Актуальность работы. Для отработки месторождений, представленных рудными телами значительной мощности и протяженности (пластообразные, штокообразные, линзообразные залежи и т. д.), используются пологонаправ-ленные скважины протяженностью до 300 м. Одновременно с отработкой, как правило осуществляется, и эксплуатационная доразведка месторождений.
Глубокие пологонаправленные скважины применяют для увеличения дебита водо-, газо-, нефтедобывающих скважин, создания полостей в недрах земли для хранения газа и нефти, подземного выщелачивания, при подземной газификации углей и других целей. Объемы бурения таких скважин пока невелики. Около 90% из их общего объема имеют глубину до 100 м. Механическая скорость бурения составляет 0,7−1,5 м/ч, а производительность бурения — 190−300 м/станко-месяц. Вспомогательные работы занимают 25−40% от общего баланса рабочего времени, в том числе спускоподъемные операциидо 27%.
Столь низкие технико-экономические показатели можно объяснить тем, что отечественное серийное буровое оборудование предназначено в основном, для бурения вертикальных и наклонных скважин, спускоподъемные операции проводятся с помощью канатно-талевой системы, что не обеспечивает ни безопасного ведения работ, ни высокой производительности. Поэтому совершенствование механизмов подачи буровых станков, направленное на повышение их эффективности при бурении пологонаправленных скважин, представляется актуальной задачей.
Цель работы — повышение эффективности работы бурового оборудования и обеспечение безопасных приемов доставки и извлечения бурильных труб в глубокие пологонаправленные скважины.
Научная идея — применение замкнутых цепей в качестве подающего органа механизма подачи бурильных труб, размещенного на буровом станке, обеспечит наибольшую эффективность спускоподъемных операций при бурении пологонаправленных скважин и безопасность ведения буровых работ.
Методы исследований.
Обобщение и критический анализ литературных данных. Теоретические исследования выполнены на основе решения дифференциального уравнения изгиба бурильных труб в искривленном стволе скважины. Лабораторные и натурные эксперименты проводили с использованием методов динамометрии, результаты экспериментов обрабатывали с применением методов математической статистики.
Защищаемые научные положения.
1. Механико-математическая модель движения колонны бурильных труб в пологонаправленных скважинах при проведении спускоподъемных операций, является основным фактором, определяющим конструктивные параметры механизма подачи бурильных труб.
2. Конструкция механизма подачи бурильных труб, разработанная на основе минимизации затрат времени на проведение спускоподъемных операций, позволяет повысить эффективность и безопасность работ по доставке и извлечению колонны бурильных труб.
3. Конструкция прижимного устройства механизма подачи бурильных труб, обеспечивающая надежный прижим без проскальзывания и деформаций бурильных труб 4-х типоразмеров, определяется величиной угла между направляющими боковыми прижимными поверхностями призматической плашки, который составил 70° З’З'.
Научная новизна.
1. Впервые предложена механико-математическая модель, которая по сравнению с существующими моделями наиболее точно учитывает механизм взаимодействия колонны бурильных труб со стенками скважины при проведении спускоподъемных операций.
Впервые установлено:
— число полуволн определяется лишь силой сопротивления при передвижении абсолютно жесткой колонны бурильных труб;
— дополнительные силы реакции на гребнях полуволн сосредоточены в пределах одной полуволны и не увеличивают число полуволн;
— на силы сопротивления дополнительно влияет сила реакции в точках перегиба рассматриваемого участка.
2. Установлен рациональный угол между направляющими боковыми прижимными поверхностями призматической плашки с 3-мя точками контакта.
Научное значение.
1. Полученные расчетные выражения для определения сил сопротивления перемещению колонны бурильных труб на основе механико-математической модели позволили разработать наиболее рациональную конструкцию механизма подачи бурильных труб.
2. Установденная зависимость усилия прижатия плашки к бурильной колонне от глубины скважины позволила выбрать трехточечную конструкцию, которая обеспечит наиболее оптимальное усилие прижатия, не деформируя бурильную трубу.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются выбором комплексного метода исследований, сочетающего теоретические обобщения с экспериментальными исследованиями, и подтверждаются сходимостью с результатами экспериментов в производственных условиях, которые составили 82%.
Реализация результатов работы.
