МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622. 243. 075.8

КАЛІНІЧЕНКО Олег Іванович

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ СТВОРЕННЯ

ЗАГЛИБНИХ ГІДРОУДАРНИХ СНАРЯДІВ І УСТАНОВОК

ДЛЯ ОДНОРЕЙСОВОГО БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН

НА МОРСЬКОМУ ШЕЛЬФІ

Спеціальність 05.05.06 “Гірничі машини”

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора технічних наук

Донецьк - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології і техніки геологорозвідувальних робіт Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) (м. Донецьк) Міністерства освіти і науки України,

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гуляєв Володимир Георгійович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедрою “Гірничі машини”;

доктор технічних наук, професор Каварма Ігор Іванович, Криворізький технічний університет, професор кафедри “Гірничі машини”;

доктор технічних наук, професор Фінкельштейн Зельман Лазарович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, професор кафедри “Енергомеханіки й устаткування”.

Провідна організація - Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), кафедра “Гірничі машини”.

Захист відбудеться 5 квітня 2002 р. о 14 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 11.052.05 Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема,58, 1 уч. корп., ауд. 1.201, тел.(0622) 92-30-55.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДонНТУ

(адреса: 83000, м. Донецьк, вул. Артема,58, 2 уч. корп.)

Автореферат розісланий 27 лютого 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 ,

доктор технічних наук, професор Шевцов М.Р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Обмеженість промислових запасів найважливіших видів паливно-енергетичної і мінеральної сировини на континентальній частині України є основною передумовою для постановки проблеми вивчення природних ресурсів шельфу Чорного й Азовського морів. Освоєння підводних родовищ припускає значний зріст обсягів буріння свердловин глибиною 6-10 м (з метою одержання інженерно-геологічних даних для обгрунтування постановки платформ, прокладки трубопроводів, будівництва причалів, зменшення обсягів інженерно-геологічного буріння, одержання геологічної інформації при пошуково-знімальних і розвідувальних роботах і т.д.), що у переважній більшості проходяться в донних осадах із складним і дуже складним характером руйнування і випробування (“важкі” грунти). Звичайно буріння таких свердловин забезпечується стаціонарними буровими верстатами, розташовуваними на спеціалізованих плавзасобах. Це супроводжується значними економічними витратами, обумовленими, в основному, орендною вартістю бурових судів, що досягає 8-12 тис. у.о. на добу. Для збільшення рентабельності відзначеної області бурового виробництва морські геологорозвідувальні підприємства часто прагнуть використовувати методи однорейсової проходки свердловин (ОПС) з одноразовим спуском морських пробовідбірників із борта неспеціалізованих плавзасобів. Економічне значення ОПС не викликає сумніву. Вартість ОПС на порядок нижче, у порівнянні з проходкою свердловин стаціонарними буровими установками. Проте, можливості цього напрямку обмежені ефективним пробовідбором у мулах і нещільних пісках. Дотепер ОПС на глибину 6-10 м із можливістю пересічення “важких” грунтів по розрізу свердловини ні у вітчизняній, ні в зарубіжній галузі морського бурового виробництва технічно і технологічно не забезпечена.

Аналіз можливих напрямків рішення проблеми обумовив розробку і впровадження комбінованого способу ОПС, сутність якого полягає в одночасному забезпеченні ударно-вібраційного руйнування гірських порід на вибої, зворотної циркуляції води в керноприймачі (для збільшення рейсової проходки і якості керну) і розмиву осадів по зовнішній поверхні колонкового набору (для зниження зусиль витягу заглибних бурових снарядів (ЗБС) із свердловини). Технічна реалізація способу запропонована Донецьким національним технічним університетом і заснована на базі гідроударних ЗБС, гідродвигун котрих функціонально забезпечує комплекс ефектів, що складають зміст способу.

Нові показники призначення гідроударних ЗБС об'єктивно обумовлюють рішення проблемних задач, пов'язаних із визначенням структури і методів проектування характеристик ЗБС у взаємозв'язку з параметрами режиму комбінованого буріння. Відзначений комплекс відкритих питань визначає необхідність проведення додаткових досліджень насамперед в області теорії, розрахунку й оптимізації багатофункціональних гідроударних машин, як головної ланки ЗБС.

У різні роки питання теорії і створення гідроударних машин постали предметом досліджень, виконаних багатьма вченими галузі і вищої школи. Водночас, дуже складний характер і розмаїтість реальних процесів, що відбуваються в активних камерах гідроударної машини обумовили спрощені підходи до розкриття закономірностей робочого циклу, що привело до обмеження переліку можливих напрямків підвищення ефективності гідроударних механізмів. Через не повне урахування факторів, що впливають на роботу гідроударника, відомі методи проектування характеристик машин мають обмежений діапазон достовірності в широкому діапазоні зміни параметрів гідроударної системи. Це істотно ускладнює проблему об'єктивної оптимізації гідроударних бурових снарядів і обумовлює необхідність подальшого розвитку основних положень теорії і методів розрахунку об'єкта досліджень.

