Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методология проектирования адаптивных вращательно-подающих органов буровых станков и технологий их применения в сложноструктурных породных массивах

Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,

6.2. Исследование повышения ресурса бурового инструмента и деталей исполнительного органа при адаптивном реагировании ВПО

Непосредственно в процессе бурения скважины, свойства пород в массиве изменяются. Поэтому максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка становится величиной переменной. Соответственно изменению показателя буримости и структуры массива по мере углубления долота меняется максимально допустимое усилие подачи. В современных отечественных и зарубежных буровых станках исключить внезапную ударную нагрузку практически невозможно. На изменение свойств породы уже позже реагирует машинист. Поэтому для предотвращения разрушения опор шарошечных долот вследствие единичного удара, машинист заранее устанавливает заниженное усилие подачи. Величина заниженного усилия подачи определяется опытным путем индивидуально машинистом. Эта величина всегда меньше значения, которое можно определить из выражения (5.15).

Электромагнитный линейный привод подачи [59, 72] сглаживает все гармоники ударной нагрузки длительностью более 0,01 с при прохождении долотом трещин и пограничных зон пород с разной крепостью. Процесс образования и наложения гармоник ударной нагрузки показан на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Процесс образования и наложения гармоник ударной нагрузки в процессе бурения сложноструктурного массива шарошечными долотами

В случае применения в качестве адаптивного механизма подачи бурового станка линейного трехфазного электродвигателя с частотой напряжения сети 50 Гц, гармоники ударной нагрузки, длительностью более 0,01 с сглаживаются. При этом амплитуда сглаженной гармоники ударной нагрузки зависит от времени распространения импульса удара от места контакта зуба с породой до поверхности тел качения шарошки [76].

(6.5)

где l – путь, пройденный ударным импульсом, м; E – модуль упругости материала, по которому распространяется ударный импульс, Па; ρ – плотность материала, по которому распространяется ударный импульс, кг/м3.

В связи с этим конструкция, материал шарошки, длина и материал зубьев непосредственно оказывают влияние на время распространения ударной волны. По результатам расчетов с применением выражения (6.5), для отечественных долот, диаметром 244,5 мм, с твердосплавными зубьями время распространения ударной волны приблизительно равняется 30 мкс (рис. 6.4). Для долота, диаметром 244,5 мм, с фрезерованными зубьями время распространения ударной волны увеличивается до 46 мкс.

В определенном масштабе форма ударной волны может быть представлена в виде сегмента окружности, как показано на рис. 6.4. Тогда по оси ординат отложена относительная величина удельной относительной энергии W, преобразуемой в механическую в данный период времени. Угол φ показывает одинаковую скорость нарастания удельной относительной энергии в начале удара. Энергия удара представлена в виде площади фигуры, ограниченной дугой окружности с центром O, радиусом R и хордой t, лежащей на оси абсцисс.

Рис. 6.4. Процесс распространения ударной волны и сглаживание при ее длительности более 0,01 с

При осуществлении подачи рабочего органа на забой линейным асинхронным двигателем, энергия поглощается электромагнитной связью, и ударная волна сглаживается в течение 10 мкс. Таким образом, энергия, преобразованная в механическую, показана на рис. 5 в виде площади фигуры, ограниченной дугой окружности с центром O1, радиусом R1 и хордой t1, лежащей на оси абсцисс. Угол φ, образованный касательной к дугам, исходящей из начала координат и осью абсцисс, одинаковый для обоих описанных случаев, поскольку в начальный момент времени t = 0 мощность ударной волны зависит только от усилия, скорости подачи рабочего органа на забой и физико-механических характеристик горной породы. С физической точки зрения угол φ показывает соотношение кинетической энергии, придаваемой рабочему органу бурового станка и энергии, необходимой для разрушения породы и продвижения долота с установившейся линейной скоростью. Отсюда, выражение для относительной величины энергии ударной волны без адаптивного привода подачи рабочего органа

(6.6)

где Eуд – относительная величина энергии ударной волны при взаимодействии бурового инструмента с горной породой; t – время распространения ударной волны без адаптивного привода, мкс.

Выражение для относительной величины энергии ударной волны с подачей рабочего органа бурового станка адаптивным приводом

(6.7)

где t1 – время распространения ударной волны с подачей рабочего органа бурового станка адаптивным приводом, мкс.

