RU2190742C1 - Process of hole drilling in soft rock - Google Patents

Abstract

FIELD: hole drilling in soft rock by auger. SUBSTANCE: process includes rotation of auger with cutting tool and its forced feed into bottom hole with subsequent control over rate of feed of auger in process of drilling by change of operational parameters. Drilling is conducted with specified rate of feed V_f m/s. Value of rate of feed is found prior to start of drilling operation by formula, given in the description of invention. EFFECT: enhanced efficiency of drilling of holes in soft rock thanks to prevention of jamming of auger.

Description

Изобретение относится к горному делу, а именно, к способам бурения скважин в мягких породах шнековым буровым ставом. The invention relates to mining, and in particular, to methods of drilling wells in soft rocks with a screw drill stand.

Известен способ бурения скважин в мягких породах, включающий вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его свободную подачу на забой скважины под действием собственного веса вращателя и самого става с последующим ограничением скорости подачи става при осложнениях в процессе бурения (см. стр. 41 Катанов Б.А., Сафохин М.С. Станки вращательного бурения на угольных разрезах. - М.: Госгортехиздат, 1960.-147 с.). A known method of drilling wells in soft rocks, including the rotation of the auger drill string with a cutting tool and its free supply to the bottom of the well under the action of the dead weight of the rotator and the stave itself, followed by limiting the feed rate of the stave in case of complications during drilling (see page 41 Katanov B .A., Safokhin M.S. Rotary drilling machines at coal mines. - M.: Gosgortekhizdat, 1960.-147 p.).

Недостаток данного способа бурения заключается в том, что при бурении мягких пород скорость свободной подачи шнекового бурового става на забой скважины не постоянна и может резко увеличиваться по ряду причин, например, при выходе бурового шнекового става из более крепких пород в более мягкие, приводя к нарушению процесса транспортирования буровой мелочи по винтовой спирали шнека. Это способствует образованию "пробок" из спрессованной буровой мелочи между соседними спиралями шнека, на расштыбовку которых тратится много времени, что приводит к снижению производительности бурения, повышенному износу спирали шнека, расходу энергии. The disadvantage of this method of drilling is that when drilling soft rocks, the speed of free feed of the auger drill stand to the bottom of the well is not constant and can increase sharply for a number of reasons, for example, when the auger shafts exit from harder rocks to softer rocks, leading to a violation the process of transporting drill trifles along a helical screw spiral. This contributes to the formation of “plugs” from the pressed drill trifle between adjacent screw spirals, which takes a lot of time to re-fill, which leads to reduced drilling performance, increased wear of the screw spiral, and energy consumption.

Наиболее близким к изобретению является способ бурения скважин в мягких породах на карьерах, включающий вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его принудительную подачу на забой скважины с последующим регулированием скорости подачи в процессе бурения посредством изменения режимных параметров (см. стр. 18, 51, 77. Сафохин М.С., Катанов Б.А. Машинист бурового станка на карьере. - М.: Недра, 1984. - 308 с.; стр. 123. Вороновский К. Ф. Горные, транспортирующие и стационарные машины. - М.: Недра, 1985.-320 с.). Closest to the invention is a method of drilling wells in soft rock in quarries, including rotating auger drill string with a cutting tool and forcing it to the bottom of the well, followed by adjusting the feed rate during drilling by changing the operating parameters (see pages 18, 51, 77. Safokhin M.S., Katanov, B.A., Drilling rig operator at a quarry, Moscow: Nedra, 1984. 308 pp .; p. 123. Voronovsky KF Mountain, transporting and stationary machines. .: Nedra, 1985.-320 p.).

Недостаток данного способа бурения заключается в том, что рациональную скорость подачи шнекового бурового става на забой скважины не определяют перед началом бурения, а подбирают в процессе бурения по экстремальным показаниям контрольных приборов, что существенно усложняет процесс бурения. При заниженной скорости подачи става на забой снижается производительность бурения, увеличивается износ спиралей шнека, расход энергии и т. п. При завышенной скорости подачи шнекового бурового става последний не успевает транспортировать разрушенную породу и заштыбовывается со всеми вытекающими отсюда последствиями. The disadvantage of this method of drilling is that the rational feed rate of the auger drill stand to the bottom of the well is not determined before the start of drilling, but is selected during the drilling process according to the extreme indications of control devices, which significantly complicates the drilling process. With an underestimated feed rate of the stave to the face, drilling performance decreases, wear of the auger spirals, energy consumption, etc. increase. With an overestimated feed rate of the auger drill stand, the latter does not have time to transport the destroyed rock and is crammed with all the ensuing consequences.

