ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В КОЛОННЕ БУРОВЫХ ШТАНГ ПРИ УДАРНО ВРАЩАТЕЛЬНОМ БУРЕНИИ СКВАЖИН В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. № 6
УДК 622.232.72
ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В КОЛОННЕ БУРОВЫХ ШТАНГ
ПРИ УДАРНОВРАЩАТЕЛЬНОМ БУРЕНИИ СКВАЖИН В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Л.А. Саруев, А.В. Шадрина
Томский политехнический университет
Email: avshadrina@rambler.ru
Проведен анализ результатов передачи энергии силового (ударного) импульса по колоннам буровых штанг ниппельного и муф
тового соединений в лабораторных условиях. Установлено относительное изменение амплитуды, длительности и энергии сило
вого импульса при его распространении по буровому инструменту.
В горнорудной промышленности все более ши и путей повышения эффективности передачи си
рокое и эффективное применение находят подзем ловых импульсов: теоретическое обоснование и
ные скважины малого диаметра. Без четкого пред выбор параметров бурильных труб, изучены недо
ставления волновых процессов в колонне буровых статочно полно, а также нет единого представле
штанг невозможно проводить научно обоснован ния о количественных потерях энергии импульса
ное совершенствование техники бурения скважин при прохождении через соединение штанг.
малого диаметра ударновращательным способом. Изучение динамики става буровых штанг в про
Формируемая бойком при упругом ударе продоль цессе нагружения ударом и изменения параметров
ная волна деформации переносит разрушающую ударного импульса при распространении его от
энергию к обрабатываемой среде. При распростра хвостовика к коронке проводилось на стенде,
нении волны деформации по буровым штангам и рис. 1. Стенд состоит из несущей фермы – 1, на ко
прохождении ее через соединения форма волны торой установлены бетонные блоки – 2 размером
изменяется (трансформируется), а энергия рассе 500×500×500 мм со сквозными отверстиями диаме
ивается. Вследствие этого необходим поиск тром 42, 56 и 70 мм, которые имитировали три па
средств и способов формирования в буровом ин раллельные искусственные скважины глубиной до
струменте продольных волн, которые позволяли 39 м. Осевое усилие подачи бурового инструмента
бы передавать по инструменту без его разрушения – 3 задавалось (от 0 до 12 кН) поршневым пневмо
энергию силового импульса с минимальными по податчиком – 4, который обеспечивал скорость
терями. В противном случае ударный узел может подачи до 10 м/мин. Нагружение продольным уда
стать «дробилкой» бурового инструмента, а не гор ром осуществлялось маятниковым копром – 5, а
ной породы. крутящий момент создавался рычагом с закреплен
Большой вклад в решение проблемы повыше ным на нем грузом (на рис. не показано).
ния эффективности передачи энергии силовых им Бурение производилось по гранитному блоку –
пульсов по составным упругим волноводам, что и 6 (крепостью f=14...16 по шкале проф. М.М. Про
представляют собой колонны бурильных труб тодьяконова), закрепленному винтовым домкра
(штанг), внесли работы О.Д. Алимова, Е.В. Алек том – 7. Для одиночных ударов использовались
сандрова, А.И Белова, В.Ф. Горбунова, Л.Т. Двор бойки, параметры которых приведены в таблице.
никова, К.И. Иванова, Г.М. Кашкарова, В.К. Ман Выбор параметров бойков производился с таким
жосова, Н.Ф. Медведева, А.П. Слистина, расчетом, чтобы можно было оценить влияние
В.И. Чирьева, И.Г. Шелковникова и других иссле длины и диаметра бойка на эффективность переда
дователей [1–4]. Однако стоит отметить, что неко чи энергии импульса и амплитуду сформирован
торые вопросы, связанные с разработкой способов ных импульсов.
Рис. 1. Стенд для исследования передачи энергии ударных импульсов по ставу штанг
140
Технические науки
Для анализа влияния конструкции колонны бу длине става 36 м, т. е. после прохождения через 35
ровых штанг на изменение амплитуды, длительно муфтовых соединений, составляет всего 34...36 %
сти и энергии силового импульса использовали: от энергии ударного импульса, зафиксированной в
штанги диаметром 33,5 мм, соединенные ниппеля 1,5 м от начала става штанг. Амплитуда импульса в
ми, а также штанги диаметром 32 и 40 мм, соеди этом случае снижается до 45 % от первоначальной.
ненные муфтами. При испытаниях став штанг по Поршень бурильной машины БУ70У (∅б=70 мм)
мещался в искусственную скважину длиной 39 м, формирует силовой импульс, энергия которого на
изготовленную из бетонных блоков. Проволочные 36 м става теряется наполовину. Энергия ударных
тензодатчики наклеивались на одну штангу, кото импульсов, сформированных в данном ставе штанг
рая поочередно устанавливалась в равномерно уда другими бойками, на той же длине составляет от 50
ленных друг от друга пяти точках става. После каж до 60 % первоначального значения.
