Обоснование параметров реечной буровой установки для бурения наклонных и горизонтальных скважин большого диаметра с изменяющимся профилем

Основной причиной расширения возможностей буровой отрасли для добычи рудных полезных ископаемых является появление нового поколения мобильных реечных универсальных буровых станков. Результаты разработки, производства, испытания и отраслевого внедрения одной из первых моделей станков данного типа, проведенные под руководством автора, легли в основу данной работы и обусловили ее научную новизну.
На момент написания данной работы станков, которые могли бы пробурить го- ризонтальную скважину с наклонным устьем длинной более 1 километра на малой глубине, в десятки или сотни раз увеличив длину доступа к продуктивному пласту из одной скважины, не было. При этом бурение горизонтальной скважины диамет- ром до 2 м по пласту на длину несколько километров могло бы значительно увели- чить производительность вышеописанной технологии. В связи с этим в данной ра- боте исследования сфокусированы на бурении наклонных и горизонтальных сква- жин с горизонтальным участком ствола, поскольку это увеличивает площадь кон- такта скважины и рудного тела, а это в свою очередь неизменно приводит к повы- шению производительности скважины по добыче полезных ископаемых.
Идея формирования структур и схем работы буровых установок предложена и
развита исследователями, указанными выше, и позволила на качественно новом уровне обосновать этапы развития средств механизации, решить ряд задач анализа и синтеза систем оборудования, а также установить зависимости, определяющие ра- бочие, конструктивные и технологические параметры горных машин. Эти зависимо- сти легли в основу наших теоретических исследований по изучению процесса раз- рушения массива горной породы с вращательным воздействием на забой при буре-
нии горизонтальных скважин различными типами буровых установок.
Для расчета оптимальной нагрузки на долото методами Морера, Бургойна и
Юнга необходимы статистические данные с ранее пробуренных скважин. При от- сутствии статистических данных перед началом проекта удобно пользоваться урав- нением Гейла и Вудса, которые в своей работе описали влияние нагрузки на долото
на скорость бурения в следующих частично эмпирических уравнениях:
, (1)
где – скорость бурения; dD – приращение по глубине, м; dt – приращение по
времени, час; K – коэффициент буримости породы, м/час; r – функция
скорости долота, об/мин; a p – экспонента потери давления на зуб в забое скважины.
ω
, – угловой
Существующие методики определения скорости бурения и эксплуатационной про- изводительности буровой установки не принимали во внимание крутящий момент и дополнительные нагрузки от перемещения колонны в стволе сверхдлинной скважины: нагрузки от волнового изгиба трубы, нагрузки от трения трубы о грунт и трения буро- вой колонны о буровой раствор, а следовательно, они нуждаются в корректировке.
что это наиболее важная зависимость, поскольку в этом состоит принципиальное отличие внедряемого станка от традиционных буровых станков, используемых в нефтегазовой отрасли и привлекаемых в рудную отрасль для строительства скважин с целью добычи рудных полезных ископаемых. При этом
Проведѐнный анализ аналитического выражения зависимости производитель-
ности (или скорости бурения) от нагрузки на долото позволяет сделать вывод о том,
ке скважины при исследовании скорости бурения скважины реечным буровым стан- ком в формулу (1) необходимо ввести коэффициент, учитывающий влияние наклона скважины на измерение нагрузки на долото на валу буровой установки. Соответ-
Fb = dbr, (2)
на горизонтальном участ-
ственно приведенная осевая нагрузка на долото примет вид:
где Fb – нагрузка, измеренная на валу буровой установки гидравлическим или тен-
зометрическим способом. При работе скважинного расширителя значение нагрузки
может меняться.
га, Н/м2; I – момент инерция сечения, м4.
= Fизгиба + Fтр.раств + Fтр.грунт, (3)
где Fизгиба – сопротивление трубы изгибу в скважине; Fтр.раств. – трение трубы и бу-
рового раствора; Fтр.грунт – трение трубы о грунт.