З урахуванням відзначеного, розробка даної проблеми, відповідно до теми дисертації що передбачає суттєве підвищення потенціалу технічної бази однорейсової проходки свердловин і що висунута вперше, є дуже актуальною завдяки своїй практичній і науковій спрямованості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота містить результати досліджень, виконаних у Донецькому національному технічному університеті на кафедрі технології і техніки геологорозвідувальних робіт у період 1972-2001 р. Дисертація є результатом досліджень, що виконувалися за галузевими планами найважливіших завдань Мінгео СРСР і УРСР, Держкомітету геології України, цільової комплексної науково-технічної програми (ОУ 007) ”Створення і впровадження технологічних процесів і технічних засобів для пошуку, розвідки і промислового освоєння нафтових і газових родовищ континентального шельфу СРСР”, Мінвузівської програми “Світовий океан” (наказ Мінвузу України від 2.11.1979 р.N 1230), цільової комплексної галузевої програми МВП СРСР “Підвищення технічного рівня геологорозвідувальних, шахтно-геологічних робіт і технічного буріння на базі використання сучасних геолого-геофізичних методів, техніки і технології буріння” (шифр 21810).

У проведених дослідженнях автор приймав особисту участь із 1972 р. у якості виконавця і з 1981 р. у якості наукового керівника розробок.

Метою роботи є теоретичний і прикладний розвиток наукових основ створення гідроударних снарядів і установок для однорейсового буріння підводних свердловин, що забезпечують суттєве підвищення продуктивності й економічності геологорозвідувальних робіт на шельфі.

Поставлена мета визначила необхідність рішення таких задач.

1. Обгрунтувати загальні принципи опису робочих процесів у гідроударних машинах; уточнити основні положення теорії і математичні моделі машин.

2. Розробити метод визначення робочих параметрів і формалізувати його для розрахунку характеристик гідроударних машин на ПЕОМ.

3. Встановити основні закономірності роботи гідроударних машин для обгрунтування параметрів, зміна яких у рамках технічних обмежень забезпечує заданий показник якості роботи машин.

4. Експериментально підтвердити загальні положення розробленої теорії гідроударників і адекватність математичних моделей реальним гідроударним системам.

5. Виконати комплексні дослідження характеристик гідроударних машин, на базі яких, з урахуванням гірничогеологічних, технологічних і технічних обмежень, провести синтез гідроударних заглибних бурових снарядів.

6. Розробити і випробувати наукові основи оптимізації гідроударних заглибних бурових снарядів для підвищення ефективності однорейсової проходки свердловин у широкому спектрі донних осідань.

7. Виконати структурний синтез, розробити і впровадити заглибні бурові установки з гідроударним приводом для однорейсової проходки підводних свердловин із борта мало- і середньотоннажних бурових судів.

Об'єкт досліджень - робочі процеси заглибних бурових снарядів з гідроударним приводом.

Предмет досліджень - динамічні процеси в робочих камерах гідроударних машин, основні закономірності, що впливають на вибір оптимальних сполучень параметрів заглибних гідроударних бурових снарядів і параметрів режиму однорейсового буріння донних осідань.

Ідея роботи міститься у використанні закону збереження енергії і балансу об’ємів рідини для розкриття закономірностей формування частотно-силових характеристик гідроударних машин, що забезпечують оптимізацію гідроударних бурових снарядів для однорейсового буріння свердловин.

Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі мета досягнута шляхом: узагальнення досліджень в області розробки теорії, методів розрахунку й оптимізації гідроударних механізмів; уточнення теоретичних підходів до аналізу робочих процесів у вибійних машинах, що базуються на фундаментальних законах механіки; конструювання машин цільового призначення; експериментальних досліджень натурних зразків машин із застосуванням спеціальних стендів, сучасних прийомів і засобів реєстрації й опрацювання даних; оцінки ефективності впровадження розробок і шляхом узагальнення виробничих показників, отриманих при експлуатації авторських гідроударних машин, заглибних снарядів і установок на промислових об'єктах морського бурового виробництва.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації і їхня новизна.

1. Уперше теоретично й експериментально встановлений вплив спів-відношення робочої площі поршня гідродвигуна і живого перерізу трубопроводу на рівень значимості двох взаємозалежних складового тиску рідини в циліндрі гідроударної машини: перша - гідроударний тиск у системі; друга - додатковий тиск в активних камерах гідродвигуна. При цьому домінуюче значення на формування сили переміщення поршня гідроударної машини має додатковий тиск, який є кількісною характеристикою енергії потоку, що залежить від величини роботи рідини в циліндрі механізму.

2. При постійній витраті рідини і незмінних параметрів гідроударної системи уперше встановлена близька значимість гідроударного і додаткового тисків у циліндрі гідроударної машини в області, коли площа трубопроводу принаймні в два рази менше площі поршня.

3. Уперше встановлена залежність швидкості бойка і ККД машини від площі перетину трубопроводу. При цьому максимуми швидкості бойка наприкінці робочого ходу і ККД гідроударника спостерігаються при практичній рівності площ поршня і живого перетину трубопроводу і кількісно залежать від розміру робочої площі поршня.

4. Уперше встановлена область раціональної частоти ударів бойка гідроудар-ної машини (він кінематично і механічно пов'язаний із поршнем насосного блока бурового снаряда), при котрій одночасно забезпечується ударно-вібраційний ефект руйнування гірської породи і достатня швидкость висхідного руху води в керноприймальній трубі, що виключає настання пальового ефекту на вибої сверд-ловини.

5. Уперше обгрунтовано метод вибору параметрів і запропонована структура багатофункціонального гідроударного бурового снаряда, що забезпечує комбіно-ваний спосіб буріння свердловин на основі комплексного використання ударно-вібраційного руйнування гірських порід, безупинної зворотної циркуляції води в керноприймальній трубі і розмиву осадів по зовнішній поверхні колонкового набору. При цьому оптимальні умови способу, що сприяють збільшенню глибини пробовідбору і низькій вартості однорейсового буріння свердловин при високій якості випробування обумовлюються раціональним сполученням взаємозалежних параметрів системи “гідроударний заглибний буровий снаряд - свердловина”.