дого удара бойка став штанг нагружался строго по Самый тяжелый боек из 6 бойков, принятых к
стоянным крутящим моментом: 367 и 265 Н·м для проведению экспериментов, показывает примерно
ставов с муфтовыми и ниппельными соединения равный коэффициент передачи для муфтового и
ми соответственно. ниппельного става штанг.
Отсутствие преимущества ниппельных соедине
Таблица. Параметры бойков ний штанг в этом случае можно объяснить высоки
Диаметр ∅б, мм 34 34 48 70 74 75 ми удельными нагрузками в ниппельном соедине
Длина lб, мм 330 700 450 309 255 450 нии. Предельной величины деформации става
Масса mб, кг 2,4 5 6,4 7,4 8,15 15,45 штанг с ниппельными соединениями неизбежно
включают определенный процент неупругой соста
На рис. 2, 3 приведены результаты исследова вляющей, что вызывает характерные для вязкого
ний относительного изменения амплитуды, энер трения потери энергии силовых импульсов, сфор
гии и длительности силовых импульсов по мере пе мированных мощным бойком. В этом случае общие
редачи их вдоль става штанг с ниппельными и муф потери энергии при прохождении импульсов через
товыми соединениями. ниппельные соединения могут быть равными и да
При передаче силовых импульсов по ставу штанг же выше, чем в муфтовом соединении.
с ниппельными соединениями более интенсивное Для оценки эффективности ниппельного става
снижение амплитуды и энергии импульсов проис штанг были проведены испытания в производ
ходит на первых 9 м става. При увеличении преду ственных условиях на Хайдарканском ртутном ме
дарной скорости бойков vуд с 5 до 7 м/с наблюдается сторождении (Кыргызстан). Став штанг с наруж
несколько большее снижение амплитуды (у 5 бой ным диаметром 33,5 мм изготавливался из стан
ков из 6) и энергии импульсов (у 4 бойков из 6). Сле дартных бурильных труб, в которых после высадки
дует отметить, что потери энергии импульсов на концов штанг вовнутрь на длину 100 мм нарезалась
внутреннее трение весьма незначительны. резьба круглого профиля с шагом 12 мм. С хвосто
Из рис. 2 видно, что при соединении штанг нип виком ударновращательного механизма штанги
пелями, полностью скрытыми внутри штанг, потери соединялись ниппелем, а с буровыми коронками –
энергии ударных импульсов, сформированных раз специальным переходником. На шахте «Новая»
личными бойками, изменяются на глубине скважи ниппельным ставом было пробурено 925 м разве
ны 36 м в пределах 25...30 % от первоначальной ве дочных скважин диаметром от 40 до 56 мм в креп
личины. Увеличение длительности ударных импуль ких породах глубиной более 50 м. Если ставом
сов при передаче их по ниппельному ставу значи штанг с муфтами невозможно было бурить нисхо
тельно ниже, чем у муфтовых, и не превышает 12 %. дящие скважины изза неудовлетворительной
Наибольшее увеличение длительности импуль очистки и зашламовывания скважин буровой ме
сов наблюдалось при передаче их по ставу штанг лочью, то при использовании ниппельного става
диаметром 40 мм (от 30 до 60 %). Коэффициент пе такой проблемы не возникало.
редачи ударных импульсов по данному ставу суще На Лениногорском полиметаллическом комби
ственно изменялся в зависимости от массы и кон нате (Казахстан) также успешно прошли производ
структивных параметров бойка. Максимальный ственные испытания ниппельного става из буриль
коэффициент передачи энергии импульсов на глу ных труб диаметром 42 мм. Механическая скорость
бине скважины 36 м обеспечивается при формиро бурения при использовании става с ниппельным
вании их бойком длиной 450 мм и диаметром соединением была до 50 % выше, чем при муфто
75 мм, т. е. самым тяжелым из принятых для экспе вом. Кроме того обеспечивалась лучшая по сравне
римента бойков. При предударной скорости бойка нию с муфтовыми соединениями промывка нисхо
7 м/с коэффициент передачи энергии составил дящих скважин.