, (4)
где Fизгиба – сила сопротивления упругому изгибу, кН; kf – коэффициент трения; L – длина проходки, м; F – сумма осевых усилий без учета сопротивления изгибу, кН; Wgap – разница между радиусом забоя и радиусом буровой трубы, м; E – модуль Юн-
Физический смысл формулы (4) показан на рисунке 1:
Рис. 1. Расчѐтная схема сопротивления упругому волновому изгибу трубы в скважине:
λ – длина волны изгиба; FN – проекция радиальных изгибающих нагрузок в сечении скважи-
ны; φ – угол изгиба трубы; gap – перемещение сечения трубы относительно сечения скважины.
Сила трения между колонной и буровым раствором рассчитывается по следую-
щей формуле:
Fтр.раств.= LπDk, (5)
где Fтр.раств – сила трения между колонной и буровым раствором; L – длина участка расчетного участка скважины; D – внешний диаметр трубы; kf – коэффициент тре-
ния между трубой и буровым раствором.
∑ , (6)
где G – вес трубы в скважине, кН; kтр – коэффициент трения; – средний угол
наклона скважины.
Таким образом, с учѐтом разработанных нами поправок на учѐт технологии
наклонного горизонтального бурения формула 1 примет вид:
∑ ()
.
[ ( )]
(7)
где Fb – достижимая нагрузка на долото, Н; kтр – коэффициент трения трубы о грунт; F – вес одного метра колонны, Н; G – вес колонны; L – длина колонны над
долотом, м.
На наклонном участке скважины значение нагрузки на долото Fb должно быть
рассчитано по формуле (8):
∑ , (8)
При этом горизонтальный участок колонны в скважине необходимо будет сдви-
нуть при помощи веса колонны на наклонном участке, поэтому общий вид уравнения
для расчета нагрузки на долото при работе канатным станком примет следующий вид:
∑ ∑ (9)
где L1 – длина наклонного участка, м; L2 – длина горизонтального участка, м; α – среднее арифметическое значение углов на каждой трубе от входа в скважину до
выхода на горизонтальный участок, градусов.
Таким образом, разработана математическая модель функционирования буро- вого станка, отличающаяся тем, что она учитывает влияние рабочих параметров, угла наклона скважины, а также физических свойств разбуриваемых горных пород на его производительность.
Зависимости, построенные по формуле (9), и результаты теоретических изыс-
каний представлены на рисунке 2.
0,40 0,30 0,20 0,10
–
R=15MПа R=30MПа
R=60MПа R = 90 MПа
–
5 000,00 Песчаник
10 000,00 Гранит
15 000,00
20 000,00
Известняк Доломит
Рис. 2. Зависимости производительности от нагрузки на долото
25 000,00
Нагрузка на долото, Нх10
30 000,00 35 000,00
в различных геологических условиях
Производительность бурения, м/мин

Из рис. 2 можно сделать вывод, что максимальная скорость бурения обеспечи-
вается при одной определенной нагрузке на долото. Нагрузка, обеспечиваемая уста- новкой, должна быть выше, чем предельно допустимая нагрузка на самое большое
долото, которое может использоваться с данной буровой установкой.
Используем известную формулу для определения производительности буровой установки, описанную в исследовании Р.С. Прессье (R.C. Pressier) и М.Д. Фьера (M.D. Fear):
(10)
()
где Db – диаметр долота, м; Т – момент вращения, Нм; С0 – прочность породы на одноосное сжатие, Па.
Подставив значения Fb для канатной, а также для реечной установки из формулы (9), получим следующие значения параметров для двух типов установок, исходя из тех-
нических параметров:
Таблица 1
Канатная установка
35 (максимально
достижимый момент) 9
200 20–90
Расчет производительности буровой установки в зависимости
от прочности породы и технических характеристик бурового станка
Наименование параметра
Угловая скорость долота Крутящий момент
Диаметр долота
Осевая нагрузка на долото Прочность породы на сжатие
Пере- Единица менные измерения
Реечная установка 50
45 (максимальный момент – 70 кНм)
9–17
200
20–90
ω
T
d Fb С0
об/мин кНм
дюймов кН МПа
Сравнение зависимостей производительностей канатного и реечного станков от
различных параметров представлено на рисунке 3.
