Взломая правила бурения в тяжелых породах: технология DTH, меняющая правила игры.
В зависимости от геологических условий района строительства буровые установки обычно используют четыре основных метода бурения, как показано на рисунке 1.
а. Поворотные головки с пневматическим или гидравлическим приводом в сочетании с ударным оборудованием передают энергию вращения и удара через верхнюю частьбурильная труба, доставляя энергию к буровому долоту посредством ударных волн в бурильной трубе. Этот метод ограничен малыми диаметрами и небольшой глубиной и обычно используется в карьерах, на строительных площадках и при подземных горных работах.
б.Погружные пневмоударники (DTH) расположены в нижней части бурильной колонны. Сжатый воздух поступает в ППУ через бурильную колонну, приводя поршень в возвратно-поступательное движение, которое непосредственно воздействует на буровое долото, передавая энергию удара породе. Эта система имеет минимальные потери мощности и особенно подходит для глубоких и прямых скважин, а также для горных пород средней твердости.
в.Бурение с обратной циркуляцией (RC)использует DTH для сбора и транспортировки образцов породы с забоя бурового долота. Сухой и незагрязненный шлам подается через центральную трубу погружного бура в устройство для отбора проб для подготовки к геологическому анализу.
д. Редуктор с приводом от гидравлического или электрического двигателя образует вращающуюся силовую головку, придавая достаточную силу подачи к трехшарошечному буровому долоту через систему подачи, которая перемещается вверх и вниз по буровой установке и толстостенной бурильной трубе. Этот метод используется для более мягких пород или твердых пород с сильными трещинами.
- Принципы и характеристики DTH
Пласты, пробуренные с помощью ПТГ, почти полностью способны включать в себя все магматические, метаморфические и осадочные породы средней твердости и твёрдости. Погружной метод особенно удобен для бурения твердых пород и крепких пластов, поскольку твердые породы имеют тенденцию быть хрупкими. Под ударными нагрузками трещины не только возникают в месте непосредственного удара, но и создают зону разрушения, в результате чего образуются более крупные фрагменты породы. Таким образом, скорость бурения значительно выше по сравнению с чисто вращательным бурением. Механическая модель на рисунке 2 иллюстрирует различные нагрузки, действующие на породу во время ударно-вращательного бурения.
Кроме того, погружное бурение (Down-the-Hole) высокоэффективно в пластах, склонных к отклонениям ствола скважины, таких как пласты с хорошо развитой слоистостью и слоистостью или пласты горных пород с неравномерной твердостью и множеством трещин. Это может значительно уменьшить отклонение скважины, а также преодолеть трудности при бурении слоев гравия и валунов.
Погружное бурение было разработано в конце 19 века и имеет более чем столетнюю историю. Хотя существует множество типов погружных буров, они имеют общую особенность: и ударный механизм, и буровое долото погружаются в скважину, при этом вращение сочетается с ударом для разрушения породы. Оборудование, используемое для создания ударной силы, можно разделить по способу привода на пневматическое, гидравлическое, масляное, электрическое и механическое.
Поскольку энергия удара испытывает значительные потери во время передачи и может привести к существенному повреждению подвергающихся воздействию компонентов, при более глубоких операциях бурения обычно требуется, чтобы оборудование входило в скважину вместе с буровым инструментом, чтобы выходная ударная сила могла воздействовать непосредственно на буровое долото. или колонковый ствол. Это сводит к минимуму потери энергии при передаче, повышает энергоэффективность и снижает вероятность отказов скважинного оборудования.
Пневматический ПДУ, также известный как ПДУ с пневматическим приводом, имеет множество типов конструкций и методов классификации.
- По номинальному давлению: высокого, среднего и низкого давления.
- По общей структуре: несквозные и сквозные типы.
- По принципу работы клапана: тип регулирующего клапана, тип свободного клапана и тип гибридного клапана.
- По конструкции поршня: поршень равного диаметра, поршень разного диаметра, тандемный поршень.
- По типу воздухораспределения: клапанные ПТВ и бесклапанные ПТД. ПТН с клапанами можно разделить на пластинчатые, тарельчатые и цилиндрические клапаны, а безклапанные ПТН можно разделить на выхлопные типы с центральным штоком, поршневые с распределением воздуха и комбинированное распределение воздуха с помощью поршня, цилиндра и центрального штока.
- Методом промывки отверстий и выгрузки шлака: промывка центрального отверстия, промывка переднего отверстия и промывка бокового отверстия.
2. Определение структурных схем механизма воздействия.
2.1 Бесклапанный механизм удара поршня самогазовой подачи
Этот тип ударного механизма в основном использует для подачи газа газовые каналы в самом поршне, в результате чего образуется сложная конструкция поршня с многочисленными газовыми каналами, что снижает прочность и срок службы поршня. Однако этот ударный механизм объединяет внутренний и внешний цилиндры, увеличивая эффективную рабочую площадь поршня и увеличивая энергию удара механизма.
