Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве

Статья

Наименование Оптимизация параметров бурового инструмента. Спираль архимеда
Авторы Литвинский Г. Г., д. т. н., проф.
Раздел Науки о земле
Год 2018 Выпуск 54 Страницы 5 - 21
УДК 622.243.2
Аннотация Выполнен краткий ретроспективный экскурс в историю развития буровой техники от ударно-поворотного до шарошечного способа бурения с позиций геомеханического взаимодействия бурового породоразрушающего инструмента (БПРИ) с горной породой. Дан анализ особенностей работы БПРИ при разных способах бурения исходя из возникающих усилий на кромке резца. Вскрыты основные технические противоречия БПРИ, сформулированы требования к нему и критерии оптимизации. Рассмотрены недостатки разрушения породы под прямолинейным лезвием буровой коронки. Предложена оптимальная форма лезвия БПРИ в виде острого клина с тонкой по центру твердосплавной вставкой. Сформулирован критерий эффективности работы БПРИ, разработана математическая модель и путём решения дифференциального уравнения доказана оптимальная форма БПРИ в виде спирали Архимеда. Дана оценка эффективности применения оптимизированного БПРИ.
Реферат Цель исследования. Обоснование критериальных требований к работе режуще-скалывающего инструмента и оптимизация его параметров на основе выдвинутых критериев. Объекты исследований. Механизм силового взаимодействия режуще-скалывающего инструмента с горной породой при её разрушении. Предмет исследования. Конструкционные параметры бурового инструмента для оптимизации процесса бурения. Методика и основная идея выполненных исследований состоит в изучении геомеханического взаимодействия бурового инструмента с породами забоя скважины и создании математической модели этого взаимодействия, на основании которой будет произведена оптимизация основных параметров бурового инструмента.
Результаты. Методологической особенностью проведённых исследований является использование углублённого изучения закономерностей геомеханического взаимодействия режущей кромки с породами скважины при бурении. На основании краткого экскурса в историю бурения и анализа особенностей работы БПРИ при разных способах бурения: - сформулированы требования к режущему инструменту; - установлены принципиальные различия в действующих на режущую кромку усилиях при ударно-поворотном и сдвиговом воздействии на породный забой; - впервые сформулированы критерии оптимизации и конкретизированы требования к оптимальным параметрам БПРИ; - предложена конструкция нового БПРИ для ударно-скалывающего разрушения породы с симметричными клиновыми гранями и твёрдосплавной вставкой; - разработана математическая модель оптимизации конфигурации лезвия БПРИ в проекции на забой; - впервые доказано, что оптимальной формой лезвия БПРИ является спираль Архимеда, исследованы иные формы лезвий БПРИ с использованием обобщённой спирали Архимеда.
Научная новизна. Научной новизной обладает целый ряд полученных результатов исследований: впервые рассмотрены и сопоставлены различные способы бурения пород с позиций геомеханического взаимодействия бурового инструмента и породы, даны сопоставительные оценки силовых факторов в буровом инструменте при разных способах воздействия на породу. Впервые разработана математическая модель поражения породы в забое скважины и доказана оптимальность формы лезвия буровой коронки в виде спирали Архимеда.
Практическая значимость. Результаты исследований позволяют пересмотреть основные направления развития буровой техники с учётом закономерностей её оптимизации, что в итоге позволит снизить износ и расход БПРИ в 2…5 раз, существенно уменьшить энергоёмкость бурения и массу бурильной машины, повысить в 2-3 раза техническую скорость проходки скважины.
Ключевые слова теория бурения, способы бурения, буровая коронка, требования к коронке, критерии оптимизации бурения, математическая модель бурения, форма лезвия коронки, спираль Архимеда, эффективность бурения.
Полный текст