Спосіб буріння компенсаційних свердловин

Реферат: UA 95502 U UA 95502 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до бурової техніки, а саме до особливих способів або пристроїв для буріння. Буріння компенсаційних свердловин  60-70 мм паралельними врубами з підготовкою забоїв для вибуху в горизонтальних підземних гірничих виробках шпурами  40-42 мм на глибину 1,5-1,6 м є досить актуальним. Особливо на підповерхах, на які неможливо доставити потужну бурову техніку. Наприклад, у Криворізькому залізорудному басейні на такі виробки припадає до 60 % від усіх горизонтальних виробок. Для підвищення ефективності проходки таких виробок у різних частинах забою бурять декілька компенсаційних свердловин  60-70 мм. У компенсаційні свердловини вибухівка не закладається, однак завдяки цим свердловинам збільшуються глибина відбійки та коефіцієнт використання шпурів. Забій після вибуху виходить гладкий, правильної форми та практично без недопідірваних стаканів. Відомий спосіб буріння компенсаційних свердловин суцільним забоєм лезовою коронкою типу К-100В, яка включає лезову триперову частину діаметром 60-100 мм з випереджаючим лезом - центратором  40 мм - аналог 1. (Див. джерело 1: Иванов К.И. и др. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1966, с. 170). Недоліком даного способу є низька швидкість буріння через недосконалу форму породоруйнівних твердосплавних лез коронки, недостатність енергії удару для даної коронки у переносних перфораторах на пневмопідтримках, які застосовуються при проходці підповерхових виробок. Відомий спосіб для буріння компенсаційних свердловин суцільним забоєм штировою коронкою  64 мм, у якої передня частина, забезпечена породоруйнівними штирями, виготовлена у вигляді зрізаного конуса, що виконує функцію центратора - аналог 2. (Див. джерело 2: Каталог - Rock Drilling Tools. Atlas Copco Secoros AB, SE-737 25 Fagersta, Sweden, 2001, с. 33). Порівняно з аналогом 1 аналог 2 забезпечує підвищену швидкість буріння. Однак недоліком даного способу є необхідність застосування потужних гідравлічних перфораторів з 3 питомою енергією удару 350 Дж/м і зусиллям подачі 3000 Н, які не можуть забезпечити переносні пневматичні перфоратори, застосовувані при бурінні на підповерхових виробках. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип, є спосіб розширення раніше пробурених шпурів з метою перетворення їх в компенсаційні свердловини. (Див. джерело 3: Применение коронок - расширителей для бурения компенсационных скважин на проходческих работах, Минцветмет СССР, ЦНИИ экономики и информации цветной металлургии. Обзорная информация. Выпуск 6. М., 1988, 39 с). Для реалізації даного способу передбачене застосування коронки з розширюючою частиною, в передній частині якої використовують направляючий центратор, що вставляється в попередньо пробурений шпур у першій стадії коронки КРР-65, яка серійно випускається ЗАТ "Бінур", Росія, Москва - аналог 3. (Див. джерело 4: авт. св. СССР № 876948, кл. Е21В 10/26, опубл. 30.10.81, бюл. № 40). Ця коронка розширювач має жорстко з'єднаний з ним за допомогою внутрішнього конусного з'єднання в розширюючій частині корпусу направляючий центратор - стержень з головкою, на якому встановлені кільцева насадка й еластичні кільця, розміщені з обох торців. Порівняно зі способами аналогами 1 і 2 сумарний час, який витрачається на буріння випереджаючого шпуру і розширення свердловини, зменшується до 2-х разів. Однак до недоліків даного способу слід віднести необхідність буріння у дві стадії. У першій стадії буриться шпур коронкою  40-42 мм, а потім здійснюється розширення свердловини до  60-70 мм коронкою з розширюючою частиною КРР-65. У неї низька ефективність передачі ударних імпульсів від бурової штанги, по якій завдає ударів поршень - ударник перфоратора. Ударні імпульси трансформуються у хвилю напруги, яка пройшовши бурову штангу через конусне сполучення штанга-коронка, передається