МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622. 243. 075.8

ЗИБІНСЬКИЙ Петро Васильович

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗАГЛИБНОГО ГІДРООБЕРТАЛЬНОГО БУРОВОГО СНАРЯДА ДЛЯ ОДНОРЕЙСОВОГО БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН НА МОРСЬКИХ АКВАТОРІЯХ

Спеціальність 05.15.10 - буріння свердловин

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології і техніки геологорозвідувальних робіт Донецького національного технічного університету

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор

Калініченко Олег Іванович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри технології і техніки геологорозвідувальних робіт

Офіційні опоненти – | доктор технічних наук, професор

Кожевніков Анатолій Олександрович, Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, професор кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин;

кандидат технічних наук

Мартиненко Іван Іванович, заступник начальника управління геології нафти, газу, рудних і нерудних корисних копалин Державної геологічної служби Міністерства охорони навколишнього природного середовища України (м. Київ).

Провідна установа – |

ВАТ “Український нафтогазовий інститут” Міністерства палива й енергетики України (м. Київ), науково-дослідний відділ видобутку нафти, газу і конденсату

Захист відбудеться 31 травня 2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(49027, м. Дніпропетровськ-27, ін. К. Маркса, 19, тел. 47-24-11)

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного гірничого університету

Автореферат розісланий 29 квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Освоєння морських родовищ передбачає виконання значного обсягу бурових робіт для вивчення верхніх інтервалів донних осадків (до 6-8 м), що складені породами I-VII категорій за бурінням. Специфічною особливістю розглянутої області виробництва є непропорційність розподілу обсягів буріння у виділеному діапазоні категорій порід на окремо взятому об'єкті розвідування. Звичайно, частка свердловин, у розрізі яких зустрічаються породи середньої твердості й тверді, не перевищує 10% від загального обсягу буріння .

Проходка свердловин у м'яких породах (до IV категорії) з позначеною глибиною випробування забезпечується легкими технічними засобами (ЛТЗ) з борту неспеціалізованих суден. Такі засоби реалізують ударно-вібраційне однорейсове занурення колонкового набору в осадки. Буріння свердловин з перетинанням порід V-VII категорій, як правило, виконується обертальним способом стаціонарними буровими верстатами, встановленими на спеціалізованих бурових плавзасобах (СБП).

Існуюча об'єктивна потреба в розмежуванні області застосування ЛТЗ і СБП на одній ділянці розвідування стає фактором зниження техніко-економічних показників виробництва. Через високу орендну вартість СБП (20 тис. грн/добу та більше), що в 2-4 рази перевищує орендну вартість неспеціалізованих суден, витрати на проведення робіт з використанням СБП і ЛТЗ стають порівнянними. При цьому співвідношення питомих витрат на буріння свердловин із застосуванням СБП і ЛТЗ становить більше, ніж 10:1.

У цьому зв'язку обґрунтованим є пошук резервів розширення області використання ЛТЗ при бурінні неглибоких свердловин, як у слабозв’язаних осадках, так і в породах середньої твердості та твердих.

Аналіз вітчизняного та світового досвіду в області створення й застосування морських пробовідбірників свідчить про можливість реалізації потенціалу ЛТЗ за рахунок розробки і використання в їх складі принципово нових обертальних бурових снарядів, виконаних на базі поршневого багатофункціонального гідродвигуна. Це обумовлює необхідність вирішення ряду відкритих питань, пов'язаних з визначенням структури бурового снаряду, обґрунтування й розробки методики розрахунку його характеристик, встановлення умов надійного запуску й закономірностей формування характеристик гідродвигуна при жорстких лімітах потужності, внаслідок обмеженої енергооснащеності плавзасобу.

З урахуванням зазначеного, дослідження з теми дисертації, які передбачають істотне розширення області застосування ЛТЗ для буріння неглибоких свердловин на морських акваторіях, за своєю практичною та науковою спрямованістю є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація має безпосереднє відношення до наукового напрямку кафедри технології та техніки геологорозвідувальних робіт Донецького національного технічного університету та виконана на базі матеріалів госп. договору ”Розробка й впровадження методів вібраційно-обертального буріння свердловин і відбору проб ґрунту в умовах морів Далекого Сходу” (№ Держ. реєстрації 77034343) у рамках програми Міністерства ВНЗ “Світовий океан” (наказ Міністерства ВНЗ України від 2.11.1979 р. N 1230), цільової комплексної науково-технічної програми (ОУ 007) Держкомітету геології України ”Створення й впровадження технологічних процесів і технічних засобів для пошуку, розвідування й промислового освоєння нафтових і газових родовищ континентального шельфу СРСР”. У проведених дослідженнях автор брав безпосередню участь з 1979 р. як відповідальний виконавець розробок.

Мета роботи – встановити закономірності формування характеристик поршневого гідродвигуна з гвинтовим перетворювачем і на їх основі обґрунтувати параметри гідрообертального бурового снаряда, які забезпечують значне розширення області застосування легких технічних засобів при однорейсовій проходці свердловин у породах I-VII категорій за бурінням.

Задачі досліджень:

1. Обґрунтувати схему заглибного гідробура для однорейсового буріння свердловин у комплексі м'яких і середньої твердості порід осадового чохла морського шельфу.