120 100 80 60 40 20 0
Внедряемый, долото 17 дюймов Внедряемый, долото 15 дюймов Внедряемый, долото 12 дюймов Внедряемый, долото 9 дюймов Канатный, долото 9 дюймов
ω

Fb
0 20 40 60 80 100 Прочность породы, МПА
Рис. 3. Зависимости производительности станка от прочности породы
для внедряемого и канатного станков
Зависимость показывает, что производительность бурения обратно пропорцио-
нальна прочности породы, что обусловлено тем фактом, что для разрушения и выноса более прочной породы следует приложить большее количество энергии, при этом при
уменьшении диаметра долота скорость растет.
Производительность, м/час

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что производи- тельность буровой установки при проходке наклонных и горизонтальных скважин находится в параболической зависимости от нагрузки на долото, а также прочности на одноосное сжатие горных пород и прямо пропорциональна угловой скорости до- лота и крутящему моменту на валу, причѐм значение крутящего момента, при кото- ром достигается максимальная скорость бурения, зависит от нагрузки на долото и длины формируемой в массиве скважины.
Из анализа литературных источников, приведѐнного в первой главе настоящей работы, а также из опыта проведения теоретических расчѐтов известно, что момент инерции буровой трубы рассчитывается по следующей формуле:
Ix,y = πD4/64 – πd4/64, (11)
где D – наружный диаметр трубы, см; d – внутренний диаметр трубы, см.
На основании проведѐнных по формуле (11) расчѐтов построены графики тео-
ретических зависимостей, представленных на рисунке 4.
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000
– 5 000,00 10 000,00 15 000,00 20 000,00 25 000,00 30 000,00 35 000,00
Нагрузка на долото, Fb, Н Ряд1 Ряд2 Ряд3
скв μ

4

сж сμ
h

Рис. 4. Зависимости момента сопротивления вращению колонны от нагрузки на долото для колонны бурильных труб
Буровые долота для труб 168 и 157 мм могут выдержать нагрузку 3 тонны, но максимальная нагрузка на долота для колонны 127 мм не превышает 2 тонн.
Анализ зависимостей, представленных на рисунке 4, позволяет сделать следу- ющие выводы: крутящий момент на валу двигателя находится в квадратичной зави- симости от нагрузки на долото, а также длины скважины, и достигает максимальных значений 60–70 кНм при диаметре долота 168 мм и длине скважины 1500 м.
При расчете элементов буровой установки на прочность и устойчивость следу- ет уделить внимание всем нагруженным элементам. Основные нагруженные кон- струкции буровой установки – это мачта 1 и параллелограммный механизм 4 (рис. 5). Поскольку в процессе пробного бурения с использованием машин ГНБ вы- яснилось, что тиски установки ломают фильтры, необходимо также рассчитать прочность фильтров на сжатие. Результаты расчетов должны определить точность регулировки усилия сжатия тисков новой установки.
Уникальность расчета на прочность данной буровой установки заключается в том, что во внимание принимаются не только элементы установки, но и трубы, с которыми работает установка.
Крутящий момент, M, Нм

Рис. 5. Кинематическая схема буровой установки
Рис. 6. Графическая интерпретация результата расчѐта мачты на изгиб.
Результаты расчета параллелограммного механизма показывают, что макси- мальные напряжения – 210 МПа возникают в районе сварных швов при вертикаль- ном положении мачты и не превышают предела текучести, прочность механизма обеспечивается (рис. 7).
Рис. 7. Графическая интерпретация результата расчѐта параллелограммного механизма на прочность при наклоне мачты 30 градусов (нагрузка на поршни – 140 т)
11

Опыт эксплуатации буровой установки показывает, что конструкция мачты подразумевает работу с опорой на переднею плиту и задние телескопические опоры, что снимает нагрузку с параллелограмма в процессе эксплуатации.
Кроме того, установка для бурения горизонтальных направленных скважин должна обладать большим крутящим моментом, чем установка для бурения вертикальных скважин того же диаметра из-за сопротивления колонны вращению в скважине.