на корпус КРР-65 і далі на її розширюючу частину. На цій ділянці відбуваються основні втрати енергії ударних імпульсів через недосконалу форму переходу корпусу коронки на її розширюючу частину, а також недосконалої лезової форми її породоруйнівних елементів і нераціональної трикутної форми пазів для виносу шламу. Така форма пазів не тільки не забезпечує необхідну очистку забою від шламу, який повторно подрібнюється твердосплавним озброєнням коронки, збільшуючи знос усіх елементів коронки, але й знижує передачу енергії ударів поршня перфоратора на леза коронки. Крім того направляючий стержень внаслідок того, що він не притиснутий до забою, а знаходиться у вже пробуреному шпурі під дією ударних хвиль, що проходять через коронку, часто від'єднується від коронки та залишається в розширеній свердловині. Це відбувається тому, що хвиля напруги, що проходить через корпус розширюючої частини коронки, на декілька мікронів збільшує його в розмірі і, відповідно, збільшує діаметр внутрішнього конуса в ньому. Тому натяг конусного сполучення поступово послаблюється і направляючий стержень від'єднується від корпусу в середньому 1 раз після розширення 2-х шпурів. Для його витягання непродуктивно витрачається час, знижуючи 1 UA 95502 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ефективність процесу розширення шпурів, що встановлено нами і не зазначено у вище наведених джерелах 3 і 4. Задачею винаходу є створення більш ефективного способу для буріння компенсаційних свердловин у одну та дві стадії коронкою діаметром 60-70 мм. Передбачена можливість буріння компенсаційної свердловини в одну та дві стадії. При цьому у разі буріння компенсаційної свердловини в одну стадію коронкою з розширюючою частиною діаметром D центратор замінюють коронкою меншого діаметра d порівняно з діаметром D у співвідношенні розмірів D/d ноу-хау заявника, яку насаджують на зовнішній конус у передній частині розширюючої частини коронки. Цей конус виконаний як одне ціле із розширюючою частиною та виготовлений таким чином, щоб забезпечити максимальну передачу енергії ударних імпульсів через сполучення зовнішній конус розширюючої частини / внутрішній конус випереджаючої коронки, яка у цьому випадку виконує функцію концентратора енергії, що забезпечує ефективне руйнування породи поблизу її осі. При цьому породоруйнівним елементам, як на випереджаючій коронці, так і на розширюючій частині задають штирову форму, яка разом із кількістю та діаметрами штирів випереджаючої коронки співвідноситься до форми, діаметра та кількості штирів розширюючої частини у пропорції ноухау заявника. Ці співвідношення задають таким чином, щоб розрахункова питома енергоємність 3 1 мм зруйнованої породи у компенсаційній свердловині при її використанні для буріння в одну стадію з випереджаючою коронкою меншого діаметра, була співрозмірна питомій енергоємності 3 1 мм зруйнованої породи штировою коронкою, що використовується для буріння підготовчих шпурів у випадку буріння компенсаційних свердловин у дві стадії. При цьому бічній поверхні розширюючої частини коронки задають форму, подібну формі вигину пелюсток квітки лотоса, радіус R вигину якої регламентований у діапазоні розмірів ноу-хау заявника. При цьому наряду з формою бічної поверхні розширяючої частини, подібній формі пелюсток квітки лотоса, радіус її вигину R задають такої величини, що забезпечують максимальну напругу на породоруйнівних штирях і створюють умови ефективного руйнування породи у свердловині при мінімальній напрузі в конусному сполученні штанга/розширююча частина коронки. Крім того, увігнутим пазам для виносу зруйнованого шламу на розширюючій частині придають радіальну форму циліндричної поверхні радіусом r такої величини, що забезпечують ефективний винос шламу при мінімальному зносі поверхні розширюючої частини та випереджаючої коронки, а також максимальну напругу на поверхні породоруйнівних штирів, як