Розробка забивного пробовідбірника для буріння інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ЗАБИВНОГО ПРОБОВІДБІРНИКА ДЛЯ БУРІННЯ ІНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГІЧНИХ СВЕРДЛОВИН НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМУ ШЕЛЬФІ

Рязанов Андрій Миколайович

Дніпропетровськ -- 1998

Анотація

буріння геологічний свердловина шельф

Рязанов А.М. Розробка забивного пробовідбірника для буріння інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі. -- Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.15. 10. -- “Буріння свердловин” -- Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 1998.

Дисертація присвячена питанням розробки забивних пробовідбірників для відбору представницьких проб ґрунтів в нескельних породах в умовах вертикальних переміщень плавзасобу при бурінні глибоких морських інженерно-геологічних свердловин. На підставі аналітичного огляду запропонована принципова схема знімного забивного пробовідбірника з автономним гідравлічним приводом і вільно падаючим на робітничому ході бойком. Виконаний математичний опис процесу ударної взаємодії елементів системи “бойок -- керноприймальна труба -- нескельний ґрунт”. З метою погодження в часу руху поршневої групи гідродвигуна з рухом бойка проведені теоретичні дослідження робочого циклу пробовідбірника. Результати теоретичних досліджень знайшли підтвердження в ході лабораторних іспитів і з'явилися базою для створення практичної конструкції пробовідбірника, успішно апробованої в виробничих умовах.

Ключові слова: морське буріння, свердловина, забивний пробовідбірник, ударна система, гідродвигун, погодження.

Аннотация

Рязанов А.Н. Разработка забивного пробоотборника для бурения инженерно-геологических скважин на континентальном шельфе. -- Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.10. -- “Бурение скважин” -- Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 1998.

Диссертация посвящена вопросам разработки забивных пробоотборников для отбора представительных проб грунтов в нескальных породах в условиях вертикальных перемещений плавоснования при бурении глубоких морских инженерно-геологических скважин. На основании аналитического обзора предложена принципиальная схема съемного забивного пробоотборника с автономным гидравлическим приводом и свободно падающим на рабочем ходе бойком. Выполнено математическое описание процесса ударного взаимодействия элементов системы “боек -- керноприемная труба -- нескальный грунт”. С целью согласования во времени движения поршневой группы гидродвигателя с движением бойка произведены теоретические исследования рабочего цикла пробоотборника. Результаты теоретических исследований нашли подтверждение в ходе лабораторных испытаний и явились базой для создания практической конструкции пробоотборника, успешно апробированной в производственных условиях.

Ключевые слова: морское бурение, скважина, забивной пробоотборник, ударная система, гидродвигатель, согласование.

Summary

Ryazanov A.N. The development of a hammer sampler for drilling of engineering-geological holes on the continental shelf. -- Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.15.10 -- “Drilling of holes” -- National mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1998.

The thesis is devoted to the problems of the development of hammer samplers used for taking soil samples of soft rocks under condition of mother ship's vertical moving during the drilling of deep sea holes. On the basis of the analytical review the principle scheme of the removal hammer sampler was suggested. The self-contained hammer sampler is hydraulically operated and has a falling bullet when working motion. The mathematical description of stroke interaction's process of elements of system “a pin--a core sampler--soft rock” is made. For the purpose of time accordance of hydromotor piston's motion with the motion of a pin, theoretical researches of sampler's working cycle were provided. The results of theoretical researches were confirmed during the laboratory tests and became the base of creation of sampler's practical design, successfully tested in industrial conditions.

Key words: sea drilling, hole, hammer sampler, impacting design, hydromotor, accordance.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Освоєння родовищ корисних копалин континентального шельфу океану і будівництво морських промислових споруд і транспортних комунікацій вимагають проведення широкомасштабного інженерно-геологічного розвідування з метою отримання вірогідної інформації про геологічну будову і інженерно-геологічні умови досліджуємих дільниць шляхом буріння свердловин з відбором керну і проб ґрунтів з мінімальним порушенням структури (монолітів).

Зв'язане з цим різке збільшення обсягів буріння глибоких iнженерно-геологiчних свердловин (до 200 м по грунту при глибині акваторії до 150 м) визначає необхідність розробки високопродуктивних способів та технологічних схем бурiння, а також створення нових ефективних технічних засобів.

Аналіз і узагальнення вітчизняного та закордонного досвіду показує, що буріння глибоких свердловин у найкоротші терміни та отримання максимально достовірної iнженерно-геологiчної інформації забезпечує обертальний засіб буріння з використанням знімних свердловинних пристосувань (ЗСП) - пристроїв для проведення геотехнічних випробувань та пробовiдбору. Але на даний момент при використанні цієї технології практично неможливо відбирати моноліти у породах пiщано-глинистого комплексу в умовах вертикальних переміщень плавзасобу через відсутність надійних конструкцій знімних забивних пробовідбірників з автономним приводом.

Таким чином, актуальність створення теорії роботи, практичних конструкцій та технології застосування знімних забивних пробовідбірників з автономним приводом для буріння підводних iнженерно-геологiчних свердловин зумовлена потребами геологорозвідувальної галузі.