Подтверждение результатов теоретических исследований, а также определение рациональных рабочих параметров реечной буровой установки производился в про- мышленных условиях на промышленном образце реечной буровой установки ADI360 VS производства Advanced Drilling Innovations (США), разработчиком и патентодержателем которой является автор настоящей работы. Общий вид установ- ки показан на рисунке 8.
Рис. 8. Общий вид промышленной реечной буровой установки ADI360 VS (г. Ухта, Республика Коми, ноябрь 2018 года)
Основные технические характеристики станка приведены в таблице 2.
Основные технические характеристики станка ADI360 VS
Таблица 2
No Параметр
1 Усилие прямой и обратной тяги
2 Крутящий момент на валу
3 Мощность двигателя
4 Максимальная скорость движения каретки
6 Диаметр тисков
7 Угол подъема мачты
8 Тип верхнего привода (движение и вращение)
9 Угловая скорость вращения вала
Значение
150 тонн
70 кНм
600 кВт
90 м/мин
477 мм
От 6 до 90 градусов Гидравлический. Без редуктора 120 об/мин
Многофункциональная наклонная буровая установка ADI 360 VS предназначена для бурения силовым вертлюгом, забойным двигателем вертикальных и наклонно- горизонтальных скважин с большой длиной горизонтального участка скважины, в том числе на экстремально малых глубинах, начиная от поверхности земли. Наклонная буровая установка (НБУ) состоит из многофункциональной (самоходной) наклонной буровой установки, дополнительного и вспомогательного оборудования.
Буровая установка с регулируемым приводом блочно-модульного исполнения с наклонной мачтой и реечным механизмом передвижения силового вертлюга обес- печивает применение различных способов бурения при строительстве нефтяных, газовых, геотермальных и геологоразведочных скважин. Тип бурения – роторный, либо турбинно-роторный (рис. 9).
Рис. 9. Буровая установка ADI 360 VS с наклонной мачтой, установленной под углом 45
Рис. 10. Система анкеров и бокового перемещения мачты 13

Запатентованная автором работы система бокового перемещения мачты отли- чает данную разработку от остальных установок и позволяет легко центровать ма- шину на существующем устье. Это значительно снижает время на центровку мачты при установке машины на устье существующей скважины, что снижает эксплуата- ционные расходы при строительстве скважины.
Сравнение технических параметров внедряемой установки с существующими производителями
Таблица 3
Advanced Drilling Innovations (США) 2018 год
ADI 360VS 8–90 150 т
70 кНм 120 об/мин Двойная
зубчатая рейка 12 м
–40/+45° API, Русский серт.
90 м/мин 102–477 мм +
Гусеничное шасси +
+ Модульное исполнение
30 т
На борту
John Deer 600 кВт
Параметр
Модель
Угол бурения Тяговое/толкающее усилие Крутящий момент
Макс. угловая скорость Тип передачи тягово- толкающего усилия Макс. длина обсадных труб
Температурный режим
Взрывозащищенность
Скорость движения каретки Диапазон зажим тисков Автоматическая подача штанг Вид движителя
Роторный стол Спайдер-элеватор
Транспортировка
Вес для транспортировки самой тяжелой части
Силовой агрегат
Двигатель Мощность двигателя
Herrenknecht (Германия) 2016 год
HK150CS 8–90° 150/150 т 60 кНм
80 об/мин Двойная зубчатая рейка
12 м
–40/+45°
ED 94/9/EG (Atex95)
30 м/мин 102–355 мм
+ Гусеничное шасси +
+ Модульное исполнение
35 т
20-футовый контейнер
Caterpilar С18 470 кВт
Prime Drilling (Германия) 2015 год
PV 150/70 RP MDD 8–60° 150/150 т
60 кНм
100 об/мин Двойная зубчатая рейка
14 м
–45/+40°
+
ATEX
35 м/мин 105–410 мм
+ Гусеничное шасси –
– Возможно модуль- ное исполнение
49 т (при цельной транспортировке)
Встроенный на установке
Caterpillar C13 330 кВт
Streicher (Германия) 2017 год
SVR 150 35–90°
80 т
43,5 кНм 200 об/мин Двойная зубчатая рейка
12 м
–40/+40° ED 94/9/EG (Atex95) 45 м/мин 89–340 мм + Трейлер +
+ Цельное исполнение
78 т
30-футовый высокообъемный контейнер Caterpillar C27 780 кВт
Габаритные размеры для транспортировки самой габаритной части
15,55×2,98×2,6 м
20,9×2,5×3,2 м (при цельной транспортировке)
24×3×4,2 м
20,9×2,5×3,2 м Разбирается
на части, есть опыт перевоз- ки станков вертолетами
Для уменьшения числа экспериментов и определения влияния различных факторов на производительность буровой установки, а также для определения направления изме- нения фактора для увеличения производительности буровой установки было проведено планирование эксперимента методом крутого восхождения (Бокса-Уилсона).
