СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2024 года по МПК E21B45/00 G01H1/10 

Изобретение относится к стендовому оборудованию для исследования процесса разрушения горных пород возвратно-вращательным способом, в частности при бурении скважин в подледниковых горных породах Антарктиды и островах Арктической зоны, а также в условиях вечной мерзлоты. Устройство может быть также использовано для исследования процесса бурения льда и подледниковых горных пород традиционным вращательным бурением.

Известен экспериментальный стенд для изучения нелинейной динамики на забое скважины при бурении (Ahmed Al Shekaili, Yang Liu and Evangelos Papatheou. Numerical and experimental investigation of nonlinear dynamics of downhole drilling // 2022. P. 2), включающий асинхронный двигатель в качестве основного привода вращения, буровое долото, редуктор (поворотную головку), пневматический пульт, роторно-винтовой компрессор, механизм подачи, отбойный молоток DTH.

Недостатком конструкции является ширина опорной плиты, не позволяющая исследовать реальные образцы горной породы с продольными и поперечными размерами более 30 см, что не обеспечивает соблюдение условий напряженно-деформированного состояния геомеханической модели искусственного забоя.

Известен экспериментальный стенд для анализа характеристик отклика параметров бурения скважины и поиска лучшего метода прогнозирования механических свойств горных пород на основе параметров бурения (Cancan Liu, Xigui Zheng, Niaz Muhammad Shahani, Peng Li, Cong Wang, Xiaowei Guo. An experimental investigation into the borehole drilling and strata characteristics // Journal PLOSONE // 2021. P. 21), состоящий из опорной плиты, верхней неподвижной плиты, направляющей колонны, электробура, буровой штанги, буровой коронки, гравитационной нагрузочной плиты, образца горной породы, крепежных пластин, стержней, гайки. Система контроля и телеметрии режимных параметров процесса бурения состоит из датчика момента, датчика измерения давления звуком, датчика линейного перемещения и датчика частоты вращения, компьютера для мониторинга.

Недостатком конструкции является устройство породоразрушающего инструмента, наружный и внутренний диаметры которого не позволяют выполнять бурение с отбором керна.

Известен экспериментальный стенд для исследования буровых рабочих органов (патент РФ №2593612, опубл. 10.08.2016 г.), включающий опорную раму с закрепленными на ней направляющими стойками, ползун, установленный на направляющих стойках с возможностью вертикального перемещения ползуна, канатно-полиспастную систему подачи снаряда, бурильная штанга, представленная шнеком, бурильная головка.

Недостатком данного стенда является шнек, который позволяет вращать бурильную штангу лишь в одном направлении, что ограничивает область применения стенда.

Известен экспериментальный стенд для исследования зависимости эффективности вращательного бурения скальных пород от геометрии алмазного породоразрушающего инструмента при малых осевых нагрузках на забой (Pinlu CAO, Cheng Yang, Zhichuan Zheng, Rusheng Wang, Nan Zhang, Chunpeng LIU, Zhengyi Hu, Pavel Talalay. Low-load diamond drill bits for subglacial bedrock sampling // Annals of Glaciology // 2014. P. 7), состоящий из емкости, в которой располагается блок горной породы, бурильной трубы, датчика крутящего момента, датчика давления, датчика линейного перемещения, бурового станка и поршневого насоса с емкостями.

Недостатком конструкции является наружный диаметр торца коронки и наружный диаметр колонковой трубы, образующие при бурении малую толщину затрубного пространства, не позволяющую установить датчик вибрационных колебаний у резцов коронки для изучения процесса бурения в полной мере.

Известен экспериментальный стенд для исследования процессов резания и бурения льда в лабораторных условиях (Xinyu Lv, Zhihao Cui, Ting Wang, Yumin Wen, An Liu, Rusheng Wang. Research of mechanical model based on characteristics of fracture mechanics of ice cutting for scientific drilling in polar region // EGUsphere // 2024. P. 21), принятый за прототип, состоящий из корпуса, блока льда, системы подачи блока горной породы на коронку, противовесов, утяжелителей, роликовых опор и их направляющих, шламосборника, приводного электродвигателя с коническим редуктором, датчика крутящего момента и датчика линейного перемещения.

Недостатком конструкции являются утяжелители, устанавливаемые на корпус, которые под действием силы тяжести создают равноускоренное движение блока горной породы, что не обеспечивает процесс бурения с равномерным осевым усилием на забой горной породы и снижает достоверность полученных данных.

Техническим результатом является определение оптимальных режимных параметров бурения горной породы.