на розширюючих частинах, так і на штирях випереджаючої коронки. Це поряд з формою бічної поверхні розширюючої частини, подібної формі пелюсток квітки лотоса, додатково збільшує напругу на породоруйнівних штирях і забезпечує більш ефективне руйнування породи в свердловині. При цьому радіус r регламентований у діапазоні оптимальних розмірів ноу-хау заявника. А при бурінні компенсаційної свердловини у дві стадії зовнішній конус розширюючої частини виконують розміром під внутрішній конус вживаної раніше штирової коронки, яка була використана для буріння підготовчих шпурів у першій стадії під компенсаційні свердловини. Її насаджують на даний конус, у цьому випадку вона виконує роль центратора у попередньо пробурених шпурах для розширення компенсаційної свердловини в другій стадії. Винахід пояснюється рисунками та кресленнями. На фіг. 1 показана триперова лезова коронка з четвертим випереджаючим лезом способу - аналога 1. На фіг. 2 показана штирова коронка  64 мм, у якій передня частина, забезпечена породоруйнівними штирями, виконана у вигляді зрізаного конуса, що виконує функцію центратора способу - аналога 2. На фіг. 3 показана коронка- розширювач  65 мм КРР-65 способу - прототипа. На фіг. 4-6 показані різні варіанти форм квіток лотоса: на фіг. 4 - білого лотоса; на фіг. 5 - рожевого лотоса; на фіг. 6 червоного лотоса. На фіг. 7 і 8 показані креслення коронки, що пропонується: фіг. 7 - вид збоку, фіг. 8 - вид зверху за стрілкою А, на яких: 1 - корпус розширювача; 2 - породоруйнівні штирі розширювача; 3 - пази для винесення шламу від розширювача; 4 - зовнішній конус для насадки випереджаючої коронки; 5 - випереджальна коронка або центруюча насадка; 6, 7 породоруйнівні штирі випереджаючої коронки; 8 - пази для винесення шламу випереджаючої коронки; 9 - канали для виходу промивної рідини з випереджаючої коронки. За стрілкою Б на фіг. 7 штриховою лінією показаний внутрішній конус розширюючої частини коронки для її насадки на бурову штангу. На фіг. 9 показана фотографія комбінованої коронки для реалізації запропонованого способу буріння компенсаційних свердловин у одну стадію. На фіг. 10 показані напруги на породоруйнівних штирях, визначені комп'ютерним моделюванням, залежно від форми пазів для бурового шламу: 1 - при закруглених пазах увігнутими циліндроутворюючими поверхнями радіусом r; 2 - при трикутних пазах; 3 - при трапецеїдальних пазах. На фіг. 11 показана ефективність винесення шламу залежно від форми пазів, визначена на підставі наших досліджень із використанням експериментально отриманого нами параметра завихреності 2 UA 95502 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потоку: 1 - при закруглених циліндроутворюючих пазах радіусом r; 2 - при трикутних пазах; 3 при трапецеїдальних пазах. На фіг. 12 показані залежності напружень, визначені нами комп'ютерним моделюванням: 1 - на породоруйнівних штирях; 2 - у конусному сполученні коронка-штанга залежно від форми та радіуса кривизни R бічної поверхні коронки. На фіг. 13 показана теоретична питома енергоємність руйнування породи з коефіцієнтом середньої міцності f=10 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова коронками різних типів (розрахована х використанням джерела 5 - Хруцкий А.А. Методика проектирования штыревых коронок для бурения скважин / Вісник Криворізького технічного університету: зб. наук, праць. - Кривий Ріг. 2008. - Вип. 20. - С. 98-102, а також джерела 6 - Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород / Ю.