся жидкость периодически вычерпывают с помощью желонки, осуществляя чистку скважины.

Рекомендуется следующий расход жидкости на 1 м скважины: при диаметре скважины 150 мм — 20—30 л; при диаметре 200 мм — 30—50 л и при диаметре 250 мм — 60—70 л. Бурение в трещиноватых малоустойчивых породах следует вести с повышенной плотностью зашламованной жидкости во избежание обрушения стенок скважины. В особо сложных условиях рекомендуется забрасывать в скважину жирную глину из расчета 10—20 л на 1 м скважины.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: