Магнитные ловители бурового инструмента: Анализ и синтез

В едином технологическом цикле, начинающемся со вскрытия месторождения и заканчивающемся добычей полезного ископаемого, значительную долю от общего объема составляют буровзрывные и буровые работы. Так, в трудоемкости добычи крепких руд буровзрывные работы составляют 26−37%, в том числе буровые — 20−29% [1]. При добыче нефти и газа 45−70% от общего объема работ приходится на бурение [2], а при разведке месторождений — 70−80% [3]. Увеличиваются объемы глубокого и сверхглубокого бурения [4]. Значение буровых работ повышается в связи с ростом мощности горнотранспортного оборудования и концентрации производства.

Одним из основных и важных резервов увеличения добычи полезных ископаемых является интенсификация процесса бурения. Это достигается повышением скорости бурения при одновременном снижении его себестоимости. Среди причин недостаточно высокой скорости бурения значительное место занимают многочисленные аварии в буровых скважинах. Аварии и осложнения, происходящие в процессе бурения или эксплуатации скважин, причиняют огромные убытки предприятиям, снижают технико-экономические показатели буровых работ.

В настоящее время только в нефтегазовой отрасли промышленности ежегодно происходят более пяти тысяч аварий при бурении и эксплуатации скважин, связанных с применением ловильного инструмента. Устранение аварий в скважинах является наиболее трудоемким процессом из всех видов работ, проводимых цехами капитального и подземного ремонта нефтяных и газовых скважин [2].

Основной современной технологией добычи черных и цветных руд как за рубежом, так и в нашей стране, является технология, предусматривающая отбойку и дробление массива взрывчатыми веществами. В связи с этим бурение взрывных скважин является весьма трудоемкой и ответственной операцией в технологическом цикле добычи руды. Разработка рудных месторождений характеризуется увеличением глубин горных работ, превышающих на рудниках США и Канады 2500 м, ЮАР — 3000 м. На действующих рудниках России глубина разработки достигла 1200 м при среднем понижении 15−25 м в год [5]. Глубокий рудник характеризуется осложнением технологии добычи и, в частности, более высоким уровнем аварийности при бурении скважин. Удельный вес влияния буровзрывных работ на себестоимость и трудоемкость добычи 1 т руды в технологическом цикле превышает 60%. Из них буровых работ — 40−50%.

Развитие горнодобывающей промышленности России и ведущих зарубежных стран базируется преимущественно на применении открытых разработок. Более 70% общего объема полезных ископаемых добывается в настоящее время открытым способом [6]. Огромные объемы бурения взрывных скважин на карьерах на 2/3 осуществляются высокопроизводительными шарошечными станками [7]. Технико-экономические показатели шарошечного бурения зависят от техники и технологии выполнения основных и вспомогательных операций, в частности, совершенствования средств ликвидации аварий в скважинах.

Бурение является наиболее эффективным способом поиска и разведки месторождений полезных ископаемых [8]. Одной из основных причин, снижающих эффективность и скорость разведочного бурения, является довольно высокая аварийность, убытки от которой почти прямо пропорциональны глубине скважин.

С увеличением объемов бурения и глубин скважин растет число аварий и осложнений, на ликвидацию которых затрачиваются значительные средства. Так, при бурении на глубинах более 5000 м затраты на аварийные работы увеличиваются более чем в 20 раз по сравнению с бурением скважин в интервале глубин 0−2500 м [9].

Практически трудно найти такую скважину, на забое которой не было бы металла (скрапа), оставшегося там по разным причинам. Поэтому один из важных факторов повышения технико-экономических показателей проходки скважин и снижения аварийности — устранение засоренности скважин металлическими предметами, оставшимися на забое в результате аварии или в процессе бурения [10].