Тема дисертаційної роботи відповідає плану наукових робіт кафедри "Технологія і техніка геологорозвідувальних робiт" Донецького державного технічного університету та держбюджетної науково-дослідної теми Г-3-95 "Розвиток теорії і розробка ударних приладів та механізмів для буріння свердловин в ускладнених умовах".

Мета роботи і задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи -- встановити закономірності динамічних процесів у забивному пробовідбірнику, який забезпечує відбирання непорушених проб ґрунтів, на базі яких розробити конструкцію знімного забивного пробовідбірника з автономним приводом для буріння інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробка принципової схеми знімного забивного пробовiдбiрника, яка відповідає вимогам до відбору проб грунтів.

2. Узагальнення попередніх теоретичних робіт і уточнення розрахункової моделі та математичний опис процесу ударної взаємодії елементів системи "бойок -- керноприймальна труба -- нескельний грунт".

3. Теоретичні та експериментальні дослідження робочого циклу забивного пробовідбірника з гідравлічним приводом.

4. Розробка конструкції автономного забивного пробовiдбiрника для відбору проб грунтів в процесі буріння морських свердловин з використанням ЗСП.

Ідея дисертаційної роботи. Вилучення вертикальних переміщень плавзасобу на процес заглиблення забивного пробовідбірника в ґрунт, узгодження амплітуди і частоти ударів бойка по керноприймальної трубі забезпечує відбирання представницьких проб ґрунтів при бурінні інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі.

Методи досліджень. Поставлені задачі вирішувалися шляхом узагальнення і аналізу патентних і літературних джерел, проведення теоретичних і експериментальних досліджень, виконання опитно-конструкторських робіт, аналізу фактичного матеріалу, отриманого в результаті стендових і виробничих іспитів з впровадженням основних результатів в практику морських інженерно-геологічних робіт. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних умовах з використанням спеціальних стендів. Обробка отриманих даних і перевірка адекватності математичних моделей здійснювались на ЕОМ з використанням засобів математичної статистики.

Основні наукові положення, винесені на захист:

Заглиблення забивного пробовідбірника в нескельний ґрунт за одиничний удар відбувається в результаті поступового переміщення під дією 3-4 хвиль деформації керноприймальної труби, які виникають в процесі взаємодії елементів системи "бойок -- керноприймальна труба -- нескельний ґрунт", що описується хвильовим рівнянням коливань з урахуванням дисипації енергії у буровому снаряді і чистопластичної моделі опору ґрунту заглибленню.

Для відповідності накладаємим технологічним і конструктивним вимогам пор шневої гідродвигун забивного пробовідбірника повинен виконуватися неврівноваженим. Робочий цикл гідродвигуна, що забезпечує частоту ударів не більш 1 Гц, слідує описувати з урахуванням зміни маси поршневої групи на протязі циклу і гідроударних явищ в циліндрі механізму, при цьому допускається нехтувати дією клапанних пружин.

Робоча область зміни подачі рідини визначається діапазоном стійкої роботи гідродвигуна, якій корегується з урахуванням обмеження по частоті ударів і величини ходу поршневої групи, причому остання повинна знаходитися в межах, що забезпечують розгін бойка ударного вузла до швидкості, визначаємої умовою заглиблення керноприймальної труби в нескельний ґрунт.

Зміна швидкості руху бойка при його ексцентричному розташуванні в корпусі ударного вузла і взаємодії зі стінкою останнього, має характер гіперболічної тангенсоїди. Інтенсивність наростання швидкостi збільшується при зростанні величини кільцевого зазору і зменшенні ексцентриситету розташування бойка в корпусі ударного вузла. Величина кільцевого зазору є основним параметром ударного вузла, зміною якого досягається узгодження рухів бойка і поршневої групи гідродвигуна.

Обгрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи забезпечується значним обсягом теоретичних і експериментальних досліджень, близькою збіжністю їхніх результатів, а також даними впровадження розробленого пристрою в виробництво.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

Розроблена і експериментально обгрунтована математична модель ударного заглиблення забивного пробовідбірника в нескельний ґрунт, яка відрізняється тим, що при вирішенні хвильового рівняння коливань керноприймальної труби враховується внутрішній опір, пропорційний швидкості зміщення її перетинів, і чистопластична модель опору ґрунту заглибленню. Це дозволяє оцінити величину заглиблення за одиничний удар з урахуванням спільного коливального і поступового переміщення керноприймальної труби, а також час процесу відбору проби.

Вперше виконані теоретичні і експериментальні дослідження робочого циклу низькочастотного (з частотою ходів не більш 1 Гц) неврівноваженого гідродвигуна, який використовується в якості приводу механізму переміщення бойка забивного пробовідбірника, що дозволяє визначити допустиму область зміни конструктивних і технологічних характеристик пристрою.

Встановлений вплив кільцевого зазору на швидкість руху бойка для випадку ексцентричного розташування і взаємодії зі стінкою корпуса ударного вузла. Зміна величини кільцевого зазору дозволяє узгодити в часі рух поршневої групи гідродвигуна з рухом бойка на ході вниз, добитися необхідних для ефективного руйнування ґрунту енергетичних параметрів забивного пробовідбірника.

Наукове і практичне значення отриманих результатів.

