Злом коду буріння твердих порід: технологія DTH, яка змінює гру.
Згідно з геологічними умовами території будівництва існує чотири основні методи буріння, які зазвичай використовуються буровими установками, як показано на малюнку 1.
a. Поворотні головки з пневматичним або гідравлічним приводом у поєднанні з ударним обладнанням передають обертальну та ударну енергію через верхню частинубурильна труба, доставляючи енергію до бурового долота через ударні хвилі в бурильній трубі. Цей метод обмежується невеликими діаметрами та невеликими глибинами та зазвичай використовується в кар’єрах, на будівельних майданчиках і підземних роботах.
b.Свердловинні молотки (DTH). розташовані в нижній частині бурильної колони. Стиснене повітря надходить у DTH через бурильну колону, приводячи поршень у зворотно-поступальний рух, який безпосередньо впливає на бурове долото, передаючи енергію удару породі. Ця система має мінімальні втрати потужності і особливо підходить для глибоких свердловин, прямих свердловин і середніх твердих порід.
в.Буріння з зворотною циркуляцією (RC).використовує DTH для збору та транспортування зразків породи з поверхні бурового долота. Сухий і незабруднений шлам транспортується через центральну трубу DTH в пристрій для збору проб, який готується до геологічного аналізу.
d. Коробка передач, що приводиться в рух гідравлічними або електричними двигунами, утворює обертову силову головку, прикладаючи достатню силу подачі до тришарошкового бурового долота через систему подачі, яка рухається вгору та вниз по буровій установці та товстостінній бурильній трубі. Цей метод використовується для більш м’яких порід або сильно з’єднаних твердих порід.
- Принципи та характеристики DTH
Формації, пробурені за допомогою DTH, майже повністю здатні включати всі магматичні породи, метаморфічні породи та осадові породи середньої твердості або твердіші. DTH є особливо вигідним для буріння твердих порід і твердих шарів, оскільки тверді породи, як правило, крихкі. Під дією ударних навантажень руйнування відбуваються не тільки в місці прямого удару, але й створюють зону розриву, що призводить до більших уламків породи. Таким чином, швидкість свердління значно вища порівняно з чистим обертальним свердлінням. Механічна модель на малюнку 2 ілюструє різні навантаження, що діють на породу під час ударно-обертового буріння.
Крім того, буріння DTH (Down-the-Hole) є високоефективним у пластах, схильних до відхилення стовбура свердловини, таких як пласти з добре розвиненим шаруванням і шаруванням, або шари гірських порід з нерівномірною твердістю та великою кількістю тріщин. Це може значно зменшити відхилення стовбура свердловини, а також подолати труднощі при бурінні шарів гравію та валунів.
Буріння DTH було розроблено наприкінці 19 століття та має понад столітню історію. Хоча існує багато типів бурів DTH, вони мають спільну рису: і ударний механізм, і бурове долото занурені в свердловину, при цьому обертання поєднується з ударом, щоб розбити породу. Устаткування, що використовується для створення сили удару, можна класифікувати за способом приводу на пневматичне, гідравлічне, масляне, електричне та механічне.
Оскільки енергія удару зазнає значних втрат під час передачі та може завдати суттєвої шкоди компонентам, що зазнали удару, зазвичай потрібно, щоб обладнання входило в свердловину разом із буровим інструментом у свердловину, щоб вихідна сила удару могла діяти безпосередньо на бурове долото або колонковий ствол. Це мінімізує втрати енергії під час передачі, покращує енергоефективність і знижує ймовірність виходу з ладу свердловинного обладнання.
Пневматичний DTH, також відомий як пневматичний DTH, має багато структурних типів і методів класифікації.
- За ступенем тиску: високого, середнього і низького тиску.
- За загальною структурою: непрохідний і наскрізний типи.
- За принципом роботи клапана: регулюючий тип, вільний клапан і гібридний тип.
- За структурою поршня: поршень рівного діаметру, поршень різного діаметру, поршень тандем.
- За типом повітророзподілу: клапанні ДТХ і безклапанні ДТХ. Клапанний DTH можна підрозділити на пластинчастий клапан, дисковий клапан і циліндричний тип клапана, тоді як безклапанний DTH можна розділити на центральний шток вихлопного типу, поршневий тип розподілу повітря та комбінований розподіл повітря поршнем, циліндром і центральним штоком.
- Методом промивання отвору та вивантаження шлаку: промивання центрального отвору, промивання переднього отвору та промивання бокового отвору.