В качестве функции отклика была принята производительность буровой уста- новки.
Пределы варьирования различных факторов сведены в таблицу 4. 14

Пределы варьирования факторов при планировании эксперимента
Таблица 4
Наименование параметра
Пере- менные
Единицы измерения
Диапазон значений
Коэффи- циент регрессии
Влияние фактора
Направление измерения фактора
Угловая скорость долота Крутящий момент
Диаметр долота
Осевая нагрузка на долото Прочность породы на сжатие Длина скважины
Скорость движения буровой каретки
ω Об/мин 20–80
T кНм 5–70
D мм 142,9–393,7
Fb кН 50–300 С0 МПа 20–90
L м 1000–2000 V м/мин 0–90
+62,5 +61,3 +29,4 +85,4 –65,6 –27,5
–17,4
Сильное Сильное Слабое
Увеличение Увеличение Увеличение
Сильное Уменьшение Сильное Увеличение Слабое Уменьшение
Слабое Уменьшение
Анализ данных, представленных в таблице 4, а также проведѐнное ранжирова- ние факторов по уровню значимости позволяет сделать следующий вывод: на про- изводительность буровой установки наиболее существенное влияние оказывают четыре фактора: осевая нагрузка на долото, прочность породы на сжатие, угловая скорость долота и крутящий момент. Диаметр долота, скорость движения буровой каретки и длина скважины оказывают значительно меньшее влияние на производи- тельность, чем перечисленные выше четыре фактора.
На основании данных, представленных в таблице 4, в основной матрице плани- рования экспериментальных исследований были внесены четыре вышеуказанных фактора, проведена серия экспериментов и получено общее уравнение регрессии:
4 (12)
Кроме того, были получены парные зависимости производительности реечной бу- ровой установки ADI 360 VS от еѐ основных рабочих и технологических параметров.
В частности, нами была проведена серия экспериментов по установлению зави- симостей производительности от диаметра долота (рис. 11).
250
150
50 0
1. Q = 7281.2d-1.959
2. Q = 6303d-2.086
3. Q = 1805.4d-1.83
4. Q = 1251.1d-1.878
3 4
4,00
6,00
20 МПа
8,00 10,00 12,00 14,00
Диаметр долота d, дюймов
30МПа 60 МПа
90 МПа
16,00
Рис. 11. Зависимости производительности от диаметра долота
Анализ данных зависимостей позволяет говорить о том, что производительность бу- ровой установки находится в гиперболической зависимости от диаметра долота.
Производительность Q, м/час

Из анализа зависимости, приведѐнной на рисунке 12, можно сделать вывод, что по- вышенный крутящий момент, заложенный в конструкцию буровой установки, обосно- ван и соответствует математическим зависимостям, выведенным во второй главе данной работы. Результаты измерения также подтверждают математические зависимости, вы- веденные для момента сопротивления колонны вращению в скважине.
Рис. 12. Результаты измерений крутящего момента на валу буровой установки от длины скважины с бурильными трубами 127 мм при постоянной нагрузке на долото от 1 до 2 тонн
При этом подтверждѐн вывод, сделанный по результатам теоретических исследо- ваний настоящей работы: крутящий момент на валу двигателя находится в квадратич- ной зависимости от нагрузки на долото, а также длины скважины, и достигает макси- мальных значений 60–70 кНм при диаметре долота 168 мм и длине скважины 1500 м.