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії ударного заглиблення бурового снаряду в нескельний ґрунт, теоретичному обгрунтуванні робочого циклу низькочастотного неврівноваженого гідродвигуна, отриманні аналітичних залежностей, що дозволяють прогнозувати зміну енергетичних характеристик пристрою в залежності від конструктивних параметрів.

Практичне значення роботи полягає в розробці принципової схеми і конструкції автономного забивного пробовідбірника з гідравлічним приводом Е.ЗП-89, а також технології відбору монолітів для буріння морських свердловин з використанням ЗСП.

Реалізація результатів роботи. Забивний пробовідбірник Е.ЗП-89, технологія відбору проб грунтів пройшли виробничі іспити при бурінні інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі о. Сахалін і передані для подальшого використання Далекосхідній морській інженерно-геологічній експедиції.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи і результати досліджень доповідалися на Всеросійській науково-технічній конференції "Проблеми науково-технічного прогресу в бурінні геологорозвідувальних свердловин" в Томському політехнічному університеті (Томськ, 1994р.), на Міждержавному семінарі "Проблеми комплексного засвоєння надр" в Національній гірничій академії України (Дніпропетровськ, 1995р.), на науково-технічній конференції "Буріння свердловин в ускладнених умовах", присвяченої 25-річчю кафедри "Технологія і техніка геологорозвідувальних робіт" Донецького державного технічного університету (Донецьк, 1996р.), на 2-й науково-технічній конференції “Епштейновскі читання” в НГА України (Дніпропетровськ, 1998р.), на Міжнародній науковій конференції імені академіка М.А. Усова в ТПУ (Томськ, 1998р.), на VIII Всеукраїнській науковій конференції студентів і аспірантів “Охорона навколишньої середи і раціональне використання природних ресурсів в ДонДТУ (Донецьк, 1998р.), на Міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя -- проблеми і перспективи засвоєння родовищ корисних копалин” в НГА України (Дніпропетровськ, 1998р.), на наукових семінарах кафедри ТТГР ДонДТУ (1994-1997 р.р.), на об'єднаному семінарі НГА України (Дніпропетровськ, 1998 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 наукових робіт.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота містить 160 сторінок машинописного тексту і складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку літератури з 126 найменувань. Tекстова частина містить 36 рисунків, 24 таблиці і 3 додатки.

2. Основний зміст роботи

Перший розділ присвячений сучасному стану буріння інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі.

В підрозділі 1.1 розглянуті експлуатаційно-технологічні вимоги при інженерно-геологічних дослідженнях до відбору проб ґрунтів і особливості спорудження глибоких свердловин в морських умовах, які є вхідними передумовами при розробці технологічної схеми обертального засобу буріння з використанням ЗСП і принципової схеми забивного пробовідбірника.

В підрозділі 1.2 на підставі проведеного аналізу виявлені недоліки рейсового і шлангокабельного обертального буріння і обгрунтована, з точки зору досягнення максимальної продуктивності і можливості використання забивних пробовідбірників для відбору представницьких проб ґрунтів, перспективність технологічної схеми обертального буріння свердловин з використанням ЗСП.

В підрозділі 1.3 приведено огляд конструктивних схем сучасних забивних та вібраційних грунтоносів і пробовідбірників, які реалізують енергію піднімаємого і скидаємого вантажу, електроенергію, енергію стислого повітря і напірної води. Проаналізовані їх переваги і недоліки. Незважаючи на можливість регулювання в широкому діапазоні параметрів забивки, наявність зв'язуючого елементу між приводом, розміщеним на коливаючомуся плавзасобу, і використовуємим пристроєм робить неможливим відбір представницьких проб ґрунтів за допомогою механічних забивних грунтоносів і пробовідбірників. Враховуючи відсутність ефективних і надійних конструкцій електроударників та обмежену по глибині область застосування пневмопривіду, найбільш перспективним є направлення, зв'язане з розробкою гідроприводного забивного пробовідбірника. Перспективність пробовідбірника з гідравлічним приводом зумовлюється незалежністю його роботи від глибини занурення в море, можливістю управління і контролю за процесом відбору проби і вигодою підведення енергії від вже наявного на судні бурового насосу.

В підрозділі 1.4 запропонована принципова схема знімного забивного пробовідбірника з автономним гідравлічним приводом. Принцип його роботи полягає в тому, що гідродвигун пристрою створює зворотно-поступове переміщення захватів, які при ході вверх піднімають бойок, визволяючи його в кінці ходу. Бойок, падаючи під дією власної ваги, завдає удар по ковадлу, поглибляючи керноприймальну трубу в ґрунт. Після цього захвати переміщуються вниз, з'єднуються з бойком, і далі робочий цикл повторюється.

В кінці розділу сформульовані задачі теоретичних і експериментальних досліджень.

Другий розділ присвячений результатам теоретичних досліджень роботи забивного пробовідбірника з гідравлічним приводом, які здійснювались в направленні “від руйнуємого матеріалу -- до машини”.

