Анализ способов и технологий бурения скважин

Введение

Бурение — процесс разрушения грунта с образованием в грунтовом массиве цилиндрических полостей. При диаметре до 75 мм и глубине до 9 м полости называются шпурами, при больших диаметре и глубине — скважинами. Начало скважины на поверхности грунтового массива называется ее устьем, дно — забоем, а боковая поверхность — стенками.

В строительстве бурение производится для инженерно-геологических изысканий, закладки взрывчатых веществ при взрывных работах, для водоснабжения и водопонижения, установки столбов, дорожных знаков и надолб, устройства буронабивных свай и др. Диаметр скважин при выполнении разных строительных работ достигает 3 м, а глубина — 500 м.

Важными условиями успешного использования технических средств являются правильный выбор типов и видов оборудования соответственно характеру выполняемых в производстве работ, их полная комплектация, обеспечение запасными частями, технически правильная эксплуатация и своевременный систематический ремонт. Хорошо скомплектованное и правильно эксплуатируемое оборудование обеспечивает более значительный производственный эффект по сравнению с оптимальным, но неукомплектованным оборудованием.

В данной курсовой работе рассматриваются различные технические средства, применяемые при бурении скважин с использованием малогабаритных буровых установок, а также технологические условия их применения. Кроме того производится анализ способов использования конструктивных особенностей машин, предназначенных для бурения при производстве специальных работ (изысканий) и представлены правила оформления, порядок получения оборудования, рассмотрена их комплектация инструментом и материалами.

1. Анализ способов и технологий производства работ на малогабаритных буровых установках Действие буровых машин основано на различных способах бурения, которые могут быть подразделены: на физические и механические.

К физическим способам бурения относятся термический, ультразвуковой, электрогидравлический, высокочастотный и гидравлический.

Термический способ получил широкое распространение. Остальные физические способы разрушения грунтов находятся в стадии теоретических и экспериментальных разработок.

Ультразвуковой способ бурения основан на принципе совместного воздействия на горную породу ультразвуковых колебаний инструмента и кавитационного эффекта в промывочной жидкости.

Электрогидравлическое бурение осуществляется подачей высокого напряжения на контакты электрической цепи, помещенные в воду, налитую в скважину. В результате пробоя межэлектродного промежутка образуется газовый канал высокого давления, разрушающий горную породу.

При высокочастотном способе используется энергия специальных генераторов, создающих электромагнитные поля высокой частоты, под действием которых порода нагревается и становится хрупкой.

При гидравлическом способе грунт разрушается тонкой (0,8−1 мм) струей воды, имеющей сверхзвуковую скорость и давление до 2−108 Па.

Большинство типов машин и оборудования для буровых работ устроено и действует по механическому способу бурения.

В зависимости от кинематических условий воздействия на грунт различают вращательные, ударно-вращательные, ударно-поворотные и комбинированные буровые машины. В них применяется механический, электрический или пневматический привод, ходовое оборудование — гусеничное, колесное и шагающее.

Процесс бурения состоит из операций разрушения грунта в скважине, извлечения его и закрепления стенок скважины обсадными трубами.

Разбуренный грунт удаляется специальным инструментом, промывкой скважины водой или глинистым раствором, а также продувкой.

Обсадные трубы предохраняют стенки скважины от обрушения, служат для изоляции ее от водонасосных грунтовых пластов и сохранения ее направления.

При вращательном бурении каждая точка режущей кромки бурового инструмента движется по винтовой линии, отделяя стружку или куски грунта. Такое движение осуществляется за счет вращения и осевой подачи бурового инструмента, причем энергия вращения намного превышает энергию его подачи.

Грунт разрушается по всему дну скважины или только по кольцу. В первом случае рабочий процесс называется бурением сплошным забоем, во втором — колонковым бурением.

При колонковом бурении в центральной части скважины образуются цилиндры грунта (керны) с ненарушенной структурой. На кернах, извлеченных из скважины, исследуются физико-механические свойства грунтов.

По способу вращательного бурения устроены буровые сверла, бурильно-крановые машины, станки вращательного бурения и установки для бурения скважин под буронабивные сваи.

Производительность машин вращательного бурения зависит от крепости грунта, осевой нагрузки на буровой инструмент, скорости его вращения и конструкции бурового инструмента. Коэффициент использования по времени машин вращательного бурения достигает 0,6.

Станки ударно-вращательного бурения.

Принцип ударно-вращательного бурения заключается в разрушении грунта последовательными ударами инструмента, который одновременно вращается вокруг своей оси. Рабочий процесс осуществляется двумя независимыми механизмами — ударным и вращательным.

Характерными особенностями ударно-вращательного бурения являются большая ударная нагрузка, малый крутящий момент и незначительное осевое усилие, необходимое для преодоления сил реакции забоя при ударе.

