Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Динамические процессы в резьБовын соединениям игтанз при вращательно-ударном способе Бурения

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Динамические процессы в резьБовын соединениям игтанз при вращательно-ударном способе Бурения

Количество страниц	140

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	23176.doc

Содержание	Содержание ВВЕДЕНИЕ...4 ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований...8 1.1. Методика детальной разведки на рудниках цветной металлургии и экспериментальные работы по изысканию рациональных способов бурения подземных разведочных скважин...8 1.2. Конструкции резьбовых соединений штанг для вращательно-ударного бурения веера скважин малого диаметра...15 1.3. Анализ результатов исследований соединений буровых штанг с резьбой «веревочного» профиля...23 ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований процесса прохождения импульса через резьбовое соединение штанг...30 2.1. Анализ экспериментальных методов измерения напряжений в ставах штанг и соединениях...30 2.2. Выбор измерительной аппаратуры для регистрации волн деформации в элементах става штанг...33 2.3. Определение доверительного интервала для математического ожидания и необходимого количества опытов...42 2.4. Методика и определение потерь энергии на трение в резьбовых соединениях штанг...45 ГЛАВА 3. Динамические процессы и напряжения в резьбовых соединениях штанг при вращательно-ударном способе бурения скважин малого диаметра...53 3.1. Аналитические исследования уравнения распространения силовых импульсов через резьбовые соединения буровых штанг 53 3.2. Результаты экспериментальных исследований динамических процессов и напряжений при вращательно-ударном нагружении резьбовых соединений штанг...64 3 3.3. Анализ амплитудных значений волн нормальных напряжений в элементах муфтовых и ниппельных соединений штанг при вращательно-ударном бурении скважин...73 3.4. Экспериментальные исследования напряжений изгиба в элементах резьбовых соединений буровых штанг...86 3.5. Результаты экспериментальных исследований касательных напряжений в соединительных элементах штанг при одновременном действии крутящего момента, усилия подачи и ударных нагрузок...93 ГЛАВА 4. Методика расчета максимальных напряжений в элементах соединений штанг при вращательно-ударном способе бурения...99 4.1. Определение нормальных напряжений в буровых штангах при продольных ударах поршнями-бойками ступенчатой формы с использованием номограмм...99 4.2. Анализ повышения статических напряжений растяжения-сжатия в элементах соединений штанг в процессе довинчивания при одновременном воздействии силовых импульсов, крутящего момента и осевого усилия подачи...105 4.3. Последовательность расчета максимальных напряжений в элементах резьбовых соединений буровых штанг...112 4.4. Пример расчета максимальных напряжений в элементах ниппельного соединения буровых штанг...116 ЗАКЛЮЧЕНИЕ...121 ЛИТЕРАТУРА...123 Приложение 1...139 Приложение 2...140 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы Повышение производительности труда при бурении скважин достигается многими факторами, одним из которых является коммерческая скорость бурения, которая зависит от прочности и надежности работы бурильной колонны и конструкции соединительных узлов буровых штанг. В настоящее время в России добывают подземным способом более 40% руд цветных и редких металлов. При этом на отдельных рудниках цветной металлургии проводят десятки тысяч метров подземных горных выработок [68, 115]. Причем, из общего объема проходки 60% и более составляет промышленная доразведка. Внушительные объемы эксплуатационной доразведки необходимы в тех случаях, когда месторождение имеет сложное геологическое строение. К таким, например, относится Хайдарканское ртутное месторождение, где кроме проведения многочисленных разведочных выработок ежегодно приходится бурить 60-70 тыс. м. подземных разведочных скважин. Ранее на рудниках Хайдаркана были проведены экспериментальные работы по изысканию рациональных способов бурения веера подземных геологоразведочных скважин малого диаметра (40-60 мм.) [35]. Сравнительный анализ различных способов бурения таких скважин в породах средней крепости и выше при