2. Визначення структурних схем механізму впливу
2.1 Безклапанний ударний механізм поршневої самоподачі газу
У цьому типі ударного механізму для подачі газу в основному використовуються газові канали в самому поршні, що призводить до складної конструкції поршня з численними газовими каналами, що зменшує міцність і термін служби поршня. Однак цей ударний механізм об’єднує внутрішній і зовнішній циліндри, збільшуючи ефективну робочу площу поршня та підвищуючи енергію удару механізму.
2.2 Поршень і циліндр Комбінований безклапанний ударний механізм подачі газу
Цей тип має просту конструкцію, легку у виготовленні, має довший термін служби поршня, а газові отвори розташовані як на циліндрі, так і на поршні. Ця структура широко використовується за кордоном.
2.3 Безклапанний ударний механізм центральної труби подачі газу
У цьому механізмі повітрозабірні канали для верхньої та нижньої камер розташовані на круглій трубі, де ковзає поршень. Він вимагає високої точності виготовлення та має відносно короткий термін служби для центральної труби.
2.4 Механізм бічного вихлопу
Так званий бічний випуск означає, що шлях вихлопних газів виходить із корпусу циліндра, а не проходить через центр свердла до дна отвору. Цей тип ударного механізму зазвичай має багато впускних і випускних шляхів на корпусі циліндра, що призводить до низької структурної міцності, потенційної появи поздовжніх втомних тріщин і значної втрати тиску повітря, що призводить до неоптимального видалення сміття та ефекту охолодження бурового долота.
2.5 Центральний вихлопний ударний механізм
Цей тип ударного механізму викидає сміття та газ безпосередньо з центру свердла на дно отвору. Прямий потік повітря не тільки підвищує ефективність видалення сміття, але й покращує ефективність буріння та охолодження, подовжуючи термін служби свердла. Цей структурний тип замінює численні поздовжні канавки у внутрішньому циліндрі механізмів бокового випуску на кільцеву канавку, що значно знижує концентрацію напруги у внутрішньому циліндрі. В останні роки це стало широко поширеною структурою.
Поршневий ударний механізм серії 2.6
Послідовний поршневий ударний механізм, також відомий як двопоршневий (головний) ударний елемент, розділяє циліндр на дві камери за допомогою ізоляційного кільця. Ця конструкція дозволяє обом поверхням поршня працювати одночасно в межах одного діаметра отвору, що призводить до більшої потужності удару та більшої частоти ударів. Відповідно, є подвійна витяжна система, яка ефективно видаляє кам’яний порошок із дна свердловини. Однак його основним недоліком є складна структура і необхідність високої точності обробки деталей; наприклад, поршень має до п'яти сполучених поверхонь з пов'язаними компонентами, що обмежує його застосування і просування. Тому в цій конструкції використовується другий варіант, який є безклапанним ударним механізмом із комбінованою подачею газу поршня та циліндра. Його структура показана на малюнку 3.
3. Теоретичний аналіз і відповідні розрахунки для DTH
3.1 Вибір робочих параметрів**
3.1.1 Довжина та вага молотка: Попередній проект визначає довжину менше 4500 мм і вагу менше 2500 кг.
3.1.2 Діаметр молотка: відповідний діаметр молотка визначається на основі діаметра свердління, встановленого на 540 мм.
3.1.3 Діаметр свердління: це стосується діаметра отвору для палі, зазвичай від 550 мм до 600 мм.
3.1.4 Глибина буріння: згідно з вимогами до конструкції палі, це зазвичай становить від кількох десятків метрів до ста метрів.
3.1.5 Швидкість свердління: буріння DTH зазвичай працює на низьких швидкостях обертання, як правило, від 7 до 25 об/с.
3.1.6 Крутний момент: Максимальний крутний момент для цієї конструкції встановлений на рівні 150 кН·м.
3.2 Розрахунок проектних параметрів
Параметри конструкції для DTH, зокрема параметри продуктивності ударного обладнання DTH, служать основою для проектування машини та визначають продуктивність виготовленого обладнання.
3.2.1 Розрахунковий тиск P для ударного обладнання
У Китаї тиск 0,49 МПа (приблизно 5 × 10^5 Па) широко вибрано як стандарт конструкції для пневматичного ударного обладнання. Враховуючи, що DTH для цієї конструкції є безклапанним ударним пристроєм із великим діаметром свердління та важким поршнем, вищий тиск повітря ще більше покращить продуктивність. Крім того, повітряні компресори високого тиску стають все більш поширеними, і відповідно до міжнародного стандарту ISO 5941-1979 вибрано розрахунковий тиск 1,6 МПа.