Для подтверждения достоверности полученных результатов необходимо прове- сти сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также оценить степень их сходимости.
В качестве примера на рисунке 13 представлены результаты сравнения теоре- тических и экспериментальных исследований.
Сравним теоретические и экспериментальные зависимости производительности от нагрузки на долото, представленные на рисунке 13.
Сплошными линиями обозначены теоретические кривые, а пунктирными – экс- периментальные. Как видно из рисунка, результаты теоретических и эксперимен- тальных исследований незначительно отличаются друг от друга. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей показал адекватность разработанной математической модели функционирования буровой установки ре- альным условиям еѐ эксплуатации. Сходимость результатов теоретических и экспе- риментальных исследований при доверительной вероятности 0,95 составляет 89 %.
Сравнение результатов исследований, представленных на этих рисунках, ещѐ раз подтверждает справедливость и обоснованность следующего вывода: производитель- ность буровой установки при проходке наклонных и горизонтальных скважин нахо- дится в параболической зависимости от нагрузки на долото, а также прочности гор-
16

ных пород, и прямо пропорциональна угловой скорости долота и крутящему моменту на валу, причѐм значения крутящего момента, при которых достигается максимальная скорость бурения, зависят от нагрузки на долото и длины пробуриваемой скважины, что доказывает одно из научных положений, защищаемых в данной работе.
0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
–
5 000,00
10 000,00
15 000,00
Гранит Доломит
20 000,00
Нагрузка на долото, Нх10
25 000,00
30 000,00
Песчаник Известняк
зависимостей
Рис. 13. Сравнение теоретических и экспериментальных
На рисунке 14 представлены диаграммы бурения скважин с применением ка- натного и реечного станков.
производительности от нагрузки на долото
Рис. 14. Диаграммы бурения скважин с применением канатного и реечного станков
Диаграммы бурения, приведенные на рисунке 14, показывают, что часть операций
производится параллельно. При этом следует обратить внимание на то, что различие в
скорости бурения в начале скважины значительно выше, чем при завершении.
Производительность, М/мин

Таким образом, можно сказать, что результаты практического внедрения рееч-
ной буровой установки подтвердили теоретические расчеты, при этом расчеты и практика показывают более высокую интенсивность реечного бурового оборудова- ния для бурения скважин большого диаметра (чем больше долото, тем выше должна быть нагрузка) с наклонным устьем (в наклонном устье невозможно обеспечить не- обходимую осевую нагрузку только весом колонны). При этом конструкция уста- новки должна снижать время и расходы на монтажные операции (мобильность бу- ровой установки, применение временного многоразового свайного основания, авто- матическая центровка элементов обсадной колонны на мачте при переходе с одного диаметра на другой, центровка буровой мачты или шпинделя относительно устья
без отсоединения установки от анкерной системы).
Время монтажных и буровых операций при бурении скважин с устьем 45 гра-
дусов длиной полтора километра можно сравнить следующим образом:
Время монтажных операций (разница по времени). Мобильная универсальная
реечная установка с наклонной мачтой сокращает время монтажа (как при установке,
так и монтажные операции при изменении диаметра труб) на 8 дней / 1 скважину).
Время буровых операций. Мобильная универсальная реечная буровая со-
кращает время бурения скважин с наклонным устьем на 5 дней / 1 скважину.
Сравним данные, полученные при внедрении станков с данными практическо-
го внедрения:
1. 2.
167 / 105=1,59.
Внедряемый буровой станок
1500 метров / 9 дней = 167 метров в день
Традиционный буровой станок
1500 метров / (9 + 5 дней) = 105 метров в день
Следовательно, коэффициент повышения эффективности проходки, выводи-
мый при помощи расчета достижимой нагрузки на долото, подтвержден при внед-
рении реечной установки.
Эксплуатационная производительность при бурении скважин составит:
Реечная буровая установка
Канатная буровая установка
1500 метров / 21 день = 71 метр в день
1500 метров / (21 + 8 дней) = 51 метр в день
(одним станком за каждый день разработки
(одним станком за каждый день разработки
месторождения)
месторождения)
Практика показала, что эксплуатационная производительность внедряемого
станка в 1,3 раза выше, чем эффективность традиционных станков.