Станки ударно-вращательного бурения применяются для образования скважин диаметром до 155 мм и глубиной до 80 м в грунтах большой крепости.

Станки термического бурения.

Принцип термического бурения заключается в том, что нагретая до температуры 2500−3500°С газовая струя выбрасывается из сопла горелки со скоростью 1800−2000 м/с и интенсивно прогревает слой грунта в забое скважины. Вследствие разности термических напряжений в соседних слоях грунт разрушается на мелкие частицы, которые удаляются из скважины парогазовой струей.

Термическое бурение целесообразно применять для грунтов очень крепких, имеющих кремнистую основу, и тугоплавких с низкой теплопроводностью, которые растрескиваются раньше, чем начинается их плавление (плавление снижает производительность термического бурения).

Станки термического бурения предназначаются для бурения скважин глубиной до 40 м диаметром до 250 мм.

Одним из преимуществ термического бурения является возможность получения переменного диаметра скважины. В этом случае процесс бурения разделяется на три этапа. Вначале бурение ведется с максимальной скоростью на полную глубину при нормальном режиме работы горелки.

На втором этапе производится разбуривание скважины; горелка, работая в форсированном режиме, движется снизу.

Процесс разбуривания сопровождается интенсивным разрушением породы; крупные частицы оседают на забое скважины, образуя столб шлама.

На третьем этапе идет очистка скважины путем опускания горелки, работающей в нормальном режиме.

Расход кислорода составляет 150−360 м³/ч, керосина — 50−150 кг/ч, воды — 1,8−3 м³/ч; удельный расход (на 1 м скважины) составляет, соответственно, 70−75 м³, 28−32 кг и 0,75−0,8 м³.

Производительность термического бурения зависит от скорости подачи и угловой скорости вращения термобура, а также от крепости разрушаемой породы. С увеличением скорости подачи термобура производительность возрастает до определенного предела, а затем падает, так как разрушение переходит в плавление.

Основные направления автоматизации бурильных машин состоят в разработке систем автоматизации процесса бурения, вспомогательных процессов, а также контроля и учета производительности.

Производительность бурения зависит от рационального сочетания параметров процесса — нагрузки на инструмент, частоты его вращения, способа и условий удаления шлама и др. В этой связи цель автоматизации процесса бурения — регулировать параметры процесса таким образом, чтобы производительность была наибольшей. В конечном итоге это сводится к регулированию частоты вращения бурового инструмента в зависимости от усилия подачи.

В состав средств автоматизации станков вращательного бурения входит система автоматического регулирования процесса бурения, система программного управления механизмом перехвата и наращивания штанг, выносной пульт дистанционного управления перемещением станка, автоматический кабельный барабан, устройства автоматической установки мачты под заданным углом и автоматического учета производительности машины.

Станки ударно-вращательного бурения дополнительно должны иметь устройство для автоматической блокировки подачи воздуха в пневмоударник и вращения бурового инструмента.

Станки термического бурения оснащаются системой автоматической стабилизации расстояния горелки от забоя скважины, системой автоматического регулирования соотношения компонентов горючей смеси, устройством автоматического слива воды, индикатором глубины бурения, системой автоматического выравнивания станка, устройствами автоматического учета производительности станка и расхода окислителя и топлива.

2. Анализ конструкций машин, предназначенных для бурения Из всех испытываемых машин, обслуживающих нефтепроводы, для организации буровых работ на строительстве, наиболее работоспособной оказалась буровая установка «Дрилмастер» ДМ6/ДНД, представляющая собой автономное самоходное буровое оборудование на гусеничном шасси, предназначенное для проходки скважин 508 и 610 мм на глубину до 16 м в скальных породах и различных вечномёрзлых грунтах.

Буровая установка ДМ6/ДНД состоит из гусеничного шасси, главной рамы, силового блока, мачты с ротором и силовой головкой передачи давления на забой, гидросистемы и буровой штанги с рабочим органом.

Шасси буровой установки представляет собой ходовую тележку на гусеницах шириной 914 мм. На главной раме тележки смонтированы механизмы мачты и силового блока, состоящего из дизельного двигателя, ротора и гидронасосов.

Мачта представляет собой пространственную металлическую конструкцию, внутри которой смонтирован ротор с приводом от гидромотора мощностью 50 кВт.

Осевое давление на забой осуществляется двумя длинномерными гидроцилиндрами, размещёнными на противоположных сторонах мачты. Система подачи осевого давления на забой состоит из цепей, звёздочек и двух гидроцилиндров.