6. Розроблено математичні моделі для вибору оптимальних конструктивних і робочих параметрів гідроударних машин, засновані на аналітичному рішенні рівняння балансу об’ємів рідини, що надходить від бурового насоса і проходять через гідроударник в окремі фази робочого циклу. При цьому об’єм рідини на фазі вільного ходу бойка розглядається з урахуванням зміни швидкості потоку, що обумовлена хвилястими процесами в циліндрі при відкритті органа управління машини.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій доведені: обгрунтованістю прийнятих принципів побудови матема-тичної моделі гідроударників, що випливають із загальних закономірностей роботи гідроударних машин і заснованих на фундаментальних законах механіки; ком-плексом, виконаних у лабораторних і виробничих умовах, експериментальних досліджень натурних зразків гідроударних машин; відповідністю отриманих зако-номірностей і залежностей основним фізичним законам і сталим уявленням про протікання робочого процесу гідроударних машин; застосуванням апробованих сучасних методів і засобів реєстрації досліджуваних параметрів; високою збіж-ністю результатів аналітичних і експериментальних досліджень; широкою апро-бацією і позитивними результатами використання і впровадження розробок у вітчизняних і зарубіжних виробничих підприємствах.

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії роботи гідроударних машин, створенні єдиних наукових принципів їх проектування, розкритті закономірностей формування характеристик машин і їхнього використання для забезпечення оптимальної роботи гідроударних бурових снарядів для однорейсової проходки свердловин.

Практична цінність роботи: - розроблено метод визначення характеристик вибійних гідроударників різноманітних типів, що дозволяє проектувати машини за заданими конструктивними і робочими параметрами, формалізований замкнутою системою рівнянь для розрахунку на ПЕОМ; - розроблено метод вибору вихідних вимог до режиму ударно-вібраційного буріння, що можуть бути основою оптимізації сполучень робочих і конструктивних параметрів гідроударних бурових снарядів для однорейсового буріння підводних свердловин;

- запропоновані і впроваджені проектно-конструкторські рекомендації по досягненню необхідної ефективної потужності з достатнім мінімумом частотно-силових характеристик гідроударних бурових снарядів із багатофункціональним двигуном (а.п.1435709, 583240, 964054); - розроблені і впроваджені заглибні бурові снаряди й установки, що реалізують комбінований спосіб занурення колонкового набору в донні відкладення. Вперше, у широкому спектрі донних відкладів (у породах глинистого комплексу, пісках різноманітної консистенції й обводнен-ности, у тому числі, насичених уламковими матеріалами і прошарами міцних порід, у гравійно-галькових відкладеннях і ракушечно-детритових горизонтах і ін.), забезпечено однорейсове буріння підводних свердловин глибиною 6-10 м із мало- і середньотоннажних бурових судів (а.п. 1218067, 1556166, 1480395, 1494595, 1501449).

Рівень реалізації і впровадження наукових висновків і рекомендацій. Основні положення теорії і результати проведених досліджень використані при розробці гідроударних машин і установок спеціального призначення. Заглибні установки для однорейсового буріння свердловин (ПУВБ-150, УГВП-130/8, УГВП-130М, УГВП-150) пройшли виробничі і державні приймальні іспити і широко впро-ваджені при геологорозвідувальних і інженерно-геологічних вишукуваннях на морських шельфах України і Росії.

Впровадження результатів дисертаційної роботи проведене в 1976-2001 р. у державних геологічних підприємствах “Кримгеологія”, “Причорноморгеологія”, державному акціонерному товаристві “Чорноморнафтагаз”, закритих акціонерних товариствах “Далекосхідна морська інженерно-геологічна експедиція”, “Арктична морська інженерно-геологічна експедиція”, науково-виробничому об'єднанні “Южморгеология” (Росія) та ін.

Наукові і практичні результати опубліковані в навчальному посібнику і використовуються в навчальному процесі при підготовці спеціалістів гірничо-геологічного профілю.

Особистий внесок автора в розробку наукових результатів включає; постановку і формулювання наукової проблеми, мети й ідеї роботи; основні теоретичні й експериментальні висновки, отримані при дослідженні гідроударних машин різноманітних типів і цільового призначення; метод оптимізації гідро-ударних заглибних бурових снарядів, що реалізують комбінований спосіб одно-рейсової проходки свердловин. Отримані наукові результати оформлені в дисер-тації у вигляді наукових положень що захищаються.

Під керівництвом і особистою участю автора розроблені технічні завдання, складені технічні проекти, проведені іспити (експериментальні, виробничі і державні приймальні) і впровадження гідроударних бурових снарядів і установок для однорейсового буріння підводних свердловин.