3.2.2 Сила удару
Для DTH, який використовується для свердління отворів великого діаметру, проектна енергія удару може значно коливатися. Енергія удару для цієї конструкції розраховується наступним чином:
3.2.3 Частота ударів
Як правило, за постійної енергії удару частота удару пропорційна вихідній потужності ударного елемента. Однак, коли діаметр циліндра є постійним, збільшення частоти ударів вимагає зменшення ходу поршня, що, у свою чергу, зменшує потужність одиничного удару. Як тільки потужність одиничного удару впаде нижче певного порогу, збільшення частоти не дасть задовільних результатів руйнування каменю. Таким чином, вибір частоти удару обмежений потужністю удару.
Для пневматичного DTH, що працює при розрахунковому тиску 0,5 МПа, частота не повинна перевищувати 16,8 Гц. Оскільки DTH працює при розрахунковому тиску від 0,5 до 2,5 МПа, частота ударів може значно відрізнятися. Початковий вибір частоти ударного елемента можна розрахувати наступним чином:
f = 10,4 + 7,6P
(2) де P – тиск живлення системи. Для цієї конструкції Р = 1,6 МПа, тому:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Гц.
3.3 Розробка структурних параметрів
Основні конструктивні параметри DTH включають діаметр отвору циліндра, хід поршня та розміри поршня. Збільшення діаметра циліндра може збільшити як силу удару, так і частоту, тому діаметр має бути максимально збільшеним у межах розміру конструкції. Як правило, різниця між зовнішнім діаметром DTH і діаметром отвору не повинна бути меншою за 15-20 мм, а зовнішній корпус DTH не повинен бути надто тонким. Тому відношення діаметра циліндра DTH до діаметра свердління зазвичай перевищує 0,5.
3.3.1 Робочий діаметр циліндра та хід конструкції
Робочий діаметр D циліндра можна розрахувати наступним чином:
D = K × D (діаметр) = (0,57 - 0,68) × D (діаметр) (3)
Для цієї конструкції D (отвір) = 600 мм, тому D приймається рівним 360 мм. Конструкційний хід S емпірично приймається S = 500 мм.
3.3.2 Маса поршня
Радіальні розміри поршня обмежуються розміром і структурою циліндра, що дозволяє використовувати поршні однакового або різного діаметру. Лінійні розміри залежать від маси поршня, яка також пов'язана зі швидкістю, яку він має при ударі по свердлу. Тому визначення структурних розмірів поршня є складним аспектом проектування DTH. Масу поршня DTH можна оцінити наступним чином:
m = 0,0205D^2,84 (4)
де m – маса поршня в кг; D - робочий діаметр циліндра в см.
Підставляючи D = 36, виходить: m = 540 кг.
DTH в основному складається з конструкції передачі крутного моменту та пневматичного ударного механізму. Конструкція передачі крутного моменту з'єднує бурильну штангу та DTH, передаючи обертальні сили різання та тяги; пневматичний ударний механізм генерує удар, забезпечуючи осьову потужність ударного свердла. Конкретні деталі конструкції показано на малюнку 3.
Конструкція передачі крутного моменту з’єднує бурову штангу та ударний елемент. Верхнє з’єднання з’єднується з буровою штангою та ударним елементом через трубну різьбу, головним чином для забезпечення газонепроникності, а також для передачі крутного моменту та тягової сили. Зворотний клапан запобігає потраплянню бруду та води в ударний елемент і бурову штангу, керовану пружиною. Сидіння повітрозабірника зі штоком подачі газу функціонує для введення стисненого повітря в циліндр, полегшуючи дію подачі газу разом з циліндром і поршнем, таким чином досягаючи комбінованої подачі газу. Пружинне запобіжне кільце запобігає вислизанню поршня з циліндра при заміні свердла.
3.4 Аналіз кінцевих елементів бурового долота DTH
Свердло DTH зазнає ударної сили від поршня та крутного моменту від приводної головки. Сила, з якою стиснене повітря діє на поршень, визначається як:
F = P × S (5)
де P - тиск системи в Па; S — площа сили поршня в м².
Таким чином, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 Н.
Отже, сила удару по свердлу становить:
F' = кФ (6)
де k – коефіцієнт впливу; F — сила, яка діє на свердло стисненим повітрям у Н. Таким чином, F' = 20 × 134400 = 2688 кН.
Крутний момент, прикладений до свердла DTH приводною головкою, становить N = 150 кН. Прикладаючи F' = 2688 кН і N = 150 кН до свердла під час закріплення нижнього торця свердла та використовуючи матеріал QT500-7 з межею текучості 320 МПа, виконано кінцево-елементний аналіз. Конкретні умови навантаження та обмежень, а також поділ сітки показано на малюнках 4 і 5.
Результати кінцево-елементного аналізу показані на малюнку 6, вказуючи на те, що максимальне напруження становить 144,355 МПа, що менше межі текучості QT500-7 (320 МПа), що відповідає вимогам.