Аварийно-восстановительные работы при бурении и эксплуатации скважин, в частности, связанные с извлечением различных металлических предметов, как показывает опыт, являются длительным и трудоемким процессом. Успех извлечения металла из скважин зависит от таких факторов, как горнотехнические условия, опыт и интуиция работников, тип и надежность ловильных инструментов. Металлические предметы извлекают магнитными ловителями, колоколами и метчиками различных типов. В случае многих неудачных рейсов ловителя в скважину металлические предметы подвергают разрушению с помощью долот, забойных или башмачных фрезеров, торпед направленного действия, химическим или термическим способами. Результативность разрушения, как правило, невысока — положительный результат при этом достигается менее, чем в 20% случаев [11]. Как крайняя мера забуривается новый ствол скважины, в который затем сталкиваются металлические предметы и цементируются там.

Практика аварийных работ в скважинах показывает, что для ликвидации целого ряда аварий в настоящее время отсутствует эффективный, надежный ловильный инструмент. Такие аварии, как оставление на забое турбои электробуров и их частей, целых и разрушенных долот, шарошек, расширителей, падение в скважину ключей и других инструментов, а также других больших и малых металлических предметов составляют в сумме около 40% от общего числа аварий, а при бурении взрывных скважин на рудниках до 95% [12].

В настоящее время наблюдается отставание развития техники для проведения аварийно-восстановительных работ в скважинах от развития буровой техники в целом. Несовершенство и невысокие эксплуатационные параметры существующих ловильных инструментов затрудняют и удорожают проведение работ по ликвидации аварий в бурении.

Обзор существующих видов ловильных инструментов показал недостаточную эффективность конструкций механических устройств и преимущество ловителей с магнитным принципом захвата, использующих энергию поля постоянных магнитов [13].

Разработка устройств различного назначения с использованием энергии поля постоянных магнитов составляет одно из наиболее перспективных направлений совершенствования промышленного оборудования [14]. Основными достоинствами устройств на постоянных магнитах являются стабильность параметров, автономность действия и высокие эксплуатационные параметры. Силовые системы, использующие энергию постоянных магнитов, сохраняют работоспособность на протяжении десятков лет и не требуют при этом посторонних источников питания [15].

Таким образом, актуальность разработки и создания надежного, эффективного магнитного ловильного инструмента очевидна как с точки зрения научного исследования, так и с точки зрения практического применения. Решение этой задачи должно опираться на аналитические и экспериментальные методы исследования, системный подход, позволяющий правильно оценить влияние различных факторов на основные физические процессы, протекающие в системе «ловитель-притягиваемый предмет-скважина». Следует отметить, что особенно необходимы разработки магнитных ловителей, предназначенных для работы во взрывных скважинах, для глубокого и сверхглубокого бурения.

Исследования выполнялись в рамках отраслевых планов НИР Мин-чермета, Минцветмета, Минуглепрома страны, программы «Уголь Кузбасса», являющейся составной частью комплексной региональной программы «Сибирь» на основании постановления ГКНТ СССР и президиума АН СССР от 13.07.84 г. № 385/96, региональной программы «Кузбасс — 19 931 995 г. г.» по направлению «Недра Кузбасса».

Цель работы — научное обоснование конструкций и параметров магнитного ловильного инструмента, обеспечивающего существенное повышение эффективности и надежности извлечения из скважин оборвавшегося бурового инструмента.

Идея работы заключается в выявлении и использовании свойств многокомпонентных систем на основе постоянных магнитов при взаимодействии их с буровым инструментом и скважиной для создания нового поколения магнитного ловильного инструмента.

Задачи исследований:

1. Разработать математические модели магнитных ловителей и на их основе создать методы расчета, учитывающие особенности силовых магнитных систем, применяемых в скважинах, а также влияние на них различных скважинных факторов.

2.Исследовать магнитные ловители во взаимодействии с извлекаемым буровым инструментом и скважиной и разработать принципы синтеза ловителей на постоянных магнитах, обладающих наибольшими силовыми и магнитными параметрами.

3.Разработать и теоретически обосновать новые компоновочные схемы магнитных ловителей, позволяющие существенно повысить их функциональные характеристики.

4.Выявить качественные и количественные связи между геометрическими и магнитными параметрами элементов магнитных ловителей и получить их оптимальные значения.

