Українська версія English version ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ Кафедра ТТГР
Магистр ДонНТУ Иваненко Иван Иванович

Глущенко Евгений Сергеевич

Горно-геологический факультет
Кафедра технологии и техники геологоразведочных работ
Специальность «Бурение»

Разработка шнекоколонкового снаряда для отбора проб при инженерно-геологических изысканиях

Научный руководитель: к.т.н. доц. Юшков Иван Александрович

Резюме
Биография
Реферат
Библиотека
Ссылки
Отчет о поиске
Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Введение. Обоснование темы и названия, актуальность работы.

Цель, методы и практическое значение работы.

Аналитический обзор.

Обзор исследований по теме.

Ожидаемые результаты.

Конструкция устройства.

Литература.

Введение. Обоснование темы и актуальность работы.

В процессе сооружения скважин в условиях сложного разреза, представленного породами разных классов и категорий, целесообразно применение различных способов бурения в комплексе. Основной задачей при отборе образцов горных пород, является сохранение их естественной структуры и влажности. Для обеспечения этого рационально использовать шнековое, колонковое бурение, применяя при этом грунтоносы различных конструкций.

Обуривающие грунтоносы наибольшим образом удовлетворяют все необходимые условия для сохранения естественной структуры и влажности при отборе пород глинистого комплекса твердой и полутвердой консистенции, песчаных грунтов плотных и средней плотности, а также заторфованых грунтов.

Методика бурения с применением такого типа оборудования имеет ряд недостатков, таких к примеру, как искривление ствола скважины, что в свою очередь отрицательно сказывается на структуре и свойствах отобранных монолитов, а так же затрудняет определение глубины залегания, почвы и кровли отбираемых пород, и уровней грунтовых вод. Применение магазинных шнеков позволяет ликвидировать некоторые проблемы грунтоносов, однако они в свою очередь также имеют недостатки.

В настоящее время в условиях плотной застройки городов с развитой сетью коммуникаций существенно увеличивается необходимость в применении малогабаритного оборудования. Поэтому не занижая как достоинств так в принципе и недостатков вращательного способа бурения, особенно в период возрастания его потребности следует обратиться к активному его внедрению с обязательными условиями как механизации самого процесса, так и модернизации применяемого оборудования [10].

Цель, методы и практическое значение работы.

Цель исследований – создать шнекоколонковый буровой снаряд для повышения производительности бурения, и получения представительных проб грунта, путем применения съемного керноприемника.

          Объект исследования – бурение инженерно-геологических  скважин.

Методы – использование на эмпирическом уровне: анализ и синтез, а также моделирование.

Практическое значение работы лежит в создании эффективного комплекса технических средств, для отбора качественных проб грунта при бурении инженерно-геологических скважин.

Аналитический обзор.

Основной задачей при отборе образцов горных пород, является сохранение их естественной структуры и влажности [12].               
         Основными способами при бурении инженерно-геологических скважин, в зависимости от следующих основных условий являются:

1. Ударно-канатное бурение. Применяется при разведке рыхлых, связных и полускальных пород. Разрушение породы происходит в результате периодических ударов специального породоразрушающего инструмента, подвешенного на канате. В качестве ПРИ могут применять буровой стакан (связные породы), различного рода желонки (несвязные), либо долото (полускальные).

В состав снаряда включаются утяжеленные ударные штанги, либо ударные патроны.

2. Колонковое бурение. Применяется преимущественно в скальных и полускальных породах, а также в плотных связных грунтах. Основным критерием применения данного способа является необходимость очистки скважины с применением специальных буровых растворов.

Разрушение породы происходит в результате вращения снаряда с буровой коронкой на забое. Ввиду геометрических параметров коронки в центральной части забоя образуется столб керна, который по мере углубки скважины заполняет колонковую трубу. После заполнения колонковой трубы керн отрывается от массива при помощи кернорвателя, и выдается на поверхность.

