Раскрывая секреты бурения твердых пород: революционная технология DTH.
В зависимости от геологических условий района строительства буровыми установками обычно используются четыре основных метода бурения, как показано на рисунке 1.
а. Пневматические или гидравлические вращающиеся головки в сочетании с ударным оборудованием передают вращательную и ударную энергию через верхнюю частьбурильная труба, подача энергии на буровую коронку посредством ударных волн в бурильной трубе. Этот метод ограничен малыми диаметрами и небольшой глубиной и обычно используется в карьерах, на строительных площадках и при подземных горных работах.
б.Пневмоударники (DTH) расположены в нижней части бурильной колонны. Сжатый воздух поступает в DTH через бурильную колонну, приводя в действие поршень, совершающий возвратно-поступательное движение, который напрямую воздействует на буровое долото, передавая энергию удара породе. Эта система имеет минимальные потери мощности и особенно подходит для глубоких скважин, прямых скважин и пород средней твердости.
в.Бурение с обратной циркуляцией (RC)использует DTH для сбора и транспортировки образцов горных пород с торца буровой коронки. Сухой и незагрязненный шлам транспортируется через центральную трубу DTH в устройство для сбора образцов, готовя его к геологическому анализу.
d. Редуктор, приводимый в действие гидравлическими или электрическими двигателями, образует вращающуюся силовую головку, прикладывая достаточное усилие подачи к трехшарошечному буровому долоту через систему подачи, которая перемещается вверх и вниз по буровой установке и толстостенной бурильной трубе. Этот метод используется для более мягких пород или прочно-сочлененных твердых пород.
- Принципы и характеристики DTH
Формирования, пробуренные с помощью DTH, почти полностью способны включать все магматические породы, метаморфические породы и осадочные породы средней твердости или более твердые. DTH особенно выгоден для бурения твердых пород и прочных слоев, поскольку твердые породы имеют тенденцию быть хрупкими. При ударных нагрузках трещины возникают не только в месте прямого удара, но и создают зону разрушения, что приводит к образованию более крупных фрагментов породы. Таким образом, скорость бурения значительно выше по сравнению с чистым вращательным бурением. Механическая модель на рисунке 2 иллюстрирует различные нагрузки, действующие на породу во время ударно-вращательного бурения.
Кроме того, бурение с погружным пневмоударником (DTH) очень эффективно в пластах, склонных к отклонению ствола скважины, таких как пласты с хорошо развитой слоистостью и сланцеватостью или слои горных пород с неравномерной твердостью и большим количеством трещин. Оно может значительно снизить отклонение ствола скважины, а также преодолеть трудности при бурении через гравийные слои и валунные пласты.
Бурение DTH было разработано в конце 19 века и имеет более чем столетнюю историю. Хотя существует много типов буров DTH, у них есть общая черта: и ударный механизм, и буровая коронка погружаются в скважину, а вращение сочетается с ударом для разрушения породы. Оборудование, используемое для создания ударной силы, можно разделить по способу привода на пневматическое, гидравлическое, масляное, электрическое и механическое.
Поскольку энергия удара испытывает значительные потери при передаче и может нанести существенный ущерб ударяемым компонентам, при более глубоких буровых работах обычно требуется, чтобы оборудование входило в скважину с буровым инструментом, чтобы выходная ударная сила могла воздействовать непосредственно на буровое долото или колонковый ствол. Это минимизирует потери энергии при передаче, повышает энергоэффективность и снижает вероятность отказов скважинного оборудования.
Пневматические погружные буровые установки (ПБУ), также известные как пневмоприводные погружные буровые установки (ПБУ), выпускаются во многих структурных типах и имеют множество методов классификации.
- По номинальному давлению: высокого, среднего и низкого давления.
- По общей структуре: несквозные и сквозные.
- По принципу действия клапана: регулирующий, свободный и гибридный.
- По конструкции поршня: поршневые с равным диаметром, поршневые с неравным диаметром и тандемные поршневые типы.
- По типу распределения воздуха: клапанные DTH и бесклапанные DTH. Клапанные DTH можно разделить на пластинчатые клапаны, дисковые клапаны и цилиндрические клапаны, в то время как бесклапанные DTH можно разделить на центрально-штоковые выхлопные, поршневые воздухораспределительные и комбинированные воздухораспределительные поршневые, цилиндрические и центрально-штоковые.
- По способу промывки отверстий и сброса шлака: промывка центрального отверстия, промывка переднего отверстия и промывка бокового отверстия.
2. Определение структурных схем ударного механизма
2.1 Поршневой самогазоснабжающий безклапанный ударный механизм
Этот тип ударного механизма в первую очередь использует газовые каналы в самом поршне для подачи газа, что приводит к сложной структуре поршня с многочисленными газовыми каналами, что снижает прочность поршня и срок его службы. Однако этот ударный механизм объединяет внутренний и внешний цилиндры, увеличивая эффективную рабочую площадь поршня и усиливая ударную энергию механизма.