исключительно сложном геологическом строении месторождения показал, что одним из перспективных является вращательно-ударный способ бурения. При вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра используются буровые установки с ударным узлом вне скважины. В этом случае энергия удара в виде волны деформации сжатия передается от машины по составным буровым штангам к породоразрушающему инструменту. С целью повышения скорости бурения скважин в крепких горных породах созданы конструкции мощных ударных узлов. Однако повышение энергии удара ограничивается прочностью бурового инструмента. Недостаточная работоспособность штанг и соединительных узлов приводит не только к необходимости увеличения производства и расхода буровой стали, но и вызывает большие потери времени на замену вышедших из строя штанг. В связи с этим необходимо разработать такую конструкцию соединительного узла, которая позволила бы увеличить работоспособность колонны штанг и повысить производительность труда при бурении скважин. Следует также учесть, что прохождение ударного импульса через резьбовые соединения штанг с учетом касательных напряжений и деформаций изгиба вызывает сложную интерференцию волн напряжений. Теоретические расчеты не приводят к достоверным результатам ввиду сложности учета всех факторов, определяющих количественную и качественную картину волн напряжений в элементах соединительных узлов буровых штанг. Для выбора рациональных параметров элементов соединений штанг необходима методика расчета максимальных напряжений, возникающих в них при одновременном нагружении става крутящим моментом, осевым усилием подачи и продольными ударами. Поэтому данная работа, направленная на изучение динамических процессов в резьбовых соединениях буровых штанг и разработку научно обоснованной методики расчета максимальных напряжений в них при вращательно-ударном способе бурения скважин малого диаметра, весьма актуальна. Цель работы. Разработка методики расчета максимальных напряжений в элементах резьбовых соединений штанг при вращательно-ударном способе бурения. Методика выполнения исследований. Основным методом был принят экспериментально-теоретический. Теоретические исследования выполнены с помощью апробированных методов теории упругости и волновой теории удара. При выполнении экспериментальных работ был использован метод тензометрирования с применением теории математической статистики для обработки опытных данных. Задачи исследований 1. Разработать методику экспериментальных исследований напряжений в элементах резьбовых соединений штанг при ударных нагрузках. 2. Провести анализ изменения статических напряжений сжатия-растяжения в элементах соединительных узлов при довинчивании их в процессе нанесения ударов и действия крутящего момента. 3. Исследовать касательные напряжения в элементах резьбовых соединений при нанесении ударов и действии крутящего момента. 4. Исследовать напряжения изгиба в резьбовых соединениях штанг при ударных нагрузках. 5. Разработать методику расчета максимальных напряжений в резьбовых соединениях штанг при вращательно-ударном способе бурения. НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту: 1. Полученные на основе волновой теории удара аналитические выражения распространения силовых импульсов через резьбовые соединения буровых штанг, которые позволили провести компьютерные исследования влияния параметров соединений на эффективность передачи импульсов по колонне штанг. 2. Методика экспериментальных исследований динамических процессов и напряжений в элементах соединений штанг при вращательно-ударном нагружении. 3. Деформации изгиба в штангах, муфтах или ниппелях возникают от продольной волны деформации сжатия, так как витки резьбы муфты и ниппеля разгружаются ударным импульсом от статической осевой растягивающей нагрузки не одновременно по всей длине контактной линии сопряженных витков резьбы соединения штанг. 4. Бурение скважин малого диаметра установками с бурильной головкой ударного действия сопровождается процессом довинчивания в резьбовых соединениях штанг, при котором происходит перераспределение напряжений, в частности, касательные напряжения в ниппелях снижаются в 3-4 раза по сравнению с напряжениями, создаваемыми в них только крутящим моментом и осевым усилием подачи этой же бурильной машины. 