Апробація роботи. Основні положення роботи в цілому й окремі її етапи обговорювалися й одержали позитивну оцінку на: Всесоюзних науково-технічних конференціях: “Проблеми науково-технічного прогресу в бурінні геолого-розвідувальних свердловин” (м. Томськ, 1991, 1994 р.м.), “Проблеми наукових досліджень в області вивчення й освоєння Світового океану” (м. Владивосток, 1983 р.), “Морські геологорозвідувальні роботи на шельфі Далекосхідних і Арктичних морів” (м. Партизанськ, 1983 р.), I, II і III Міжнародних симпозіумах “Буріння розвідницьких свердловин в ускладнених умовах” (м. Санкт-Петербург, 1989, 1992, 1995 р.м.), “Геологія, пошуки і розвідка родовищ корисних копалин Східної Сибірі” (м. Іркутськ, 1989, 1990 р.м.), “Шляхи підвищення ефективності геологорозвідувальних робіт” (м. Дніпропетровськ, 1990 ,1999 р.), “Оптимізація буріння свердловин в ускладнених умовах” (м. Донецьк, 1991, 1996, 2001 р. м. ), VI і VII міжнародні науково-технічні конференції “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI сторіччя ” (м.Севастополь, 1999, 2000 р.).

Публікації. Основні положення і результати досліджень по темі дисертації опубліковані в 32 наукових працях, у тому числі, навчальному посібнику та 8 авторських посвідченнях на винаходи, що мають безпосереднє відношення до наукових результатів дисертації.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів і основних висновків, містить 281 сторінку машинописного тексту, 132 рисунка, 55 таблиць, список використаної літератури з 243 найменувань, 11 додатків. Загальний обсяг роботи 367 сторінок.

Автор висловлює глибоку вдячність доктору технічних наук, професору Зборщику М.П., доктору технічних наук, професору Семенченку А.К за постійну методичну поміч і наукові консультації при виконанні й оформленні роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглянуті загальні питання і проблеми розвитку галузі морського бурового виробництва (МБВ), що стосуються технічного забезпечення проходки свердловин глибиною 6-10 м. На початковій стадії робіт їхня питома вага перевищує 50% при обсягах більш 500 м на один квадратний кілометр акваторії. Суттєву складність при реалізації задач аналізуємої ділянки МБВ надає геологічна специфіка осадових накопичень шельфу. Вона обумовлена високою ймовірністю одночасного перетинання по розтину свердловини “легких” (мули і слабкі піски) і “важких” грунтів (щільні піски різноманітного гранулометричного складу, породи глинистого комплексу, гравійно-галькові відкладення, детритові вапняки, прошари міцних порід і ін.). У відзначених геологічних умовах, свердловини глибиною більш 6 м традиційно проходяться стаціонарними буровими верстатами ударного-канатного й обертального буріння з багатотоннажних спеціалізованих бурових судів. У той же час, через низький коефіцієнт використання таких плавзасобів у часу (до 15%), при відносно щільному розташуванні свердловин на виробничій ділянці, виконання робіт відзначеним способом сполучено з великими фінан-совими витратами.

При тенденції росту, що намітилася, темпів освоєння підводних родовищ і підвищених нормативних вимог до глибини й економічності проходки дрібних свердловин, сучасне МБВ об'єктивно орієнтується на застосування легких автономних установок, що спускаються з борта неспеціалізованних судів невеликої тоннажності.

За останні 20 років широкому застосуванню легких технічних засобів (ЛТЗ) у галузі сприяв комплекс проектних, теоретичних і експериментальних досліджень, виконаними багатьма вітчизняними організаціями і зарубіжними фірмами. Найбільше повно питання створення ЛТЗ і схем однорейсової проходки свердловин (ОПС) відбиті в працях Архангельського І.В., Асєєва А.Г., Афанасенка С.Д., Владіславлєва В.С., Дзілна І.Л., Лещева Д.А., Лукошкова А.В., Москвітіна В.В., Нейтмана Л.М., Нєудачіна Г.І., Савельєва В.І. Самойленка Е.М. Смолдирєва О.Е. Соколовсього А.К., Фалькова І.М., Фоменка В.С., Хворостовського С.С., Шелковнікова І.Г. і ін. По суті не викликає особливих дискусій технічна підготовленість ОПС на глибину до 5-8 м у мулах і нещільних пісках. У той же час, унаслідок різкого ускладнення умов, посилення негативних проявів специфіки і необхідності інтенсифікації виробництва колись проста задача ОПС перетворилася в складну проблему. На сьогодні однорейсове буріння свердловин на глибину 6-10 м у “важких” грунтах ні у вітчизняній, ні в зарубіжній галузі МБВ технічно не забезпечено.

Огляд узвичаєних принципів розробки технічної бази ОПС (на основі електровібраторів і пневмоударників) дозволив встановити основні причини, що обмежують область ефективної експлуатації відомих ЛТЗ. Серед них основними є: вузькі діапазони зміни частотно-силових параметрів приводу для буріння в умовах частого чергування осадів на короткому інтервалі свердловини; трудність реалізації (конструктивно і кінематично) технічних рішень по запобіганню “пальового” ефекту, що створює складності по якості геологічного матеріалу і глибині занурення пробовідбірників у “важкі” грунти (не більш 4.5- 5.0 м); значні зусилля витягу заглибних бурових снарядів (ЗБС) із свердловини, які, за даними Асєєва А.Г., складають, 5-10 кН на 1 м довжини колонкового набору ЗБС.

На основі проведеного аналізу конструктивних особливостей і робочих характеристик, з урахуванням виділених техніко-технологічних обмежень і оцінки перспективності відомих ЛТЗ (Шелковніков І.Г., Асєєв А.Г., Нєудачін Г.І., Фоменко В.С.) показано, що потенціал існуючої технічної бази ОПС для виділених умов, практично вичерпаний. В умовах жорстких обмежень по параметрах штатного вантажнопідйомного устаткування й енергооснащеністі мало- і середньотоннажних плавзасобів рішення проблеми потребує суттєвої зміни технологічної схеми, способів і засобів однорейсового пробовідбору.