И. Протасов. - М: Недра, 1985. - 242 с): 1 - для штирової коронки  64 мм, показаної на фіг. 2; 2 - для штирової коронки  41 мм; 3 - для пропонованої комбінованої одностадійної коронки  65 мм, показаної на фіг. 9, з випереджуючою коронкою меншого діаметра та розширювачем, бічна поверхня якого подібна формі пелюсток квітки лотоса; 4 - для пропонованого розширювача  65 мм, бічна поверхня якого подібна формі пелюсток лотоса. На фіг. 14 показані експериментально визначені сумарні витрати часу на буріння компенсаційної свердловини  65 мм завглибшки 1,5 м різними коронками по породі середньої міцності f=10 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова, на якій позначення типів коронок аналогічні фіг. 13, причому на фіг. 14 додані витрати часу буріння розширювачем КРР-65 без урахування часу, який доводиться витрачати на витягання його періодично направляючого стержня, що періодично від'єднується, зі свердловини після розширення кожних 2-х шпурів. На фіг. 15 показані залежності визначеної експериментально швидкості зносу на 1 погонний метр пробуреної компенсаційної свердловини  65 мм по породі середньої міцності f=10 різними коронками, на якій позначення типів коронок аналогічні фіг. 13 і додана швидкість зносу розширювача КРР-65. На фіг. 16 показані експериментально визначені швидкості буріння різними коронками по міцній породі з коефіцієнтом міцності f=17-18 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова, на якій позначення типів коронок аналогічні фіг. 14 і фіг. 15. Спосіб буріння компенсаційних свердловин реалізований таким чином. 1. Розроблена комп'ютерна 3-D модель запропонованої коронки, фіг. 7-9. У цій коронці форма бічної поверхні розширюючої частини задана подібною формі пелюсток квітки лотоса, зображених на фіг. 4-6. Своїм внутрішнім конусом розширювач коронки віртуально насаджувався на зовнішній конус бурової штанги для проведення експериментів на комп'ютерній моделі. 2. Задавалися різні варіанти пазів для винесення бурового шламу на розширюючій частині коронки: закруглені пази циліндроутворюючої поверхні радіусом r, трикутні пази; трапецеїдальні пази. Комп'ютерним моделюванням визначена найкраща форма пазів, при якій напруга на поверхнях породоруйнівних штирів розширювача максимальна. Як видно з фіг. 10, ці закруглені пази забезпечують найбільшу напругу на породоруйнівних штирях >45 МПа, при оптимальній величині радіуса r ноу-хау заявника. 3. Перевірена ефективність винесення шламу за методикою, розробленою нами, що залежить від безрозмірного параметра завихреності двофазного потоку (промивна рідинашлам). З фіг. 11 видно, що найкращу ефективність винесення шламу забезпечують закруглені пази циліндроутворюючої поверхні, що забезпечують найвищий параметр завихреності потоку 0,4. 4. Вибраний діапазон оптимальних радіусів R закруглення бічної поверхні, подібній формі пелюсток квітки лотоса, розширюючої частини коронки за аналогічною методикою, описаною вище в п. 2 реалізації способу. На фіг. 12 цей діапазон позначений подвійною стрілкою, в якому величина напружень на породоруйнівних штирях розширюючої частини коронки (графік 1) максимальна і становить 52-55 МПа, а величина напружень у конусному сполученні штангакоронка (графік 2) мінімальна - 370-440 МПа. Це з одного боку забезпечує максимальну ефективність руйнування коронкою породи у свердловині й, відповідно, продуктивність буріння. А з іншого боку - запобігає руйнуванню (розриву) корпусу розширюючої частини коронки в районі нижньої частини її внутрішнього конуса, в якій для розробленої нами конструкції товщина корпусу коронки мінімальна, фіг. 7 - вид за стрілкою Б. 3 5. Теоретично розрахована питома енергія, яка необхідна для руйнування 1 мм породи міцністю f=10 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова для штирових коронок різних конструкцій, 3 фіг. 13: 7 - для штирової коронки  64 мм (353 Дж/мм ); 2 - для штирової коронки  41 мм (81 3 Дж/мм ); 3 - для пропонованої комбінованої одностадійної коронки  65 мм, з випереджаючою коронкою меншого діаметра та розширюючою частиною, бічна поверхня якої подібна формі 3 пелюсток лотоса (92 Дж/мм ); 4 - для пропонованого розширювача  65 мм, бічна поверхность 3 UA 95502 U 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 якого подібна формі пелюсток лотоса (38 Дж/мм ). Як видно з фіг. 13, запропонована