5. Методика расчета максимальных напряжений в резьбовых соединениях штанг, разработанная на основе результатов исследований динамических процессов при вращательно-ударном бурении скважин малого диаметра, позволяющая уже на стадии проектирования бурильной колонны оценить величину наибольшего эквивалентного напряжения в элементах соединений штанг. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях в гг. Томске, Красноярске, Новокузнецке, а также на научных семинарах в Томском политехническом университете. По теме диссертации опубликовано 20 статей и тезисов докладов. Структура и объем работы. Диссертация выполнена на 140 страницах набранного на компьютере текста. Она состоит из «Введения», 4 глав, «Заключения», списка использованной литературы из 138 наименований, и содержит 58 рисунков, 4 таблицы и 2 приложения. ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 1.1. Методика детальной разведки на рудниках цветной металлургии и экспериментальные работы по изысканию рациональных способов бурения подземных разведочных скважин Методику детальной разведки на рудниках цветной металлургии бурением вееров скважин из подземных выработок можно представить на примере ртутных месторождений Южной Ферганы, где на Хайдарканском горно-обогатительном комбинате успешно прошли производственные испытания става штанг из бурильных труб диаметром 33,5 мм с ниппельными соединениями, конструкция которых была разработана в Томском политехническом университете [71, 72]. Для анализа различных способов бурения скважин малого диаметра были проведены исследования в производственных условиях рудника «Хайдаркан». С помощью скважин малого диаметра проводилась подземная разведка рудных тел Хайдарканского месторождения [68, 115]. Она осуществлялась проходкой горных выработок сечением 5-7 м2 и бурением из них веера скважин в верхнюю полусферу (рис. 1.1). Скважины глубиной 20-30 м бурили в основном колонковыми перфораторами ПК 60 или ПК 75 [71, 72]. В каждом веере располагается 5-7 скважин с углами наклона от 0 до 90°. При определении промышленного оруднения сетка скважин сгущается за счет эксплуатационной разведки [71]. Вследствие недостаточной глубины бурения и невозможности бурения в нижней полусфере, высота разведочных этажей принята 20 м. При такой методике разведки остается неразведанной часть продуктивного горизонта, расположенная ниже горных выработок, что не обеспечивает выявления всех запасов блока. Указанные недостатки могут быть устранены, только путем применения высокопроизводительных буровых агрегатов (рис. 1.2.)» которые позволили бы увеличить высоту разведочных этажей с 20 до 40 м и более, а расстояние между горизонтальными выработками в плане - до 60 м. С целью повышения качества разведки на руднике Хайдаркан было применено алмазное бурение станками ГП-1. Однако оно не дало положительных результатов ввиду малой стойкости алмазных коронок и низкой производительности агрегата. Кроме того, на руднике были проведены работы по внедрению бурового полуавтомата НКР-ЮОМ. Несмотря на значительное повышение сменной производительности при бурении малоабразивных пород средней крепости, а также возможность обуривания нижней полусферы торного массива, применение погружных пневмоударников не позволило отказаться от колонковых перфораторов по следующим причинам. Во-первых, слишком большой диаметр скважин (105 мм) ухудшает качество ядерногеофизического опробования скважин, а буровая мелочь засоряет откаточные выработки, создавая проблему их очистки. Во-вторых, необходимость одновременного использования двух различных видов энергии для работы станка (электрической и пневматической) и отсутствие механизированной перестановки агрегата на новый веер скважин при относительно большом весе составляет определенные трудности. В-третьих, большая абразивность при значительной крепости некоторых горных пород Хайдарканского месторождения не дает возможности бурить скважины до необходимой глубины из-за очень большого износа коронок по диаметру. В этих же условиях колонковыми перфораторами удавалось бурить скважины большей глубины, благодаря использованию коронок с запасом диаметра на износ от 65 до 43 мм (у НКР-ЮОМ от 105 до 100,5 мм). В то же время