Разработанный образец механизма подачи бурильных труб был применен при бурении 2-х опытных скважин на Тырныаузском ГОКе и рекомендован для дальнейшего использования при разработке месторождения.
Механико-математическая модель используется в учебном процессе фрагментарно при разработке проектов по курсу «Разведочное бурение» и в дипломных проектах.
Практическое значение заключается:
1. В создании опытного образца механизма подачи бурильных труб, позволяющего увеличить скорость спускоподъемных операций в 1,5−1,8 раза при бурении глубоких пологонаправленных скважин.
2. В определении оптимальной конфигурации прижимных плашек, что позволяет увеличить срок эксплуатации бурильных труб.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на ежегодных НТК СКГТУ с 19 961 999 гг., на техническом Совете Тырныаузского ГОКа (2000 г.), на заседании кафедры «Геология и поисково-разведочное дело» СКГТУ (2000 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 статьях.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит введение, четыре главы и заключение, список литературы из 56 наименований, 30 рисунков, 13 таблиц и приложений на 33 страницах.
4.5. Выводы по главе.
1. Лабораторные исследования по определению сил прижима показали, что призматическая прижимная плашка с 3-мя точками контакта наиболее приемлема для проведения спускоподъемных операций.
2. Полученные замеры по определению сил прижима плашки к бурильной трубе, обработанные методом математической статистики, показали, что отклонение между теоретическими и лабораторными исследованиями составляют в среднем 15%, что позволяет констатировать справедливость теоретических исследований.
3. В производственных условиях эксперимент показал надежность и безопасность работы механизма подачи бурильных труб. Конструктивных недостатков в работе механизма подачи выявлено не было.
4. Данные замеров по силам сопротивления при спускоподъемных операциях в горизонтальной (глубиной 260 м) и в пологовосстающей скважине (глубиной 150 м) обработанные методом математической статистики показали, что разница сил сопротивления, полученная в ходе теоретических и производственных исследований, составляет 13%.
5. Анализ сменной производительности показал, что применение МПБТ позволит увеличить производительность на 13,6%, уменьшить стоимость бурения одного метра скважины на 13%, получить экономический эффект от применения механизма около 11 млн. р.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе решена актуальная научно-практическая задача по повышению эффективности работы бурового оборудования за счет увеличения скорости спускоподъемных операций и обеспечения безопасных приемов доставки и извлечения бурильных труб при бурении пологонаправленных скважин.
На основании выполненных теоретических и экспериментальных работ сформулированы основные результаты проведенных исследований:
1. Разработана механико-математическая модель взаимодействия колонны бурильных труб со стенками скважины, наиболее точно учитывающая все физико-механические процессы при проведении спускоподъемных операций. В результате получены расчетные зависимости по определению сил сопротивления перемещению колонны бурильных труб в горизонтальной, пологовосстающей и пологонаклонной скважинах.
2. Разработана конструкция механизма подачи бурильных труб для проведения спускоподъемных операций. Размещение механизма подачи бурильных труб на буровом станке позволяет в 1,5 — 1,8 раза увеличить скорость спускоподъемных операций, на 13,6% повысить сменную производительность бурения, на 13% снизить стоимость бурения одного метра и на 34% уменьшить капитальные затраты.
3. Разработана конструкция прижимного устройства (плашек), позволяющая исключить возможность проскальзывания и деформации бурильных труб диаметром 42- 50- 54 и 68 мм с 3-мя точками контакта и рациональным углом между боковыми поверхностями 70° 33'.
4. Производственные исследования подтвердили теоретические исследования по учету сил сопротивления перемещению колонны бурильных труб. Разница между результатами экспериментальных и теоретических исследований составила в среднем 18%.
1. Волков A.C., Ненков Н. Д. Механизация спускоподъемных операций в горизонтальных скважинах // ЭИ: Техника и технология геологоразведочных работорганизация производства, ВИЭМС, М., № 11. 1977, С. 1−29.
2. Кодзаев Ю. В. Бурение разведочных горизонтальных скважин .- М.: Недра, 1978.223 с.
3. Механизация спускоподъемных операций при бурении горизонтальных и полого-направленных скважин/ А. Э. Лалаев. Владикавказ, СКГТУ. Деп. в ВИНИТИ, № 3677-В98, 1998.