одностадійна коронка з випереджаючою коронкою меншого діаметра і розширюючою частиною, бічна поверхня якої подібна формі пелюсток квітки лотоса  65 мм (тип 3), має теоретично несуттєво більш високу (приблизно на 13-14 %) питому енергоємність руйнування порівняно з штировою коронкою  41 мм (тип 2), для якої після буріння шпура ще потрібно розширювати свердловину в другій стадії буріння. Теоретично найефективнішим для даної міцності породи є запропонований розширювач  65 мм, бічна поверхня якого подібна формі пелюсток лотоса (тип 4), у якому питома енергія руйнування породи більш ніж в 2 рази менша, ніж у штировій коронці  41 мм (тип 2), застосовуваної для буріння шпурів у першій стадії. 6. Якщо замість випереджаючої коронки меншого діаметра застосовується циліндричний центратор або вживана раніше коронка - центратор  40-42 мм, то хвиля напруги, що проходить через корпус розширюючої частини коронки і зовнішній конус в її передній частині для насадки на кілька мікронів збільшує зовнішній розмір цього конуса. Це збільшує натяг конусного сполучення, тому спеціальний циліндричний центратор або вживана раніше коронка центратор ніколи не від'єднується від розширюючої частини запропонованої коронки, незважаючи на те, що у цьому випадку вони знаходяься у заздалегідь пробуреному шпурі та не впираються в породу, що руйнується. На відміну від розширювача КРР-65 способу - прототипу, який від'єднується приблизно 1 раз на 2 розширені свердловини. Дослідні зразки запропонованих коронок - одностадійні (тип 3) і розширювач (тип 4), були виготовлені та випробувані у виробничих умовах на ш. ім. Фрунзе ПАТ "Євраз Суха Балка" м. Кривий Ріг при бурінні породи середньої міцності, f=10 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова, порівняно з коронкою - розширювачем КРР-65 способу-прототипу. Як видно з фіг. 14, найменші витрати часу (11 хв.) на буріння компенсаційної свердловини припадають на запропонований розширювач (тип 4). Це разом з бурінням шпура коронкою  41 мм у першій стадії. У запропонованій одностадійній коронці (тип 3) - 16 хв. Найбільші витрати часу припадають на буріння розширювачем КРР-65 способу- прототипу - 18 хв. разом із часом, що витрачається на буріння підготовчого шпура. Це без урахування часу, який доводиться витрачати на витягання направляючого стержня, що періодично від'єднується. Крім того, через більш низьку ефективність винесення шламу розширювача КРР-65, у якого трикутні пази для виносу шламу (див. фіг. 3 і фіг. 11). При цьому у нього найвища швидкість зносу 2,3 г на 1 погонний метр пробуреної свердловини, фіг. 15. Таким чином, запропонований спосіб при бурінні по породах середньої міцності f=10 збільшує швидкість буріння у середньому на 54,5 % і знижує швидкість зносу запропонованих коронки та розширювача у середньому на 45,5 % порівняно зі способом - прототипом із розширювачем КРР-65. Випробування по міцних породах f=18 проведені на ш. ім. Леніна ПАТ "Криворізький залізорудний комбінат". При одностадійному бурінні компенсаційної свердловини запропонованою комбінованою коронкою (тип 3, показаною на фіг. 9) і бурінні у дві стадії запропонованим розширювачем (тип 4), як видно з фіг. 16 в цих умовах швидкість буріння, як в одну стадію комбінованою коронкою з випереджаючою коронкою меншого діаметру, так і в дві стадії, сумарна швидкість буріння з урахуванням буріння випереджаючого шпуру та розширення свердловини з одностадійним способом однакова - 0,134 м/хв. Це означає, що при бурінні міцної породи доцільно застосовувати одностадійний спосіб буріння компенсаційної свердловини. При цьому для цієї міцності породи з використанням способу-прототипу швидкість розбурювання свердловини в попередньо пробуреному шпурі  41 мм розширювачем КРР-65 практично дорівнює нулю! Це відбувається через недосконалу форму його корпусу і пазів для виносу шламу, а також лезової форми породоруйнівних елементів, на яких у цьому зв'язку напруга на них для руйнування міцної породи недостатня. Таким чином, запропонований спосіб буріння компенсаційних свердловин з використанням запропонованої комбінованої одностадійної коронки у одну стадію, а також - запропонованого розширювача у дві стадії, має суттєві переваги порівняно зі способом - прототипом. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Спосіб для буріння компенсаційних свердловин у дві стадії, що включає застосування коронки з розширюючою частиною, в передній частині якої використовують направляючий центратор, що вставляється в попередньо пробурений шпур у першій стадії, який відрізняється тим, що передбачене буріння компенсаційної свердловини проводять в одну та дві стадії, при цьому у випадку буріння компенсаційної свердловини в одну стадію коронкою з розширюючою частиною діаметром D центратор замінюють коронкою меншого діаметра d порівняно з діаметром D у 4 UA 95502 U 5 10 15 20 25 30 співвідношенні розмірів D/d ноу-хау заявника, яку насаджують на зовнішній конус у передній частині розширюючої частини коронки, цей конус виконаний як одне ціле з розширюючою частиною і виготовлений таким чином, щоб забезпечити максимальну передачу енергії ударних імпульсів через сполучення зовнішній конус розширюючої частини/внутрішній конус випереджаючої коронки, яка в цьому випадку виконує функцію концентратора енергії, що забезпечує ефективне руйнування породи поблизу її осі, при цьому породоруйнівним елементам як на випереджаючій коронці, так і на розширюючій частині задають штирову форму, яка разом із кількістю і діаметрами штирів випереджаючої коронки співвідносяться до форми, діаметра і кількості штирів розширюючої частини у пропорції ноу-хау заявника, ці 3 співвідношення задають таким чином, щоб розрахункова питома енергоємність 1 мм зруйнованої породи у компенсаційній свердловині при її використанні для буріння в одну стадію 3 з випереджаючою коронкою меншого діаметра була співрозмірна питомій енергоємності 1 мм зруйнованої породи штировою коронкою, що використовується для буріння підготовчих шпурів у разі буріння компенсаційних свердловин у дві стадії, причому бічній поверхні розширюючої частини коронки задають форму, подібну формі вигину пелюсток квітки лотоса, радіус R вигину якої регламентований у діапазоні розмірів ноу-хау заявника, при цьому поряд з формою бічної поверхні розширюючої частини, подібної формі пелюсток квітки лотоса, радіус її вигину R задають такої величини, що забезпечують максимальні напруги на породоруйнівних штирях і створюють умови ефективного руйнування породи у свердловині при мінімальній напрузі в конусному сполученні штанга/розширююча частина коронки, крім того, увігнутим пазам для винесення зруйнованого шламу на розширюючій частині придають радіальну форму циліндричній поверхні радіусом r такої величини, що забезпечують ефективне винесення шламу при мінімальному зносі поверхні розширюючої частини і випереджаючої коронки, а також максимальну напругу на поверхні породоруйнівних штирів як на розширюючій частині, так і на штирях випереджаючої коронки, це поряд з формою бічної поверхні розширюючої частини подібної формі пелюсток квітки лотоса додатково збільшує напругу на породоруйнівних штирях і забезпечує більш ефективне руйнування породи у свердловині, причому радіус r регламентований у діапазоні оптимальних розмірів ноу-хау заявника, а при бурінні компенсаційної свердловини у дві стадії зовнішній конус розширюючої частини виконують розміром під внутрішній конус вживаної раніше штирової коронки, яка була використана для буріння підготовчих шпурів у першій стадії під компенсаційні свердловини та її насаджують на даний конус, у цьому випадку вона виконує роль центратора у попередньо пробурених шпурах для розширення компенсаційної свердловини у другій стадії. 5 UA 95502 U 6 UA 95502 U 7 UA 95502 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8