Технический результат достигается тем, что колонковый набор, кабельный замок которого с возможностью съема связан с электрической лебедкой через грузонесущий кабель, проходящий через шкив, который установлен на верхней части трехгранной вышки, при этом кабельный замок с возможностью съема связан с корпусом нагрузочной секции, которая с возможностью съема связана с корпусом шагового электродвигателя, который с возможностью съема связан с корпусом механической секции, на конце выходного вала которой установлен переходник, который связан с валом вертлюга, выходной вал вертлюга с возможностью съема связан с хвостовиком колонковой трубы, которая жестко соединена с буровой коронкой, при этом в корпусе колонковой трубы выполнено отверстие, в которое установлен датчик вибрационных колебаний, датчик линейного перемещения, жестко закрепленный на нижней поверхности верхней части трехгранной вышки, подвижную и неподвижную емкости, при этом на внутренних стенках в нижней части неподвижной емкости с возможностью съема установлены тензометрические датчики крутящего момента, при этом свободный торец датчиков крутящего момента установлен с возможностью съема в креплении неподвижной емкости, а нагружаемый торец датчиков крутящего момента установлен в креплении подвижной емкости, плунжерный насос и заборный насос, соединенный с фильтрационным баком через гибкий шланг, штуцер которого соединен гибким шлангом с входным патрубком плунжерного насоса, который через гибкий шланг соединен с датчиком расхода жидкости, который через гибкий шланг связан с входным патрубком вертлюга, причем вал плунжерного насоса механически связан с валом приводного электродвигателя, электрическая лебедка электрически связана с частотным преобразователем, который электрически связан с щитом электроснабжения, приводной электродвигатель электрически связан с частотным преобразователем, при этом датчик вибрационных колебаний, тензометрические датчики крутящего момента, датчик расхода жидкости и датчик линейного перемещения электрически связаны с входами блока управления, информационные входы и выходы которого связаны с информационными входами и выходами компьютера.

Стенд для исследования процесса разрушения горной породы возвратно-вращательным способом поясняется следующими фигурами:

фиг.1 – общий вид экспериментального стенда в сечении:

1 – колонковый набор;

2 – кабельный замок;

3 – электрическая лебедка;

4 – грузонесущий кабель;

5 – шкив;

6 – трехгранная вышка;

7 – нагрузочная секция;

8 – шаговый электродвигатель;

9 – механическая секция;

10 – переходник;

11– вертлюг;

12 – колонковая труба;

13 – буровая коронка;

14 – датчик вибрационных колебаний;

15 – датчик линейного перемещения;

16 – неподвижная емкость;

17 – тензометрический датчик крутящего момента;

18 – подвижная емкость;

19 – подшипниковая опора;

20–заборный насос;

21 – фильтрационный бак;

22 – плунжерный насос;

23 – датчик расхода жидкости;

24 – приводной электродвигатель;

25– блок управления;

26 – частотный преобразователь лебедки;

27 – частотный преобразователь насоса;

28– компьютер;

29 – щит электроснабжения.

Стенд для исследования процесса разрушения горной породы возвратно-вращательным способом состоит из колонкового набора 1 (фиг.1), кабельный замок 2 которого с возможностью съема связан с электрической лебедкой 3 через грузонесущий кабель 4, проходящий через шкив 5, который установлен на верхней части трехгранной вышки 6. Кабельный замок 2 с возможностью съема связан с корпусом нагрузочной секции 7, которая с возможностью съема связана с корпусом шагового электродвигателя 8. Корпус шагового электродвигателя 8 с возможностью съема связан с корпусом механической секции 9, на конце выходного вала которой с возможностью съема установлен переходник 10, который с возможностью съема связан с валом вертлюга 11. Выходной вал вертлюга 11 с возможностью съема связан с хвостовиком колонковой трубы 12, которая жестко соединена с буровой коронкой 13. В корпусе колонковой трубы 12 выполнено отверстие, в которое установлен датчик вибрационных колебаний 14. Датчик линейного перемещения 15 жестко закреплен на нижней поверхности верхней части трехгранной вышки 6. На внутренних стенках в нижней части неподвижной емкости 16 с возможностью съема установлены тензометрические датчики крутящего момента 17. Свободный торец датчиков крутящего момента 17 установлен с возможностью съема в креплении неподвижной емкости 16. Нагружаемый торец датчиков крутящего момента 17 установлен в креплении подвижной емкости 18, которая установлена на подшипниковой опоре 19. Заборный насос 20 соединен с фильтрационным баком 21 через гибкий шланг, штуцер которого соединен с входным патрубком плунжерного насоса 22 через гибкий шланг. Выходной патрубок плунжерного насоса 22 через гибкий шланг соединен с датчиком расхода жидкости 23, который связан с входным патрубком вертлюга 11 через гибкий шланг. Вал плунжерного насоса 22 механически связан с валом приводного электродвигателя 24. Датчик вибрационных колебаний 14, тензометрические датчики крутящего момента 17, датчик расхода жидкости 23 и датчик линейного перемещения 15 электрически связаны с входами блока управления 25. Электрическая лебедка 3 электрически связана с частотным преобразователем 26, который электрически связан с щитом электроснабжения 29. Приводной электродвигатель 24 электрически связан с частотным преобразователем 27, который электрически связан с щитом электроснабжения 29. Информационные входы и выходы компьютера 28 связаны с информационными входами-выходами блока управления 25.