4. Исследование и разработка рациональных технических средств и технологии бурения горизонтальных и слабонаклонных скважин большой протяженности/ Б. Е. Бойцов, Н. В. Демин, А. М. Лимитовский и др. Отчет по НИР НИЛ БТ. М., 1974, С. 11−29, 79−81.
5. A.c. 295 862. СССР. В. Ф. Оловянишников и Б. А. Двуниткин. Устройство для перемещения длинномерных изделий. Б.И. № 8, 1971.
6. A.c. 602 668. СССР. И. Н. Андрианов. Подъемник для труб. Б.И. № 14, 1978.
7. A.c. 609 866. СССР. П. Л. Пшеничный, Н. Я. Мелентьев, О. Ф. Родин и др. Податчик бурильных труб. Б.И. № 21, 1978.
8. A.c. 785 458. СССР. Х. З. Нейтура и Н. В. Долинин. Механизм спуска и подъема непрерывных стальных труб и штанг. Б.И. № 45, 1980. ««.
9. А.с.939 719. СССР. П. Л. Пшеничный. Податчик бурильной колонны. Б.И. № 24,1982.
10. A.c. 1 035 186. СССР. И. Я. Соловьев и А. И. Вареца, П. Л. Пшеничный. Податчик бурильных труб. Б.И. № 30, 1983.
11. A.c. 1 121 377. СССР. П. Л. Пшеничный и А. И. Вареца. Податчик бурильных труб. Б.И. № 40, 1984.
12. Мелентьев Н. Я., Плеханов В. Г. Бурение горизонтальных скважин большой протяженности с применением цепных податчиков // ЭИ: Техника и технология геологоразведочных работорганизация производства, ВИЭМС, М., № 7. 1982, С. 1−10.
13. Гозюмов С. Г. Динамическая устойчивость бурильной колонны в горизонтальной взрывной скважине// Изв.ВУЗов. Горный журнал.-1974.-№ 11. С.86−89.
14. Исследование устойчивых форм равновесия бурильной колонны/ А. Е. Колесников, С. Г. Гозюмов и Ю.В.Кодзаев// Изв.ВУЗов. Геология и разведка,-1981,-№ 8.
15. Кодзаев Ю. В. Разведка месторождений твердых полезных ископаемых многоствольными горизонтальными скважинами .- М.: Недра, 1989, — 200 с.
16. Александров М. А. Определение сил сопротивления при бурении, — М.: Не-драД965,С.19.
17. Киссельман М. Л. Определение сил трения в искривленных скважинах// Нефтяное хозяйство.-1969, — № 9. С.21−23.
18. Алексеев В. Н. Исследование устойчивости движения бурильной колонны на стенде//Сб. Методика и техника разведки .- ОНТИ ВИТР, Л., 1979, — № 131. С. 1723.
19. Ребрик Б. М. Практическая механика в разведочном бурении .- М.: Недра, 1982.318 с.
20. Майоров И. Г. Спиральный продольный изгиб колонны труб в скважине// Нефтяное хозяйство.-1966.-№ 4, — С. 28−32.
21. Кирсанов А. Н., Зиненко В. П., Кардыш В. Г. Буровые машины и механизмы .- М.: Недра, 1981.-448 с.
22. Корн Г. и КорБ Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров .- М.: Наука, 1973, — 832 с.
23. Смирнов В. И. Курс высшей математики, т.1−5, — М.: Наука, 1978.
24. Математическое описание сил сопротивления перемещению колонны бурильных труб в горизонтальной скважине/ А. Э. Лалаев, И. Д. Музаев, Ю. В. Кодзаев и Х. С. Хосаев // Сб. научных трудов аспирантов, Владикавказ, СКГТУ.-1999, — С. 6871.
25. Саркисов Г. Н. Расчеты бурильных и обсадных колонн ,-М.: Недра, 1971. 205 с.
26. Александров М. М. Силы сопротивления при движении труб в скважине .- М.: Недра, 1978, — 208 с.
27. Саркисов Г. Н. Расчеты бурильных и обсадных колонн ,-М.: Недра, 1971, — 205 с.
28. Кодзаев Ю. В. Теория и практика бурения разведочных горизонтальных скважин: Автореф. дис.. докт.техн.наук, — М., 1987.
29. Постановка и решение начально-краевой задачи математической физики колебаний колонны бурильных труб/А.Э.Лалаев и И. Д. Музаев // Сб. тезисов НТК, посвященной 60-летию НИСа СКГТУ, Владикавказ, СКГТУ.-1988, — С. 192−196.