Рабочий орган состоит из пневмоударника ДНД-120 и плоской шарошки. Конструкция пневмоударника ДНД-120 состоит из удароустойчивого корпуса, в полость которого впрессован цилиндр. Сверху корпус закрыт ввинчивающимся патрубком с центральным отверстием для пропуска воздуха. Снизу в корпус ввёрнут зажимной патрон, являющийся соединительным звеном пневмоударника с породоразрушающим инструментом. В полости цилиндра размещён поршень, опорой которого служат втулка, шайба, распорная втулка и стопорное кольцо. Сверху над поршнем в корпус вмонтированы распределитель воздуха и обратный клапан.

Система воздухораспределителя обеспечивает одновременно работу пневмоударника и пропуск воздуха через него для очистки забоя. К буровой штанге пневмоударник крепится резьбовым хвостовиком патрубка.

Энергию удара, составляющую 4700 Дж, пневмоударник ДНД-120 развивает, расходуя 45,3 м³/мин воздуха с давлением 0,88 МПа. Породоразрушающим инструментом в рабочем органе является плоская шарошка, армированная зубьями из твёрдого сплава. Такой тип шарошки рассчитан на разработку 1000−1500 м скважин диаметром 500 мм в различных мёрзлых фунтах.

Средняя производительность установки ДМ6/ДНД — 15 м/ч.

Высокая производительность установки и высокая износоустойчивость её рабочего органа обусловливаются следующим:

— пневмоударник в буровом ставе размещён непосредственно над породоразрушающим инструментом. В этом случае энергия удара пневмоударника почти без потерь передаётся шарошке;

— в шарошечном долоте отсутствуют подшипники, и износу подвергаются только штыри из твёрдого сплава;

— ударно-вращательный способ бурения сопровождается сравнительно низкими скоростями вращения рабочего органа, что резко сокращает потери на трение буровой штанги о стенки скважины;

— в буровой установке применена система прямой продувки скважины (очистка скважины от грунтового шлама), в процессе продувки дополнительно используется отработанный воздух из пневмоударника;

— энергия удара пневмоударника резко уменьшает осевое давление на забой;

— в процессе проходки скважины боковые нагрузки на плоскую шарошку минимальны, что предотвращает случаи искривления скважины.

В сравнении с роторным бурением для работы установки ДМ6/ДНД требуется минимальный крутящий момент.

Конструкция трёхшарошечного долота отличается от долот других фирм тем, что оно приспособлено для вакуумно-реверсивной очистки забоя. Для этого в корпус долота между шарошками вмонтированы два всасывающих патрубка площадью сечения 100 см² каждый. Для проходки скважин в различных мёрзлых грунтах с включением обломочных пород средней твёрдости и абразивности, а также твёрдых пород используются долота с шарошками, снабжёнными укороченными зубьями. Для бурения скважин в твердомерзлых грунтах с включениями самых твёрдых и абразивных пород применяются долота с шарошками, снабжёнными твердосплавными зубьями с полусферической рабочей поверхностью.

Для улучшения условий работы шарошечного долота, повышения износоустойчивости подшипников, в буровой став над долотом устанавливается ударно-поглащающий стабилизатор, который создаёт безударное давление на забой, воспринимает противодавление при подачи долота и в процессе бурения. Стабилизатор способен снижать разрушающие нагрузки, действующие на ротор, мачту и механизмы, создающие осевую нагрузку на забой.

Наибольшая производительность буровой установки достигается при проходке скважин в твёрдомёрзлых грунтах с большим количеством скальных включений. При проходке скважин в пластично-мёрзлых грунтах, особенно глинах, производительность резко падает, Так, при бурении плотных песков и суглинка с незначительным количеством мелкого гравия для очистки забоя требовалось 90 м³/мин воздуха при давлении 0,7 МПа.

К типу машин, бурение скважин которыми производится ударным способом, относится установка Н-520 фирмы «Дрил Систем» (Канада). Буровая установка представляет собой самоходную машину на шасси автомобиля «Хаски 8 Формост» с шинами низкого давления.

Оборудование установки Н-520 состоит из неповоротной, поворотной и выдвижной рам, мачты, силового блока, механизмов гидропривода, гидравлической системы, дизельного молота модели 510 фирмы «Лин-Белт», компрессорной станции и гидравлического выдёргивателя обсадных труб.

Буровая установка снабжена шестью лебёдками, обслуживающими в процессе погружения рабочего органа, дизель-молотом, системой очистки забоя от бурового шлама и служебной клетью.

Рабочий орган представляет собой цилиндр из двух труб — наружной и внутренней, диаметром соответственно 40,6 и 30,5 см. К нижним концам труб приварена коронка из легированной стали, термически обработанная до твёрдости 48−50 единиц по Роквеллу. Внутри коронки размещено шесть ножей с лезвиями шириной 100 мм. С полостью межтрубного пространства рабочего органа коронка сообщается шестью просверленными отверстиями.