2.2 Поршневой и цилиндровый комбинированный газоснабжение безклапанный ударный механизм
Этот тип отличается простой конструкцией, которую легко изготовить, имеет более длительный срок службы поршня, а газовые отверстия расположены как на цилиндре, так и на поршне. Такая конструкция широко используется за рубежом.
2.3 Центральная труба подачи газа, ударный механизм без клапана
В этом механизме воздухозаборные каналы для верхней и нижней камер расположены на круглой трубе, где скользит поршень. Он требует высокой точности изготовления и имеет относительно короткий срок службы для центральной трубы.
2.4 Механизм удара бокового выхлопа
Так называемый боковой выхлоп означает, что путь выхлопных газов выходит из корпуса цилиндра, а не проходит через центр сверла к дну отверстия. Этот тип ударного механизма обычно имеет много впускных и выпускных путей на корпусе цилиндра, что приводит к плохой прочности конструкции, потенциальному образованию продольных усталостных трещин и значительной потере давления воздуха, что приводит к неоптимальному удалению мусора и охлаждению сверла.
2.5 Центральный ударный механизм выхлопа
Этот тип ударного механизма выталкивает мусор и газ непосредственно из центра сверла на дно скважины. Прямой поток воздуха не только повышает эффективность удаления мусора, но и улучшает эффективность бурения и охлаждения, продлевая срок службы сверла. Этот структурный тип заменяет многочисленные продольные канавки во внутреннем цилиндре ударных механизмов с боковым выхлопом на кольцевую канавку, что значительно снижает концентрацию напряжений во внутреннем цилиндре. Это стало широко распространенной конструкцией в последние годы.
Поршневой ударный механизм серии 2.6
Последовательный поршневой ударный механизм, также известный как двухпоршневой (головной) ударник, делит цилиндр на две камеры с помощью изолирующего кольца. Такая конструкция позволяет обеим поверхностям поршня работать одновременно в пределах одного диаметра отверстия, что приводит к большей ударной силе и более высокой частоте ударов. Соответственно, имеется двойная выхлопная система, которая эффективно удаляет каменный порошок со дна отверстия. Однако ее главным недостатком является ее сложная конструкция и необходимость высокой точности обработки деталей; например, поршень имеет до пяти сопрягаемых поверхностей с соответствующими компонентами, что ограничивает ее применение и продвижение. Поэтому в этой конструкции принят второй вариант, который представляет собой ударный механизм без клапана с комбинированной подачей газа поршнем и цилиндром. Ее структура показана на рисунке 3.
3. Теоретический анализ и соответствующие расчеты для DTH
3.1 Выбор рабочих параметров**
3.1.1 Длина и вес молота: В предварительном проекте указана длина менее 4500 мм и вес менее 2500 кг.
3.1.2 Диаметр молотка: Соответствующий диаметр молотка определяется на основе диаметра сверления, установленного на уровне 540 мм.
3.1.3 Диаметр бурения: Это относится к диаметру отверстия для сваи, обычно от 550 мм до 600 мм.
3.1.4 Глубина бурения: Согласно требованиям к конструкции свай, она обычно составляет от нескольких десятков метров до ста метров.
3.1.5 Скорость бурения: Бурение с погружным пневмоударником обычно осуществляется на низких скоростях вращения, как правило, от 7 до 25 об/с.
3.1.6 Крутящий момент: Максимальный крутящий момент для данной конструкции установлен на уровне 150 кН·м.
3.2 Расчет параметров конструкции
Конструктивные параметры погружного пневмоударника, в частности эксплуатационные параметры ударного оборудования, служат основой для проектирования машины и определяют эксплуатационные характеристики производимого оборудования.
3.2.1 Расчетное давление P для ударного оборудования
В Китае давление 0,49 МПа (примерно 5 × 10^5 Па) широко выбрано в качестве стандарта проектирования пневматического ударного оборудования. Учитывая, что DTH для этой конструкции представляет собой ударное устройство без клапана с большим диаметром сверления и тяжелым поршнем, более высокое давление воздуха еще больше повысит производительность. Кроме того, все более распространенными становятся воздушные компрессоры высокого давления, и в соответствии с международным стандартом ISO 5941-1979 выбрано расчетное давление 1,6 МПа.
