способ бурения скважин в мягких породах

Формула изобретения

Способ бурения скважин в мягких породах, включающий вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его принудительную подачу на забой скважины с последующим регулированием скорости подачи става в процессе бурения посредством изменения режимных параметров, отличающийся тем, что бурение производят с заданной скоростью подачи V_п, м/с, причем значение скорости определяют перед началом бурения по формуле



где D_ш - наружный диаметр шнека, м; d_т - диаметр трубы шнека, м; Н - шаг спирали шнека, м; - толщина спирали шнека, м; D_к - диаметр режущего инструмента, м; К_р - коэффициент разрыхления породы; n - частота вращения бурового става, с^-1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно, к способам бурения скважин в мягких породах шнековым буровым ставом.

Известен способ бурения скважин в мягких породах, включающий вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его свободную подачу на забой скважины под действием собственного веса вращателя и самого става с последующим ограничением скорости подачи става при осложнениях в процессе бурения (см. стр. 41 Катанов Б.А., Сафохин М.С. Станки вращательного бурения на угольных разрезах. - М.: Госгортехиздат, 1960.-147 с.).

Недостаток данного способа бурения заключается в том, что при бурении мягких пород скорость свободной подачи шнекового бурового става на забой скважины не постоянна и может резко увеличиваться по ряду причин, например, при выходе бурового шнекового става из более крепких пород в более мягкие, приводя к нарушению процесса транспортирования буровой мелочи по винтовой спирали шнека. Это способствует образованию "пробок" из спрессованной буровой мелочи между соседними спиралями шнека, на расштыбовку которых тратится много времени, что приводит к снижению производительности бурения, повышенному износу спирали шнека, расходу энергии.

Наиболее близким к изобретению является способ бурения скважин в мягких породах на карьерах, включающий вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его принудительную подачу на забой скважины с последующим регулированием скорости подачи в процессе бурения посредством изменения режимных параметров (см. стр. 18, 51, 77. Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист бурового станка на карьере. - М.: Недра, 1984. - 308 с.; стр. 123. Вороновский К. Ф. Горные, транспортирующие и стационарные машины. - М.: Недра, 1985.-320 с.).

Недостаток данного способа бурения заключается в том, что рациональную скорость подачи шнекового бурового става на забой скважины не определяют перед началом бурения, а подбирают в процессе бурения по экстремальным показаниям контрольных приборов, что существенно усложняет процесс бурения. При заниженной скорости подачи става на забой снижается производительность бурения, увеличивается износ спиралей шнека, расход энергии и т. п. При завышенной скорости подачи шнекового бурового става последний не успевает транспортировать разрушенную породу и заштыбовывается со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Изобретение направленно на повышение эффективности шнекового бурения скважин в мягких породах путем исключения заштыбовки бурового става.

Это достигается тем, что при реализации способа бурения скважин в мягких породах, включающего вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его принудительную подачу на забой скважины с последующим регулированием скорости подачи става в процессе бурения посредством изменения режимных параметров, бурение производят с заданной скоростью подачи V_п,м/с, причем значение скорости определяют перед началом бурения по формуле



где D_ш - наружный диаметр шнека, м; d_т - диаметр трубы шнека, м; Н - шаг спирали шнека, м; - толщина спирали шнека, м; D_к - диаметр режущего инструмента, м; К_р - коэффициент разрыхления породы; n - частота вращения бурового става, с^-1.

Вывод расчетной зависимости для рациональной скорости подачи V_n, м/с шнекового бурового става основан на обязательном согласовании величины подачи инструмента S (м/об) за один оборот с возможной производительностью шнека и установлении рационального значения скорости подачи перед началом бурения. При этом исходят из того, что объем породы (S D_к ² К_р), разрушаемый за один оборот режущего инструмента, не должен превышать половины геометрического объема межвиткового пространства 0,5(D²_ш-d²_т)(H-) шнека, способного транспортировать (пропустить) за один оборот разрушаемую породу без заштыбовки става. Здесь 0,5 - коэффициент пропорциональности (К), полученный опытным путем в лабораторных условиях и подтвержденный исследованиями.