Вверху к трубам рабочего органа прикреплён шабот, представляющий собой стальную отливку с приёмным патрубком для продувочного воздуха и фасонным каналом для выхода из скважины грунтового шлама. Соединение шабота с трубами рабочего органа уплотняют резиновыми коленами.

Строительные фирмы Канады используют оборудование и других фирм, в частности фирмы «Калвелд». Для бурения скважин в скальных и каменных фунтах применяется буровое навесное оборудование к кранам, выпускаемое фирмой «Willianis». С помощью этого оборудования можно бурить скважины диаметром до 2,1 ми глубиной до 90 м. Скорость бурения составляет до 30 м/ч.

Оборудование, выпускаемое фирмой «Калвелд», может быть использовано для устройства скважин в фунтах любого вида. При бурении в горных породах можно применять шарошечное долото или буровую коронку для колонкового бурения, например для проходки в твёрдой породе скважины для сваи-стойки.

3. Технические требования к проектируемому изделию Для производства буровых работ на мёрзлых грунтах в основном используется буровой инструмент двух типов: режущий буровой инструмент и дробящий буровой инструмент. Наиболее распространённым инструментом дробящего типа являются шарошечные долота.

Долото состоит из корпуса, лапы с цапфой и шарошки, на поверхности которой размещены твердосплавные зубки. Разрушение грунта шарошкой происходит вдавливанием зубков в грунт при вращении долота и приложении к нему осевой нагрузки. Очистка скважины от разрушенного грунта происходит продувкой скважины.

Многолетняя мерзлота характеризуется нестабильностью прочностных свойств. Это обусловлено изменением влажности и температуры грунта по всей глубине скважины, наличием каменистых включений, зон вялой мерзлоты, талых слоев грунта, а также его гранулометрического состава. Так как в процессе работы шарошечных долот возникают высокие динамические нагрузки, они интенсивно истираются.

Более эффективными при бурении мёрзлых грунтов являются долота режущего типа, получившие название лопастных долот.

Лопастные долота значительно отличаются от шарошечных долот по принципу их действия на грунт. Эти долота производят разрушение фунта резанием и скоблящим действием. При этом отсутствуют ударные нагрузки и вибрация, присущие шарошечным долотам.

Конструктивно эти долота содержат корпус и закреплённые на нём режущие элементы в виде лопастей различной конфигурации с армированными режущими кромками или отдельно закреплённые резцы. Очистка скважин от разбуренного фунта осуществляется, как правило, с помощью шнека.

Процесс разработки мёрзлого фунта долотом режущего типа происходит следующим образом.

При вращении инструмента за счёт приложения к нему крутящего момента и осевого усилия режущие кромки резцов внедряются в мёрзлый грунт и осуществляют его резание. По мере погружения долота в фунт свободные полости вокруг него заполняются измельчённым фунтом и при достижении массы разбуренного материала первого витка шнека выносятся им из образуемой скважины. Схема разрушения буровым долотом режущего типа во многом схожа со схемой разрушения фунта резанием, процесс которого был рассмотрен выше. Особенностью данной схемы является то, что рабочий элемент инструмента движется по кольцевой поверхности. В связи с этим у большинства конструкций бурового инструмента их режущие кромки находятся в постоянном контакте с забоем. Непрерывный контакт рабочих поверхностей с фунтом, большая площадь этого контакта, а также относительно высокая скорость погружения и отсутствие охлаждающего агента приводят к сильному разогреву долот.

Установлено, что на периферии рабочего инструмента температура нагрева достигает 1300 °C. Указанные причины определяют основные недостатки такого инструмента, главным из которых является интенсивный износ рабочих кромок, особенно в твёрдомёрзлых абразивных фунтах, и в итоге изменения диаметра долота и пробуренной скважины. Существенным недостатком является и то, что в процессе бурения происходит оттаивание фунта и последующее его намерзание на поверхности рабочего оборудования. В результате чего межвитковое пространство шнека забивается разбуренной породой. В этом случае процесс бурения становится невозможным и для его продолжения необходима очистка инструмента от намёрзшего фунта, для чего колонну со шнеком вынимают из скважины, производится её разработку и очистку инструмента.

Ввиду особенности физико-механических свойств мёрзлых фунтов применение бурового инструмента, как режущего, так и шарошечного типа имеют свои негативные стороны. Поэтому существует комбинированный буровой инструмент, сочетающий в себе элементы шарошечного долота и режущего инструмента.

При бурении режуще-шарошечными долотами порода на забое скважины разрушается под действием лезвия режущего органа и шарошек долота. Возможность совместной или поочерёдной обработки забоя шарошечным или режущим породоразрушающим инструментом позволяет повысить эффективность процесса разработки за счёт совместного их воздействия на разрабатываемый фунт. Так, шарошки долота осуществляют раздавливание и скалывание породы с образованием микротрещин и, тем самым, облегчает процесс резания лезвием режущего органа.