У роботі що реферується, показано ступінь значимості визнаних ефектів, що забезпечують необхідний рівень продуктивності і якості геологорозвідувального буріння в осадовому чохлі морських акваторій. У результаті обгрунтована можливість збільшення вихідних параметрів ОПС на базі ударно-вібраційного методу руйнування гірської породи при одночасній реалізації постійної зворотної циркуляції рідини в керноприймачі (для зниження впливу “пальового” ефекту) і розмиву осадів по зовнішній поверхні колонкового набору (для зменшення зусилля витягу ЗБС). Зміст комбінованого способу буріння, заснованого на комплексному забезпеченні виділених методів, є новим. Це обумовлює необхідність проведення великих теоретичних і експериментальних досліджень для досягнення відповідного технічного рівня і технології відзначеної частини морського бурового виробництва.

Як показав проведений ретроспективний пошук по темі й узагальнення потенціалу сучасних технічних засобів ОПС, принципове рішення проблеми можливо на базі багатофункціональних гідроударних ЗБС із показниками призначення двигуна, що відповідають комплексу відзначених дій. Важливою передумовою такого висновку явилися роботи, виконані в ДонНТУ під керівниц-твом Г.І.Нєудачіна. Тут уперше запропонована гідроударна установка (ПГУ-72), буровий снаряд якої, поряд із забезпеченням ударно-вібраційного способу занурення колонкового набору, виконує функції насоса для створення зворотної циркуляції води в керноприймачі. Це дозволило збільшити рейсову проходку в донних осадах із складним характером випробування до 4 -5 м. Досягнуте незначне збільшення глибини пробовідбору, проте підтвердило можливість технічного виконання комбінованого способу ОПС на базі гідроударних машин подвійної дії.

На основі узагальнення робіт, присвячених прогнозній результативності гідроударних ЗБС із досягненням довжини рейса 6-10 м і більш, виділена проблема, пов'язана з удосконалюванням конструкцій і характеристик розглядаємого класу машин. Її теоретичний зміст обумовлено відсутністю наукового обгрунтування і теоретичної інтепретації розмірів оптимальних параметрів багатофункціональних гідроударних машин, як головної ланки ЗБС, у сполученні з параметрами режиму комбінованого буріння свердловин у донних відкладеннях.

Розробки, що стосуються рішення задач оптимізації ударної техніки і вибору необхідних технологічних режимів буріння свердловин, приведені в публікаціях Ашавського А.М., Бажутіна О.М., Башкатова Д.М., Гафіатуліна Р.Х., Горшкова Л.К., Кардиша В.Г., Козловського Е.А., Кулікова І.В., Мірзаджанідзе А.Х., Ошкордіна О.В., Пітерського В.М., Почарського А.А., Ребріка Б.М., Шкурко А.К. і ін., є об'єктивною передумовою аргументації постановки задачі оптимізації структури і параметрів багатофункціональних гідроударних машин, як області морської бурової техніки. У силу сформованих умов, одним із напрямків у розвитку гідроударної техніки для морського бурового виробництва є використання досвіду розробок аналогічних устаткувань, що застосовуються для рішення гірничорудних і геологорозвідувальних задач на суші.

У дисертації в якості наукової бази пошуку нових конструкцій, оптимізації схем і характеристик гідроударників (ГУ) із можливістю розширення області їхнього застосування використані теоретичні розробки, закладені Левінбуком І.Х., Соколінськім В.Б., Епштейном Е.Ф і які одержали подальший розвиток у працях авторитетних вчених і інженерів: Арцимовича Г.В., Ашавського А.М., Безсонова Ю.Д., Воскресенського Ф.Ф., Д'яченко Ю.Г., Кисельова А.Т., Кожевнікова А.О. , Ліманова Е.Л., Нєудачіна Г.І., Потоцького В.Б., Славського В.М., Скобочкіна Б.Е. Сіріка В.Ф., Тарко Л.М., Тагієва А.М., Цая В.В., Ясова В.Г і ін.

У результаті проведеного аналізу узвичаєних теорій, установлені наявність і основні причини не відповідності розрахункових і фактичних закономірностей роботи гідроударних машин, в умовах широкого діапазону зміни параметрів гідро-ударної системи. З позиції умов зберігання енергії і маси, що мають місце проти-річчя, пов'язані, насамперед, із переоцінкою впливу гідроударного тиску в трубо-проводі, що підводить, на роботу гідроударних механізмів і недооцінкою додат-кового тиску, що витікає з енергетичного балансу системи, що, як показали дослідження, має домінуюче значення на формування робочого тиску в циліндрі гідроударника. Неаргументованими є спрощення, при упорядкуванні балансу обсягів рідини на привід гідроударника, коли зміна її витрати на фазі вільного ходу бойка, визначається без урахування зміни швидкості потоку, обумовленої хвиляс-тими процесами в циліндрі машини при відкритті органа управління.

Відзначене стало основою постановки проблеми подальшого розвитку основних положень теорії і наукових основ створення гідроударних машин з об'єктивним вибором нових напрямків реалізації задач підвищення енергетичних параметрів і оптимізації гідроударних заглибних бурових снарядів для умов морського бурового виробництва.

Сформульований у дисертації загальний порядок розгляду робочого процесу гідроударників, базується на двох основних положеннях, що випливають з умови зберігання енергії і балансу об’ємів рідини, що, для досліджуваного об'єкта, формалізовані співвідношеннями (2) і (3).

