ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕДАЧИ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ЧЕРЕЗ РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ПРИ ВРАЩАТЕЛЬНО-УДАРНОМ БУРЕНИИ ПИЛОТНЫХ СКВАЖИН ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ

Abstract

Актуальность. Пилотные скважины при горизонтально-направленном бурении можно отнести к скважинам малого диаметра, которые находят широкое применение в горном деле, в частности, для детальной разведки и подземной разработки руд цветных металлов, для дегазации горных выработок угольных шахт, а также во многих других отраслях промышленности, где необходимо по технологическим или техническим условиям ограничивать диаметр скважины. Для эффективного бурения таких скважин в перемежаемых по твердости горных породах буровые установки оснащаются ударными механизмами, формирующими в бурильной колонне ударные (силовые) импульсы в виде волн упругой деформации, воздействующие через бурильную колонну на разрушаемую горную породу.При этом неизбежно рассеивание энергии импульсов в резьбовых соединениях. Если соединения бурильных труб предназначены только для вращательного бурения, то потери энергии силовых импульсов в них могут быть недопустимо большими, а работоспособность и прочность существенно снижены. Хотя резьбовые соединения принято считать неподвижными, в действительности при одновременном нагружении их крутящим моментом, усилием подачи на забой бурового инструмента и силовыми импульсами неизбежно возникают малые проскальзывания по контактным поверхностям элементов соединений бурильных труб. На этих относительных перемещениях совершают работу силы трения, вызывая энергетические потери, количественно оценить которые можно экспериментальным путем.Научное обоснование и разработка рекомендаций по проектированию и созданию новых конструкций резьбовых соединений бурильных колонн для повышения эффективности способа вращательно-ударного бурения скважин является актуальной научно-технической задачей. Цель: выполнить анализ динамических процессов в резьбовых соединениях бурильной колонны при передаче силовых импульсов от ударного узла к породоразрушающему инструменту;построить гистерезисные диаграммы, позволяющие на основе выполненных экспериментов оценить энергетические потери, связанные с работой сил неупругого сопротивления в местах контакта сопряженных деталей резьбовых соединений во время распространения через них силовых импульсов;показать на примерах бесполезность попыток добиться эффективной передачи ударных импульсов через соединения труб, применяемых при вращательном способе бурения, и обосновать рекомендации по разработке принципиально новых ниппельных соединений труб, предлагаемых Национальным исследовательским Томским политехническим университетом для бурения пилотных скважин, ранее успешно прошедших производственные испытания на рудниках цветной металлургии в Кыргыстане и Казахстане с непосредственным участием авторов. Объектом исследования являются бурильные колонны с муфтовыми и ниппельными соединениями, которые применяются при вращательно-ударном способе бурения скважин, а также резьбовые соединения труб для пилотных скважин горизонтально-направленного бурения. Методика: обзор источников научной литературы по вопросам передачи ударных импульсов по бурильной колонне; обоснование возможности эффективногоиспользования вращательно-ударного способа бурения для прокладки коммуникаций бестраншейным методом, а также определение величины потерь энергии в резьбовых соединениях труб на основе моделирования нагружения на лабораторном стенде. Результаты. На основе экспериментальной работы и компьютерного моделированияустановлены взаимосвязи параметров резьбовых соединений и эффективности передачи ударных импульсов по бурильной колонне; выявлено, что обеспечение минимально возможного значения жесткости соединительного элемента при наибольшей контактной жесткости сопряженных витков соединения приводит к повышению коэффициента передачи амплитуды силы и энергии импульсов. Применяемые в настоящее время соединения бурильных труб для горизонтально-направленного бурения скважин не пригодны для вращательно-ударного способа бурения из-за отражений волн деформации от участков резьбовых соединений бурильных труб без соединительных элементов (муфт или специальных ниппелей закрытого типа).