Стенд для исследования процесса разрушения горной породы возвратно-вращательным способом работает следующим образом.

Перед проведением опыта нагрузочную секцию 7 заполняют утяжелителем, в роли которого может выступать песок, свинец и другие тяжелые материалы. В отверстие колонковой трубы 12 устанавливают датчик вибрационных колебаний 14. Осуществляют сборку колонкового набора 1. С помощью автоматического выключателя, установленного в щите электроснабжения 29, подают напряжение на клеммы частотного преобразователя 26, выходное напряжение которого подается на обмотки электродвигателя электрической лебедки 3. В частотном преобразователе 26 выставляют необходимое значение скорости вращения электродвигателя. Начинает вращаться барабан электрической лебедки 3, и колонковый набор 1 занимает свое исходное положение.

Подвижную емкость 18 устанавливают на подшипниковую опору 19. Затем подвижную емкость 18 и фильтрационный бак 21 заполняют технической водой до необходимого уровня. В неподвижную металлическую емкость 16 с технической водой погружают заборный насос 20. С помощью автоматического выключателя, установленного в щите электроснабжения 29, осуществляют подачу напряжения на клеммы частотного преобразователя 27, выходное напряжение которого подается на обмотки приводного электродвигателя 24 плунжерного насоса 22.

Включают компьютер 28.С помощью автоматического выключателя, установленного в щите электроснабжения 29, подают напряжение на блок управления 25. Выполняют проверку входных и выходных сигналов датчика расхода жидкости 23, датчика вибрационных колебаний 14, тензометрических датчиков крутящего момента 17, датчика линейного перемещения 15 и сигналов управления шаговым электродвигателем 8.

Кнопками управления частотного преобразователя 27 запускают плунжерный насос 22. После того, как цилиндры плунжерного насоса 22 будут заполнены технической водой, осуществляют запуск заборного насоса 20 для создания замкнутой циркуляции технической воды.

Эксперимент начинается с выставления значения частоты и амплитуды колебаний породоразрушающего инструмента в программном обеспечении компьютера 28. Реализуется возвратно-вращательное движение буровой коронки 13. С помощью кнопок управления частотного преобразователя 26 выставляют заданное значение скорости подачи колонкового набора 1 на искусственный забой. В момент соприкосновения буровой коронки 13 с образцом горной породы начинается процесс бурения. Данные о скорости подачи колонкового набора 1 на искусственный забой, расходе промывочной жидкости, крутящем моменте, частоте и амплитуде колебаний буровой коронки, вибрационных колебаниях передаются на блок управления 25, где осуществляется их обработка и запись, а затем выводятся в специализированном программном обеспечении компьютера 28.

Продукты разрушения горной породы удаляются заборным насосом 20 через гибкий шланг в фильтрационный бак 21, в котором происходит очистка технической воды от частиц горной породы через систему фильтров. Очищенная воды нагнетается плунжерным насосом 22 в центральное отверстие колонковой трубы через вертлюг 11. По достижении глубины бурения 20 см подачу колонкового набора 1 останавливают. С помощью кнопок управления частотным преобразователем 26 меняют направление вращения барабана электрической лебедки 3. Колонковый набор 1 поднимают вверх на 10 см и отключают напряжение на обмотках шагового электродвигателя 8, останавливая вращение буровой коронки 13. Останавливают работу плунжерного насоса 22 и заборного насоса 20.

По окончании эксперимента колонковый набор 1 занимает исходное положение. Осуществляют проверку работоспособности всех систем и датчиков.

Определение оптимальных режимных параметров бурения горной породы достигается за счет применения в конструкции стенда шагового электродвигателя, реализующего возвратно-вращательное движение буровой коронки, датчика расхода жидкости, тензометрических датчиков крутящего момента, электрической лебедки, реализующей подачу колонкового набора на забой, нагрузочной секции, что позволяет путем проведения экспериментов, моделирующих процесс разрушения горной породы возвратно-вращательным способом, подобрать оптимальные значения частоты и амплитуды колебаний буровой коронки с учетом физико-механических свойств конкретной породы. Достоверность результатов эксперимента обеспечена возможностью проведения полнофакторных серий экспериментальных исследований.