Розширені можливості розробленого теоретичного аналізу гідроударних механізмів дозволяють використовувати його для науково обгрунтованого вибору параметрів утворюваних машин. Підставою цього є підтвердження розрахункових результатів даними експериментів, отриманими різними вченими, при дослідженні машин одинарної дії, а також детальні дослідження гідроударників подвійної дії, що показані в розділі 3 роботи що реферується .

Приведений у дисертації аналітичний матеріал досліджень закономірностей формування характеристик різноманітних типів ГУ, а також оцінка умови оперативної зміни їхніх кількісних значень явилися вихідною передумовою вибору схеми і проведення робіт із проектування гідроударних бурових машин подвійної дії, як головної ланки заглибних бурових снарядів для однорейсового буріння підводних свердловин.

В результаті, уточнені основні закономірності роботи гідроударних механізмів цього типу і намічені шляхи поліпшення їхніх характеристик. У нас-тупному, розроблені рекомендації були підтверджені експериментально і використані автором при конструюванні гідроударних снарядів для однорейсового буріння підводних свердловин.

У розділіі 3 розглянуті дані експе-риментальних досліджень ГУ, основні задачі яких зведені до підтвердження реальності положень теоретичного аналізу гідроударних бурових механізмів на основі виміру й опрацювання узагаль-нених циклограм робочого циклу у широ-кому діапазоні комплексу перемінних да-них при дослідженні авторської конструк-ції ГУ подвійної дії.

Показником, що дозволяє судити про достовірність першого положення, форма-лізованого формулою робочого тиску ( ), виділено параметр , тому ряд досліджень проведено при різноманітних і . Достатньою підставою для підтвердження відзначеного положення є оцінка значимості гідроударного тиску на роботу ГУ при реалізації умови і за рахунок використання компенсатора, порожнина якого сполучена з робочою камерою циліндра. Отримано якісну модель робочого циклу ГУ (рис.1) яка показує, що зниження виражених стрибків тиску в гідросистемі не впливає на стійку роботу машини і призводить до деякого збільшення швидкості бойка при одночасному зниженні частоти ударів.

Для кількісної оцінки співвідношення (2), із виділенням значимості складових у достатньому діапазоні при фіксованих і , виконані прямі виміри тиску в межах робочого циклу ГУ. Здійснено також зіставлення по тривалості циклу і фази робочого ходу , частоті ударів ( ) і швидкості бойка для різноманітних при фіксованих .

Робочі характеристики ГУ досліджу-валися при витратах рідини 120 - 240 л/хв із використанням колон бурильних труб діаметром 42, 50, 73 і 108 мм довжиною 46-49 м.

Відповідно з фактичними даними, збільшення діаметра нагнітального трубопроводу призводить до перерозподілу значимості складових . Аналіз приведених залежностей (рис.4) свідчить про те, що наприкінці робочого ходу при формуванні сили, що діє на поршень при його переміщенні, при значному збільшенні , гідроударний тиск ( ) практично не визначає розмір робочого тиску в циліндрі механізму. Збільшенню відповідає умова і припускає рівноприскоренне прямування бойка в межах робочого ходу. При збільшенні площі перетину трубопроводу інтенсивність зміни параметрів ГУ незначна.

За винятком параметра , інші харак-теристики машини збільшуються. Розрахункові дані узгодяться з теоретичними висновками дисертації. Аналіз приведених залежностей свідчить про наявні резерви підвищення передударної швидкості за рахунок забезпечення в гідросистемі умови .

Для перевірки адекватності математичного опису гідроударних машин, установлення кількісної відповідності закономірностей зміни характеристик ГУ розрахунковим залежностям, проведені серії іспитів по впливу витрати рідини ( ) на робочі параметри ГУ при фіксованих конструктивних елементах машини. Вихідні дані для розрахунку були узяті ті ж, що і для експерименту.

Приведені в дисертації, експериментально отримані закономірності зміни робочих параметрів ГУ () у функції витрати рідини ( ) якісно і кількісно ідентичні розрахунковим даним. Збільшення призводить до зростання всіх параметрів гідроударної машини, що обумовлює доцільність оперативного регулювання режиму роботи машини зміною параметра .

Для підтвердження аналітичного висновку про взаємозв'язок оптимального значення робочого ходу і витрати рідини виконано порівняння серії експериментальних вимірів для різноманітних при зміні і при дотриманні рівності інших умов випробувань (рис.5).

Оптимальна умова протікання процесу в ГУ перевірялась на основі аналізу циклограм робочого циклу в результаті проведення дис-кретних експериментів. Всі обрані фактори до-сліджувалися на шести рівнях витрати рідини. Фізична значимість факторів визначалася так, що вона відбивала типові значення, що могли бути характерні при роботі гідроударної машини.

Задачею досліджень було також уточнення діапазону , при якому частотно-енергетичні характеристики ГУ забезпечують найбільше раціональне використання кінетичної енергії бойка. Непрямим шляхом виконані виміри енергії одиничного удару в залежності від ходу бойка при різноманітних значеннях витрати рідини (рис.6). Дані експериментальних досліджень підтверджують теоретичні залежності, що встановлюють зв'язок між енергією і частотою ударів і робочим ходом бойка при різних витратах рідини. Очевидно, що при збільшенні витрат рідини максимальне значення швидкості бойка, а, отже, і енергії удару відповідають визначеному для кожного рівня оптимального ходу ( ).