В підрозділі 2.1 узагальнені результати досліджень ударних систем в бурінні, виконані Є.В. Александровим, О.Д. Алімовим, В.Д. Андреєвим, Ю.Д. Безсоновим, К.І. Івановим, Л.Н. Коганом, Б.М. Ребріком, А.Я. Рубінштейном, Б.В. Соколінським, В.С. Фоменко, С.С. Хворостовським, І.А. Холодовим, І.Г. Шелковниковим та іншими. Показана необхідність розгляду процесів в ударній системі забивного пробовідбірника з точки зору хвильовій механіки.

До нинішнього часу розроблено ряд методик, визначаючих закон зміни зусиль, що виникають в проміжній ланці і на контакті породоруйнуючого інструменту з гірничою породою, в часі. Більшістю дослідників запропоновані математичні описи робочих процесів в ударних системах при бурінні міцних скельних порід, достатньо точно відбиваючих дійсні явища. Однак, отримані залежності, внаслідок відзнаки фізико-механічних властивостей і навантажних характеристик гірничих порід, не можуть бути використані при вивченні процесу ударного заглиблення в нескельний ґрунт.

При дослідженні морського пробовідбору в м'яких і пухких породах В.С. Фоменко була запропонована формула для визначення зміщення перетинів колонкової труби, що дозволить отримати значення заглиблення пробовідбірника за одиничний удар. Однак, в відповідності з розрахунками, проведеними по даній формулі, в початковий момент розповсюдження хвиль деформацій торець проміжної ланки, контактуючої з гірничою породою, переміщується в сторону бойка. Невідповідність отриманих результатів дійсному положенню речей пояснюється невірним завданням початкових умов задачі. Крім того, ця модель пояснює заглиблення колонкової труби тільки за рахунок пружної деформації, не враховуючи поступового переміщення пробовідбірника в руйнуємий ґрунт.

Проведений аналіз дозволив розробити підхід до теоретичного дослідження ударної системи для експлуатації в нескельному грунті.

В підрозділі 2.2 запропонована математична модель ударної взаємодії елементів системи “бойок--керноприймальна труба--нескельний ґрунт”. Згідно їй, бойок масою m_б завдає періодичні удари зі швидкістю V_б по верхньому кінцю керноприймальної труби довжиною l_т, яка упирається в вибій, заглибляючи її в нескельний ґрунт. З боку ґрунту, в вибійній зоні у башмака, діють сили лобового R_л і бокового R_б опорів, відповідні чистопластичної моделі ґрунту. Приймається, що керноприймальна труба в момент удару непорушна і ненапружена. Допускається також, що ударна система може бути уявлена як стержнева, а процес розповсюдження хвиль деформацій в ній -- описаний одновимірним хвильовим рівнянням з урахуванням дисипації енергії за рахунок внутрішнього тертя і розсіювання в керноприймальної трубі. При цьому конкретні значення логарифмічного декременту коливань прийняті на підставі експериментальних даних, отриманих Ю.Д. Безсоновым і А.В. Коломойцем. Тому що ударна жорсткість бойка в декілька разів більше ударної жорсткості керноприймальної труби, то бойок, в відповідності з рекомендаціями Я.Г. Пановко та О.Д. Алімова, розглядається як абсолютно жорстке тіло. Керноприймальна труба замінюється стержнем такої же довжини і з відповідною площею поперечного перетину F.

Вільні коливання стержня з внутрішнім опором, пропорційним швидкості зміщення його перетину, описуються рівнянням:

,

де u - відхилення розглядуваного перетину від положення рівноваги в точці з координатою x, м (вісь x направлена від місця зіткнення до контакту інструменту з ґрунтом);

- логарифмічний декремент коливань, 1/с;

t - поточне значення часу, с;

a - швидкість розповсюдження хвилі деформації в керноприймальної трубі, м/с.

Граничні умови для рішення задачі формулюються слідуючим чином:

В контактному перетині бойка і керноприймальної труби виникає пружна сила, що врівноважує силу інерції бойка

,

де E - модуль Юнга матеріалу керноприймальної труби, Па;

В контактному перетині керноприймальної труби і ґрунту, що руйнується, пружна сила з боку першої врівноважується силою опору ґрунту заглибленню

,

де r - питомий опір ґрунту по боковій поверхні, Н/м ().

Початкові умови задачі мають вигляд:

Відхилення усіх перетинів керноприймальної труби дорівнює нулю

.

Швидкість контактного перетину бойка і керноприймальної труби визначається швидкістю зіткнення, усі інші перетини труби непорушні

,

,

де _т - лінійна густина труби, кг/м; (х) - функція розподілу густини (x=0, =1; x0, =0), 1/м.

В результаті рішення засобом Фурьє рівняння (1), доповненого крайовими умовами (2-5), отримаємо вирази для визначення величини і швидкості переміщення будь-якого перетину, а також зусилля, що виникає в ньому

,

, ,

де С_n і D_n - скорочуючи позначки, рівні

,

,

k_n - позитивні корені рівняння власних частот

,

.

Під дією ударного імпульсу керноприймальна труба забивного пробовідбірника, зазнаючи пружну деформацію, поступово переміщується в грунті. Використовуючи середні для періоду коливань значення швидкості V нижнього торцевого перетину і зусилля P, діючого в ньому, визначаємо величину заглиблення труби в нескельний ґрунт під дією хвилі деформації

,

де t - період коливання ударяємого тіла, с;

m_т - маса керноприймальної труби, кг.