Изобретение относится к стендовому оборудованию для исследования процесса разрушения горных пород возвратно-вращательным способом, в частности при бурении скважин в подледниковых горных породах Антарктиды и островах Арктической зоны, а также в условиях вечной мерзлоты. Техническим результатом является определение оптимальных режимных параметров бурения горной породы. Стенд для исследования процесса разрушения горных пород возвратно-вращательным способом включает колонковый набор, кабельный замок которого с возможностью съема связан с электрической лебедкой через грузонесущий кабель, проходящий через шкив, который установлен на верхней части трехгранной вышки. При этом кабельный замок с возможностью съема связан с корпусом нагрузочной секции, которая с возможностью съема связана с корпусом шагового электродвигателя, который с возможностью съема связан с корпусом механической секции, на конце выходного вала которой установлен переходник, который связан с валом вертлюга, выходной вал вертлюга с возможностью съема связан с хвостовиком колонковой трубы, которая жестко соединена с буровой коронкой. В корпусе колонковой трубы выполнено отверстие, в которое установлен датчик вибрационных колебаний, датчик линейного перемещения, жестко закрепленный на нижней поверхности верхней части трехгранной вышки, подвижную и неподвижную емкости. На внутренних стенках в нижней части неподвижной емкости с возможностью съема установлены тензометрические датчики крутящего момента. При этом свободный торец датчиков крутящего момента установлен с возможностью съема в креплении неподвижной емкости, а нагружаемый торец датчиков крутящего момента установлен в креплении подвижной емкости. Плунжерный насос и заборный насос, соединенный с фильтрационным баком через гибкий шланг, штуцер которого соединен гибким шлангом с входным патрубком плунжерного насоса, который через гибкий шланг соединен с датчиком расхода жидкости, который через гибкий шланг связан с входным патрубком вертлюга. Вал плунжерного насоса механически связан с валом приводного электродвигателя. Электрическая лебедка электрически связана с частотным преобразователем, который электрически связан с щитом электроснабжения, приводной электродвигатель электрически связан с частотным преобразователем. Датчик вибрационных колебаний, тензометрические датчики крутящего момента, датчик расхода жидкости и датчик линейного перемещения электрически связаны с входами блока управления, информационные входы и выходы которого связаны с информационными входами и выходами компьютера. 1 ил.

Стенд для исследования процесса разрушения горных пород возвратно-вращательным способом, включающий колонковый набор, кабельный замок которого с возможностью съема связан с электрической лебедкой через грузонесущий кабель, проходящий через шкив, который установлен на верхней части трехгранной вышки, при этом кабельный замок с возможностью съема связан с корпусом нагрузочной секции, которая с возможностью съема связана с корпусом шагового электродвигателя, который с возможностью съема связан с корпусом механической секции, на конце выходного вала которой установлен переходник, который связан с валом вертлюга, выходной вал вертлюга с возможностью съема связан с хвостовиком колонковой трубы, которая жестко соединена с буровой коронкой, при этом в корпусе колонковой трубы выполнено отверстие, в которое установлен датчик вибрационных колебаний, датчик линейного перемещения, жестко закрепленный на нижней поверхности верхней части трехгранной вышки, подвижную и неподвижную емкости, при этом на внутренних стенках в нижней части неподвижной емкости с возможностью съема установлены тензометрические датчики крутящего момента, при этом свободный торец датчиков крутящего момента установлен с возможностью съема в креплении неподвижной емкости, а нагружаемый торец датчиков крутящего момента установлен в креплении подвижной емкости, плунжерный насос и заборный насос, соединенный с фильтрационным баком через гибкий шланг, штуцер которого соединен гибким шлангом с входным патрубком плунжерного насоса, который через гибкий шланг соединен с датчиком расхода жидкости, который через гибкий шланг связан с входным патрубком вертлюга, причем вал плунжерного насоса механически связан с валом приводного электродвигателя, электрическая лебедка электрически связана с частотным преобразователем, который электрически связан с щитом электроснабжения, приводной электродвигатель электрически связан с частотным преобразователем, при этом датчик вибрационных колебаний, тензометрические датчики крутящего момента, датчик расхода жидкости и датчик линейного перемещения электрически связаны с входами блока управления, информационные входы и выходы которого связаны с информационными входами и выходами компьютера.