При фіксованій витраті рідини для двох рівнів маси бойка виконані виміри енергії і частоти ударів (рис.7). Експеримент якісно і кількісно підтвердив теоретичні дані про малу інтенсивність зміни частоти ударів при зміні маси бойка, за інших рівних умов. З збільшенням ваги бойка енергія удару ( ) зростає для всіх розмірів хода бойка і витрат рідини. Для кожної ваги бойка існує виражений максимум , що при збільшенні зміщається на більш великі значення ходу. Оптимальна ділянка прямування поршня на фазі робочого ходу строго визначена для кожної витрати рідини.

Результати прямих вимірів у процесі іспитів дозволили оцінити і зіставити дані втрат швидкості бойка на вільному ході. Всі виміри виконувалися при опрацюванні осцилограм швидкості бойка (приклад показаний на рис.10) з уточненням по циклограмах робочого циклу. На осцилограмах чітко видно зниження швидкості співудару бойка з нижнім і верхнім ковадлами в порівнянні з досягнутої на ро бочому ході.

Залежності (рис.8) практично повторюють характер кривих (рис.5), що відповідає приведеним аналітичним співвідношенням швидкостей для різних рівнів витрати рідини.

Розділ 4 присвя-чений синтезу заглибних гідроударних бурових снарядів для однорейсо-вого буріння свердловин. Рішення задачі розгля-нуто з позиції системного підходу до процесу буріння, у якому задіяні різноманітні фактори, що розділені на дві основні групи: технічні (конструкція з відповідними параметрами, кінематика і динаміка ЗБС) і технологічні, що є керованими режимними параметрами буріння. Згідно з розробленною структурною схемою процеса буріння свердловини, одержання максимально можливих для заданих умов вихідних показників системи “ЗБС-свердловина” (глибина свердловини - , механічна швидкість - , вихід керна - ), залежить від рішення питання взаємодії ЗБС із середовищем що руйнується. Ефективність буріння визначена по відповідності технічної групи і управляемих режимних параметрів буріння, характеру середовища що руйнується.

Аналіз взаємозв'язку між параметрами середовища і технологією буріння дозволив виділити достатній мінімум основних властивостей грунтів, що є вихід-ними для проектування частотно-енергетичних характеристик ЗБС і фактором обгрунтованості діапазону технологічних режимів буріння в умовах частого чергування порід на коротких інтервалах свердловини. Енергія удару , при достатній частоті ударів бойка є головним фізичним критерієм інтенсивності впливу зовнішніх сил при бурінні свердловин. Одночасно, взаємозалежні характеристики і обумовлюють розмір амплітуди коливань бурового снаряда, критичне значення якої визначає раціональні умови буріння несцементованих грунтів.

Істотним засобом досягнення заданих вихідних показників ОПС із нормативним пробовідбором є можливість створення постійного висхідного прямування води в керноприймачі ЗБС із необхідною інтенсивністю .

Для технічного забезпечення заданої відповідності управляємих режимних параметрів вихідним показникам процесу буріння запропонована схема багатофункціонального гідроударного ЗБС. Гідродвигун ЗБС структурно являє собою кінематичний синтез двох систем: гідродвигуна і насосного блока (НБ), пов'язаних загальним законом функціонування. Гідродвигун формує імпульси напруги в колонковій трубі, енергія яких передається “башмаку”. Одночасно, поршень ГУ що переміщається забезпечує роботу НБ по створенню висхідного прямування води в керноприймальній трубі. У процесі вихлопу відпрацьована рідина чинить роботу з розмиву стінок свердловини.

З огляду на розширені функції призначення ГУ, виконані додаткові дослідження таких машин з урахуванням відзначеної специфіки, що обумовила зміну переліку регулярних сил при упорядкуванні рівняння динаміки поршня ГУ. Теоретично й експериментально встановлено, що при існуючому визначеному взаємозв'язку між факторами технічної групи системи і її вихідними параметрами, зміна: виду моделі руйнування; розміру опорів середовища що руйнується, перешкоджаючих просуванню пробовідбірника в грунт; параметрів взаємодії ЗБС і гірської породи, мало впливають на закономірності формування і кількісні зміни частотно-енергетичних характеристик головної ланки ЗБС - гідроударної машини.

При бурінні з комбінованою схемою промивання особливе значення набуває співвідношення між частотою, і інтенсивністю зворотного промивання. Повто-рювальність динаміки поршня гідродвигуна і поршня НБ явилися вихідною передумовою використання відомого закону переміщення поршня гидродвигуна для оцінки поточних і кінцевих параметрів переміщення поршня НБ при дослідженнях процесів, що відбуваються в робочій камері НБ і для одержання прогнозних і фактичних даних припустимої області роботи заглибного бурового снаряда. При дослідженнях умови переміщення вільної поверхні рідини в робочій камері НБ, отримана залежність, що дозволяє зробити висновок про наявність у робочій камері НБ порожнини, розмір котрої і її вплив на продуктивність насоса характеризуються параметром заповнення циліндра НБ ( ). У свою чергу, критичне значення , що встановлює межу припинення зворотної циркуляції води в керноприймальній трубі, визначається закономірностями зміни тиску на межі контакту поверхонь води і поршня НБ, приходячи функцією швидкодії поршня ГУ, конструктивних параметрів колонкового набору ЗБС, властивостей грунту і глибини занурення НБ під рівень моря.