Изобретение направленно на повышение эффективности шнекового бурения скважин в мягких породах путем исключения заштыбовки бурового става. The invention is aimed at improving the efficiency of screw drilling of wells in soft rocks by eliminating the filling of the drill string.

Это достигается тем, что при реализации способа бурения скважин в мягких породах, включающего вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его принудительную подачу на забой скважины с последующим регулированием скорости подачи става в процессе бурения посредством изменения режимных параметров, бурение производят с заданной скоростью подачи V_п,м/с, причем значение скорости определяют перед началом бурения по формуле

где D_ш - наружный диаметр шнека, м; d_т - диаметр трубы шнека, м; Н - шаг спирали шнека, м; δ - толщина спирали шнека, м; D_к - диаметр режущего инструмента, м; К_р - коэффициент разрыхления породы; n - частота вращения бурового става, с^-1.This is achieved by the fact that when implementing a method of drilling wells in soft rocks, which includes rotating a screw drill stand with a cutting tool and forcing it to the bottom of the well, followed by adjusting the feed rate of the stand during drilling by changing the operating parameters, drilling is performed at a given feed rate V _p , m / s, and the speed value is determined before drilling according to the formula

where D _W - the outer diameter of the screw, m; d _t - screw pipe diameter, m; N - screw spiral pitch, m; δ - screw spiral thickness, m; D _to - the diameter of the cutting tool, m; To _p - coefficient of loosening of the rock; n is the rotational speed of the drill string, s ^-1 .

Вывод расчетной зависимости для рациональной скорости подачи V_n, м/с шнекового бурового става основан на обязательном согласовании величины подачи инструмента S (м/об) за один оборот с возможной производительностью шнека и установлении рационального значения скорости подачи перед началом бурения. При этом исходят из того, что объем породы (S • D_к ² • К_р), разрушаемый за один оборот режущего инструмента, не должен превышать половины геометрического объема межвиткового пространства 0,5(D $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{ш}}$ -d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{т}}$ )•(H-δ) шнека, способного транспортировать (пропустить) за один оборот разрушаемую породу без заштыбовки става. Здесь 0,5 - коэффициент пропорциональности (К), полученный опытным путем в лабораторных условиях и подтвержденный исследованиями.The derivation of the calculated dependence for the rational feed rate V _n , m / s of the auger drill stand is based on the obligatory matching of the tool feed S (m / rev) per revolution with the possible auger productivity and the establishment of a rational feed rate before drilling. At the same time, it is assumed that the volume of the rock (S • D _to ² • K _p ) destroyed during one revolution of the cutting tool should not exceed half the geometric volume of the inter-turn space of 0.5 (D $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{w}}$ -d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{t}}$ ) • (H-δ) auger capable of transporting (skipping) destructible rock in one revolution without filling the stand. Here, 0.5 is the proportionality coefficient (K) obtained experimentally in laboratory conditions and confirmed by research.

Величина подачи шнекового бурового става S, м/об за один оборот определяется в общем виде из выражения
S•D $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{к}}$ •K_p≤K•(D $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{ш}}$ -d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{т}}$ )•(H-δ);

Умножив обе части данного выражения на частоту вращения п (с^-1) бурового става (рекомендуемую предприятием для данного типа пород с определенным К_р), определяем рациональную скорость подачи V_п, м/с в общем виде, принимая коэффициент пропорциональности (К) за неизвестный