эксплуатация перфораторов не давала возможности повысить темпы буровых работ из-за низкой сменной производительности. В связи с этим на экспериментальном участке рудника Хайдаркан проводились работы по исследованию других способов бурения скважин применительно к условиям данного месторождения. Институтом физики и механики горных пород (ИФ и МГП) АН Кыргызстана совместно со Среднеазиатским научно-исследовательским институтом геологии и минерального сырья (САЙГ и МС) проведены работы с целью определения буримости горных пород вращательным способом, установления наиболее рациональных режимов бурения и усовершенствования породоразрушающего инструмента. Однако широкого распространения бурение резцами с твердосплавными вставками не получило, так как породы Хайдарканского месторождения отличаются исключительной перемежаемостью по крепости и, как показали исследования, бурение резцами по ним практически невозможно. Для исследования эффективности электровращательного бурения скважин в крепких породах САЙГ и МС провел испытания малогабаритных шарошечных долот собственной конструкции. Шарошечное бурение проводилось с использованием станка ГП-1М, модернизация которого заключалась в постановке дополнительных передач, позволяющих увеличить диапазон изменения скорости вращения бурового става. Буровой снаряд состоял из штанг длиной 0,8 м, соединенных вежду собой ниппелями с ленточной резьбой. Породоразрушающим инструментом являлись малогабаритные шарошечные долота [31,51]. При испытаниях выявлен ряд их существенных недостатков: малая сила ударного воздействия зубьев шарошек на забой, большой износ зубьев шарошек, низкая прочность оси шарошек, низкая скорость бурения и другие. Исследования позволили установить оптимальные параметры режимов бурения шарошечными долотами различных диаметров (от 38 до 65 мм) [72]. Сложность технологии изготовления малогабаритных шарошечных долот и их дороговизна сдерживают пока широкое внедрение шарошечного бурения подземных скважин малого диаметра. Одним из эффективных способов бурения скважин в таких очень сложных горно-геологических условиях является вращательно-ударный, сочетающий в себе положительные качества вращательного и ударного бурения. Поэтому по предложению акад. Алимова О. Д. и проф. Горбунова В.Ф. кафедрой горных машин Томского политехнического университета совместно с ИФ и МГП АН Кыргызстана были проведены работы по исследованию вращательно-ударного бурения подземных разведочных скважин малого диаметра в условиях Хайдарканского месторождения. Испытания проводились на экспериментальном участке в производственных условиях шахты «Новая» Хайдарканского комбината [8]. Экспериментальная установка, представляющая собой механизированное приспособление, на котором устанавливалась бурильная головка БУ-1 с укороченным винтовым податчиком, была изготовлена в ЦЭММ Хайдарканского комбината. В условиях шахты «Новая» пройдено около 1000 м плановых скважин глубиной от 20 до 53,5 м, из них 50% общего метража по породам крепостью 12-16 по шкале проф. М. М. Протодъяконова. Причем, сменная производительность проходки скважин малого диаметра оказалась значительно выше, чем при вращательном, шарошечном и ударно-вращательном способах бурения [35, 97, 109]. С целью выявления наиболее приемлемого по диаметру и стойкости соединений бурового става в лабораториях ТПУ, а также в производственных условиях проведены исследования 8 различных конструкций бурового става. Лучшие результаты были достигнуты при ставе из бурильных труб диаметром 33,5 мм, соединенных ниппелями с круглой резьбой [35]. Этот став обеспечил применение коронок малого диаметра (до 36 мм), бурение глубоких (более 50 м) нисходящих скважин, большую прочность и легкость его разборки. За время испытаний поломок става штанг не было. Таким образом, как показали результаты проведенных испытаний, несмотря на возможную перспективность применения мелкоалмазных коронок и малогабаритных шарошечных долот при бурении веера подземных скважин малого диаметра в породах, характеризующихся очень высокой перемежаемостью по крепости, в настоящее время наиболее эффективным является бурение машинами вращательно-ударного действия [37, 48, 89, 94, 98, 103, 105,108, 114]. Кроме того, на Лениногорском полиметаллическом