2. Розробити методику інженерного розрахунку робочих і конструктивних параметрів гідробура (ГБ), формалізувати її для розрахунку характеристик ГБ на ПЕОМ і встановити основні закономірності роботи ГБ.

3. Обґрунтувати й експериментально підтвердити умови запуску й одержання стійких характеристик ГБ при обмеженій потужності на привод насоса.

4. Виконати оцінювання ефективності використання розробленого гідробура в умовах морського бурового виробництва.

Об'єкт досліджень – робочі процеси заглибних гідродвигунів поршневого типу з клапанним розподілом рідини (надалі за текстом – гідродвигун).

Предмет досліджень – основні закономірності роботи гідробура, що впливають на область формування ефективних характеристик і запуск гідродвигуна.

Ідея роботи полягає у використанні загальних закономірностей роботи гідродвигунів для обґрунтування параметрів гідробура, які забезпечують область його стійкого запуску й одержання стабільних характеристик в умовах обмеженої потужності, що виділяється для приводного насоса.

Методи досліджень. Поставлена в дисертаційній роботі мета досягнута шляхом: узагальнення досліджень в області розробки об'ємних гідродвигунів; теоретичного аналізу робочого процесу поршневого гідродвигуна із гвинтовим перетворювачем, що базується на фундаментальних законах механіки; конструювання гідробурів цільового призначення; експериментальних досліджень натурних зразків гідробура із застосуванням спеціальних стендів, сучасних прийомів і засобів реєстрації й обробки даних; оцінки ефективності впровадження розробок при експлуатації авторських гідробурів на промислових об'єктах морського бурового виробництва.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Установлено, що витрата рідини для запуску гідробура (границя запуску) визначається умовою, коли тиск рідини на клапан від зусилля на ходу стискання пружини не перевищує величину тиску в циліндрі гідродвигуна, і пов'язана квадратичною залежністю з величиною обертаючого моменту на шпинделі гідробура, при цьому вперше встановлена наявність граничного значення обертаючого моменту, при перевищенні якого границя запуску залишається постійною.

2. Установлена область припустимих значень обертаючого моменту на шпинделі гідробура, яка визначається нижньою межею, що відповідає тиску запуску гідробура, і верхньою межею, що відповідає граничному тиску, який розвиває насос, при цьому вперше встановлено, що зі збільшенням твердості клапанної пружини область припустимих значень обертаючого моменту звужується зі зсувом її границь назустріч одна одній.

Наукове значення роботи полягає в одержанні аналітичних залежностей, які дозволили визначити якісні й кількісні закономірності формування характеристик поршневого гідродвигуна із гвинтовим перетворювачем і їхнім використанням для забезпечення ефективної роботи ГБ в умовах морського бурового виробництва в породах I-VII категорій, у тому числі при обмеженнях на параметри привода насоса.

Практичне значення роботи полягає в розробці методики інженерного розрахунку гідробура, що дозволяє здійснювати науково обґрунтований вибір конструктивних елементів і режимів роботи гідробура, у тому числі в умовах обмежень на параметри привода; у розробці принципово нового поршневого гідродвигуна із гвинтовим перетворювачем зворотно-поступального руху поршня в обертовий рух бурового снаряда, що дозволило розширити область застосування легких технічних засобів при однорейсовому бурінні свердловин у породах I-VII категорій в умовах морського бурового виробництва.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій доведені: обґрунтованістю прийнятих принципів побудови математичної моделі гідробурів, що випливають із загальних закономірностей роботи об'ємних поршневих гідравлічних машин і засновані на фундаментальних законах механіки; комплексом виконаних у лабораторних і виробничих умовах експериментальних досліджень натурних зразків гідробурів; відповідністю отриманих закономірностей і залежностей основним фізичним законам і сталим уявленням про протікання робочого процесу в циліндрі об'ємних поршневих гідравлічних машин; застосуванням апробованих сучасних методів і засобів реєстрації досліджуваних параметрів; високою збіжністю результатів аналітичних і експериментальних досліджень; широкою апробацією й позитивними результатами використання та впровадження розробок у виробничих організаціях.

Реалізація результатів. Основні результати проведених досліджень використані при розробці гідробурів, якими укомплектовані легкі автономні установки для однорейсового буріння свердловин (ПГВУ-150, ПГВУ-150М). Розробки застосовуються при морських геологорозвідувальних і інженерно-геологічних вишукуваннях на шельфах Далекого Сходу (ДП “Далекосхідна морська інженерно-геологічна експедиція”, Росія), на шельфі морів Крайньої Півночі (ДП “Арктичні морські інженерно-геологічні експедиції”, Росія), на акваторії Азовського й шельфі Чорних морів (ДАТ “Чорноморнафтогаз”, Україна). Рішенням Координаційного центра Інтерморгео гідрообертальна установка ПГВУ-150 включена в перелік штатних морських пробовідбірників для морських інженерно-геологічних вишукувань.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні мети та ідеї роботи, постановці завдань досліджень, обґрунтуванні й розробці методики інженерного розрахунку параметрів гідробура, розробці нового поршневого гідродвигуна із гвинтовим перетворювачем зворотно-поступального руху поршня в обертовий рух бурового снаряда, виконанні експериментальних досліджень, проведенні виробничих випробувань і впровадженні гідробурів у деяких морських геологорозвідувальних організаціях Росії та України.