Из сравнения процессов бурения канатной и реечной буровыми установками можно сделать вывод о том, что значения коэффициента увеличения скорости бурения при использовании буровой установки по сравнению с применением канатного станка лежат в диапазоне 1,3–1,59 и достигают своего максимума на горизонтальном участке скважины.
Назначение экономико-математической модели заключается в установлении оптимальных параметров технологии бурения наклонных направленных скважин
На основе полученных зависимостей разработана экономико-математическая
модель технологии строительства скважин значительной длины (более 1500 метров) и диаметра (до 2 м) с наклонным устьем для добычи рудных полезных ископаемых, которые строятся при помощи мобильных наклонных реечных буровых установок с
усилием прямой и обратной тяги более 150 тонн.
диаметром, достаточным для добычи рудных полезных ископаемых с применением универсальных реечных мобильных буровых установок с наклонной мачтой.
В качестве критерия оптимальности принят минимум приведенных затрат, в формировании которого использовались расчеты эксплуатационных и капитальных затрат по существующим методикам с учетом корректировки и уточнений.
Основные параметры, на которых основывается анализ, – это затраты на строи- тельство скважины, где известными величинами являются диаметр скважины, длина горизонтального участка скважины, скорость бурения скважины, расход бурового раствора для бурения скважины, количество скважин.
При моделировании приведенных затрат по непосредственно буровым расхо-
дам учитываются такие их элементы, как расходы на заработную плату Сз.п, матери- алы См, амортизацию Са, энергию Сэ, монтаж-демонтаж См.д оборудования и удель- ные капиталовложения ЕнК:
Зпр =Сз.п +См +Са +Сэ +См.д +ЕнК, (13)
Доказано, что оптимальными являются следующие параметры технологиче- ской схемы: техническая производительность разработки забоя 149,1 м3/день; коли-
чество буровых установок 3, численность буровых бригад 3. Скорость проведения выработки при данных параметрах поточной технологической схемы составит 6 390 м/мес, при глубине пласта до 500 метров. Как минимум две третьих общей длины пробуренных скважин будет находиться непосредственно в пласте.
Внедрение технологии бурения, которая сможет фактически заменить выра- ботку скважиной, при условии применения специально предназначенного для этого
бурового оборудования, позволит значительно повысить экономическую эффектив- ность любого из скважинных методов добычи полезных ископаемых.
В заключение отметим область применения реечных установок для бурения направленных скважин изменяемого профиля с наклонным и вертикальным устьем. Эти установки могут быть использованы для:
 бурения скважин для добычи углеводородов;
 буренияскважиндлядобычибитумовспоследующейдобычейдиоксидати- тана и ванадия;
 бурения скважин для скважинной добычи золота методом выщелачивания или гидроразмыва;
 бурения сложных скважин для водоотведения в шахтах и карьерах;
 бурения скважин для геотермальной энергии;
 буренияскважиндлядегазацииугольныхпластовсдневнойповерхности;  бурения скважин для добычи различных руд;
 бурения скважин для добычи алмазов;
 бурения скважин для прокладки инженерных коммуникаций;
 строительства подземных хранилищ газа;
 бурения скважин для выщелачивания полезных ископаемых.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основании выполненных исследований осу- ществлено решение важной научно-технической задачи по обоснованию параметров реечной буровой установки для бурения наклонных и горизонтальных скважин большого диаметра с изменяющимся профилем, имеющей большое значение для горнодобывающей промышленности.
Основные научные выводы и результаты диссертационной работы заключают- ся в следующем:
1. Разработана математическая модель функционирования буровой установки для бурения горизонтальных и наклонных скважин гидродобычи твердых полезных ископаемых, определяющая ее производительность, отличающаяся тем, что она учитывает влияние рабочих параметров, угла наклона скважины, а также физико- механические свойства разрабатываемого массива горных пород.
2. Рассчитано,чтоприбурениискважинснаклоннымустьемреечнаябуровая установка при прочих равных условиях поддерживает большую производительность бурения, чем установка с традиционным канатным приводом.