около 81 %, а при предударной скорости 5 м/с – Ниппельный став штанг, на наш взгляд, может
74 %. Минимальный коэффициент передачи энер быть применен как для вращательного бурения
гии и амплитуды импульсов отмечен при нанесе подземных скважин малого диаметра на глубину до
нии ударов самым легким бойком (lб=330 мм, 100 м, например, станком БЖ45100Э, который из
∅б=34 мм, mб=2,4 кг). Так, энергия импульса на готавливает АО «Анжерский машзавод» (Кемеров
141
Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. № 6
Рис. 2. Относительное изменение амплитуды A, энергии W, длительности T силового импульса в ставе штанг диаметром
33,5 мм с ниппелями, резьба КП 25×12; Ai, Wi, Ti и A0, W0, T0 – текущие и начальные значения параметров
142Технические науки
Рис. 3. Относительное изменение амплитуды A, энергии W, длительности T силового импульса в ставе штанг диаметром 40 мм
с муфтами, резьба КП 38×12
143Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. № 6
ская область), так и для ударновращательного бу тров штанг, а также используемых в производ
рения при установке на станок ударного узла. стве конструкций соединений: ниппельного и
Предлагаемая конструкция ниппельного става, муфтовых) на процесс передачи энергии сило
защищенная в 2005 г патентом РФ, с большим эф вых импульсов по колонне буровых штанг.
фектом может использоваться также на других 2. Разработанные конструкции ставов штанг по
станках (СБУ50Э, КБУ80 и КБУ1), которые име зволяют передавать около 70 % энергии удар
ют достаточно мощные ударные узлы и применяют ных импульсов от машин на забой 25...30ме
ся в настоящее время для бурения подземных сква тровых скважин.
жин малого диаметра [5]. 3. К числу перспективных конструкций соединений
буровых штанг можно отнести ниппельное, кото
Заключение рое обеспечивает сравнительно высокий коэффи
1. В результате эксперимента получены графиче циент передачи энергии ударных импульсов, а
ские зависимости, показывающие влияние раз также значительно лучшую, чем при муфтовых
личных факторов (массы и формы бойка, его соединениях, промывку нисходящих скважин.
предударной скорости, геометрических параме
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 3. Иванов К.И., Латышев В.А., Андреев В.Д. Техника бурения
1. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э. Удар. Распро при разработке месторождений полезных ископаемых. –
странение волн деформаций в ударных системах. – М.: Наука, 3е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1987. – 272 с.
1985. – 357 с. 4. Шелковников И.Г. Использование энергии удара в процессах
2. Горбунов В.Ф., Саруев Л.А., Чирьев В.И. и др. О причинах сни бурения. – М.: Недра, 1977. – 160 с.
жения эффективности ударноповоротного бурения состав 5. Климентов М.Н., Федоренко И.Н., Экдышман А.С. Совершен
ным буровым ставом // Технический прогресс в машиностро ствование техники и технологии бурения скважин ударновраща
ении. – Томск, 1972. – С. 278–281. тельным способом // Горный журнал. – 2004. – № 5. – С. 32–35.
УДК 621.923
КРУЧЕНИЕ ПРИЗМАТИЧЕСКОГО БРУСА, ПРОДОЛЬНО ОСЛАБЛЕННОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ
ПОЛОСТЯМИ С УЧЕТОМ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Р.К. Калбиев
Азербайджанский архитектурностроительный университет, г. Баку
Email: elektroset@box.az
Исследовано кручение призматического бруса двухсвязного поперечного сечения, ограниченного снаружи квадратом или изну
три контуром, близким к окружностям. При кручении призматического бруса, продольно ослабленного цилиндрическими по
лостями по окружности, внутри наружного контура сечения призмы (квадрата) и при кручении кольцевого бруса при равном ди
аметре, касательные напряжений одинаковы. В таком случае геометрические параметры внутреннего контура более существен
но влияют на напряженное состояние бруса, чем наружные.
В ранее опубликованных работах [1] дается из ся на разложении вспомогательной функции в ряд
ложение СенВенана, а затем изучаются брусья из по степеням параметра, характеризующего частич
разнородного материала, столь важные для железо но геометрические размеры сечения и главным об
бетонных сооружений, по совершенно новым ме разом сравнительную близость одной из его границ
тодам, впервые развитым Н.И. Мусхелишвили. В к другой. В [3] на основе методов теории функции
работах Д.И. Шермана [2] был указан прием, допу комплексного переменного и конформного ото
скающий эффективное рассмотрение задач круче бражения рассмотрены и решены задачи теории
ния призматических тел, поперечные сечения ко упругости для неодносвязных областей изотро
торых являются двухсвязными областями некото пных и анизотропных материалов. Впервые на ос
рого вида. Этот прием основан на введении по ус нове энергетического метода А.А. Гриффитс решил
мотрению на какойлибо одной из кривых, ограни задачу о необходимой величине предельной разру
чивающих сечение, вспомогательной функции, для шающей нагрузки для бесконечной однорядной
определения которой строится затем интегральное пластины с прямолинейной микроскопической
уравнение Фредгольма. Последнее решается по трещиной заданной длины в случае, когда пласти
следовательными приближениями, базирующими на растягивается.
144Вы также можете почитать