Апробація роботи. Основні положення роботи в цілому й окремих її етапах обговорювалися й одержали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях: “Технологія й техніка буріння свердловин при експлуатаційному розвідуванні на кар'єрах і шахтах КМА” (м. Бєлгород, 1976 р.), “Проблеми наукових досліджень в області вивчення й освоєння Світового океану” (м. Владивосток, 1983 р.), “Оптимізація буріння свердловин в ускладнених умовах” (м. Донецьк, 1991, 1996, ), V і VII міжнародних конференціях “Породоруйнуючий і металообробний інструмент - техніка й технологія його виготовлення й застосування”(м. Судак - Київ, 2002 р., 2004 р.).

Публікації. Основні положення й результати досліджень за темою дисертації опубліковані в 15 наукових працях, у тому числі: 8 - статті, 5 - авторські свідоцтва й 2 - тези доповідей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація містить 188 сторінок тексту, 52 рисунка, 21 таблицю і складається із введення, 4 розділів, висновків і рекомендацій, списку використаної літератури, що містить 102 найменування, та 11 додатків. Основна частина викладена на 139 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Науковою основою досліджень, спрямованих на реалізацію мети та завдань дисертації, з'явилися роботи в області створення й теоретичних досліджень поршневих гідродвигунів, що використовуються як привод заглибних насосних агрегатів таких авторів, як А.С.Козак, Г.І.Неудачин, А.Н.Бажутін, В.І.Пилипець, А.П.Подкідишев; роботи в області розробок забійних обертальних двигунів - А.А.Гільманова, Н.В.Хуберцова, П.Н.Григор'єва, Н.В.Бурнавцева; роботи в області досліджень гідроударних машин - Е.Ф.Епштейна, В.Г.Ясова, Ю.Д.Бессонова, А.О.Кожевнікова, Г.І.Неудачина, О.І.Калініченка та ін.

Ґрунтуючись на досягнутій результативності й надійності поршневих двигунів із клапанним розподілом рідини, запропонована принципова схема гідробура (рис.1), що побудована на базі об'ємного гідродвигуна, де поршень 10 через шток 4 пов'язаний із гвинтовим перетворювачем. Зворотно-поступальний рух гвинта 14, за допомогою взаємодіючих з ним гайок 12 і 13 забезпечує обертовий рух шпинделя 7, з'єднаного з колонковою (керноприймальною) трубою 8.

Функції ГБ розширені можливістю створення зворотної циркуляції рідини в керноприймальній трубі за допомогою насосного блоку. При цьому роль витискувача насосного блоку, на відміну від відомих технічних рішень, виконує підпружинений поршень лубрикатора 5, що не має механічного зв'язку зі штоком гідродвигуна.

Методика розрахунку параметрів гідробура розроблена з урахуванням наявного досвіду досліджень багатофункціональних поршневих гідродвигунів і побудована з позиції комплексного аналізу процесу зворотно-поступального переміщення системи “поршень-гвинтовий перетворювач” і процесу взаємодії ГБ і гірничої породи в межах робочого циклу гідродвигуна. Робочий цикл гідродвигуна складається з декількох фаз. З погляду характеру взаємодії елементів гідробура ці фази практично однакові для кожного напівциклу (при ході поршня нагору або при ході вниз):

фаза 1. Розгін і переміщення системи “поршень-гвинт” на шляху S1 під дією тиску робочої рідини;

фаза 2. Гальмування системи “поршень-гвинт-шпиндель” на шляху S2 під дією клапанної пружини 2. Фаза закінчується початком перестановки клапанів;

фаза 3. Перестановка клапанів і зупинка системи “поршень-гвинт-шпиндель” у точці реверса наприкінці шляху S1+ S2.

Стосовно до розглянутої схеми ГБ, математична модель гідробура включає урівняння руху основного виконавчого елемента - системи “поршень-гвинтовий перетворювач” (1), і урівняння балансу обсягів рідини, що надходить від бурового насоса, і минає через ГБ в окремі фази напівциклу (2):

; (1)

, (2)

де - наведена маса рухливих вузлів; - маса рухливих механічних елементів ГБ; - момент інерції ділянки “шпиндель-керноприймальна труба”; - параметр гвинтового перетворювача; St - крок гвинтової лінії перетворювача; - поточне значення прискорення, швидкості й руху поршня; a - гідроударний коефіцієнт Н.Є. Жуковського; µ - коефіцієнт витоків рідини в ГБ на робочому русі поршня; f - робоча площа поршня двигуна; - площа трубопроводу; - швидкість рідини в циліндрі ГБ; - твердість і попередній натяг пружини лубрикатора; - площа поршня лубрикатора; - наведена осьова сила (" "- при русі поршня вниз); - вага рухливих елементів ГБ; P2 - гідравлічні опори в циліндрі ГБ; R - сили механічного опору руху поршня; - окружна сила на гвинтовому перетворювачі; - середній радіус витка нарізки; - середній радіус коронки; и - осьове навантаження на забій; – безрозмірний силовий критерій ефективності руйнування породи; б - кут нахилу гвинтової лінії; ц - кут тертя гвинтової пари; - швидкість поршня у момент зіткнення із клапаном; S1, S2 - ход поршня на першій і другій фазах; Q - витрата рідини на привод гідрообертального механізму; ДV - збільшення швидкості потоку в перетині перед ГБ на фазі вільного руху поршня після відкриття органа керування ГБ; t1 , t2 , t3) - тривалості фаз робочого циклу Pд. - додатковий тиск рідини в активних камерах гідродвигуна ГБ.