Режущий орган, в свою очередь, производит зачистку забоя и облегчает последующую работу зубьев шарошки.

Комбинированное воздействие на среду резанием и дроблением снижает энергоёмкость процесса разрушения, увеличивает стойкость долот и повышает скорость бурения.

Инструмент режуще-шарошечного типа наиболее эффективен для фунтов и пород мягкой и средней прочности.

На рис. 1 и 2 представлены конструкции режуще-шарошечных долот. Долота состоят из корпуса, образованного четырьмя сваренными лапами, двух шарошек, режущего орган и пружины. Две лапы служат для установки шарошек, а в двух других помещается режущий орган, который вставляется в направляющие пазы и прижат пружиной.

Рис. 1. Комбинированное режуще-шарошечное буровое долото с режущей пластиной.

Рис. 2. Комбинированное режуще-шарошечное долото с резцами.

Лезвие режущего органа может армироваться пластинами твёрдого сплава ВК-88 или оснащаться сменными резцами.

Работает режуще-шарошечное долото следующим образом. При бурении крепких породных прослоек на долото увеличивается осевая нагрузка, при этом режущий орган устанавливается внутрь корпуса долота, в работу вступают шарошки, и осуществляется одновременная обработка забоя зубьями шарошек и лезвиями режущего органа.

Совместное воздействие создаёт благоприятные условия для работы каждого из породоразрушающих органов. Зубья шарошек при внедрении в породу нарушают её целостность, вызывают возникновение трещин, образование выступающих гребешков и напряжённого состояния от воздействия большого осевого усилия. Всё это облегчает внедрение в породу режущего органа и снятие стружки по ослабленной поверхности забоя. В свою очередь, режущий орган подготавливает забой для шарошек, очищая дно забоя, что устраняет излишнее измельчение грунта.

Комбинированный буровой инструмент наиболее эффективен при бурении скважин в грунтах с большим наличием каменистых включений. Использование такого инструмента на вечномёрзлых грунтах с наличием талых прослоек невозможно из-за налипания и последующего намерзания талого грунта в пазухах между шарошечными и режущими органами.

Данная конструкция бурового инструмента реализует сформированные выше три основных принципа эффективного процесса разработки мёрзлого грунта — разрушение крупным сколом, реализацию условий отрыва и замкнутый силовой поток.

Конструкция и схема процесса работы винтового бурового инструмента представлены на рис. 3.

Винтовое буровое долото содержит заходную, тяговую часть и породоразрушающую лопасть. Со шнековым транспортером бурильного станка долото соединяется жестко, так, что лопасть шнека является продолжением верхней части долота.

Работает данное буровое долото следующим образом. При вращении штанги шнека 1 оборудования и приложении начального осевого усилия на забой коническая заходная часть долота 2 с помощью винтовой лопасти 3 внедряется в мёрзлый грунт. По мере заглубления винтовая лопасть заходной частью образует в фунте винтовую канавку. При этом винтовая лопасть реализует через приложенный к нему крутящий момент тяговое усилие, позволяющее заглублять инструмент вглубь. По мере погружения разрушающей части винтовой лопасти 4 последняя за счёт увеличенного диаметра и шага начинает работать как клин, вдавливаемый в стенку скважины, в результате чего происходят сдвиговые деформации в плоскости, нормальной к плоскости вращения, позволяющие осуществлять крупный скол фунта, заключённого между витками лопасти и стенками образуемой скважины. С винтовой лопасти бурового инструмента разрушенный мёрзлый грунт поступает на лопасть шнека, который транспортирует его из скважины на поверхность.

Рис. 3. Винтовой бур для мёрзлых грунтов Таблица 1.

Техническая характеристика бурового инструмента

Результаты полевых испытаний показали также, что новый буровой инструмент с тяговым винтовым наконечником изнашивается менее интенсивно за счет изменения характера взаимодействия рабочих поверхностей инструмента с грунтом и ввиду отсутствия режущих кромок. Так, по сравнению со штатными долотами марки З-ДРШ-165, используемыми для бурения скважин в условиях вечной мерзлоты, ресурс нового инструмента превысил ресурс существующего инструмента более чем в 2 раза.

4. Техническое предложение к проектируемой машине При бурении скважин долотом режущего типа разрушение грунта в забое скважины происходит под действием осевого усилия Рос, прикладываемого к долоту, и действием крутящего момента М. Осевое усилие обеспечивает заглубление инструмента в грунт, а действие крутящего момента приводит к хрупкому разрушению грунта против передней грани инструмента.

Подача режущего инструмента под действием силы Р сопровождается разрушением грунта путем его смятия и раздавливания. Глубина внедрения зависит от осевого усилия, площади поверхности контакта с грунтом и сопротивляемости породы. Под действием крутящего момента реализуется окружное усилие Р на лезвии режущего долота.