Сравнение расчетного коэффициента пропорциональности (К=0,5) с фактическим проводилось по результатам испытаний буровых инструментов при бурении мягких пород, преимущественно углей (К_р=1,4), станком СБР - 160 со свободной подачей на забой при частоте вращения става n=2,3 с^-1. Нарушение транспортирования буровой мелочи шнеком (заштыбовка) оценивалось по показаниям контрольных приборов вращателя бурового станка (нагрузка более предельной - 150 A). Критерием оценки достижения максимально возможной скорости подачи, соответствующей вышеуказанным зависимостям, служило отсутствие заштыбовки шнека (т. е. нагрузка не превышала 150 А). Скорости подачи при К<0,5 при испытаниях не использовались, т.к. существенно снижали сменную производительность станка.The feed rate of the screw drill set S, m / rev per revolution is determined in general form from the expression
S • D $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{to}}$ • K _p ≤K • (D $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{w}}$ -d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{t}}$ ) • (H-δ);

Multiplying both parts of this expression by the rotational speed p (s ^-1 ) of the drill head (recommended by the enterprise for this type of rock with a specific K _p ), we determine the rational feed rate V _p , m / s in general, taking the proportionality coefficient (K) for unknown

Comparison of the calculated coefficient of proportionality (K = 0.5) with the actual one was carried out according to the results of testing drilling tools when drilling soft rocks, mainly coal (K _p = 1.4), with an RB machine - 160 with free feed to the face at a rotational speed n = 2.3 s ^-1 . Violation of transportation of drill trifle by a screw (filling) was assessed by the test instruments of the rotator of the drilling rig (the load is more extreme - 150 A). The criterion for assessing the achievement of the maximum possible feed rate corresponding to the above dependencies was the absence of screw filling (i.e., the load did not exceed 150 A). Feed rates at K <0.5 were not used in the tests, because significantly reduced the shift productivity of the machine.

При испытаниях применялся буровой шнековый став с параметрами
D_ш=0,175 м; d_т=0,108 м; Н=0,130 м; δ=0,005 м; D_к=0,180 м.During the tests, a screw auger was used with parameters
D _W = 0.175 m; d _t = 0.108 m; H = 0.130 m; δ = 0.005 m; D _to = 0.180 m.

По результатам испытания определен фактический коэффициент пропорциональности (К), соответствующий рациональной скорости подачи V_п, м/с шнекового бурового става, исключающий заштыбовку последнего. Результаты испытаний приведены в таблице.According to the test results, the actual coefficient of proportionality (K) was determined, which corresponds to a rational feed rate V _p , m / s of auger drilling head, excluding the filling of the latter. The test results are shown in the table.

В качестве рациональной для заданных условий бурения выбирается скорость подачи при К=0,5, т.е. V_п=0,061 м/с. В действительности, при данных соотношениях параметров шнекового бурового става и скорости его подачи заштыбовки става не наблюдалось. Вместе с тем нагрузка на вращателе станка была близка к предельной, что свидетельствует о недопустимости увеличения коэффициента (К) более 0,5.As rational for the given drilling conditions, the feed rate is selected at K = 0.5, i.e. V _p = 0,061 m / s. In fact, with the given ratios of the parameters of the auger drill stand and the speed of its feed, no filling of the stand was observed. At the same time, the load on the rotator of the machine was close to the limit, which indicates the inadmissibility of increasing the coefficient (K) of more than 0.5.

После преобразований рациональная скорость подачи V_п, м/с шнекового бурового става может быть определена по формуле

Способ осуществляется следующим образом. Перед началом бурения на основе паспортных данных (или обмера) определяют конструктивные параметры шнекового бурового става и по предложенной формуле для заданных горных условий и рекомендуемой частоте вращения става определяют рациональное значение скорости подачи и устанавливают (обозначают) его на пульте управления буровым станком. После этой операции начинают собственно процесс бурения.After transformations, the rational feed rate V _p , m / s of auger drill head can be determined by the formula

The method is as follows. Before starting drilling, based on the passport data (or measurement), the structural parameters of the auger drill string are determined and the rational value of the feed rate is determined and set (designated) on the control panel of the drilling rig using the proposed formula for the given mining conditions and the recommended rotational speed of the drill string. After this operation, the actual drilling process begins.