Параметр Pд є кількісною оцінкою запасу енергії рідини, що затрачається на виконання роботи в циліндрі машини, пов'язаної зі створенням обертаючого моменту й подолання гідравлічних і механічних опорів протягом всіх фаз робочого циклу:

, (3)

де Z, S0 - твердість і попередній натяг клапанної пружини; V1 - швидкість поршня наприкінці робочого ходу.

Спільне рішення рівнянь (1) і (2) з урахуванням (3) дозволяє виконати завдання визначення t1 й V1. Після розрахунку V1 визначається значення швидкості наприкінці другої фази робочого циклу ГБ:

V2 = V1 – Z (S0 + S2) \ f k c сµ (4)

Тривалість другої й третьої фаз, а також період робочого циклу визначаються формулами:

t2 =2 S2 / (V1 + V2), (5)

, (6)

T =2 (S1 + S2 ) / Vср (7)

де Vср = V1 (t1 + t2 ) / (t1 + t2 + t3) – середньозважена лінійна швидкість гвинта.

Залежності для визначення інших параметрів ГБ наведені в табл. 1.

Математична модель і запропонована в роботі методика визначення тривалості циклу фаз робочого циклу, а також значень V1, V2 і додаткового тиску одержали підтвердження в процесі прямих вимірів зазначених параметрів при обробці осцилограм робочого циклу гідродвигуна ГБ, при тісноті кореляційного зв'язку в межах 0, 94-0,96.

Для оцінки адекватності аналітичних висновків про взаємозв'язок витрати рідини (показник, що у процесі буріння свердловини забезпечує оперативну зміну вихідних параметрів ГБ до необхідного рівня), і робочих характеристик гідробура, при його незмінних конструктивних елементах, проведені виміри параметрів механізму в діапазоні Q від 60 до 300 л/хв.

У якості експериментального об'єкта використовувався зразок ГБ із базовими параметрами, наведеними в табл. 2.

Весь вимір виконувався шляхом обробки осцилограм, де фіксувалися обертальний момент (M), тиск при ході поршня вниз Pcн і нагору Pcв, витрата рідини Q, і тривалість циклу (T) (рис. 2).

Таблиця 1

Формули розрахунку робочих параметрів ГБ

Параметр | Формула | Параметр | Формула | Передатне

відношення

гвинтового

перетворювача | i = 2 (S1 + S2) / St | Ефективна потужність ГБ | Nэ = 2Мп | Середньозважена

частота обертання

шпинделя | n = i T–1 | Потужність на привод ГБ | N = QP(t) | Момент на

шпинделі | M = K иrб | ККД гідробура | з = Nэ / N |

Таблиця 2

Базові параметри гідробура

S1 = 0,300м | Sл=0,010м | ц =6про | f =38.5* 10-4 м2 | K ? 0,3

S2 = 0,015м | St=0,400м | = 51про | fТ =12 * 10-4 м2 | µ = 0,83

Sk = 0,100м | Z=30 кН/м | =35 мм | fл =78,5*10-4 м2 | P2 = 104 Па

R = 6 105 Па

при Q =300 л/хв

S0 = 0,005м | Zл =3 кН | =10 кг | f0 =20* 10-4 м2

Перераховані параметри вимірялися прямим методом. Інші параметри (число обертів вала n, ефективна Nэ й приводна Nп потужності, і ККД машини визначалися за розрахунковими формулами, що наведені у табл. 1. Дані регресійного аналізу (табл. 3) указують на високу точність пропонованої розрахункової моделі та її адекватність умовам фактичних вимірів параметрів гідробура від витрати рідини Q.

При встановленні приводної потужності у якості вихідного тиску рідини використовувалася середньозважена величина тиску, рівна

Pc = (Pcн tk + Pcв tв) / T (8)

Нові умови формування тиску в робочій камері поршневого гідродвигуна (при відсутності або наявності обертального моменту на шпинделі ГБ), стали передумовою постановки завдання встановлення взаємозв'язку сили притиснення клапана до сідла Pfk до моменту відкриття впускного клапана і таких конструктивних елементів гідродвигуна як Z і S2, що визначають умови стабільного запуску й одержання стійких параметрів ГБ.

Таблиця 3

Дані кореляційного зв'язку розрахункових (з індексом p) і обмірюваних (з індексом f) параметрів гідробура

Залежність | Рівняння регресії | R

n | np 2,754+1,018f | 0,984

Pв | Pвр 0,0854 ,812 Рвf | 0,923

Pн | Pнр –0,0112 ,930 Рнf | 0,978

Nэ= | Nэр –0,208 ,0537 Nef | 0,996

Nп= | Nnр = –0,0782 + 0,9103 Nnf | 0,998

Обмежена енергооснащеність штатного силового устаткування плавзасобу, що виділяється для роботи бурового насоса в номінальному режимі, обумовлює вирішення питань, що стосуються оцінки умов формування характеристик ГБ у припустимій області привода насоса.

