Оптимизация динамики породоразрушающих инструментов при бурении взрывных скважин на открытых горных работах .

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире бурение нефтяных, газовых, взрывных и других скважин выполняется породоразрушающими инструментами, которые в ряду буровой техники являются основными призабойными механизмами. По отраслям горнорудной промышленности буровые работы составляют в среднем 25-55% от стоимости добычи полезных ископаемых. Глубина бурения скважин составляет от 5 до 12262 метров. Из имеющихся на сегодня более 100 видов инструментов для разрушения определённых горных пород используются инструменты с соответствующими физико-механическими свойствами. В связи с этим в настоящее время на мировом рынке имеется дефицит высококачественных и недорогих инструментов разрушения горных пород. После обретения независимости Узбекистаном развитие горно-металлургической промышленности внесло значительный вклад в экономику страны, перспективу и укрепление нашей независимости. Па основе программы мер, проводимых в данном направлении, достигнуты значительные результаты, в частности, повышен объем добычи полезных ископаемых при открытом способе разработки, уменьшена себестоимость готовой продукции и увеличен годовой объем производства продукции. В стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан* определены задачи для выполнения программ по сокращению энергоемкости и ресурсоемкое™ экономики, широкому внедрению в производство энергосберегающих технологий, повышению производительности труда в отраслях экономики, а также продолжению политики стимулирования локализации производства для поднятия в настоящее время на новый уровень горно-металлургическую промышленность и повышения эффективности бурения взрывных скважин . На сегодняшний день во всем мире современный процесс бурения скважин имеет два аспекта: технический - разработка, проектирование и изготовление буровых породоразрушающих инструментов и технологический - оптимальный выбор буровых инструментов в соответствии с физико-механическими условиями забоя скважины и определение оптимальных режимов бурения: осевые нагрузки, скорости вращения инструментов и количество подаваемой жидкости (воздуха) в забой скважины. Данные вопросы в настоящее время остаются не решенными, т.к. условия в забое скважин отличаются по геологическим регионам. Поэтому не во всех случаях оптимизация выбора бурового долота будет эффективной, что в равной степени касается и процесса оптимизации режимов бурения. Интенсификация процесса бурения и снижение её стоимости возможны за счет использования новых, более эффективных породоразрушающих инструментов, выбора рационального типа и более совершенной технологии их отработки в заданных горнотехнических условиях. Как показывает практика, только на детерминированной основе, т.е. на основе задаваемых показателей геометрии бурового инструмента, можно решить вопросы оптимизации как геометрических параметров буровых породоразрушающих инструментов, так и технологических параметров процесса бурения скважин самого различного типоразмера. В связи с этим разработка новых типов высокоэффективных породоразрушающих буровых инструментов является актуальной проблемой науки и практики горного производства, решение которой способствует повышению экономической эффективности работы предприятий. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан №ПП-1442 от 15 декабря 2010 г. «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015 годах», Указах №У П-4707 от 4 марта 2015 г. «О программе мер по обеспечению структурных преобразований, модернизации и диверсификации производства в 2015-2019 гг.» и №УП-4947 от 7 февраля 2017 г. «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в этой сфере. Целью исследования является оптимизация динамических составляющих породоразрушающих буровых инструментов на детерминированной основе. Научная новизна исследования заключается в следующем: разработана методология решения оптимизационных задач в техническом и технологическом аспектах на основе изучения законов классической теоретической механики; определены критерии оценки работоспособности буровых инструментов в процессе разрушения горных пород в зависимости от геометрических параметров породоразрущаюших буровых инструментов, на основе которых разработана динамическая модель поведения и воздействия буровых долот на поверхности забоя скважины; установлен энергозатратный режим динамической системы в каждый момент времени в координатной системе на гиперболических кривых и на гиперболоидных поверхностях в пространстве, ниже которого находится область с минимальной тратой энергии, приводящей к процессу сальникообразования; установлено, что с увеличением количества лопастей буровых долот радиусы вписанных и описанных окружностей стремятся к конструктивным заданным, а площади