Сравнительный анализ эффективности использования винтового бура на мерзлых грунтах

Введение. Бурение мерзлых и вечномерзлых грунтов является одним из сложных и энергоемких процессов производства земляных работ. Буровые инструменты, используемые на мерзлых грунтах, реализуют процесс бурения грунта деформацией резания или дробящего действия. Существующие буровые инструменты недостаточно эффективны в использовании, т.к. реализуют энергоемкие процессы бурения и не всегда пригодны для различных типов грунтов. Рассматривается винтовой бур, который реализует процесс разрушения грунта деформацией сдвига и скола, что является менее энергоемким.

Материалы и методы. На основе теоретических исследований взаимодействия трех типов буровых инструментов с мерзлым грунтом был проведен сравнительный анализ для определения эффективности использования винтового бура. Сравнивали технические показатели процесса бурения. Приведена методика определения эффективности использования винтового бура на базе анализа специальных целевых функций.

Результаты. Получены результаты сравнительного анализа буровых инструментов. В зависимости от характера деформации грунта определена эффективность одного бурового инструмента над другим. В результате сравнительного анализа скорости бурения и энергоёмкости процесса бурения была установлена эффективность винтового бура.

Заключение. В ходе проведенного сравнительного анализа установлена эффективность винтового бура, реализующего деформацию сдвига и отрыва грунта, обосновывающая целесообразность проведения дальнейших исследований.

1. Lev V. E., Lev V. E, Izzy M. K. Well drilling in permafrost regions: dynamics of the thawed zone. Polar Research. 2019. vol. 38.

2. Shan W. et al. Resistivity Model of Frozen Soil and HighDensity Resistivity Method for Exploration Discontinuous Permafrost. Electrical Resistivity and Conductivity. 2017. pp. 23-52.

3. Cao P. et al. Experimental study of the drilling process in debris-rich ice. Cold Regions Science and Technology. 2015. vol. 120. pp. 138-144.

4. Zubrzycki S. Drilling frozen soils in Siberia. Polarforschung. 2012; 81(2): 151-153.

5. Arenson L. U., Springman S. M. Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 C //Canadian Geotechnical Journal. – 2005; 42(2): 431-442.

6. Герасимов Д. С. [и др.]. О влиянии режима нагружения на механические свойства мерзлых грунтов //Наземные транспортно-технологические комплексы и средства. 2016. С. 73–77.

7. Yang Z. J., Still B., Ge X. Mechanical properties of seasonally frozen and permafrost soils at high strain rate. Cold regions science and technology. 2015, vol. 113, pp. 12-19.

8. Aksenov, V.I., Kal’bergenov, R.G. & Leonov, A.R. Strength Characteristics of Frozen Saline Soils. Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2003, 40:55–59

9. Yang Y., Lai Y., Chang X. Laboratory and theoretical investigations on the deformation and strength behaviors of artificial frozen soil //Cold regions science and technology. – 2010; 64(1): 39-45.

10. Zhou G. et al. Laboratory investigation on tensile strength characteristics of warm frozen soils //Cold Regions Science and Technology. – 2015. – Т. 113. – pp. 81-90.

11. Тимофеев Н.Г., Жирков А.Н. Концепция разработки инновационного породоразрушающего инструмента для бурения скважин в условиях криолитозоны // Евразийский союз ученых. 2015. №4. С. 151–154.

12. Talalay P. G. Introduction to Ice Drilling Technology. Mechanical Ice Drilling Technology. Springer, Singapore, 2016. pp. 1-8.

13. Ивкин В.С., Алашеев М.О. Влияние физи- ко-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ // Вестник УлГТУ. 2015. №3. С. 62–67.

14. Ивкин В. С., Вунберова Н. П. Малообъёмные, рассредоточенные зимние земляные работы в стеснённых условиях строительства // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2018. №. 2. С. 52–55.

15. Валигура Н. С. Способы бурения неглубоких скважин // Разведка и охрана недр. 2014. №. 2. С. 27–30.

16. Тимофеев Н. Г., Скрябин Р. М., Яковлев Б. В. Повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента при бурении скважин в многолетнемерзлых породах //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2017. №. 6. С. 105–113.

17. Скрябин Р. М., Леонтьев С. Н., Тимофеев Н. Г. Бурение скважин большого диаметра пневмоударным кластером в породах высокой категории бури- мости // Геология и минерально-сырьевые ресурсы северо-востока России. 2017. С. 570–574.

18. Li H., Liu S., Chang H. Experimental research on the influence of working parameters on the drilling efficiency. Tunnelling and Underground Space Technology. – 2020. – Т. 95. – pp. 103-174. https://doi.org/10.1016/j.tust.2019.103174

19. De Moura J. et al. Widening Drilling Operation: Performance Analysis on the Application of Fixed Cutter Drill Bits in Hard Rock Formation //International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. – American Society of Mechanical Engineers, 2020. – Т. 84430. – С. V011T11A078. https://doi.org/10.1115/OMAE2020-18836

20. Бугаев В. Г., Ереско С. П., Бугаев И. В. Выбор рационального угла резания мерзлых грунтов при бурении строительных скважин // Строительные и дорожные машины. 2018. №. 2. С. 30–36.

21. Богомолов Р. М. [и др]. Бурение дополнительных боковых стволов долотами PDC // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2018. №. 2. С. 17–20.

22. Панин Н. М., Богомолов Р. М. Совершенствование промывки шарошечных буровых долот // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2020. №. 9. С. 11–14.

23. Сериков Д. Ю. Анализ конструкций и технологий изготовления твердосплавного вооружения шарошечных буровых долот // Сфера. Нефть и Газ. 2017. №. 1. С. 30–35.

24. Darwesh A.K., Rasmussen T.M., Al-Ansari N. Controllable drilling parameter optimization for roller cone and polycrystalline diamond bits. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. – 2020. – Т. 10. – №. 4. – pp. 1657-1674.https://doi.org/10.1007/s13202-019-00823-1

25. Sporin, Jurij, et al. “The characterization of wear in roller cone drill bit by rock material–Sandstone.” Journal of Petroleum Science and Engineering – 2019. – Т. 173. – pp. 1355-1367. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.10.090

26. Zhang, Jie, and Yang Hu. “Mechanical behavior and sealing performance of metal sealing system in roller cone bits.” Journal of Mechanical Science and Technology – 2019. – Т. 33. – №. 6. – pp. 2855-2862. https://doi.org/10.1007/s12206-019-0533-5

27. Мартюченко И.Г., Зенин М.И. Перспективы развития бурового инструмента для вечномерзлых грунтов // Строительные и дорожные машины. 2019. №9. С.47–48.

28. Мартюченко И.Г., Зенин М.И. Взаимодействие винтовой лопасти бурового инструмента с мерзлым грунтом. Вестник СибАДИ . 2020;17(2):162-171. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-17-2-162-171

29. Баловнев В. И. [и др.]. Определение оптимальных параметров транспортно-технологических машин методами теории подобных преобразований //Строительные и дорожные машины. 2019. №. 12. С. 3–11.