На підставі результатів експериментальних досліджень В.Д. Андреєва, Ю.Д. Безсонова, А.М. Бочковського, Н.М. Зеленського, В.В. Квача, Ч. Хаямідзу для розглядуваної нами ударної системи зроблене припущення, згідно якому величина заглиблення пробовідбірника за одиничний удар визначається дією перших 2-4 хвиль деформації. З урахуванням рекомендацій ряду дослідників по вибору раціональної ударної маси для ефективного заглиблення в м'які і пухкі ґрунти маса бойка пробовідбірника приймається рівною 50 кг.

Розрахункові значення величини заглиблення пробовідбірника за одиничний удар в різноманітні ґрунти наведені в табл. 1.

Таблиця 1 - Розрахункові значення величини заглиблення пробовідбірника за одиничний удар (m_б=50 кг, V_б=1,5 м/с, l_т=1 м.)

Ґрунт	Лобовий опір, Н	Питомий опір по боковій поверхні, Н/м	Заглиблення за одиничний удар, мм
Глина твердої консистенції	9900	4800	3.42
Глина полутвердой консистенції	5280	4520	3.55
Пісок щільний	19600	10700	2.22
Пісок середньої щільності	13200	9800	3.29
Суглинок тугопластичний. Супісь.	3960	2440 -- 4240	3.57

Отримані результати дадуть можливість оцінити значення заглиблення при заданих фізико-механічних властивостях руйнуємого ґрунту, вибраних конструктивних і енергетичних параметрах пристрою та час відбору проби заданої довжини.

В підрозділі 2.3 виконаний теоретичний аналіз робочого циклу забивного пробовідбірника, якій складається з спільного на ході вверх і окремого на ході вниз руху поршневої групи гідродвигуна і бойка ударного вузла.

При складанні математичної моделі робочого циклу гідродвигуна пробовідбірника враховані результати теоретичних і експериментальних досліджень об'ємних поршневих гідродвигунів, отриманих Л.Е. Графом, Є.Ф. Епштейном, О.І. Калініченко, А.Т. Кисельовим, Г.І. Неудачіним, В.І. Пилипцом, А.П. Подкідишевым, Л.Г. Шолоховим, В.Г. Ясовим та іншими.

Вивчення кінематики і динаміки поршневої групи гідродвигуна диференційної дії з двоклапанною системою водорозподілу, що використовується в якості приводу механізму переміщення бойка, дозволяє поділити його робочий цикл на чотири фази:

1. Робочий хід поршневої групи під дією тиску рідини вверх (тривалість t₁).

2. Вільний хід поршневої групи під час перестановки клапанів з нижнього положення в верхнє (тривалість t₂).

3. Робочий хід поршневої групи під дією тиску рідини вниз (тривалість t₃).

4. Вільний хід поршневої групи під час перестановки клапанів з верхнього в вхідне нижнє положення (тривалість t₄).

Рух поршня на робочому ході описується рівнянням:

,

де p(t) - тиск в силовому циліндрі гідродвигуна, якій визначається як сума приросту тиску при гідроударі в момент перестановки клапанів і додаткового тиску, рівного роботі, що вчиняється рідиною по переміщенню поршневої групи, віднесеної до обсягу рідини:

.

Тут m - маса поршневої групи, кг; R - сила механічного тертя, Н; f і f_т - робоча площа поршня і площа трубопроводу, що підводить рідину, м²; V_1,3 - швидкість поршня в кінці 1-ої і 3-ї фази, м/с; V_т - швидкість рідини в трубопроводі перед гідроударом, м/с; t_x - тривалість ходу в одну сторону, с; S - робочий хід, м; Q - подача рідини, м³/с; - густина рідини, кг/м³; c - швидкість розповсюдження гідроударної хвилі, м/с; k₁ - коефіцієнт, що враховує розрідження за поршнем при гідроударі.

Оскільки маса поршня і зв'язаних з ним рухомих елементів при переміщенні вверх і вниз різноманітна, величина додаткового тиску визначається не для всього циклу, а окремо для ходу в одну сторону.

В результаті рішення рівняння (13) з урахуванням скорочуючих позначок

;

встановлюються вирази для визначення поточних значень переміщення і швидкості поршневої групи

, .

Для того, щоб скористуватися формулами (16), необхідно встановити швидкість в кінці робочого ходу вверх і вниз V_1,3 а також тривалість кожної фази. Значення швидкості визначиться з відношення при фіксованій величині робочого ходу S, тривалість фаз циклу -- по залежностям, запропонованим в роботах Є.Ф. Епштейна, Г.І. Неудачіна, О.І. Калініченко, В.Г. Ясова та інших.

Отримані співвідношення дозволили встановити значення робочого ходу S=0,5 м, що забеспечує необхідну частоту ударів забивного пробовідбірника, а також залежність періоду робочого циклу гідродвигуна від подачі на його привід рідини, яка має лінійний характер. Допустима область зміни параметру Q обмежується, з одного боку, вимогами нормативних документів до частоти ударів забивного пробовідбірника (не більш 1 Гц), з іншого боку -- мінімально можливою подачею робочої рідини, яка забезпечує роботу механізму

.