2.2 Поршнево-цилиндровый бесклапанный механизм удара с комбинированной подачей газа
Этот тип имеет простую конструкцию, легкую в изготовлении, имеет более длительный срок службы поршня, а газовые отверстия расположены как на цилиндре, так и на поршне. Эта структура широко используется за рубежом.
2.3 Бесклапанный ударный механизм центральной трубы подачи газа
В этом механизме воздухозаборные каналы для верхней и нижней камер расположены на круглой трубе, по которой скользит поршень. Он требует высокой точности изготовления и имеет относительно короткий срок службы центральной трубы.
2.4 Механизм бокового удара выхлопной системы
Так называемый боковой выхлоп означает, что путь выхлопных газов выходит из корпуса цилиндра, а не проходит через центр сверла к дну отверстия. Этот тип ударного механизма обычно имеет множество впускных и выпускных каналов на корпусе цилиндра, что приводит к плохой прочности конструкции, возможности образования продольных усталостных трещин и значительной потере давления воздуха, что приводит к неоптимальному удалению мусора и эффекту охлаждения бурового долота.
2.5 Механизм воздействия центрального выхлопа
Этот тип ударного механизма выбрасывает мусор и газ непосредственно из центра бурового долота на дно отверстия. Прямой поток воздуха не только повышает эффективность удаления мусора, но также повышает эффективность бурения и охлаждения, продлевая срок службы сверла. Этот тип конструкции заменяет многочисленные продольные канавки во внутреннем цилиндре механизмов бокового удара выхлопных газов кольцевыми канавками, что значительно снижает концентрацию напряжений во внутреннем цилиндре. В последние годы эта структура стала широко распространенной.
Поршневой ударный механизм серии 2.6
Последовательный поршневой ударный механизм, также известный как ударный механизм с двумя поршнями (головками), делит цилиндр на две камеры с помощью изолирующего кольца. Такая конструкция позволяет обеим сторонам поршня работать одновременно в пределах одного и того же диаметра отверстия, что приводит к большей ударной мощности и более высокой частоте ударов. Соответственно, имеется двойная выхлопная система, эффективно удаляющая каменный порошок со дна скважины. Однако основным его недостатком является сложная конструкция и необходимость высокой точности обработки деталей; например, поршень имеет до пяти сопрягаемых поверхностей с соответствующими компонентами, что ограничивает его применение и продвижение. Поэтому в данной конструкции принят второй вариант, представляющий собой бесклапанный ударный механизм с комбинированной подачей газа в поршень и цилиндр. Его структура показана на рисунке 3.
3. Теоретический анализ и соответствующие расчеты для DTH.
3.1 Выбор рабочих параметров**
3.1.1 Длина и вес молота: Предварительный проект предусматривает длину менее 4500 мм и вес менее 2500 кг.
3.1.2 Диаметр молота: Соответствующий диаметр молота определяется на основе диаметра бурения, установленного на уровне 540 мм.
3.1.3 Диаметр бурения: это диаметр отверстия для сваи, обычно от 550 до 600 мм.
3.1.4 Глубина бурения: Согласно требованиям к проектированию свай, она обычно составляет от нескольких десятков до ста метров.
3.1.5 Скорость бурения. Бурение с погружным бурением обычно осуществляется на низких скоростях вращения, обычно от 7 до 25 об/с.
3.1.6 Крутящий момент: Максимальный крутящий момент для этой конструкции установлен на уровне 150 кН·м.
3.2 Расчет расчетных параметров
Конструктивные параметры ППУ, в частности параметры производительности ударного оборудования ППУ, служат основой для проектирования машин и определяют характеристики изготавливаемого оборудования.
3.2.1 Расчетное давление P для ударного оборудования
В Китае в качестве стандарта проектирования пневмоударного оборудования широко выбрано давление 0,49 МПа (приблизительно 5 × 10^5 Па). Учитывая, что погружной пневмопогружатель данной конструкции представляет собой бесклапанное ударное устройство с большим диаметром бурения и тяжелым поршнем, более высокое давление воздуха еще больше повысит производительность. Кроме того, все большее распространение получают воздушные компрессоры высокого давления, и в соответствии с международным стандартом ISO 5941-1979 выбрано расчетное давление 1,6 МПа.