3.2.2 Сила удара
Для DTH, используемого для бурения отверстий большого диаметра, расчетная энергия удара может значительно колебаться. Расчетная энергия удара для этой конструкции рассчитывается следующим образом:
3.2.3 Частота ударов
Обычно при постоянной энергии удара частота удара пропорциональна выходной мощности ударника. Однако, когда диаметр цилиндра фиксирован, увеличение частоты удара требует уменьшения хода поршня, что в свою очередь уменьшает мощность одиночного удара. Как только мощность одиночного удара падает ниже определенного порога, увеличение частоты не даст удовлетворительных результатов разрушения породы. Таким образом, выбор частоты удара ограничивается мощностью удара.
Для пневматического DTH, работающего при расчетном давлении 0,5 МПа, частота не должна превышать 16,8 Гц. Поскольку DTH работает при расчетном давлении от 0,5 до 2,5 МПа, частота удара может существенно варьироваться. Первоначальный выбор частоты ударника можно рассчитать следующим образом:
ф = 10,4 + 7,6P
(2) где P — давление подачи в систему. Для данной конструкции P = 1,6 МПа, следовательно:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Гц.
3.3 Проектирование структурных параметров
Основные структурные параметры DTH включают диаметр отверстия цилиндра, ход поршня и размеры поршня. Увеличение диаметра цилиндра может увеличить как ударную силу, так и частоту, поэтому диаметр должен быть максимальным в пределах структурного размера. Обычно разница между внешним диаметром DTH и диаметром отверстия не должна быть меньше 15–20 мм, а внешний корпус DTH не должен быть слишком тонким. Поэтому отношение диаметра цилиндра DTH к диаметру бурения обычно превышает 0,5.
3.3.1 Рабочий диаметр цилиндра и ход поршня
Рабочий диаметр D цилиндра можно рассчитать следующим образом:
D = K × D(канал) = (0,57 - 0,68) × D(канал) (3)
Для этой конструкции D(отверстие) = 600 мм, поэтому D принимается равным 360 мм. Конструктивный ход S эмпирически принимается равным S = 500 мм.
3.3.2 Масса поршня
Радиальные размеры поршня ограничены размером и структурой цилиндра, что позволяет использовать поршни как одинакового, так и разного диаметра. Линейные размеры зависят от веса поршня, который также связан со скоростью, которую он имеет при ударе о буровую коронку. Поэтому определение структурных размеров поршня является сложным аспектом проектирования DTH. Массу поршня DTH можно оценить следующим образом:
м = 0,0205D^2,84 (4)
где m — масса поршня в кг; D — рабочий диаметр цилиндра в см.
Подставляя D = 36, получаем: m = 540 кг.
DTH в основном состоит из конструкции передачи крутящего момента и пневматического ударного механизма. Конструкция передачи крутящего момента соединяет буровую штангу и DTH, передавая вращательные режущие и тяговые усилия; пневматический ударный механизм генерирует удар, обеспечивая осевую мощность ударного бурового долота. Конкретные детали конструкции показаны на рисунке 3.
Конструкция передачи крутящего момента соединяет буровую штангу и ударник. Верхнее соединение соединяется с буровой штангой и ударником через трубную резьбу, в первую очередь, для обеспечения газонепроницаемости, а также для передачи крутящего момента и тягового усилия. Обратный клапан предотвращает попадание грязи и воды в ударный элемент и буровую штангу, управляемый пружиной. Седло воздухозаборника со штоком подачи газа выполняет функцию подачи сжатого воздуха в цилиндр, облегчая действие подачи газа вместе с цилиндром и поршнем, тем самым достигая комбинированной подачи газа. Предохранительное кольцо пружины предотвращает выскальзывание поршня из цилиндра при замене буровой коронки.
3.4 Анализ методом конечных элементов бурового долота DTH
Буровая коронка DTH подвергается ударным силам от поршня и крутящему моменту от приводной головки. Сила, действующая на поршень со стороны сжатого воздуха, определяется по формуле:
Ф = П × С (5)
где P — давление в системе в Па; S — площадь силы поршня в м².
Таким образом, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 Н.
Таким образом, ударная сила на сверло равна:
Ф' = кФ (6)
где k — коэффициент удара; F — сила, действующая на сверло со стороны сжатого воздуха в Н. Таким образом, F' = 20 × 134400 = 2688 кН.
Крутящий момент, приложенный к буровому долоту DTH приводной головкой, составляет N = 150 кН. Прикладывая F' = 2688 кН и N = 150 кН к буровому долоту при фиксации нижнего торца бурового долота и используя материал QT500-7 с пределом текучести 320 МПа, выполняется конечно-элементный анализ. Конкретные условия нагрузки и ограничения, а также разбиение сетки показаны на рисунках 4 и 5.
Результаты конечно-элементного анализа показаны на рисунке 6, из которых следует, что максимальное напряжение составляет 144,355 МПа, что меньше предела текучести QT500-7 (320 МПа), что соответствует требованиям.