30. Технико-экономические показатели применения податчика бурильных труб в пологонаправленных скважинах/ Ю. В. Кодзаев и А. Э. Лалаев // Труды СКГТУ, вып. 4, Владикавказ, 1998, — С. 80−82.
31. Лавров Г. Е. Современные машины горизонтального бурения .- М.: Госполитиздат, 1961. 178 с.
32. Механизация спускоподъемных операций при бурении глубоких взрывных скважин/ Ю. В. Кодзаев и А. Э. Лалаев // Труды СКГТУ, вып. 3, Владикавказ, 1997.-С.10−12.
33. По датчик бурильных труб в пологонаправленные скважины/ Ю. В. Кодзаев и А. Э. Лалаев // Труды СКГТУ, вып. 3, Владикавказ, 1997. С. 39−40.
34. Анурьев В. И. Справочник конструктора машиностроителя.-т.1−3, 5-е изд. -М.: Машиностроение, 1980.
35. Биргер И. А., Шорр Б. Ф. и Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник .- 3-е изд. — М.: Машиностроение, 1979, — 702 с.
36. Дмитриев В. А. Детали машин ,-М.: Машиностроение, 1970.
37. Иванов М. И. Детали машин 5-е изд. -М.: Высшая школа, 1991, — 383 с.
38. Романовский Г. А., Окунев М. В. и Блонский М. Б.: Справочник по расчету и конструированию втулочных и втулочно-роликовых цепных передач .- М.: Машиностроение, 1966, — 276 с.
39. Воробьев Н. В. Цепные передачи .- 3-е изд. М.: Машиностроение, 1968, — 251 с.
40. Чернавский С. А. Краткий справочник машиностроителя, — М.: Машиностроение, 1966. 797 с.
41. Выбор и обоснование конфигурации прижимных плашек/ А. Э. Лалаев, Ю. В. Кодзаев и Х.С.Хосаев// Труды СКГТУ, вып.7, Владикавказ, 2000.
42. Болотин Х. Л. и Костромин Ф. П. Станочные приспособления.- М.: Машиностроение, 1973, — 341 с.
43. Горошкин А. К Приспособления для металлорежущих станков.-М.: Машиностроение, 1979, — 304 с.
44. Радченко В. М. и Этануэль Г. Д. Станочные приспособления в машиностроении.-М.: МАШГИЗ, 1952, — 560 с.
45. Карсанов B.C. Основы конструирования приспособлений, — М.: Машиностроение, 1965, — 359 с.
46. Ансеров М. А. Приспособления для металлорежущих станков .- 7-е изд.- М.: Машиностроение, 1976, — 656 с.
47. Антонюк В. Е., Королев В. А. и Башеев С. М. Справочник по расчету и проектированию станочных приспособлений. Минск, Беларусь, 1969, — 392 с.
48. Венецкий И. Г. и Г. С. Кильдешев Основы математической статистики .- М.: Госстатиздат ЦСУ СССР, 1963. 307 с.
49. Ивченко Г. И. и Медведев Ю. И. Математическая статистика .- М.: Высшая школа, 1984, — 248 с.
50. Коваленко И. Н. и Филиппова A.A. Теория вероятностей и математическая статистика: 2-е изд.- М.: Высшая школа, 1982, — 256 с.
51. Анализ сменной производительности с применением различных способов проведения спускоподъемных операций/ Ю. В. Кодзаев и А.Э.Лалаев// Сб. научных трудов аспирантов СКГТУ, Владикавказ, 1999. С.16−18.
52. Акбердин Р. З. Экономика обновления парка оборудования в машиностроении .М.: Машиностроение, 1987, — 183 с.
53. Расчеты экономической эффективности новой техники: Справочник под ред К. М. Великанова — Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1975, — 430 с.
54. Экономика, организация и планирование машиностроительного производства Под ред. Е. М. Коростелевой: 3-е изд. — М.: Высшая школа, 1982, — 320 с.
55. Экономика машиностроения СССР: под ред. И. М. Разумова и И. Э. Берзиня, — М.: Высшая школа, 1082, — 320 с.
56. Экономика машиностроительного производства: под ред. И. М. Бабука.- Минск: Высшая школа, 1990, — 351 с.