При возможной встрече с крепкими прослоями породы скорость подачи става может автоматически уменьшаться до максимального допустимого осевого усилия, а при бурении мягких пород, преимущественно однородных, скорость подачи может увеличиваться, но никогда не может превысить заданную, определенную перед началом бурения, являющуюся максимально возможной, ограниченной конструкцией бурового шнекового става и станка. При этом скорость подачи V_п (м/с) может регулироваться при изменении рекомендуемой частоты вращения n (с^-1) и коэффициента разрыхления К_р (согласно горно-геологической документации). Например, при прохождении известных пород с большим коэффициентом разрыхления К_р, увеличивающим объем заполнения межвиткового пространства шнека (более 0,5), скорость подачи става уменьшается (например, при помощи регулируемого дросселя) до заранее определенной для этого горизонта (глубины скважины) величины, что позволит исключить заштыбовку става буровой мелочью без прекращения подачи става на забой.When it is possible to meet with strong interbeds of rock, the feed rate of the stave can automatically decrease to the maximum permissible axial force, and when drilling soft rocks, mainly homogeneous, the feed rate can increase, but can never exceed the set, determined before the start of drilling, which is the maximum possible, limited construction of auger shafts and machine tools. In this case, the feed rate V _p (m / s) can be controlled by changing the recommended rotation speed n (s ^-1 ) and the loosening coefficient K _p (according to the mining and geological documentation). For example, when passing through known rocks with a large loosening coefficient K _p increasing the filling volume of the inter-turn space of the screw (more than 0.5), the feed rate decreases (for example, by means of an adjustable throttle) to a value predetermined for this horizon (well depth), which will allow to exclude the filling of the stav with drill trifle without stopping the supply of the stav to the face.

Пример. Для бурения мягких пород (К_р=1,4) станком СБР-160 с рекомендуемой частотой вращения бурового става n=2,3 с^-1 определим рациональную скорость подачи V_п, м/с при следующих параметрах бурового става: D_ш=0,175 м; d_т= 0,108 м; Н=0,130 м; δ=0,005 м.Example. For drilling soft rocks (K _p = 1.4) with an SBR-160 machine with a recommended rotational speed of the drill string n = 2.3 s ^-1, we determine the rational feed rate V _p , m / s with the following parameters of the drill string: D _w = 0.175 m; d _t = 0.108 m; H = 0.130 m; δ = 0.005 m.

Расчетное значение величины рациональной (максимально возможной по условиям транспортирования) скорости подачи шнекового бурового става (V_п=0,06 м/с) практически совпадает с фактическим значением рациональной скорости подачи (V_п= 0,061 м/с), полученным в результате испытаний (таблица), что свидетельствует о возможности осуществления данного способа бурения.

The calculated value of the rational (maximum possible under the transportation conditions) feed rate of the auger drill head (V _p = 0.06 m / s) practically coincides with the actual value of the rational feed rate (V _p = 0.061 m / s) obtained as a result of tests ( table), which indicates the feasibility of this method of drilling.

Указанный способ бурения скважин в мягких породах с заданной рациональной скоростью подачи позволяет исключить случаи заштыбовки шнекового бурового става, снизить расход энергии, повысить производительность и эффективность буровых работ. The specified method of drilling wells in soft rocks with a given rational feed rate eliminates the incidence of filling of auger drill string, reduce energy consumption, increase productivity and efficiency of drilling operations.

Claims (1)

Способ бурения скважин в мягких породах, включающий вращение шнекового бурового става с режущим инструментом и его принудительную подачу на забой скважины с последующим регулированием скорости подачи става в процессе бурения посредством изменения режимных параметров, отличающийся тем, что бурение производят с заданной скоростью подачи V_п, м/с, причем значение скорости определяют перед началом бурения по формуле

где D_ш - наружный диаметр шнека, м; d_т - диаметр трубы шнека, м; Н - шаг спирали шнека, м; δ - толщина спирали шнека, м; D_к - диаметр режущего инструмента, м; К_р - коэффициент разрыхления породы; n - частота вращения бурового става, с^-1.A method of drilling wells in soft rocks, comprising rotating a screw drill string with a cutting tool and forcing it to the bottom of the well, followed by adjusting the feed rate of the drill during drilling by changing the operating parameters, characterized in that the drilling is performed with a given feed rate V _p , m / s, and the speed value is determined before drilling according to the formula

where D _W - the outer diameter of the screw, m; d _t - screw pipe diameter, m; N - screw spiral pitch, m; δ - screw spiral thickness, m; D _to - the diameter of the cutting tool, m; To _p - coefficient of loosening of the rock; n is the rotational speed of the drill string, s ^-1 .

Images