5.Исследовать процесс извлечения оборвавшегося бурового инструмента и влияние конструктивных параметров ловителей и горнотехнических факторов на эффективность применения магнитного ловильного инструмента.

6.Создать на основе теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях новые эффективные конструкции магнитных ловителей для применения в скважинах различного назначения.

Методы исследований. В процессе выполнения работ использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы теории магнитного поля, магнитостатики, оптимального проектирования и математического моделирования систем на постоянных магнитах с применением ЭВМ. При выполнении экспериментальных исследований были использованы методы:

— магнитометрии;

— физического моделирования;

— математической статистики при обработке экспериментальных данных;

— методы параметрической идентификации созданных моделей с экспериментально полученной информацией.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Практические расчеты по определению конструктивных параметров магнитных ловителей основываются на математических моделях, представленных в виде интегральных уравнений, учитывающих особенности магнитных систем на постоянных магнитах, применяемых в буровых скважинах.

2. Конструкция магнитного ловителя должна синтезироваться как многосвязная броневая система на основе использования высококоэрцитивных ферритовых и редкоземельных магнитов и представлении магнитного ловителя как части системы «ловитель — притягиваемый предметскважина».

3. Процесс извлечения оборвавшегося бурового инструмента организуется на основе установленных закономерностей, которые учитывают как эксплуатационные параметры магнитных ловителей, так и горнотехнические условия аварии: глубину, наклон и зашламованность скважины, характеристики горных пород и буровых растворов, а также вид аварии.

4. Показатель эффективности магнитного ловителя находится в прямой зависимости от коэффициента запаса по минимальной силе притяжения ловителя к буровому инструменту. При величине коэффициента запаса в пределах 1,8−4,7 показатель эффективности составляет 2,8−4,8.

5. Факторами, позволяющими достичь наиболее высокие параметры магнитного ловителя при удельной силе притяжения свыше 160 Н/см2, являются величины коэффициента трансформации магнитной индукции не менее 9,0 для ловителя на ферритовых магнитах и не менее 3,5 для ловителя на редкоземельных магнитах при коэффициенте рассеивания а<1,2.

6.Оптимальные соотношения конструктивных параметров магнитных ловителей различных компоновочных схем и типоразмеров, отличающиеся тем, что установлены с учетом зависимостей, характеризующих процесс магнитного захвата и извлечения бурового инструмента из скважин и позволяющие достичь максимальные эксплуатационные характеристики.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечены корректной постановкой задачи по исследованию силовых притягивающих магнитных систем, учитывающей особенности их применения в ловителяхиспользованием моделей, адекватность реальным процессам которых подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследованийприменением методов математического анализа и математической статистики с использованием ЭВМсогласованностью результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными в лабораторных и промышленных условияхприменением современных методик испытаний, оборудования и приборов.

Положительные результаты, полученные при опытной эксплуатации экспериментальных магнитных ловителей в различных горногеологических и горнотехнических условиях, подтверждают правильность предложенных технических решений, научных положений, выводов и рекомендаций.

Научная новизна работы заключается:

— в качественной оценке различных компоновочных схем магнитных ловителей и типов применяемых магнитных материалов для установления возможности их эффективного использования в скважинах;

— в создании математических моделей магнитных ловителей, учитывающих особенности формирования магнитного потока в системах на постоянных магнитах при использовании их в буровых скважинах;

— в обосновании критических значений коэффициентов рассеивания для эффективного процесса трансформации магнитной индукции в магнитных ловителях;

— в установлении основных закономерностей процесса извлечения оборвавшегося бурового инструмента магнитными ловителями из скважин в различных горнотехнических условиях;

— в обосновании оптимальной геометрии элементов магнитных ловителей различных компоновочных схем для надежного захвата и извлечения из скважин металлических предметов;

— в установлении зависимости показателя эффективности магнитного ловителя от коэффициента запаса по минимальной силе притяжения его к извлекаемому буровому инструменту.