Колонковое бурение осуществляется с промывкой ствола скважины буровым раствором, обеспечивающим вынос шлама, и поддержание устойчивости стенок скважины. Вместо промывки может применятся очистка скважины путем циркуляции вместо промывочной жидкости подаваемого под давлением сжатого воздуха. При этом исключается дополнительное размыв забоя и керна.

3. Вибрационный способ. Является сравнительно производительным, однако ограничен глубиной бурения. Применяется при проходке как связных, так и рыхлых пород. В основу данного способа положен принцип передачи на буровой инструмент продольных колебаний, создающихся вибропогружателем.

4. Шнековый способ. Является весьма производительным, и применяется при бурении, на территории с неизученным разрезом. Разрушение породы на забое производится вращающимися долотами различных конструкций. Порода, после разрушения, транспортируется с забоя на поверхность шнеками, имеющими винтовую поверхность по всей длине [4].

При таком способе ведение геологической документации, поскольку её ведут по выходу породы на поверхность. Существуют многие трудности, связанные с частичным перемешиванием породы в процессе её транспортировки, нарушения при этом её структуры, и  прочих факторов. При этом затрудняется возможность точного определении границ различных пород и фиксирование уровней грунтовых вод. 

При необходимости отбора проб в виде керна, при шнековом бурении, применяют магазинные шнеки. Магазинный шнек представляет собой  трубу с винтовой поверхностью, которая соединяется с буровой коронкой и шнековой колонной. Внутри этой трубы шнека помещается магазин для керна, состоящий из разрезанной вдоль оси тонкостенной трубы.

          Отбор образцов ненарушенного сложения осуществляется с помощью специальных устройств – грунтоносов, которые могут быть трех типов: обуривающие, забивные и вдавливаемые.

          Обуривающие грунтоносы наибольшим образом удовлетворяют все необходимые условия для сохранения естественной структуры и влажности при отборе пород глинистого комплекса твердой и полутвердой консистенции, песчаных грунтов плотных и средней плотности, а также заторфованых грунтов [3].

 

Обзор исследований по теме.

 

            В ДонНТУ:

Тема: «Разработка бурового снаряда со съемными грунтоносами для отбора проб грунтов и выполнения технических исследований в скважинах по технологии WIRE LINE». 

Издание: Бурение скважин в осложненных условиях // Доклады науч.-техн. конф. –Донецк: ДонГТУ, –1996. –с.26-28.

Авторы: Юшков И.А.; Каракозов А.А.; Калиниченко О.И.; Юшков А.С.; Русанов В.А.; Рязанов А.Н.

Краткое описание: В Донецком государственном техническом университете проведены работы по созданию бурового снаряда со съемными грунтоносами для бурения скважин на глубину до 150м. при глубине акватории до 150м. Буровой снаряд предназначен для использования на переоборудованых нацчно-исследовательских судах проекта 05031 при бурении скважин на шельфе о.Сахалин.

             В Украине:

Тема: «Бурние скважин в сложных геолого-технических условиях».

Издание: Бурение скважин в осложненных условиях // Доклады науч.-техн. конф. –Донецк: ДонГТУ, –1996. –с.69-70.

Авторы: Пирхало А.В.; Давиденко А.Н.

Краткое описание: В качестве технологического мероприятия по обеспечению отбора керна с ненарушенной структурой и высоким его линейным выходом предлагается конструкция колонкового снаряда со шнековой навивкой и контейнером для отбора выбуренной породыс кольцевого забоя скважины. Основными конструктивными составляющими снаряда являются: колонковая труба со шнековой навивкой; шламосборник; подшипниковый узел; породоразрушающий инструмент.

            В мире:

Тема: «Создание колонкового снаряда со сменной грунтоноской»

Издание: Техника и технология получения керна. –М: Недра. –1963г. –185с.