3.2.2 Сила удара
Для погружных буровых скважин, используемых для бурения скважин большого диаметра, расчетная энергия удара может значительно колебаться. Энергия удара для данной конструкции рассчитывается следующим образом:
3.2.3 Частота воздействия
Обычно при постоянной энергии удара частота удара пропорциональна выходной мощности ударника. Однако, когда диаметр цилиндра фиксирован, увеличение частоты ударов требует уменьшения хода поршня, что, в свою очередь, снижает мощность одиночного удара. Как только мощность одиночного удара упадет ниже определенного порога, увеличение частоты не приведет к удовлетворительным результатам разрушения породы. Таким образом, выбор частоты удара ограничен мощностью удара.
Для пневмоПНД, работающих при расчетном давлении 0,5 МПа, частота не должна превышать 16,8 Гц. Поскольку ПДУ работает при расчетном давлении от 0,5 до 2,5 МПа, частота ударов может существенно варьироваться. Первоначальный выбор частоты ударника можно рассчитать следующим образом:
е = 10,4 + 7,6П
(2) где P – давление подачи в систему. Для данной конструкции Р = 1,6 МПа, следовательно:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Гц.
3.3 Проектирование структурных параметров
К основным конструктивным параметрам ПТН относятся диаметр отверстия цилиндра, ход поршня и размеры поршня. Увеличение диаметра цилиндра может повысить как силу, так и частоту удара, поэтому диаметр должен быть максимальным в пределах размера конструкции. Обычно разница между внешним диаметром ППУ и диаметром отверстия не должна быть менее 15–20 мм, а внешний корпус ППУ не должен быть слишком тонким. Таким образом, отношение диаметра цилиндра ППУ к диаметру бурения обычно превышает 0,5.
3.3.1 Рабочий диаметр цилиндра и конструктивный ход
Рабочий диаметр D цилиндра можно рассчитать следующим образом:
D = K × D(диаметр) = (0,57–0,68) × D (диаметр) (3)
Для этой конструкции D(отверстие) = 600 мм, поэтому D принимается равным 360 мм. Ход конструкции S эмпирически принят S = 500 мм.
3.3.2 Масса поршня
Радиальные размеры поршня ограничены размером и конструкцией цилиндра, что позволяет использовать поршни одинакового или разного диаметра. Линейные размеры зависят от веса поршня, который также зависит от скорости, которую он развивает при ударе по буровому долоту. Поэтому определение конструктивных размеров поршня является сложным аспектом проектирования ППУ. Массу поршня ПТХ можно оценить следующим образом:
м = 0,0205D^2,84 (4)
где m — масса поршня, кг; D — рабочий диаметр цилиндра в см.
Подставляя D = 36, получаем: m = 540 кг.
DTH в основном состоит из конструкции передачи крутящего момента и пневматического ударного механизма. Конструкция передачи крутящего момента соединяет буровую штангу и погружной насос, передавая вращательные силы резания и тяги; пневматический ударный механизм создает удар, обеспечивая осевую мощность ударного сверла. Конкретные детали структуры показаны на рисунке 3.
Конструкция передачи крутящего момента соединяет буровую штангу и ударник. Верхнее соединение соединяется с буровой штангой и ударником посредством трубной резьбы, в первую очередь для обеспечения газонепроницаемости, а также для передачи крутящего момента и тягового усилия. Обратный клапан предотвращает попадание грязи и воды в ударник и буровую штангу, управляемый пружиной. Седло воздухозаборника со стержнем подачи газа предназначено для подачи сжатого воздуха в цилиндр, облегчая подачу газа вместе с цилиндром и поршнем, тем самым обеспечивая комбинированную подачу газа. Пружинное предохранительное кольцо предотвращает выскальзывание поршня из цилиндра при замене сверла.
3.4 Анализ методом конечных элементов погружного бурового долота
На погружное буровое долото воздействуют ударные силы поршня и крутящий момент приводной головки. Сила, действующая на поршень со стороны сжатого воздуха, определяется выражением:
Ф = П × С (5)
где P – давление в системе, Па; S — площадь усилия поршня в м².
Таким образом, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 Н.
Следовательно, сила удара по сверлу равна:
Ф' = кФ (6)
где k – коэффициент воздействия; F — сила, действующая на буровое долото со стороны сжатого воздуха в Н. Таким образом, F' = 20 × 134400 = 2688 кН.
Крутящий момент, приложенный к погружному долоту со стороны приводной головки, составляет N = 150 кН. Приложив F' = 2688 кН и N = 150 кН к буровому долоту при фиксации нижнего торца бурового долота и используя материал QT500-7 с пределом текучести 320 МПа, выполнен анализ методом конечных элементов. Конкретные условия нагрузки и ограничений, а также разделение сетки показаны на рисунках 4 и 5.
Результаты анализа методом конечных элементов показаны на рисунке 6, что указывает на то, что максимальное напряжение составляет 144,355 МПа, что меньше предела текучести QT500-7 (320 МПа), что соответствует требованиям.