Действие крутящего момента приводит к хрупкому разрушению и сопровождается периодическим скалыванием грунта передней кромкой лезвия. При бурении пластично-мерзлых грунтов отдельные элементы разрушаемого материала могут сохранять между собой достаточно прочную связь, что способствует образованию стружки перед передней кромкой лезвия.

Схема процесса взаимодействия лезвия режущего долота с грунтом представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема взаимодействия режущего долота с грунтом при вращательном способе бурения.

Осевое усилие Рос при бурении сплошным забоем определяется из условия сопротивления грунта вдавливанию режущей кромки лопасти бура в фунт и трению о грунт:

Рос = (N1 * Sin б + N2 * Cosв + f * N1Cos a) m,

где N1 — нормальное усилие, создаваемое на передней грани лезвия долота;

N2 — сопротивление грунта вдавливанию площадки притупления лезвия;

б — угол наклона передней грани лезвия;

в — угол наклона режущей кромки передней грани долота к вертикали;

f — коэффициент трения фунта о породоразрушающий элемент (f = 0.1…0.4);

m — число лезвий.

Сопротивление грунта вдавливанию площадки притупления:

N2 = Р0 * Sлоб, где Sлоб — площадь лобовой поверхности лезвия долота, внедряемой в грунт;

Р0 — удельное сопротивление грунта вдавливанию тела рабочего органа.

Для инструмента со сплошной кромкой лезвия:

Sлоб = б, где D — диаметр скважины;

б — толщина лезвия бура.

Усилие N1 разложим на составляющие N11 и N12. Одна составляющая N11 параллельна плоскости скалывания и создает в грунте напряжения сдвига ф, другая N12 нормальна к поверхности скалывания и создает напряжения сжатия породы усм.

Силу трения породы о переднюю грань лезвия долота

F1 = f * N1

также разложим на составляющие: F11 — нормальную и F12 — параллельную плоскости скалывания:

F12 = F1 * sin (ц — a),

F12 = F1 * cos (ц — a),

где ц — угол между плоскостью скалывания и вертикалью.

Векторная сумма составляющих N12 и F12 дает суммарную скалывающую силу

PCK = N12 — F12 = N1 * cos (ц — a)[tg (ц — a) — f],

Сопротивление породы скалыванию:

PCK = Scr — ф, где Scr — площадь скалывания (сдвига);

ф — предел прочности грунта скалыванию (сдвигу), ориентировочно может приниматься равным 0,6Р0

Приравняв формулы, получим выражение для нормального усилия, сосредоточенного на передней грани лезвия долота Площадь скалывания можно определить через площадь контакта с фунтом передней грани режущей кромки лезвия долота при условии сдвига максимального объема фунта. Площадь скалывания будет:

где h — углубление лезвия долота в фунт за один оборот, составляет 0.005 — 0.02 м (меньшее значение для плотных фунтов и большее для слабых);

l — длина лезвия долота.

Величину крутящего момента будет определять величина окружного усилия Рх, возникающего на лезвии долота при скалывании больших объемов разрушаемого грунта Рх = (f * N1 sin, а + f * N2 + Pcr * sin ц) * m .

Крутящий момент будет равен:

M = Px * R * m,

где R — расстояние от центра вращения до точки приложения результирующей окружной силы Рх. Для расчетов допускается принимать R равным ½ диаметра скважины.

Основными показателями, характеризующими эксплуатационные режимы процесса бурения, являются скорости бурения. Различают механическую, рейсовую и техническую скорости бурения.

Средняя механическая скорость бурения определяется как где Н1 и Н2 — соответственно глубина скважины до начала и в конце бурения интервала;

tб — время бурения заданного интервала.

Рейсовая скорость бурения:

V =

где h — глубина непрерывного рейсового углубления;

tсп — время одной спускоподъемной операции.

Техническая скорость бурения:

где Н — глубина скважины;

to6 — общее время чистого бурения скважины;

tос — общее время, затраченное на спускоподъемные операции;

tдоп — время на производство дополнительных работ, например, работ по укреплению стенок скважины.

Для характеристики производительности буровых работ определяется пробуренное количество метров скважин за соответствующий период (смена, месяц, год).

5. Техническое задание на проектирование Долота следует изготовлять в соответствии с требованиями настоящего стандарта, по рабочим чертежам, утвержденным в установленном порядке.

Точность изготовления долот должна соответствовать значениям, указанным в таблице 2.

Таблица 2.

Размеры в миллиметрах Долота следует изготовлять с правой конической замковой резьбой.

Резьбы 3−42 и 3−63,5 — по техническому документу, утвержденному в установленном порядке.