Автор: А.А. Гребенюк

Краткое описание: Буровой снаряд состоит из наружной колонковой трубы с породоразрушающим наконечником. При транспортировке грунтоноски внутри колонны бурильных труб защелки запорного устройства находятся в убранном положении, поджаты скользящей гильзой. При достижении забоя скважины защелки фиксирующего механизма входят в проточки муфты, закрепляя грунтоноску в корпусе снаряда. В процессе бурения обеспечивается неподвижность керноприемной трубы благодаря наличию подшипника. Подъем грунтоноски проиводится при помощи канатного ловителя.

            Ожидаемые результаты.


- уменьшение затрат времени на бурение, и соответственно увеличение производительности;
- увеличение качества отбираемых проб;
- снижение вероятности возникновения осложнений и аварий в процессе бурения [6].


            Конструкция устройства. 

Рис.1 – Шнекоколонковый снаряд 

На основе проведенного анализа, и предложенной принципиальной схемы, была разработана конструкция шнекоколонкового бурового снаряда для отбора ненарушенных образцов керна обуривающим способом, включающая такие основные узлы:              

- корпус;

- керноприемник;

- специальная коронка.

        Корпус представляет собой трубу диаметром 127мм., имеющую снаружи шнековую навивку по всей длине. Внутри корпуса имеется расточка, предназначенная для соединения с фиксаторами вставного керноприемника и уступ для его упора. В верхней части нарезана резьба для соединения со шнековой колонной бурильных труб, а в нижней со спецкоронкой.

В качестве бурильных используются трубы диаметром 127мм., также имеющие наружную ленточную навивку по всей длине, с наружным диаметром по винтовой поверхности 167мм. Угол подъема винтовой линии составляет 36 град, шаг 30см. Соединение труб со снарядом а также между собой происходит с помощью соединительных муфт.

Буровая коронка ребристого типа диаметром 171,4мм. (6 ¾ дюйма), специально разработанная для данного устройства, имеет четыре поперечных ребра, армированных твердосплавными резцами. Помимо этого в ней имеются промывочные окна для обеспечения циркуляции очистного агента из кольцевого зазора между корпусом и керноприемником непосредственно на забой.

Максимальное приближение наружного диаметра бурильных труб к диаметру скважины, обеспечивает уменьшение их изгиба от осевой нагрузки при бурении, а также улучшение условий транспортировки шлама из-за минимального зазора между скважиной и снарядом.

Керноприемник представляет собой колонковую трубу диаметром 108мм, соединенную с узлом фиксации и узлом подвески. Керноприемник извлекается и опускается с помощью каната на овершоте по мере наполнения колонковой трубы керном. Овершот – это ловильное устройство, предназначенное для спуска, захвата и подъема керноприемника внутри колонны бурильных труб на канате.

Керноприемник в свою очередь имеет три основных узла:

- узел фиксации;

- узел подвески;

- колонковый набор.


Рис.2 – Керноприемник

В узле фиксации керноприемника находятся корпус, хвостовик, фиксаторы, и вал для соединения с узлом подвески. Хвостовик используется для захвата овершотом. Фиксаторы перемещаются по конической расточке внутри корпуса; в крайнем нижнем положении они сжаты, а в крайнем верхнем, за счет пружины разомкнуты. При подъеме керноприемника, после захвата овершотом, он поднимается вверх, стопоры при этом сжимаются, и как следствие освобождают керноприемник от корпуса. При спуске стопоры возвращаются в крайнее верхнее положение, и фиксируются в расточке корпуса, фиксируя при этом керноприёмник.

Узел подвески состоит из двух одинарных упорных шарикоподшипника, позволяющих не передавать вращение колонны бурильных труб на керноприемную гильзу, и тем самым повысить качество отбираемого кернового материала. Узел подвески сборный. Вал, являющийся переходящим звеном на колонковый набор, неподвижен относительно вращающегося снаряда. На нем устанавливается манжета, позволяющая удерживать этот узел маслонаполненным. Заливка масла осуществляется через специальное боковое отверстие, закрытое болтом.