Для запобігання передчасному, до нанесення удару по ковадлу, з'єднанню захватів, зв'язаних з поршневою групою гідродвигуна, з бойком необхідно провести узгодження руху поршневої групи на ході вниз з рухом вільно падаючого бойка ударного вузла.

В залежності від того, вертикальне або похиле положення в свердловині займає пробовідбірник, бойок може розташовуватися відносно корпуса концентрично або ексцентрично. При концентричному розташуванні рух бойка відбувається під дією сили тяжіння, виштовхуючой сили, сил лобового і гідравлічного опору. В випадку найбільш ймовірного ексцентричного розташування бойка додається сила тертя об корпус ударного вузла.

Рішення диференційного рівняння руху бойка здійснюється чисельним засобом Рунге-Кутта на ЕОМ, при цьому простежується зміна вигляду диференціального рівняння в часі, в залежності від режиму руху рідини, яка обтікає бойок.

Для випадку ексцентричного розташування бойка при ламінарному режимі течії рідини рівняння руху бойка має вигляд

,

де k_э - коефіцієнт, що враховує ексцентричне розташування бойка, визначається по формулі, запропонованої Л.С. Лейбензоном,

,

g - прискорення вільного падіння, м/с²; D, d - внутрішній діаметр корпуса і діаметр бойка, м; _ж, - густина рідини і матеріалу бойка, кг/м³; - кут нахилу пробовідбірника, градус; f_тр - коефіцієнт тертя; - кінематична в'язкість, м²/с; с - коефіцієнт лобового опору; F - перетин Міделя бойка, м²; m_б - маса бойка, кг.

Якщо рух рідини носить турбулентний характер, то

Для випадку концентричного розташування бойка при ламінарному режимі течії рідини рівняння руху бойка прийме вигляд

.

При турбулентному характері течії рідини

Графічні залежності швидкості руху бойка в часі, побудовані по результатах розрахунку, мають характер гіперболічної тангенсоїди, при цьому ексцентричне розташування бойка характеризується менш інтенсивним зростанням швидкості при однаковій величині кільцевого зазору. Зміна величини кільцевого зазору дозволяє одержувати необхідні для заглиблення забивного пробовідбірника в нескельний ґрунт швидкості зіткнення бойка з ковадлом.

Узгодження руху захватів з рухом бойка на ході вниз проводиться для найбільш ймовірного випадку ексцентричного розташування. При цьому, з метою забезпечення ефективного руйнування ґрунту, а також надійної роботи системи “захвати приводу -- головка бойка” проектується величина кільцевого зазору, рівна 5 мм. Критерієм узгодження є умова: поточне значення переміщення бойка повинно бути більше поточного значення переміщення поршневої групи гідродвигуна на ході вниз, тобто

x_бойка(t)>x_{поршн.гр.}(t).

Для цього будуються графічні залежності переміщення поршневої групи і бойка від часу. Для запобігання передчасному з'єднанню захватів з бойком масою 50 кг при величині кільцевого зазору 5 мм і максимально допустимій подачі на привід гідродвигуна 75 л/хвил відставання в часі повинно перевищувати 0.07 с.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням забивного пробовідбірника з гідравлічним приводом.

В підрозділі 3.1 сформульована мета і визначені задачі експериментальних досліджень.

В підрозділі 3.2 наведений опис експериментальної установки, вимірювальна і реєструюча апаратура.

В підрозділі 3.3 викладена методика експериментальних досліджень, в підрозділі 3.4 -- порядок проведення математичної обробки і аналізу результатів експерименту.

В підрозділі 3.5 наведені експериментальні дані по визначенню впливу величини кільцевого зазору на швидкість руху бойка ударного вузла на ході вниз. Для бойка масою 10, 30 і 50 кг при варіюванні величини кільцевого зазору в результаті статистичної обробки даних отримані співвідношення, що дозволяють апроксимувати залежність, яка досліджується. Визначені кореляційні відношення.

В підрозділі 3.6 проведено аналіз отриманої в результаті обробки ряду осцилограм узагальненої циклограми робочого циклу приводного гідродвигуна диференційної дії з двоклапанною системою водорозподілу. Циклограмі можна відзначити наступне:

Клапанна пружина не виявляє істотного впливу на швидкість руху поршневої групи, що підтверджує можливість теоретичного опису робочого циклу гідродвигуна без врахування її дії.

Середній тиск рідини в силовому циліндрі гідродвигуна при ході поршневої групи вверх вище, ніж при ході вниз, що зумовлено відмінністю навантаження (при ході вверх поршень піднімає бойок, при ході вниз -- іде без нього).

По цій же причині інтенсивність зростання швидкості руху поршневої групи гідродвигуна при ході вверх нижче, ніж при ході вниз. Швидкість в кінці робочого ходу не перевищує величину V=Q/f, яка визначається подачею рідини на привід гідродвигуна (де - коефіцієнт витоку).