комбинате (Казахстан) были проведены сравнительные испытания ниппельного и муфтового ставов штанг [48]. В качестве буровых штанг с муфтовым соединением применялись стандартные штанги диаметром 32 мм с круглой резьбой, шагом 12 мм и отверстием для промывки диаметром 8,6 мм, а также с отверстием 10,2 мм, изготовленные на ремонтно-механической базе комбината. Для изготовления ниппельного става использовались стандартные бурильные трубы диаметром 42 мм с толщиной стенки 5 мм. Штанги высаживались вовнутрь для нарезания резьбы того же профиля диаметром 31 мм. В ниппеле просверливалось отверстие диаметром 14 мм. Для бурения нисходящих скважин диаметром 50-60 мм с заданной глубиной 25 м использовался буровой станок, оснащенный перфоратором ПК-75. Было пробурено 290 м нисходящих скважин по породам с коэффициентом крепости 10-14 по шкале проф. М. М. Протодъяконова, на Тишинском руднике в блоке - 852 м по абразивным неустойчивым породам с коэффициентом крепости 8-14. В процессе бурения скважин вода или водо-воздушная смесь подавалась через муфту боковой промывки. Штангами диаметром 32 мм с муфтовыми соединениями не удалось добурить скважины до запланированной глубины из-за плохого удаления шлама и соответственно низкой скорости бурения. Штанги из труб 42 мм с ниппельными соединениями (рис. 1.3.) оказались более работоспособными. Они позволили бурить скважины на заданную глубину со сравнительно большой скоростью проходки, а начиная примерно с десятиметровой глубины, благодаря значительно лучшей очистке скважин от буровой мелочи, обеспечивали скорость бурения в 1,5-2 раза выше, чем штанги с муфтами. Рис. 1.3. Комплект бурового инструмента с ниппельным соединением штанг: 1 - ниппель; 2 - штанга; 3 - коронка; 4 - хвостовик С применением водо-воздушной смеси производительность станка повысилась и всеми принятыми к испытаниям штангами удалось бурить скважины до заданной глубины. Однако и в этом случае скорость бурения штангами с ниппельными соединениями также была выше, чем при муфтовом. Поломок штанг и соединительных элементов за все время испытаний не наблюдалось. Таким образом, испытания става штанг из бурильных труб с ниппельными соединениями подтвердили положительные результаты, полученные ранее на Хайдарканском руднике. 1.2. Конструкции резьбовых соединений штанг для вращательно-ударного бурения веера скважин малого диаметра При вращательно-ударном бурении скважин широкое применение получили составные буры, которые состоят из штанг, коронки, армированной твердым сплавом, муфт и хвостовика бурового инструмента. Выпускаются три типа комплектов бурового инструмента с муфтовыми соединениями: облегченный, нормальный и усиленный [50, 51, 127]. В комплекте облегченного типа наружный диаметр резьб на штангах больше диаметра самих штанг (рис. 1.4), концы таких штанг перед нарезкой резьбы высаживаются на специальных установках. В комплекте бурового инструмента нормального типа размеры резьб соответствуют диаметрам самих штанг (рис. 1.5). Усиленные комплекты (рис. 1.6) имеют увеличенные размеры штанг и резьб по сравнению с нормальными комплектами. Корпуса хвостовой части коронок и муфт таких комплектов также имеют увеличенные диаметры по сравнению с нормальными комплектами и минимальные зазоры между коронкой (муфтой) и стенкой скважины. Для улучшения выхода бурового шлама от забоя к устью скважины муфты и хвостовые части коронок имеют винтовые канавки, совпадающие с внутренней нарезкой. Усиленные комплекты применяются в том случае, если прочность нормальных буровых штанг недостаточна. Буровые штанги для вращателъно-ударного бурения изготавливают из шестигранной или круглой стали. В России наибольшее применение имеет буровая сталь: шестигранная диаметром вписанной окружности 19, 22 и 25 мм и круглая диаметром 32 и 38,5 мм [50, 51]. До начала шестидесятых годов буровые штанги изготавливались из углеродистой инструментальной стали У7, У8 и У7А по ГОСТ 1434-54. В настоящее время буровые штанги изготавливают из стали 55С2 и легированных сталей 28ХГНЗМ, 95ХМА и 40Х2АКЮ. Корпуса коронок изготавливаются из стали 45ХН, 38ХНЗВА или 28ХГНЗМ, а муфты из стали 45ХН[66, 81].

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	23176.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.