Экспериментальные исследования взаимодействия винтового бура с мерзлым грунтом

Введение. Процесс образования скважин в мерзлых грунтах является одним из сложных процессов производства земляных работ. Буровой инструмент новой геометрической формы образует скважину хрупким разрушением породы. Целью проведенных экспериментальных исследований являлось определить влияние на энергоемкость процесса бурения и на коэффициент диаметра скважины угла поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение на разрушающей части и угла наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти к оси вращения.

Материалы и методы. В статье описана методика проведения лабораторных экспериментов изучения процесса взаимодействия бурового инструмента новой геометрической формы с мерзлыми грунтами. Определены диапазоны значений исследуемых факторов.  Построена матрица полного факторного эксперимента.

Результаты. В результате лабораторных экспериментов было определено влияние геометрических параметров бурового инструмента на энергоемкость процесса бурения и на коэффициент диаметра скважины. Установлены зависимости крутящего момента и коэффициент диаметра скважины от угла поворота радиуса винтовой лопасти, при котором происходит его приращение на разрушающей части угла наклона образующей верхней поверхности винтовой лопасти к оси вращения и угла подъема средней винтовой линии винтовой лопасти.

Заключение. Установлено, что буровой инструмент осуществляет образование скважины за счет ее хрупкого разрушения, что позволяет достигать более эффективного бурения. А также определены зависимости рациональных значений исследуемых геометрических параметров бурового инструмента новой геометрической формы.

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 High-Density 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, vol. 81, no. 2, pp. 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. Т. 42. №. 2. С. 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, vol. 40, pp. 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. Т. 64. №. 1.P. 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. P. 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 физико-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. Du H. Strength properties of icy frozen silt sands under uniaxial compression for a wide range of strain rates and moisture content. Science and technology of coldregions. 2016, no. 123, pp. 107-113.

18. Черкасов В. И. Области применения и проблемы бурения неглубоких скважин // Разведка и охрана недр. 2014. №. 2. С. 24–27.

19. Валигура Н. С. Породоразрушающие инструменты для вращательного бурения неглубоких скважин и их основные конструктивные особенности // Разведка и охрана недр. 2014. №. 2. С. 30–33.

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

21. 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.

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

23. Саленко А. Ф., Федотьев А. Н., Федотьев Н. А. Перспективы использование регенерированного твердого сплава для производства буровых долот // Вісник СевНТУ. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. 2014. № 150. С. 139–145.

24. Анализ проходки шарошечных долот в условиях Олимпиадинского ГОКа ЗАО «ПОЛЮС» / А.В. Гилев, К.А. Бовик, А.О. Шигин, И.Р. Белозеров // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2.С. 153–153.

25. Zhiqiang H., Qin L., Yi Z., Shuang J., Yachao M., Wengang H., Yongtao F. Experimental research on the surface strengthening technology of roller cone bit bearing based on the failure analysis. Engineering Failure Analysis. 2013, no.12, pp. 12-26.

26. Бугаев В.Г., Ереско С. П., Бугаев И.В. Выбор и обоснование конструктивных параметров бурового режущего инструмента для проходки скважин в мерзлых грунтах // Горное оборудование и электромеханика. 2013. № 2.С. 6–13.

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/10.26518/2071-7296-202017-2-162-171

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.