Резьба 3−50 — по ГОСТ 7918.

Остальные резьбы (кроме величины натяга) — по ГОСТ 28 487.

Соответствие обозначений присоединительной резьбы по настоящему стандарту и спецификации 7 Американского нефтяного института (API Spec 7) приведено в приложении А.

Натяг конической замковой резьбы должен быть:

10,35+04 мм — для ниппельной резьбы 3−42;

10,00+04 мм — для ниппельной резьбы 3−50;

16,00+04 мм — для ниппельной резьбы 3−63,5;

мм — для ниппельных резьб 3−88, 3−117, 3−121, 3−152, 3−171, 3−177, 3−201;

мм — для муфтовых резьб 3−88, 3−117, 3−121, 3−152, 3−171, 3−177, 3−201.

Система промывки гидромониторных долот диаметрами 190,5 мм и более должна быть герметична при давлении жидкости 7,85 МПа; диаметрами менее 190,5 мм — при давлении жидкости 5 МПа.

Насадки в гидромониторных долотах с боковой промывкой диаметрами 190,5 мм и более должны удерживаться при давлении жидкости 7,85 МПа; диаметрами менее 190,5 мм — при давлении жидкости 5 МПа. Насадки должны быть сменными.

В сварных швах на поверхностях упорного уступа ниппеля и на расстоянии 25 мм над упорным уступом ниппеля не допускаются дефекты сварки, на остальной резьбовой части ниппеля допускаются единичные поры и раковины диаметром не более 1 мм в количестве не более 3 шт. на каждом шве. На резьбовой части корпусных долот допускаются единичные поры и раковины диаметром не более 2 мм в количестве до 5 шт.

Требования к материалам, химико-термической обработке, комплектующим, краскам, смазкам должны соответствовать нормативной и технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Поверхность долот, кроме присоединительной резьбы, упорного уступа ниппеля (упорного торца муфты), торца ниппеля и заходной фаски должна быть покрыта ровным слоем краски. После высыхания краска должна прочно удерживаться на долоте. Класс покрытия VII — по ГОСТ 9.032.

Поры, вздутия, мелкие пузыри и выступания коррозии через краску, а также попадание краски на присоединительную резьбу, упорный уступ, клапаны, в отверстия крышек смазочных резервуаров, промывочные каналы гидромониторных долот не допускаются.

Присоединительная резьба должна быть покрыта антикоррозионной смазкой.

Опоры шарошек должны быть заполнены смазкой. Заполнение смазкой долот с опорой НУ следует проводить до появления смазки из-под манжеты. Долота с опорами АУ и ВУ перед заполнением смазкой вакуумируют.

Шарошки долот с опорами АУ, НУ, ВУ должны проворачиваться на опорах от руки со значительным усилием. Шарошки долот с опорами Н, В, А должны свободно и плавно проворачиваться на опорах от усилий руки. Зацепление зубьев или зубков одной шарошки за зубья или зубки, а также за корпус другой шарошки не допускается.

Пружинное кольцо компенсационного узла долота должно заходить по всему периметру в канавку и не иметь повреждений, а крышка не должна проворачиваться от руки.

Требования надежности Срок сохраняемости долот — не менее 18 мес. со дня изготовления.

Комплектность В комплект поставки входят: долото с установленными насадками и (или) клапанами, а также паспорт долота.

По согласованию с потребителем допускается поставка долот без насадок.

Маркировка Маркировка долот должна быть четкой и сохраняться на протяжении срока службы долота.

На торце ниппеля (пояске муфты) маркируются:

товарный знак предприятия-изготовителя;

условное обозначение долота (допускается обозначение стандарта не маркировать);

обозначение присоединительной резьбы (по требованию потребителя);

порядковый номер долота по системе нумерации предприятия-изготовителя;

дата изготовления (месяц, год);

клеймо технического контроля.

Упаковка Поверхность присоединительной резьбы, включая упорный уступ ниппеля (упорный торец муфты), торец ниппеля и заходную фаску, должна быть полностью покрыта ровным слоем консервационной смазки по технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Типы и основные размеры ГОСТ 26 474–85

Государственный комитет СССР по стандартам Москва Разработан: Министерством нефтяной промышленности Исполнители С. В. Вадецкий, В. А. Липский, Г. И. Сукманов, Л. И. Белобородое, Н. Г. Дюков Внесен: Министерством нефтяной промышленности Член Коллегии Ю. Н. Байдиков Утвержден и введен в действие: Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 25 марта 1985 г. № 756

Государственный стандарт союза ССР Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 25 марта 1985 г. № 756 срок введения установлен с 01.07.86

Несоблюдение стандарта преследуется по закону

. Настоящий стандарт распространяется на долота для сплошного бурения глубоких скважин, на головки бурильные для бурения скважин с отбором керна керноприемными устройствами с несъемным керноприемником и со съемным керноприемником, оснащенные природными и синтетическими алмазами (А), а также сверхтвердыми композиционными материалами (СКМ).