Личный вклад заключается в разработке принципиально новых научно-обоснованных конструктивно-технологических решений в области создания высокоэффективных конструкций магнитного ловильного инструмента, позволяющих повысить эффективность и надежность ликвидации аварий в скважинах различного назначения. Личный вклад автора заключается также в разработке принципов синтеза магнитных ловителей, позволяющих получить требуемые функциональные характеристикив разработке математических моделей магнитных ловителей, учитывающих особенности применения систем на постоянных магнитах в буровых скважинахв получении в результате оптимизационных исследований математических моделей магнитных ловителей оптимальной геометрии и магнитных характеристик элементов ловителейв разработке высокоэффективных компоновочных схем магнитных ловителей, защищенных авторскими свидетельствами и патентомв разработке экспериментальных образцов магнитных ловителей, испытания которых проводились при непосредственном участии автора.

Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по проектированию магнитного ловильного инструмента на основе предложенного метода расчета магнитных ловителей и применении его на стадии проектирования экспериментальных образцовв создании и внедрении в производство высокоэффективных конструкций магнитных ловителей для ликвидации аварий в скважинах различного назначенияв увеличении производительности и снижении себестоимости бурения за счет сокращения материальных затрат и времени на проведение аварийно-восстановительных работ в скважинах.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований, научные положения, выводы и рекомендации использованы при создании ряда высокоэффективных конструкций магнитного ловильного инструмента.

Решением межведомственной комиссии, назначенной приказом Минчермета СССР, проведены приемочные испытания магнитных ловителей по программе и методике, утвержденной ВПО «Союзметал-лургпром». Высокая эффективность, соответствие изделия проектной документации, простота конструкции и эксплуатации дали основание рекомендовать магнитные ловители ЛМП-6 к серийному производству.

Внедрены в производство:

— магнитные ловители ЛМП-6 в количестве 20 штук на рудниках ПО «Кривбассруда». Экономический эффект — 100 тыс. руб. в год (по ценам 1991 г.);

— магнитные ловители ЛМП-6 и ЛМП-7 В на угольном разрезе «Моховский» ПО «Кемеровоуголь». Экономический эффект — 4,5 тыс. руб. в год на один ловитель (по ценам 1991 г.);

— магнитные ловители ЛМП-6, ЛМП-7 и ЛМП-8 в количестве 28 штук на предприятиях треста «Востокшахтопроходка» (г.Нижний Тагил) и ПСО «Востокбурвод» (г.Новосибирск). Экономический эффект — 35 тыс. руб. в год (по ценам 1991 г.);

— магнитные ловители ЛМП-6, ЛМП-6М в количестве более 280 штук на предприятиях ПО «Сибруда» (АОО ЗСМК), Уралруда, Союзмедь, Восточном горнообогатительном комбинате (г.Желтые Воды), Зырянов-ском свинцовом комбинате, Гороблагодатском рудоуправлении НТМК Минчермета СССР, на предприятиях Минцветмета СССР и др. (всего более 30 предприятий).

Экономический эффект от использования магнитных ловителей ЛМП-6М на шахтах Таштагольского, Абаканского и Казского рудоуправлений АОО ЗСМК составляет 357,858 тыс. руб. в год (по ценам 1998 г.).