3. Установлено, что производительность буровой установки при проходке наклонных и горизонтальных скважин находится в параболической зависимости от нагрузки на долото, а также прочности на одноосное сжатие горных пород и прямо пропорциональна угловой скорости долота и крутящему моменту на валу, причѐм значение крутящего момента, при котором достигается максимальная скорость бу- рения, зависит от нагрузки на долото и длины формируемой в массиве скважины. Это позволяет увеличить производительность бурения за счет рационального выбо- ра рабочих параметров установки при бурении горизонтальных скважин, так как реечная буровая установка обладает большим крутящим моментом и имеет возмож- ность контролировать осевое усилие на долото.
4. Определено, что крутящий момент на валу двигателя находится в квадратич- ной зависимости от нагрузки на долото, а также длины скважины, и достигает макси- мальных значений 60–70 кНм при диаметре долота 168 мм и длине скважины 1500 м.
5. Доказано, что значения коэффициента увеличения скорости бурения при использовании буровой установки по сравнению с применением канатного станка лежат в диапазоне 1,3–1,59 и достигают своего максимума на горизонтальном участке скважины.
6. Разработана методика расчѐта прочности и устойчивости основных кон- струкций реечной буровой установки нового типа.
7. Проведѐн анализ влияния усилия тисков буровой установки на фильтр тру- бы с ослабленным сечением. Результаты анализа обусловили необходимость уста- новки гидравлического оборудования для ограничения давления, а также интегра- ции системы ограничения давления в электронную систему управления буровой установкой.
8. Проведено ранжирование факторов, влияющих на производительность бу- ровой установки по уровню значимости, осуществлено планирование эксперимен- тальных исследований методом Бокса-Уилсона и составлено общее уравнение ре- грессии.
9. Получены зависимости прогиба мачты буровой установки в наклонном по- ложении от величины момента инерции сечения при максимальных эксплуатацион- ных нагрузках.
10.Получены выражения, дающие возможность определить производитель- ность буровой установки, крутящий момент на валу двигателя, а также рассчитать диапазоны значений рабочих параметров, в которых процесс бурения осуществляет- ся с максимальной эффективностью.
11. Построена сравнительная диаграмма применения канатной и реечной буро- вых установок, из которой следует, что при бурении горизонтальных скважин с уве- личением расстояния до забоя разница в значениях производительности реечной и канатной установки нелинейно возрастает.
12.Произведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований, на основании которого сделан вывод об адекватности аналитической модели результатам, полученным экспериментальным путѐм. Сходимость результа- тов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероят- ности 0,95 составляет 89 %.
13. Проведены промышленные испытания буровой установки ADI360 VS кон- струкции концерна «Robbins HDD» (США), работающей с рекомендованными в настоящей работе параметрами. Промышленные испытания, в том числе при бурении скважин на Ярегском месторождении сверхвязкой нефти (г. Ухта) показали достоверность результатов, полученных в ходе теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в настоящей работе.
14.Выработаны практические рекомендации по определению рабочих пара- метров реечной буровой установки. Данные рекомендации основаны на рациональ- ном подборе необходимого крутящего момента, осевого усилия, угловой скорости вала, конструкции опор мачты, конструкции системы автоматической центровки мачты и типа гидравлической системы.
15. Практический опыт эксплуатации реечных буровых установок лег в основу конструкции реечного станка нового поколения ADI360VS, разработанного автором работы и произведенного под его техническим руководством на заводе Robins HDD в США. На конструкцию буровой установки получен патент на имя автора. Две бу- ровые установки данного типа эксплуатируются в соответствии с рекомендациями, выработанными в рамках данной работы, ООО «Гольфстрим» на Ашальчинском месторождении компании ПАО «Татнефть» и одна установка эксплуатируется ООО «Современные Буровые Технологии» на Ярегском месторождении сверхвязкой нефти ПАО «Лукойл» для добычи диоксида титана и ванадия. Одна установка дан- ного типа находится в эксплуатации компанией Майклс Корпорейшн, Альберта (Канада).