покрытия поверхностей забоев скважин уменьшаются; в результате этого определены пути контакта вооружения буровых долот, работающих в режиме пар вращения и уменьшении их межосевого эксцентриситета; разработаны буровые долота с учетом динамики вооружения шарошек, герметизации опор шарошек и промывочной жидкости на основе зависимости затрат энергии динамических систем от сил сопротивления движению. Заключение На основе проведенных исследований по докторской диссертации на тему «Оптимизация динамики породоразрушающих инструментов при бурении взрывных скважин на открытых горных работах» получены следующие результаты: 1. Впервые при ведении буровых работ теоретически и практически обосновано динамика буровых долот с учетом всех их составляющих: динамики вооружения шарошек, герметизация их опор и промывочной жидкости на базе закономерности затрат энергии динамических систем в зависимости от сил сопротивления движению, на основе которых разработана комплексная методика исследования. 2. Усовершенствована методология решения оптимизационных задач в техническом и технологическом аспектах на основе законов теоретической механики. 3. Установлен критерий оценки работоспособности буровых инструментов в процессе разрушения горных пород, зависящий от геометрических параметров породоразрущаюших буровых инструментов; на детерминированной основе предложена динамическая модель поведения буровых долот на поверхности забоя скважины. 4. Исследованиями установлено, что энергозатратный режим динамической системы в каждый момент времени представляется в координатной системе в виде гиперболических кривых на гиперболоидных поверхностях пространства забоя. Определено, что ниже уровней кривых находится область с минимальной тратой энергии, приводящая к процессу сальникообразования. Исключают это явление долота, работающие в режиме пары вращения с заданным процессом разрушения горной породы в забое скважины и определяющие равномерный износ рабочих элементов, независимо от их расположения по диаметру долота. 5. Установлено, что с увеличением количества лопастей буровых долот, радиусы вписанных и описанных окружностей становятся ближе к конструктивно заданным, а площади покрытия поверхностей забоев скважин, уменьшаются. На основе этих данных определяются пути определения вооруженности буровых долот, работающих в парном режиме вращения за счет уменьшения ее межосевого эксцентриситета. 6. Разработана и экспериментально проверена новая конструкция одношарошечного бурового долота с улучшенной герметизацией опор, обеспечивающий исключение процесса сальникообразования при бурении скважин в бентонитоподобных глинистых породах. Новизна герметизации опор бурового долота защищена полученным патентом Республики Узбекистан № IАР 05118 от 22.10.2015г. 7. Разработана и экспериментально проверена новая конструкция породоразрушающего бурового долота, работающая в парном режиме вращения и обеспечивающая противосальниковый процесс при бурении в бентонитоподобных глинистых породах, а также равномерное нагружение опор рабочих матриц в их корпусах, исключающих колебательные (вибрационные) процессы в забое скважины и неравномерный износ вооружения рабочих органов при парных режимах вращения. 8. На основе изучения режима динамики режущих элементов соответствующих любых конструкций и ориентации на всей поверхности забоя взрывных скважин разработан лабораторный стенд для проектирования долот в парных режимах вращения. 9. Реализация основных результатов работы выразилась в создании отраслевых нормативно-технических документов: «Методика исследования закономерности затрат энергии динамических систем от сил сопротивления движению», «Методика оптимизации схем размещения вооружения на шарошках буровых долот», «Методика совершенствования опорных узлов одношарошечных буровых долот», «Методика совершенствования промывочных узлов одношарошечных буровых долот».Данные документы согласованы в органах государственной инспекции «Саноатгеоконтехназорат» при Кабинете Министров Республики Узбекистан и утверждены руководством Навоийского горно-металлургического комбината. 10. Разработанная конструкция одношарошечного бурового долота изготовлена в ПО «Иавоийский машиностроительный завод» ГП «Павоийский горно-металлургический комбинат». Проведено опытнопромышленное испытание на карьере Ташкура Джерой-Сардаринского месторождения фосфоритов Центрального рудоуправления Навоийского горно-металлургического комбината. В результате установлено, что при бурении скважин образцом одношарошечного бурового долота новой конструкции средняя скорость бурения увеличивается в 1,1-1,5 раза по сравнению с серийным долотом, а энергоемкость разрушения снижается в 1,1-1,3 раза (акт испытания №3-0105/980 от 17.11.2016 г.) с достижением экономического эффекта в размере 453,0 млн. сум (акт внедрения №3-0105/979 от 17.11.2016 г.).