Апробаиия работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались и получили одобрение на семинаре «Новые разработки средств и систем горного транспорта» (г.Киев, 1977 г.), научно-практической конференции «Молодые ученые и специалисты Кемеровской области — народному хозяйству» (г.Кемерово, 1977 г.), научно-практической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности (г.Караганда, 1978 г.), VIII отраслевой научно-технической конференции «Повышение производительности труда при подземной и открытой разработке железных и марганцевых руд» (г.Кривой Рог, 1979 г.), научно-техническом совете Кольской ГРЭ сверхглубокого бурения (г.Заполярный, 1979 г.), кафедре горных машин и комплексов Московского горного института (г.Москва, 1979 г.), научно-технических конференциях студентов, научных работников и профессорско-преподавательского состава КузГТУ (г.Кемерово, 1977;1999 гг.), техническом совете Таштагольского рудоуправления ПО «Сибруда» (г.Таштагол, 1981 г.), секции механизации ВостНИГРИ (.г.Новокузнецк, 1981 г.), техническом совете ПО «Сибруда» (г.Новокузнецк, 1981 г.), областной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (г.Кемерово, 1982, 1983 г. г.), технических советах треста «Востокшахтопроходка» (г.Нижний Тагил, 1988 г.), ПСО «Востокбурвод» (г.Новосибирск, 1990 г.), Международной научно-практической конференции «Уголь и углепродукты» (г.Кемерово, 1997 г.), II и III Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г.Новокузнецк, 1997, 1998 г. г.), научном симпозиуме «Неделя горняка — 98» (г.Москва, 1998 г.), Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (г.Кемерово. 1998 г.). Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки» (г.Кемерово, 1998 г.).

Образцы магнитных ловителей ЛМП-6М и ЛМП-7 демонстрировались на выставке «Изобретатели и рационализаторы — научно-техническому прогрессу» (г.Кемерово, 1986 г.), ВДНХ (г.Москва, 1986 г.), Международных ярмарках в г. Лейпциге (1985 г.), в г. Дели (1988 г.), Кузнецкой выставке-ярмарке «Деловой Кузбасс» (г.Кемерово, 1998 г.), Международных выставках «Экспосиб» (г.Кемерово, 1998, 1999 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 печатные работы, в состав которых входит монография, три авторских свидетельства и патент на изобретения, свидетельство на полезную модель.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения и содержит 275 страниц машинописного текста, 139 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 204 наименований.

ВЫВОДЫ.

1.Применение десяти магнитных ловителей ЛМП-6М на шахте Таштагольского рудоуправления АОО ЗСМК позволяет уменьшить среднее время ликвидации аварий более, чем в 3 раза, количество бракуемых скважин в 2−3 раза, себестоимость бурения 1 п.м. скважин на 2,5 руб. Экономический эффект составляет при этом 123,3 тыс. руб. в год (по ценам 1998 г.).

2.Область эффективного использования броневых магнитных ловителей бурового инструмента включает в себя предприятия министерств черной и цветной металлургии (годовая потребность около 500 штук), нефтяной и газовой промышленности (годовая потребность около 1100 штук), предприятия, добывающие полезные ископаемые открытым способом. Броневые магнитные ловители могут эффективно использоваться в сверхглубоких, разведочных и других скважинах.

3.Дальнейшее развитие ловителей бурового инструмента на постоянных магнитах, повышение их силовых и магнитных параметров возможно как путем их конструктивного усовершенствованиясоздания адаптивных устройств и систем с комбинированным применением магни-тотвердых материалов, так и в результате использования разрабатываемых в настоящее время новых материалов, обладающих лучшими магнитными свойствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения по созданию магнитных ловителей бурового инструмента, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области разработки высокоэффективной техники для бурения скважин, позволяющие существенно повысить эффективность и надежность ликвидации аварий в скважинах различного назначения, улучшить показатели бурения.

Широкий спектр экспериментальных исследований магнитного ловильного инструмента различных конструкций и типоразмеров позволяет сопоставить их результаты с данными моделирования. Расхождение составляет 5−12%, что доказывает адекватность разработанных моделей и подтверждает справедливость методов расчета и технических решений.

Результаты комплексных исследований, проведенных в работе, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Недостаточная надежность применения существующих конструкций буровых ловильных инструментов является причиной того, что ликвидация около 40% общего числа аварий (при бурении взрывных скважин — 95%) — оставление на забое турбои электробуров и их узлов, пневмо-ударников, целых и разрушенных долот, падение в скважину посторонних металлических предметов, инструментов — отличается большой длительностью и трудоемкостью, не всегда достигает цели. Это свидетельствует об отсутствии эффективных средств ликвидации этих видов аварий.