Наведені експериментальні дані по визначенню залежності тривалості робочого циклу від подачі рідини. Розбіжності між розрахунковими і фактично зміряними величинами не перевищують 3.8%. Побудована по крапкам залежність T=f(Q) має лінійний характер і дає наочне подання про допустиму область зміни параметру Q. Одночасне осцилографування швидкості руху поршневої групи і бойка при конструктивному забезпеченні відставання на величину, яка перевищує 0.07 с, дозволяє зробити висновок про відсутність передчасної, до нанесення удару по ковадлу, взаємодії захватів і бойка, що говорить про адекватність запропонованої математичної моделі робочого циклу забивного пробовідбірника.

В підрозділі 3.7 приводяться експериментальні дані по визначенню величини заглиблення за одиничний удар в мелкозерністий пісок і тугопластичний суглинок, а також осцилограми швидкості заглиблення керноприймальної труби пробовідбірника.

Добра узгодженість експериментальних і розрахункових для умов експерименту даних, аналіз отриманих осцилограм (підтверджуючих, що заглиблення відбувається під дією перших 3-4 хвиль деформацій) говорять про адекватність запропонованої математичної моделі процесу ударної взаємодії елементів системи “бойок -- керноприймальна труба -- нескельний ґрунт”.

Таким чином, результати проведених експериментальних досліджень підтверджують вірогідність викладених в другому розділі теоретичних досліджень.

Четвертий розділ присвячений розробці конструкції забивного пробовідбірника з автономним приводом і технології його застосування.

В підрозділі 4.1 уявлені результати виконаної на підставі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розробки конструкції забивного пробовідбірника з гідравлічним приводом. Забивний пробовідбірник Е.ЗП-89 передвизначений для відбору монолітних проб ґрунтів піщано-глинястого комплексу, стосовних до 1-4 категорії по бурімості. Використовується в якості знімного інструменту при спорудженні інженерно-геологічних свердловин обертальним засобом по технології з використанням ЗСП.

Технічна характеристика розробленого забивного пробовідбірника Е.ЗП-89 наведена в табл. 2.

Таблиця 2 - Технічна характеристика забивного пробовідбірника Е.ЗП-89

Зовнішній діаметр башмаку, мм	89
Діаметр проби, мм	76
Довжина рейсу, м	0.6
Тип приводу механізму переміщення бойка	Гідравлічний
Подача робочої рідини, л/хвил.	55-75
Перепад тиску на гідродвигуні, МПа	0.5-1.0
Маса бойка, кг	50
Висота падіння бойка, м	0.5
Частота ударів, Гц	0.7-1.0
Габаритні розміри: довжина, мм діаметр, мм	4550 93
Маса, не більш, кг	95

В підрозділі 4.2 наведена запропонована технологія застосування пристрою, успішно апробована в виробничих умовах.

В підрозділі 4.3 викладені мета і методика виробничих іспитів. Повний обсяг виробничих іспитів забивного пробовідбірника Е.ЗП-89 включав три етапи: заводські (після виготовлення), стендові (в лабораторних умовах) і попередні виробничі. Попередні виробничі іспити проводилися на шельфі о. Сахалін, на дільниці робіт Далекосхідній морській інженерно-геологічній експедиції при бурінні свердловин з НДС “Діабаз” по технології з використанням ЗСП.

В підрозділі 4.4 наведені дані результатів відбору проб грунтів, виконаних запропонованим забивним пробовідбірником і штатними забивним і втискуємим пробовідбірниками. Порівняльний аналіз показує очевидні переваги розробленого зразка з точки зору якості одержуваної проби і вигоди експлуатації. Відзначається високий вихід керна, відсутність порушень структури проби. Наявні контакти ґрунтів чітко висловлені. Проведені лабораторні дослідження фізико-механічних властивостей відібраних проб дозволяють зробити висновок про можливість використання пробовідбірника Е.ЗП-89 для рішення інженерно-геологічних задач.

В підрозділі 4.5 розглянуті перспективи застосування забивних пробовідбірників з автономним гідравлічним приводом в морській і сухопутній інженерній геології, основні напрямки наступних теоретичних і експериментальних досліджень.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень дано рішення актуальної задачі, яка полягає в розробці автономного забивного пробовідбірника для буріння інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі по технології з використанням знімних свердловинних пристосувань, що забезпечує підвищення якості і продуктивності процесу відбору проби нескельних ґрунтів в умовах вертикальних переміщень плавзасобу.

Основні наукові результати, висновки і рекомендації полягають в наступному:

Вилучення впливу вертикальних переміщень плавзасобу на процес заглиблення пробовідбірника в ґрунт, узгодження амплітуди і частоти ударів бойка по керноприймальної трубі забезпечує відбирання представницьких проб ґрунтів знімним забивним пробовідбірником з автономним гідравлічним приводом і падаючим на робочому ході бойком при бурінні інженерно-геологічних свердловин на континентальному шельфі.

Запропонована математична модель ударного заглиблення забивного пробовідбірника в нескельний ґрунт, основана на рішенні хвильового рівняння коливань керноприймальної труби з урахуванням дисипації енергії в буровому снаряді і чистопластичної моделі опору ґрунту заглибленню. Встановлено, що величина заглиблення за одиничний удар в залежності від фізико-механічних властивостей руйнуємого ґрунту при масі бойка 30-70 кг і швидкості зіткнення з ковадлом 1-2 м/с визначається дією 3-4 хвиль деформації, що дає можливість прогнозувати параметри заглиблення пробовідбірника за одиничний удар, а також час процесу відбору проби.