Величина подачи шнекового бурового става S, м/об за один оборот определяется в общем виде из выражения

SD²_кK_pK(D²_ш-d²_т)(H-);



Умножив обе части данного выражения на частоту вращения п (с^-1) бурового става (рекомендуемую предприятием для данного типа пород с определенным К_р), определяем рациональную скорость подачи V_п, м/с в общем виде, принимая коэффициент пропорциональности (К) за неизвестный



Сравнение расчетного коэффициента пропорциональности (К=0,5) с фактическим проводилось по результатам испытаний буровых инструментов при бурении мягких пород, преимущественно углей (К_р=1,4), станком СБР - 160 со свободной подачей на забой при частоте вращения става n=2,3 с^-1. Нарушение транспортирования буровой мелочи шнеком (заштыбовка) оценивалось по показаниям контрольных приборов вращателя бурового станка (нагрузка более предельной - 150 A). Критерием оценки достижения максимально возможной скорости подачи, соответствующей вышеуказанным зависимостям, служило отсутствие заштыбовки шнека (т. е. нагрузка не превышала 150 А). Скорости подачи при К<0,5 при испытаниях не использовались, т.к. существенно снижали сменную производительность станка.

При испытаниях применялся буровой шнековый став с параметрами

D_ш=0,175 м; d_т=0,108 м; Н=0,130 м; =0,005 м; D_к=0,180 м.

По результатам испытания определен фактический коэффициент пропорциональности (К), соответствующий рациональной скорости подачи V_п, м/с шнекового бурового става, исключающий заштыбовку последнего. Результаты испытаний приведены в таблице.

В качестве рациональной для заданных условий бурения выбирается скорость подачи при К=0,5, т.е. V_п=0,061 м/с. В действительности, при данных соотношениях параметров шнекового бурового става и скорости его подачи заштыбовки става не наблюдалось. Вместе с тем нагрузка на вращателе станка была близка к предельной, что свидетельствует о недопустимости увеличения коэффициента (К) более 0,5.

После преобразований рациональная скорость подачи V_п, м/с шнекового бурового става может быть определена по формуле



Способ осуществляется следующим образом. Перед началом бурения на основе паспортных данных (или обмера) определяют конструктивные параметры шнекового бурового става и по предложенной формуле для заданных горных условий и рекомендуемой частоте вращения става определяют рациональное значение скорости подачи и устанавливают (обозначают) его на пульте управления буровым станком. После этой операции начинают собственно процесс бурения.

При возможной встрече с крепкими прослоями породы скорость подачи става может автоматически уменьшаться до максимального допустимого осевого усилия, а при бурении мягких пород, преимущественно однородных, скорость подачи может увеличиваться, но никогда не может превысить заданную, определенную перед началом бурения, являющуюся максимально возможной, ограниченной конструкцией бурового шнекового става и станка. При этом скорость подачи V_п (м/с) может регулироваться при изменении рекомендуемой частоты вращения n (с^-1) и коэффициента разрыхления К_р (согласно горно-геологической документации). Например, при прохождении известных пород с большим коэффициентом разрыхления К_р, увеличивающим объем заполнения межвиткового пространства шнека (более 0,5), скорость подачи става уменьшается (например, при помощи регулируемого дросселя) до заранее определенной для этого горизонта (глубины скважины) величины, что позволит исключить заштыбовку става буровой мелочью без прекращения подачи става на забой.

Пример. Для бурения мягких пород (К_р=1,4) станком СБР-160 с рекомендуемой частотой вращения бурового става n=2,3 с^-1 определим рациональную скорость подачи V_п, м/с при следующих параметрах бурового става: D_ш=0,175 м; d_т= 0,108 м; Н=0,130 м; =0,005 м.

Расчетное значение величины рациональной (максимально возможной по условиям транспортирования) скорости подачи шнекового бурового става (V_п=0,06 м/с) практически совпадает с фактическим значением рациональной скорости подачи (V_п= 0,061 м/с), полученным в результате испытаний (таблица), что свидетельствует о возможности осуществления данного способа бурения.

Указанный способ бурения скважин в мягких породах с заданной рациональной скоростью подачи позволяет исключить случаи заштыбовки шнекового бурового става, снизить расход энергии, повысить производительность и эффективность буровых работ.