2. Обзор и анализ применяемых в настоящее время ловильных инструментов показал ряд преимуществ ловителей с магнитным принципом захвата (на постоянных магнитах) по сравнению с различными механическими устройствами. Но известные конструкции магнитных ловителей имеют недостаточно высокие характеристики и используются для извлечения из скважин лишь мелких металлических предметов, масса которых не превышает 1/6 грузоподъемности. Вместе с тем, ловители с магнитным принципом захвата имеют большие потенциальные возможности, которые не реализованы в имеющихся конструкциях.

3.Установлено, что в качестве основных функциональных критериев эффективности магнитных ловителей бурового инструмента следует принимать максимальную и минимальную силы притяжения, удельную силу притяжения на единицу площади полюсов, тяговый показатель, механическую эффективность.

4.Доказано, что технические принципы синтеза эффективной конструкции магнитного ловителя должны включать в себя использование высококоэрцитивных ферритовых и редкоземельных магнитов, многосвязной броневой компоновки и основываться на представлении магнитного ловителя как части системы «ловитель-притягиваемый предмет-скважина».

5.Разработаны математические модели магнитных ловителей, включающие в себя особенности магнитных систем на постоянных магнитах, применяемых в буровых скважинах, и учитывающие влияние скважинных факторов на силовые и магнитные параметры ловителей.

6.Исследованиями математических моделей магнитных ловителей установлено, что для достижения высокого значения магнитной индукции на полюсах ловителя 2 Т при удельной силе притяжения более 160 Н/см2 требуемые величины коэффициентов трансформации магнитной индукции должны составлять не менее 9,0 для ловителей на ферритовых магнитах и не менее 3,5 для ловителей на редкоземельных магнитах. Для реализации указанных коэффициентов трансформации коэффициент рассеивания магнитных систем не должен превышать 1,2.

7.Разработаны новые многосвязные броневые конструкции магнитных систем ловителей, удовлетворяющие принятым функциональным критериям эффективности и позволяющие получить необходимые значения коэффициентов трансформации магнитной индукции и коэффициента рассеивания.

8.Разработаны конструкции броневых магнитных ловителей различных типоразмеров для взрывных, глубоких нефтегазовых и сверхглубоких скважин, обладающие силовыми и магнитными параметрами, в 3−8 раз превышающими параметры серийных магнитных ловителей равных типоразмеров, промышленные испытания и опытно-промышленная эксплуатация которых показали их высокую эффективность и надежность при ликвидации различных видов аварий, универсальность, прочность конструкций, безопасность в эксплуатации.

9.Получены закономерности процесса извлечения оборвавшегося бурового инструмента из скважин магнитными ловителями, которые учитывают как эксплуатационные параметры магнитных ловителей, так и горнотехнические условия аварии: глубину, наклон и зашламованность скважины, характеристики горных пород и буровых растворов, а также вид аварии.

Ю.Установлено, что показатель эффективности магнитного ловителя, являющийся наиболее объективным показателем надежности его применения, находится в прямой зависимости от коэффициента запаса по минимальной силе притяжения ловителя к буровому инструменту. Причем, при величине коэффициента запаса в пределах 1,8−4,7 показатель эффективности составляет 2,8−4,8.

11 .Результаты теоретических и экспериментальных исследований подтвердили обоснованность методики синтеза эффективных конструкций магнитных ловителей, правомерность рекомендаций по выбору основных геометрических и магнитных параметров магнитных устройств, которые обеспечивают:

— величину магнитной индукции на полюсах до 2,14 Т- -удельную силу притяжения 160−190 Н/см2- -механическую эффективность до 1,72.

12.В результате применения новых магнитных ловителей на железорудных предприятиях.

— снижается процент бросовых скважин в 1,3−2,6 раза;

— уменьшается расход бурового инструмента на 2,5−3,5%- -сокращается среднее время ликвидации аварий в 2−3 раза- -надежность извлечения оборвавшихся элементов бурового инстру мента составляет 98%.

Реальный экономический эффект от внедрения результатов исследований на шахтах Таштагольского, Абаканского и Казского рудоуправлений составляет 357,8 тыс. руб. в год в ценах 1998 г.