Совершенствование конструкции инструмента при шнековом бурении протяженных скважин с учетом физико-механических свойств грунтов

Аннотация. В данной публикации проанализирована возможность развития механизмов, методов и инструментов процесса разрушения горных пород. В частности, скважин, имеющих протяженный ствол. Чтобы поставленная задача была решена грамотно и оперативно, рекомендуется ввести новейшие инструментарии для осуществления бурения горной выработки в земле. К примеру, предлагается использовать инструменты, которые опускаются в скважину в собранном виде и характеризуются внушительным диаметром с поинтервальным разбором горных пород, подвергшихся бурению.

Ключевые слова: бурение, скважина, инструмент. 

Для установления нормального режима сооружения направленной горной выработки в земле с помощью комплекса инструментов, опускаемых в скважину в собранном виде, необходимо проанализировать ряд факторов. Речь идет о факторах, которые полностью могут координироваться специалистами, отвечающими за процесс бурения скважин. В первую очередь, это факторы технологического и технического характера:

• удаление пылевых и мельчайших частей из поверхности горной породы, расположенной в скважине;
• загруженность плотничного инструмента для долбления:
• число повторений круговых движений механизма;
• действия спуско-подъемной направленности;
• перемещение разрушенной горной породы.

Для разработки грамотного решения поставленной задачи рекомендуется выработать систему оптимизационных критериев, применимых для улучшения инструментов бурения скважин. Причем критерии должны принимать в расчет различные факторы бурения (технические, геологические, технические).

К таким оптимизационным критериям относятся следующие:

• максимум интенсивности разрушения горных пород (Vmex);
• максимум величины углубления скважины в рейсе за время (Vp);
• максимум расхода долота на бурение скважины (H);
• максимум эффективности сменного характера (П);
• минимум цены одного метра разрушения горных пород (Cm);
• улучшение степени качества горной породы из скважин.

Чтобы обеспечить результативность выработки вышеперечисленных оптимизационных критериев разрушения горных пород, рекомендуется улучшить определенные характеристики бурения.

В первую очередь, необходимо обратить внимание на такие характеристики, как загруженность плотничного инструмента для долбления (P), число повторений круговых движений механизма (n), действия спуско-подъемной направленности и средняя проходка за рейс (Lp). Чтобы усовершенствовать представленные характеристики, нужно использовать в геологическом исследовании новейший комплекс бурового оборудования и сооружений, который снабжен таким инструментарием, как келли-штанга (рисунок 1).

Рисунок 1. Механизм келли-штанги

Обратимся к понятию келли. Это механизм, который состоит из двух или трех келли-штанг, имеющих несколько звеньев. Нельзя не отметить, что келли-штанга обладает исключительно одной штангой внешнего плана.

Рассмотрим, что из себя представляет процесс сооружения направленной горной выработки. Итак, момент силы и стремление подачи переходят от штанги внешнего плана к внутренней. Диаметр и расстояние разрушения скважины определяются тремя моментами:

• совершенствование устройства для вращения момента силы;
• протяженность применяемой келли-трубы;
• высота мачты бурового сооружения [1,2].

Применение келли-трубы исключает возможности утраты разрушенной горной породы из инструментов, опускаемых в скважину в собранном виде при операциях подъемной направленности. Это обеспечивается вследствие неторопливых и умеренных перемещений больших металлических стержней к внешним. В свою очередь, старые буровые оборудования и инструменты не отличаются плавными действиями, что вызывает потерю разрушенных горных пород из инструментов, опускаемых в скважину.

Продуктивное перемещение разрушенной горной породы из буровых механизмов обеспечивается грамотной комплектацией бурового оборудования. Другими словами, буровое сооружение должно быть оборудовано поворотной конструкцией. Она гарантирует безопасность работ различного характера, которые характеризуются возможностью попадания выбуренной горной породы в скважину из инструмента, который опускается в скважину. Такие неприятности случаются и при осуществлении работ вспомогательной направленности. Например, ликвидация повреждений буровых оборудований.

Анализ и исследование процесса шнекового перемещения выбуренной горной породы при сооружении направленной горной выработки в земле осуществляется значительным числом исследователей и ученых. Но раскрыть все основные результаты, полученные в рамках исследований, в пределах одной публикации не представляется возможным.

Опыт разрушения горных пород с помощью стержней со сплошной винтовой поверхностью вдоль продольной оси, а также результаты исследовательских работ показали, что общий суммарный момент силы сопротивления M_å складывается из следующих компонентов:

• сила сопротивления поступательному движению всех резцов инструмента, предназначенного для разрушения горных пород и образования скважин;
• сила трения выступа стержня со сплошной винтовой поверхностью вдоль продольной оси и выбуренной горной породы о поверхность скважины;
• увеличение величины наполнения шнека (k), что приводит к сильному возрастанию силы трения горной породы о стенки шнека (F_mG).

Причем все это влияет на сопротивление как в органе исполнительного плана, так и на приводном вале устройства, предназначенного для вращения бурового оборудования. Такое устройства должно быть обеспечено дополнительной энергией и числом повторений круговых движений механизма. Однако при этом необходимо сократить интенсивность разрушения горных пород.

Основной принцип улучшения результативности бурения шнековым способом – полное соответствие условий перемещения горных пород и интенсивности разрушения пород (V_mex). Другими словами, величина выбуренной горной породы должна полностью соответствовать перемещающей способности шнека. Введем обозначения:

• Q_б – объем горной породы, которая доставляется на механизм шнека;
• Q_ш  - объем выработки шнека.

Если Q_б > Q_ш, то это приведет к склеиванию горных пород на устройстве. Это, в свою очередь, повлечет за собой образование сальникового уплотнения. Таким образом, произойдет остановка процесса перемещения горных пород.

 Список литературы:

1. Болдырев Г.Г. Полевые методы испытаний грунтов (в вопросах и ответах). Саратов: РАТА, 2013. 356 с.
2. Игнатова О.И. Исследование корреляционных связей модуля деформации четвертичных глинистых грунтов разного генезиса с удельным сопротивлением при статическом зондировании // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2014. № 2. С. 15–19.
3. Согин А.В, Согин И.А., Шапкин В.А. Математическая модель шнекового рыхлителя для разработки донных отложений // Веб-сайт фирмы «Сапропель». Раздел «Новости и статьи». Нижний Новгород, 2013. sapropel.info›news/news-10.doc.