У результаті аналізу динаміки взаємозалежних елементів гідродвигуна, запропоновані обмеження, які використані в алгоритмі визначення розрахункових характеристик ГБ, які дозволили розглянути закономірності формування параметрів ГБ у вузькому діапазоні таких параметрів як витрата рідини Q, тиск у системі P і потужність на привод Nn.

Робочий діапазон одержання ефективних характеристик ГБ обмежується відповідністю сполучення конструктивних і режимних параметрів машини умові досягнення синхронної роботи розподільного вузла за вище наведеним описом фаз робочого циклу.

При досить великій жорсткості Z й величині попереднього стискування клапанної пружини S0 кінетична енергія поршня може виявитися недостатньою для стиску пружини на величину S2. У такій ситуації одержання ефективних характеристик обмежується нерівністю

S2 < (V1f k c сµ / Z) – S0 (9)

При запуску двигуна необхідне виконання умови, при якому сила робочого тиску на клапан Pc fk виключає передчасну перестановку клапанів на ході S2 силою пружини Z (S0 + S2). Тому робочою умовою, при якій клапан не відкриється до зіткнення обмежників руху, варто вважати

Pc > Z (S0 + S2) / fk. або S2 < (Pc fk – Z S0) / Z. (10)

Максимальний перепад тиску на гідродвигуні обмежений деяким значенням Pmax, обумовленим номінальними робочими параметрами приводного насосу [P]. Тому максимальною межею одержання ефективних параметрів ГБ є умова

Pmax < [P]. (11)

Одночасно введені обмеження на максимальну потужність на привод гідродвигуна , яка не повинна перевищувати потужність на привод насоса [N]

Nn = Pmax Q < [N] . (12)

Запропоновані обмеження відповідають умовам експлуатації гідравлічних машин і дають можливість розглянути залежності в робочих діапазонах привода.

Для перевірки значимості елементів гідродвигуна S2, Fk, Z на запуск машини проведена серія експериментів при фіксованих величинах осьового навантаження. Установлювалася подача насоса, при якій спостерігався стабільний запуск гідродвигуна, при цьому в серіях досліджень хід клапана (Sk = 8 мм) залишався незмінним. Хід стиску клапанної пружини дискретно змінювався в кожній серії експериментів із кроком 3-5 мм. Технічна складність зміни площі прилягання клапана обумовлювала проведення експериментів з однією клапанною коробкою. При цьому початковий експеримент виконувався із клапанною коробкою, що має площу прилягання 30 см2. Надалі, після реєстрації комплексу параметрів ГБ у широкому діапазоні зміни витрати рідини й обертального моменту на валу, площа прилягання клапана зменшувалася фрезеруванням її торцевої поверхні.

На рис. 3 і 4 нанесені вимірянні значення подачі насоса, при яких виконується умова стабільного запуску гідродвигуна (на графіках показано відповідними помітками й лінією тренда) при зміні обертального моменту для різних значень ходу стиску пружини (S2) (рис. 3) і жорсткості клапанної пружини (Z) (рис. 4).

На підставі наведених залежностей, які є характерними для різних сполучень площі прилягання клапана (fk) й величин S2 і Z, визначені наступні закономірності: мінімальна витрата рідини (Q), яка необхідна для запуску гідробура (межа запуску ГБ), визначається умовою, при якій зусилля, що розвивається пружиною на ході її стискування (S2), не перевищує силу тиску на клапан у циліндрі гідродвигуна до моменту перестановки клапанів; межа запуску зміщується убік більшої витрати рідини зі збільшенням Z і величини S2; при збільшенні площі прилягання клапана й збільшенні твердості пружини Z, при будь-якому значенні S2, межа запуску зміщається у бік меншої витрати рідини.

Рис.3. Межі запуску ГБ при зміні M для різних значень S2, |

Рис.4. Межі запуску ГБ при зміні M для різних Z

Установлено, що при збільшенні M значення Q зменшується за квадратичним законом (від найбільшого значення при и = 0), при цьому існує граничне значення обертального моменту ( ), при подальшому збільшенні якого, величина Q залишається постійною при будь-яких фіксованих значеннях і S2 (рис. 3). Причому, при підвищенні значень Z і S2, кількісно Mn збільшується, а величина Q, що відповідає , прямо пропорційна Z, але не залежить від S2 (рис.4). Отриманий висновок визначає значимість Z і S2 і обґрунтовує їхнє сполучення для конкретних умов експлуатації гідробура.

Точність запропонованої розрахункової моделі досліджуваних залежностей оцінювалася тіснотою кореляційного зв'язку розрахункових і фактично вимірюваних величин. Аналіз кореляційної залежності виконаний на підставі регресійної статистики з використанням пакета “Аналіз даних” MS. При цьому тіснота статистичних залежностей оцінювалася за допомогою множинного коефіцієнта кореляції (R ), що був у діапазоні 0, 94-0,99.