Увеличение допустимого усилия подачи рабочего органа будет определяться отношением относительных величин энергий, определяемых из выражений (6.6) и (6.7).

Таким образом, если пренебречь инерционными свойствами бурового става, при подаче рабочего органа адаптивным приводом максимально допустимое усилие подачи рабочего органа бурового станка определяется из допустимых нагрузок на тела качения шарошечных долот, а также отношения энергии ударной волны с подачей рабочего органа бурового станка адаптивным и неадаптивным приводом. С учетом выражений (2.16), (6.6) и (6.7) допустимое максимальное усилие подачи при бурении сложноструктурных породных массивов при помощи адаптивного вращательно-подающего органа

(6.8)

где  – допустимое усилие подачи рабочего органа адаптивным вращательно-подающим механизмом

Частота вращения при бурении сложноструктурного массива горной породы с применением адаптивного привода может быть найдена из выражения

(6.9)

Исходя из представленных выражений, ударная составляющая в выражении (2.16) уменьшится. Напряжение в телах качения

(6.10)

В случае применения адаптивного привода подачи и бурения трехшарошечным долотом с твердосплавными запрессованными зубьями, максимально допустимое усилие подачи может быть увеличено на 30–35 %. При бурении долотом с фрезерованными зубьями, максимально допустимое усилие подачи может быть увеличено на 35–40 % в связи с большим вылетом зуба и временем прохождения ударной волны. Приблизительно на такую же величину может быть увеличена техническая скорость бурения в случае применения адаптивного электрического привода, по отношению к станкам, оснащенным жестким гидравлическим приводом подачи рабочего органа.

Стойкость трехшарошечных долот можно определить с помощью выражения (2.19)

С учетом выражений (6.8)–(6.10) получены зависимости стойкости трехшарошечных долот в зависимости от показателя буримости, слоистости и трещиноватости (рис. 6.5).

На рис. 6.5 маркером ● обозначена зависимость для однородной породы (кривая 1). Маркером ▬ обозначены зависимости для слоистых пород. Кривая 2 получена для следующих характеристик породы: количество слоев породы на один погонный метр скважины nсл = 10 м–1; средняя разница показателя буримости смежных слоев в массиве горной породы ΔПб = 2. Кривая 3 получена при nсл = 10 м–1, ΔПб = 4; кривая 5 – при nсл = 20 м–1, ΔПб = 2; кривая 7 – при nсл = 20 м–1, ΔПб = 4. Маркером ▲ обозначены зависимости для трещиноватых пород. Кривая 4 получена при количестве трещин на один погонный метр скважины nтр = 10 м–1; Кривая 9 – при nтр = 20 м–1. Маркером ♦ обозначены зависимости для массивов горных пород, которые характеризуются и слоистостью и трещиноватостью. Кривая 6 построена при nтр = 10 м–1, nсл = 10 м–1 и ΔПб = 2; кривая 8 – при nтр = 10 м–1, nсл = 10 м–1 и ΔПб = 4; кривая 10 – при nтр = 10 м–1, nсл = 20 м–1 и ΔПб = 2; кривая 11 – при nтр = 20 м–1, nсл = 10 м–1 и ΔПб = 2; кривая 12 – при nтр = 10 м–1, nсл = 20 м–1 и ΔПб = 4; кривая 13 – при nтр = 20 м–1, nсл = 10 м–1 и ΔПб = 4; кривая 14 – при nтр = 20 м–1, nсл = 20 м–1 и ΔПб = 2; кривая 15 – при nтр = 20 м–1, nсл = 20 м–1 и ΔПб = 4.

а б

Рис. 6.5. Стойкость буровых долот с твердосплавными зубьями в зависимости от значения показателя буримости [4]:а – кривые для жесткого (гидравлического) механизма подачи; б – кривые для адаптивного механизма подачи бурового станка

Таким образом, при бурении породных массивов со средней трещиноватостью и слоистостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается более чем в 2 раза. При бурении горных массивов с высокой слоистостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается до 65 %. При бурении горных массивов с высокой трещиноватостью буровыми станками с адаптивным вращательно-подающим механизмом стойкость трехшарошечных долот увеличивается более чем в 5 раз.