Колонковый набор состоит из переходника с узла подвески, кернорвателя и колонковой трубы. Колонковая труба диаметром 108мм (внутренний диаметр 98мм), соединяется с неподвижной частью подшипникового узла резьбовым соединением. Длина керноприемной части колонковой трубы Зависит от требуемой длины рейса, соответствующего качественному отбору пробы грунта. Срыв керна происходит с помощью лепесткового кернорвателя.

Представленная технология предполагает извлечение керноприемника на поверхность, без необходимости проведения спускоподъемных операций с колонной бурильных труб. Помимо значительного сокращения затрат времени на бурение, это позволяет подбирать необходимую длину колонковой трубы, и тем самым увеличить качество проб [2].

Конструкция устройств позволяет, при необходимости, встроить датчик фиксирования местонахождения забоя.

Буровой снаряд рассчитан на применение шнеко-пневматического способа очистки забоя, причем конструкция узла подвески исключает попадание рабочего потока воздуха внутрь керноприемной трубы, также повышая сохранность керна. Использование в качестве очистного агента именно сжатого воздуха позволит применять разрабатываемый снаряд для бурения с самоходных буровых установок, оснащенных компрессорной станцией [1].

В результате работы было разработано программное обеспечение, позволяющее определить затраты мощности, прочностные характеристики снаряда, конкретизировать режимы бурения предлагаемым снарядом и прочее.

В процессе исследования были определены рациональное число оборотов буровой коронки, и рациональное число оборотов шнека, что позволило установить верхний и нижний предел частоты вращения для данного снаряда.

Также были рассчитаны номинальные значения режима осевой нагрузки лежащие, и необходимая подача воздуха для полной очистки забоя.

Используя рассчитанные значения режима бурения, были установлены максимальные затраты мощности при условно наиболее неблагоприятном геологическом разрезе для конечной глубины скважины 30 м, составляющие 39 кВт.

            Анимация – объем - 146 кб.; количество кадров - 34; время задержки - 0,05с.; количество повторений - 7.
           
            Литература.

1. Курсове та дипломне проектування бурових робіт: Навчальний посібник О.І.Калініченко, О.С.Юшков, Л.М.Івачов та інші: Під ред. О.І.Калініченко. –Донецьк: ДонДТУ, –1998. –153 с.;
2. Standard handbook of petroleum natural and gas engineering, second edition: William C. Lyons, Gary J. Plisga. –USA: Elsevier, –2005. –1569 c.;
 3. Вялое С. С, Егоров Я. И. Экспериментальное определение сил пучения грунтов. – Труды Института мерзлотоведения. –М.: Из-во АН СССР, –1958.; 4. Гогентоглер Ч. А. Строительные свойства грунтов. Пер. с нем. –Изд-во Главного управл. стр-вом шоссейных дорог, –1940.;
5. Дружинин М. К., Горелик А. М. О глубине заложения фундаментов в пучинистых грунтах – Основания, фундаменты и механика грунтов, –1959, –№4.;
6. Жуков В. Ф. Земляные работы при строительстве фундаментов и оснований в области вечной мерзлоты. –М.: Изд-во АН СССР, –1946.;
7. Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды. –М.: Изд-во АН СССР,;
8. Лыков А. В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. –М.: Гостехиздат, –1954.;
9. Пузаков Н. А. Теоретические основы расчета влагонакопления при промерзании грунта. –М.: Транспорт, –1965.;
10. СНиП II-51—74. Основания зданий и сооружений. Нормы проектирования. –М.: Стройиздат, –1975.;
11. Тэбер О. С. Промерзание и оттаивание грунтов как фактор разрушения дорожных одежд. – Труды Дорнии. –М.: Дориздат, –1936.;
12. Цытович Я. А., Сумгин М. И. Основы механики грунтов. –М.: Изд-во АН СССР, –1937.

 

            В данный момент магистерская работа находится в стадии разработки. Полный текст работы будет готов в январе 2012г.
Резюме || Биография || Реферат || Библиотека || Ссылки || Отчет о поиске || Индивидуальный раздел
Українська версія English version ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ Кафедра ТТГР