Оцінювання одержаних характеристик гідробура в області технічної можливості привода насоса здійснювалася для граничних значень тиску, що розвивається насосом, і потужності електродвигуна насоса, які вибиралися за технічною характеристикою НБ4, що входив до складу експериментального стенду, і становили: NH = 22 кВт; Р6,3 МПа, при Q=250 л/хв; і P = 4 МПа, при 250 <Q <320 л/хв.

Відповідно до отриманих даних (табл.4), ефективна робота гідробура обмежується граничним значенням тиску, що розвивається насосом при заданій величині подачі рідини Q. При цьому для фіксованих значень витрати рідини, область одержання ефективних характеристик ГБ, зміщується у бік меншого значення обертального моменту при збільшенні твердості клапанної пружини (табл. 5).

Основні закономірності, а також отримані висновки визначили вибір сполучення основних конструктивних елементів гідродвигуна при розробці гідробура для однорейсової проходки свердловин у складі заглибної гідрообертальної установки ПГВУ-150 (рис. 5).

Таблиця 4

Виміри області припустимих значень моменту за граничним значенням тиску для фіксованої витрати рідини ( й - відповідно, експериментальні й розрахункові значення граничного обертального моменту)

Вихідні параметри: S1 = 0,3 м;

S2 = 15 мм; Sk = 8 мм; fкл = 20.5 см2. | Вихідні параметри: S1 = 0,3 м;

S2 =15 мм; Sk = 8 мм; fкл = 20.5 см2.

Середні обмірювані параметри:

Q = 224 л/хв; Т = 0.812с; п = 118 об/хв | Середні обмірювані параметри:

Q = 278 л/хв; Т = 0.664 с; п = 142 об/хв

Таблиця5

Оцінка границі одержання ефективних характеристик ГБ

Z =10 кН/м

Q =225 л/хв | Z =45 кН/м;

Q =225 л/хв; | Z =10 кН/м

Q =280 л/хв | Z =45 кН/м;

Q =282 л/хв | M,

Нм | Pc,

МПа | M,

Нм | Pc,

МПа | M,

Нм | Pc,

МПа | M,

Нм | Pc,

МПа

Вим. | Розр | Вим | Вим. | Розр | Вим | Вим. | Розр | Вим. | Вим. | Розр | Вим | 336 | 2,17 | 2,4 | 373 | 3,39 | 4,0 | 260 | 2,02 | 2,2 | 298 | 2,24 | 2,4 | 602 | 3,51 | 3,8 | 641 | 3,75 | 4,1 | 488 | 3,18 | 3,4 | 374 | 2,63 | 3,0 | 946 | 5,2 | 5,8 | 755 | 4,33 | 4,9 | 602 | 3,75 | 4,0 | 490 | 3,22 | 3,8 | 1060 | 5,76 | 908 | 5,1 | 5,8 | 641 | 3.94 | 640 | 3.98 |

Установка виконана у вигляді трикутної опорної рами 10 із центральним отвором, у якому розміщений напрямний патрубок для пропуску гідрообертального бурового снаряда. До опори жорстко закріплені напрямні швелера 4, у верхній частині з'єднані траверсою 3, по внутрішній поверхні яких на роликах 8 пересувається каретка 9 із закріпленим у ній ГБ і колонковим набором, що складається з зовнішньої труби 12, коронки 13 і керноприймальної труби 11. Установка з'єднана із плавзасобом піднімальним канатом 2 і нагнітальним шлангом 1. Піднімальною стрілою за канат 1 установка виводиться за борт судна й опускається на дно моря, де фіксується у вертикальному положенні опорою. Робочий агент (морська вода) подається по нагнітальному шлангу 1 до гідродвигуна буровим насосом, що змонтований на плавзасобі. Обертання від ГБ передається на колонковий набір і відбувається відбір проби. При цьому реактивний обертальний момент через каретку 9 передається напрямним 4. Після заглиблення снаряда в породу на задану величину подача робочого агента припиняється. За допомогою каната установка піднімається й підвішується до фальшборту судна. Установка переміщується на палубу, здійснюється витягання керна й підготовка установки до нової точки буріння.

Установка пройшла повний комплекс попередніх виробничих випробувань в умовах морів Далекого Сходу й Крайньої Півночі. При цьому собівартість буріння 1 п.м. свердловин знижена більше, ніж в 4 рази. Витрати від застосування ПГВУ-150 при вишукуваннях на трасах трубопроводів Північно-Казантипського й Східно-Булганакського родовищ газу в Азовському морі склали 22127 грн. По оцінці ДАТ “Чорноморнафтогаз” при використанні спеціалізованих плавзасобів вартість робіт могла бути оцінена в 720187 грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій на основі встановлених закономірностей формування характеристик поршневого гідродвигуна обгрунтувано параметри гідрообертального бурового снаряда які забезпечують значне розширення області застосування легких технічних засобів, що є істотним для підвищення ефективності однорейсового буріння свердловин на морських акваторіях.

Основні наукові й практичні результати полягають у наступному:

1. Уперше запропонована структура нового поршневого гідродвигуна із клапанним розподілом рідини й гвинтовим перетворювачем зворотно-поступального руху поршня в обертовий рух бурового снаряда.