. Типы долот и бурильных головок, а также область их применения приведены в табл. 3.

Таблица 3.

. Основные размеры долот должны соответствовать приведенным на черт, 1 и в табл. 4.

Таблица 4.

До 01.01.89 — для головок, оснащенных сверхтвердыми композиционными материалами.

Резьба укороченная.

Пример условного обозначения бурильной головки для керноприемных устройств с несъемным керноприемником наружным диаметром D = 188.9 мм, внутренним диаметром d = 80 мм для бурения пород средней твердости:

Головка бурильная 188,9/80 С ГОСТ 26 474–85

Основные размеры бурильных головок со съемным керноприемником должны соответствовать приведенным на черт. 3 и в табл. 4 .

Пример условного обозначения бурильной головки для керноприемных устройств со съемным Керноприемником наружным диаметром D = 188,9 мм, внутренним диаметром d = 40 мм для бурения пород средней твердости:

Головка бурильная 188,9/40 С ГОСТ 26 474–85

6. Допускается условные обозначения долот и бурильных головок дополнять буквами и цифрами, определяющими их конструкцию,

7. По требованию потребителя допускается изготовлять долота и бурильные головки с номинальными размерами по наружному диаметру, равными номинальным размерам на наружные диаметры шарошечных долот по ГОСТ 20 692–75.

Черт.1

Таблица 5.

До 01.01.89 — для долот, оснащенных сверхтвердыми композиционными материалами.

Пример условного обозначения долота наружным диаметром D = 214,3 мм для бурения пород средней твердости Долото 214,3 С ГОСТ 26 474–85

Основные размеры бурильных головок с несъемным керноприемником должны соответствовать приведенным на черт, 2 и табл. 6.

Черт.2

Таблица 6.

Черт.3

Таблица 7.

До 01.01.89 -для головок, «оснащенных сверхтвердыми композиционными материалами.

Заключение

Важными условиями успешного использования технических средств являются правильный выбор типов и видов оборудования соответственно характеру выполняемых в производстве работ, их полная комплектация, обеспечение запасными частями, технически правильная эксплуатация и своевременный систематический ремонт. Хорошо скомплектованное и правильно эксплуатируемое оборудование, даже не будучи оптимальным для данного вида работ, нередко обеспечивает более значительный производственный эффект по сравнению с оптимальным, но неукомплектованным оборудованием.

Правильная организация изысканий, своевременное и рациональное оснащение их современной техникой являются залогом качественных и экономических эффективных изысканий и разработки на их основе полноценных проектных решений.

Применяемая техника чрезвычайно разнообразна по видам; снабжение ею изыскательских работ осуществляется рядом специальных организаций, заводов и мастерских по особым заявкам в соответствии с утвержденными номенклатурами и спецификациями предприятий-поставщиков.

В настоящей курсовой работе сделана попытка обобщить данные об основном отечественном оборудовании и приборах, выпускаемых промышленностью и применяемых или рекомендуемых для применения при указанных инженерно-геологических изысканиях в различных природных условиях.

Список используемых источников

бурение скважина установка машина

1. Аксельруд С. Б. Организация работ геологоразведочных партий. Изд-во «Недра», 1966.

2. Белозеров Н. П., Ильин В. Г., Сафонов Н. А. Буровое дело. Сельхозиздат, 1963.

3. Волков С. А., Волков А. С. Справочник по разведочному бурению. Госгеолтехиздат, 1963.

4. Вопросы применения современной техники в гидрогеологии и инженерной геологии. Госгеолтехиздат, 1963.

5. Ганичев И. А., Анатольевский П. И., Шнееров О. М. Производство буровых работ в строительстве. Стройиздат, 1966.

6. Единые правила безопасности при геологоразведочных работах. Изд-во «Недра», 1964.

7. Каталоги на буровые установки, сконструированные институтом Гидропроект. Изд-во «Недра», 1966.

8. «Строительные и дорожные машины» кафедра Саратовского государственного технического университета (а.с. № 1 710 689).

9. Куличихин Н. И., Воздвиженский В. И. Разведочное бурение. Изд-во «Недра», 1966.

10. Пальянов П. Ф., Штейнберг А. М. Бурение скважин. Изд-во «Недра», 1964.

11. Ребрик Б. М. Бурение скважин при инженерно-геологических изысканиях. «Изд-во «Недра», 1968.

12. Шамшев Ф. А. Основы разведочного бурения. Изд-во «Недра», 1965.

13. Ширяев В. Н., Карпов А. А. Организация оснащения инженерно-геологических изысканий. Изд-во «Недра», Москва 1971.