Розроблена математична модель робочого циклу неврівноваженого гідродвигуна диференційної дії, якій використовується в якості приводу механізму переміщення бойка, що дозволяє визначити допустимі області зміни технологічних характеристик при прийнятих конструктивних параметрах пристрою. Робоча область подачі рідини на привід гідродвигуна обмежується вимогами до частоти ударів забивного пробовідбірника (не більш 1 Гц) і мінімально можливою подачею, що забезпечує запуск пристрою (при S=0.5 м Q=55...75 л/хвил.).

Залежність зміни швидкості руху бойка в часі в випадку його ексцентричного розташування в корпусі ударного вузла має характер гіперболічної тангенсоїди. Інтенсивність зростання швидкості збільшується при зростанні величини кільцевого зазору, зміною якого можна добитися необхідних енергетичних параметрів пробовідбірника, і зменшенні ексцентриситету. В цей же час, величина кільцевого зазору повинна забезпечувати з'єднання захватів і бойка, що гарантує надійну роботу пристрою.

Узгодження руху поршневої групи гідродвигуна з рухом бойка на ході вниз виключає його передчасне з'єднання з захватами, що позитивно відбивається на роботі пробовідбірника. При масі бойка 50 кг, величині кільцевого зазору 5 мм і подачі рідини на привід гідродвигуна 75 л/хвил. відставання поршневої групи в часі повинно перевищувати 0.07 с.

Адекватність запропонованих математичних моделей підтверджується близькою збіжністю експериментальних і теоретичних залежностей (при визначенні параметрів робочого циклу пробовідбірника розбіжності між розрахунковими і фактично заміряними величинами не перевищували 3.8 %, величини заглиблення за одиничний удар -- 7 %).

На підставі результатів теоретичних і експериментальних робіт створена конструкція забивного пробовідбірника з гідравлічним приводом Е.ЗП-89 для інженерно-геологічних досліджень при бурінні морських свердловин по технології з використанням знімних свердловин пристроїв. Розроблена технологія відбору проб. Виробничими іспитами забивного пробовідбірника в Далекосхідній морській інженерно-геологічній експедиції доведена них працездатність і ефективність відбору проб з мінімальним порушенням структури в породах піщано-глинястого комплексу. Цим підтверджується вірогідність отриманих результатів і досягнення поставленої мети.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

Калиниченко О.И., Русанов В.А., Рязанов А.Н. Методика проектирования конструктивных и рабочих параметров забойных гидроударных машин // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург: Изд. Уральского горного института. - 1993. - с. 97-102.

Каракозов А.А., Рязанов А.Н. Разработка и исследование съемных забивных грунтоносов для отбора донных проб при бурении морских скважин по технологии “Wire line” // Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Томск: Изд. Томского государственного университета. - 1994. - с.24-25.

Рязанов А.Н. О влиянии величины кольцевого зазора на скорость соударения бойка ударного узла с наковальней // Бурение скважин в осложненных условиях. - Донецк: Изд. Донецкого государственного технического университета.-1996. - с.72-75.

Каракозов А.А., Калиниченко О.И., Юшков И.А., Юшков А.С., Русанов В.А., Рязанов А.Н. Разработка бурового снаряда со съемными грунтоносами для отбора проб грунтов и выполнения геотехнических исследований в скважинах по технологии “Wire line” // Бурение скважин в осложненных условиях. - Донецк: Изд. Донецкого государственного технического университета. - 1996. - с.26-28.

Каракозов А.А., Рязанов А.Н. Математическая модель ударного взаимодействия элементов системы “боек -- керноприемная труба -- нескальный грунт” // Бурение скважин в осложненных условиях. - Донецк: Изд. Донецкого государственного технического университета. - 1996. - с.132-135.

Каракозов А.А., Рязанов А.Н. Перспективы разработки забивных устройств для отбора монолитов при бурении морских скважин с использованием съемных скважинных приспособлений // Бурение скважин в осложненных условиях. - Донецк: Изд. Донецкого государственного технического университета. - 1996. - с.130-132.

Рязанов А.Н. К вопросу ударного погружения пробоотборника в нескальный грунт // Труды 2-й научно-технической конференции “Эпштейновские чтения” - Днепропетровск: Изд. Национальной горной академии Украины. - 1998. - с.58-59.

Каракозов А.А., Рязанов А.Н. Результаты исследований ударной системы забивного пробоотборника // Сб. Научн. Трудов НГА Украины. №3, Том 2 Геология полезных ископаемых и технология разведки. - Днепропетровск: РИК НГА Украины. - 1998. - с.234-238.

Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Русанов В.А., Рязанов А.Н., Юшков И.А. Новые технические средства бурения скважин в условиях морского шельфа // Сб. Научн. Трудов НГА Украины. №3, Том 2 Геология полезных ископаемых и технология разведки. - Днепропетровск: РИК НГА Украины. - 1998. - с.255-258.

Каракозов А.А., Рязанов А.Н., Пилипец В.И. Анализ рабочего цикла забивного пробоотборника с гидравлическим приводом // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург: Изд. Уральской государственной горно-геологической академии. - 1998. - с. 170-177.

Размещено на Allbest.ru