2. Аналітично обґрунтовані й експериментально підтверджені граничні області експлуатації й запуску гідробура при твердих обмеженнях на параметри привода насоса в умовах морського бурового виробництва:

- при та незмінній величині ходу клапана запуск ГБ забезпечується при дотриманні умови, при якій сила на впускний клапан до моменту його відкриття дорівнює або перевищує зусилля, що формується пружиною на ході її стискання. При цьому значення тиску запуску, що забезпечує необхідну силу притиснення клапана, пропорційно осьовому навантаженню й витраті рідини

- при підвищенні S2 та Z величина Q, при якій забезпечується запуск гідробура із клапанним розподілом рідини (межа запуску) зміщується у бік меншого значення витрати рідини при збільшенні площі прилягання клапанів незалежно від ходу стискання пружини

- для фіксованих Z і S2, значення Q, що забезпечує запуск гідробура, змінюється за квадратичним законом: від максимальної величини, що відповідає режиму холостого ходу, до певного граничного значення осьового навантаження, при перевищенні якого, межа запуску гідробура залишається постійною;

- при збільшенні твердості (Z) і величини ходу стиску клапанної пружини (S2 ), гранична величина осьового навантаження підвищується, при цьому межа запуску гідробура зростає прямопропорційно твердості, але не залежить від ходу стискання клапанної пружини

- при Q = для заданої номінальної потужності привода підвищення жорсткості пружини призводить до зсуву межі одержання робочої характеристики ГБ у бік меншого обертального моменту, а запуск машини забезпечується при більш високих рівнях M.

3. Розроблена методика визначення параметрів гідробура, яка перевірена в умовах експерименту при наявності тісного статистичного зв'язку розрахункових і вимірюваних параметрів ( =0, 94-0,99), є основою вибору раціонального сполучення конструктивних елементів і робочих параметрів гідробура, що забезпечують стійку роботу й стабільні характеристики, з можливістю оперативної зміни останніх у процесі буріння свердловини за рахунок варіювання витрати рідини:

хід клапана – 8 – 9 мм; хід стиску клапанної пружини – 15-17 мм; площа прилягання клапана – 20,5 см 2; твердість клапанної пружини – 30- 35 кН/м; хід поршня гідродвигуна – 300 мм; робоча площа поршня – 38-40 см2; параметри привода: привод від стандартних бурових насосів геологорозвідувального сортаменту; витрата робочої рідини – 220-300 л/хв; робочий тиск - 4 - 5 МПа.

4. Виробничими випробуваннями заглибної гідрообертальної установки, якій присвоєно індекс ПГВУ-150, доведена можливість ефективного застосування гідробура при проходці свердловин у породах I-VII категорії за бурінням на основі раціонального сполучення взаємозалежних конструктивних елементів ГБ, параметрів привода й характеру середовища, яке руйнується, що розширює області застосування легких технічних засобів при однорейсовому бурінні підводних свердловин з мало- і середньотонажних неспеціалізованих плавзасобів і бурових суден. Рішенням Координаційного центра Інтерморгео гідрообертальна установка ПГВУ-150 внесена в перелік штатних морських пробовідбірників для морських інженерно-геологічних вишукувань.

5. Для розглянутої галузі морського бурового виробництва, застосування заглибних гідрообертальних установок дозволяє більш, ніж у чотири рази знизити вартість одного погонного метра свердловини в порівнянні із традиційним використанням стаціонарних бурових верстатів, що розташовуються на спеціалізованих бурових суднах.

Список опублікованих наукових праць, у яких розкриті основні положення дисертації:

1. Неудачин Г.И., Коломоец А.В., Зыбинский П.В. Предварительные результаты применения погружных установок для бурения морских скважин в крепких породах. //ЭИ ВИЭМС. Техн. и технолог. Геол.развед. работ; организация производства, 1980. Вып. 13. - С. 1-8.

2. Зыбинский П.В., Батуринцев Г.А. Некоторые результаты исследований рабочих характеристик забойного механизма с поршневым гидроприводом для бурения скважин. // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. – Свердловск, 1981, № 4. – С. 30-35.

3. Зыбинский П.В., Калиниченко О.И. Новый поршневой гидробур для однорейсовой проходки подводных скважин. // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. - Донецьк (ДонДТУ), 2002. – № 54 . – С. 80-85.

4. Калиниченко О.И., Зыбинский П.В. Перспективы создания пробоотборников с гидровращательным приводом для бурения мелких подводных скважин. // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. - Донецьк (ДонДТУ), 2002. -№ 45.- С. 155-159.

5. Зыбинский П.В. Калиниченко О.И. Результаты предварительных производственных испытаний погружной гидровращательной установки для бурения скважин на шельфе. // Известия Донецкого горного института. Донецк (ДонДТУ), 2002. – № 2 . – С. 87-89.

6. Зыбинский П.В. Калиниченко О.И. Методика инженерного расчета параметров пробоотборников с гидровращательным приводом. // Збірник наукових праць ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. – Донецьк (ДонДТУ), 2003- № 63. – С. 67-73.

7. Зыбинский П.В. Калиниченко О.И. К вопросу определения условий запуска и области получения эффективных характеристик вращательного гидробура при ограничениях на параметры привода. // Науковий вісник НГУ. Дніпропетровськ, 2004. – Вип. 5. – С. 71-75.