Проведені дослідження дозволили встановити характер обмежень, що накладаються на частоту ударів. З одного боку, частота ударів бойка не повинна бути менше необхідної для реалізації ударно-вібраційного ефекту, з іншого боку, цей параметр повинний бути настільки малий, щоб забезпечити умову достатнього заповнення водою робочої камери НБ.

Теоретичними й експериментальними дослідженнями показано тісний взаємозв'язок технічних факторів системи. Встановлено, що одержання макси-мальної продуктивності ГУ, за інших рівних умов, не є єдиною і навіть основною вимогою, запропонованою до гідроударної машини, тому що в реальній динаміці системи (у процесі буріння свердловини при зміні параметрів зовнішнього середовища, співвідношення і повинні постійно змінюватися), екстремуми функцій і не відповідають тому самому значенню сукупності аргументів.

З урахуванням технічних обмежень і вимог до вихідних параметрів гідроударного ЗБС, що забезпечують необхідні вихідні параметри системи “ЗБС-свердловина” розроблено алгоритм розрахунку конструктивних і робочих пара-метрів бурового снаряда. Реалізація алгоритму з використанням ПЕОМ дозволила побудувати сімейство кривих у функції робочого хода при встановлених рівнях витрати робочої рідини (рис.13 і 14).

На базі виконаних досліджень розроблена схема і проведена оптимізація конструктивних і робочих параметрів ЗБС із багатофункціональним гідроударним генератором навантажень (таблиця, рис. А).

Додатково проведені роботи з експериментальним підтвердженням технічної

можливості зміни частотних (зменшення) при збереженні енергетичних показників ГУ, виключаючи при цьому багатоелементність гідроударної системи, шляхом зменшення втрат швидкості бойка на вільному ході (використання компен-саційного чопа 24 ) і зниження амплітуди гідроударного тиску в активних камерах гідродвигуна при зберіганні розміру постійної складової робочої напруженості потоку рідини в циліндрі ГУ (застосування об’єму камери 25, що змінюється рухливим плунжером 26) (таблиця, рис . Б).

У розділі 5 приведені результати завершального етапу апробації й оцінки достовірності розроблених наукових основ створення гідроударних бурових снарядів і установок, виконані автором у виробничих умовах. Останні проведені в два етапи: попередні іспити ЗБС; виробничі (приймально-здавальні) іспити і впровадження заглибних гідроударних установок.

Структурно-кінематичні схеми і параметри розроблених ЗБС і установок, поданих на іспити і яким були привласнені індекси УГВП (рис.15) і ПУВБ (рис.16), відповідали параметрам оптимізації, запропонованим у дисертації. Широке варіювання потужності і глибини залягання осадів, їхня насиченість твер-дими прошарами і гравійно-гальковими відкладеннями, дозволили провести в пов-ному обсязі перевірку параметрів буріння свердловин гідроударними ЗБС і їхню відповідність вихідним показникам систе-ми “ЗБС-свердловина”.

У роботі дається докладна інформа-ція про вперше проведені розробки техно-логічного устаткування, необхідного для реалізації задач виробничого експери-менту і досягнення гарантованих експлуа-таційно-технічних якостей однорейсової проходки свердловин глибиною 6 - 10 м.

Установки типу УГВП (рис.15), для робіт із малотоннажних бурових судів, укомплектовані “Стабілізуючою опорою”, що запобігає перекидання ЗБС у мо-мент постановки його на дно і габаритами , що мобільно змінюються , при підйомі, і “Кантувачем”, що забезпечує маніпуляції, пов'язані з можливістю розміщення на палубі довгих ЗБС (уздовж борта бурового судна (рис.17). Перераховані пристрої реалізовані у виді дослідних зразків технологічного устаткування установки УГВП -130/8 і змонтовані на бурових судах виробничих геологічних об’єднаннях (ВГО) “Кримгеологія”, “Причорноморгеологія”. Пізніше, для експлуатації установок УГВП-150 і УГВП-130 аналогічним устаткуванням оснащені бурового науково-дослідні судна ВГО “Архангельськгеологія”, “Союзморінжгеологія”, Арктичної і Далекосхідної морських інженерно-геологічних експедицій та ін.

Відомості по устаткуванню ПУВБ із жорсткою рамною підставою для роботи зі середньотоннажних судів (рис.16), приведені в дисертації у формі посилань на їхню результативність, і підтверджені відповідними актами впровадження.

Установки пройшли повний комплекс іспитів і прийняті Державними відомчими комісіями для випуску й експлуатації з бурових судів малої (УГВП) і середньої (ПУВБ) тоннажності. Результати приймально-здавальних іспитів, а також частина показників впровадження установок оформлені в додатках у вигляді відповідних актів і протоколів упровадження їх у морських підприємствах України і Росії.

У ході іспитів, крім виробничих задач, виконані роботи, що стосуються перевірки теоретичних передумов по взаємозв'язку режимних параметрів ГУ і про-цесу занурення пробовідбірника. Вони оцінювалися по механічній швидкості бу-ріння; рейсовій проходці і якості геологічного матеріалу. Отримані фактичні результати підтвердили наявність граничного діапазону частоти ударів бойка по параметру наповнення камери НБ ( ), а також відповідність вихідних параметрів проектування ЗБС розробленим оптимальним областям їхнього застосування з необхідними вихідними показниками системи “ЗБС - свердловина” у широкому спектрі донних відкладень.

У цілому, виробничі іспити гідроударних бурових снарядів підтвердили пра-вильність умов запропонованого