8. Зыбинский П.В., Глушич В.Г. Опыт применения погружной гидровращательной установки УГВП-150 при отборе проб на шельфе Азовского моря. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления. Сборник научных трудов. – Выпуск 7. –Киев 2004. – С. 22-24.

9. Гидробур: А.с. №788870, СССР, МКИ Е21в 49/02/ Неудачин Г.И., Зыбинский П.В.- №2801496/22-03; Заявл.25.07.79. Регистрация в ГРИ СССР 14.08.80 г.

10. Поршневой гидравлический двигатель. А.с. №802656,СССР, МКИ F15 в 9/02. /Пилипец В.И., Зыбинский П.В., Фоменко В.С– 2183047/25-06; Заявл.20.10.75; Опубл.07.02.81. Бюл. №5.

11. Реверсивный гидробур: А.с. №855171, СССР, МКИ Е21в 49/02. /Неудачин Г.И., Зыбинский П.В., Пилипец В.И. - №2906317/22-03; Заявл.7.05.76; Опубл. 15.08.81, Бюл. №30.

12. Реверсивный гидроцилиндр: А.с. №931990 СССР, МКИ F15 в 9/02. /Неудачин Г.И., Пилипец В.И., Зыбинский П.В. – 2949439/25-06; Заявл.2.07.82; Опубл.30.05.82. Бюл. №20.

13. Гидробур: А.с. №926210 СССР, МКИ Е21в 49/02 / Зыбинский П.В., Фоменко В.С. - №2906317/22-03; Заявл.7.04.80; Опубл. 7.05.82. Бюл.№17.

14. Результаты разработки и внедрения погружной гидровращательной установки для отбора донных проб в крепких породах. /Неудачин Г.И., Зыбинский П.В., Коломоец А.В. и др. //Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового Океана: Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. – Владивосток, 1983. – С.81.

15. Неудачин Г.И., Зыбинский П.В., Фоменко В.С., Пилипец В.И. Опыт разработки забойного механизма для реверсивного вращательного бурения. //Технология и техника бурения скважин при эксплутационной разведке на карьерах и шахтах КМА: : Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. – Белгород, 1976. – С. 70-71.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1,3,4,5,7] – обґрунтування й практична реалізація нових схем гідрообертальних бурових снарядів і установок, що розширюють область застосування легких технічних засобів буріння дрібних підводних свердловин. Проведення й обробка даних лабораторних і промислових випробувань гідробурів; [2] - аналіз, теоретичне й експериментальне обґрунтування робочих характеристик гідробура; [6] – нове вирішення в розробці математичної моделі й методу розрахунку робочих і конструктивних параметрів гідробура; [8] – теоретичне обґрунтування й наукова інтерпретація експериментальних даних для умов запуску й одержання стабільних характеристик гідробура при обмеженнях на параметри привода; [ 9-13] – запропоновані основні ознаки винаходів, які є істотними, і мають безпосереднє відношення до наукових результатів дисертації.

АНОТАЦІЯ

Зибінський П.В. Обґрунтування параметрів заглибного гідрообертального бурового снаряда для однорейсового буріння свердловин на морських акваторіях. – рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.10 – буріння свердловин. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

У дисертаційній роботі отримані нові експериментальні результати, що дозволили науково обґрунтувати параметри гідрообертального бурового снаряда для однорейсового буріння свердловин на морських акваторіях. Це дозволило створити нові гідробури з клапанним розподілом рідини і гвинтовим перетворювачем зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух бурового снаряда, які ефективно використовуються в складі легких технічних засобів при їхній експлуатації з економічних неспеціалізованих плавзасобів.

Встановлено умови запуску гідробура, а також закономірності формування характеристик гідробура при обмеженій потужності на привод насосу, що підтверджені експериментом.

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень запропоноване раціональне сполучення конструктивних параметрів гідробура, які використані при розробці гідрообертального бурового снаряда, що успішно апробований в умовах морського бурового виробництва.

Ключові слова: однорейсове буріння, гідробур, границя запуску, потужність на привод насоса, область одержання ефективних характеристик

АННОТАЦИЯ

Зыбинский П.В. Обоснование параметров погружного гидровращательного бурового снаряда для однорейсового бурения скважин на морских акваториях. – рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.10 - бурение скважин. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

В диссертационной работе получены новые экспериментальные результаты, которые позволили научно обосновать параметры гидровращательного бурового снаряда для однорейсового бурения скважин на морских акваториях. Это позволило создать новые гидробуры с клапанным распределением жидкости и винтовым преобразователем возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение бурового снаряда, эффективно использующиеся в составе легких технических средств при их эксплуатации с экономичных неспециализированных плавсредств.

Исследованы и экспериментально подтверждены условия запуска гидробура, а также закономерности формирования характеристик гидробура при жестких лимитах мощности, выделяемой на привод насоса.

Установлена граница запуска гидробура (по расходу жидкости), обеспечивающаяся при соблюдении условия, при котором сила на впускной клапан к моменту его открытия равна или превышает усилие, формирующееся пружиной на ходе ее сжатия. Одновременно установлено, что при повышении жесткости клапанной пружины граница запуска смещается в сторону меньшего значения расхода жидкости при увеличении площади прилегания клапанов независимо