SU1649088A1 - Способ регулировани процесса вращательного бурени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к вращательному бурению скважины, к способам регулировани  вращательного бурени - в переходных процессах. Целью изобретени   вл етс  повышение производительности бурени  за счет сохранени  рабочих частей породоразрушаю- щего инструмента в переходных процессах при бурении пород VI1-Х категорий бурнмости. Дл  этого в процессе приработки инструмента переход от одной скорости вращени  к другой происходит равноускоренно. Одновременно производ т равноускоренное изменение подачи промывочной жидкости с ускорением , в два раза меньшим, чем скорость изменени  скорости вращени . При этом при бурении пород VII-VIII категории буримости переход от одной скорости вращени  к другой происходит с ускорением 0,01-0,2 об/с2, а при бурении пород .IX-X категории скорость изменени  скорости вращени  не превышает 0,05 об/с2. 2 з.п. ф-лы. i (Я

Description

Изобретение относитс  к враща- -тельному бурению скважин, к способам регулировани  вращательного бурени  в переходных процессах.

Цель изобретени  - повышение производительности бурени  за счет сохранени  рабочих частей пород разрушающего инструмента в переходных процессах при бурении пород VII-X категорий буримости.

Технологический процесс колонкового бурени  определ етс  р дом регулируемых параметров (Рос, n, Q) и нерегулируемых (буримость пород, тип и свойства породоразрушающего инструмента ) , а также специфическими осо-

бенност ми способа бурени . Бурение разведочных геологических скважин осуществл етс  с помощью 2-х основных процессов: разрушение породы на забое скважины; транспортирование частиц разбуренной породы от забо  на поверхность. При бурении на забое имеют место следующие виды разрушени  горных пород: объемное, поверхностное , усталостное.

Объемное разрушение происходит тогда, когда при контакте рабочих режущих частей (твердосплавных вставок и алмазов) породоразрушающего инструмента с породой возникает напр жение, превосход щее твердость породы на

&

& &

О 00

оо

вдавливание. Таким образом, при объемном разрушении справедливо соотношение

Рос

р

ы

(1)

где Р - осева  нагрузка на инструмент , KTJ «.

F - площадь контактов режущих органов (твердосплавных вставок шарошечных долот), см2; Р.. - твердость породы по штампу,

кг/см2.

При соблюдении неравенства (1) инструмент своими режущими органами внедр етс  в породу и разрушает забой . При бурении разрушаетс  не только порода, но и инструмент -происхо- дит его износ, затупление, выпадание в случае применени  алмазного бурени , а также истирание, выкрашивание, в случае шарошечного бурени . Поэтому F постепенно увеличиваетс . Осева  нагрузка зависит от прочности горных пород.

Дл  условий бурени  горных тород армированными коронками типов 0243-59 и 0243-76, а также шарошечных долот типов ШК-59ЦА, ШК-76ЦА, предложено простое отношение ,12 Рц|«

Используемые при бурении шарошечные долота, шарошки которых армированы твердосплавными вставками из сплава ВК8-ВК, имеют следующие физико-химические свойства: твердость Hv 1150-1400 кг/мм2 (дл  сравнени  твердость таких пород, как кварци- ты, песчаники кварцитовидные, соответствует Hv 900-I000 кг/мм2), сопротивление износу при 29 6 составл ет 170 кг/мм2 , а при 350°С - 125 кг/мм2, предел выносливостиG6bUl 130 кг/мм2. Перегрев твердого сплава при бурении недопустим - происходит его полное разрушение. При бурении с отбором керна при частотах вращени  от 400 до 12000 об/мин мен лась осева  нагрузка дин до 2400 дин, механическа  скорость бурени  измен лась при этом от 1,2 до 6,4 м/ч. На основании полученных затрат мощности N и «соответствующей им механической скорости бурени  VMe определена энергоемкость процесса разрушени  Е, которую вычисл ли по формуле

5

0 5

о

5

Q 5

0

5

.

При увеличении частоты вращени  энергоемкость процесса сначала возрастает , достигает максимума, а затем уменьшаетс . Таким образом при увеличении осевой нагрузки Р, на коронку или частоты вращени  снар да происходит повышение температуры забо . Однако в первый период вли ние температуры на процесс разрушени  горных пород еще незначительно. При дальнейшем росте частоты вращени  п и нагрузки Рос процесс механического разрушени  смен етс  термомеханическим , при этом больша  часть энергии передаетс  алмазам и матрице коронки в виде тепла.

При изготонлении породоразруша- ющего инструмента - долот и коронок, работающих в сложных услови х интенсивных ударно-циклических нагрузок, от материала припо  (дл  пайки твердосплавных вставок в тело шарошки примен ютс  припои на медной основе ) , так и от материала матрицы коронки , представл ющей собой сплав на основе меди с добавками 3% железа и 10% никел , требуетс  сочетание высокой прочности и- пластичности, при этом необходимо сохранение этих свойств на всей стадии режима бурени . В реальном процессе бурени  при переходных процессах (режимах) режущим коронкам породоразрушающих инструментов сообщаютс  огромные ускорени  через буровой снар д. Так, при использовании в качестве приводов со ступенчатой регулировкой станков ЗИФ-650 и СКБ-5 переход от одной скорости вращени  колонны к другой происходит за врем  с, а при времени с срабатывает токова  защита , колонна останавливаетс . В этом случае приходитс  производить процесс; бурени  на меньших оборотах, что ведет к потере производительности бурени , сокращению срока службы поро- доразрушающего инструмента, повышению энергозатрат, i

При алмазном бурении (при высокой

твердости РШ горных пород, недостаточной осевой нагрузке) невозможно обеспечить достаточную величину внедрени  алмазов в породу, при этом тем пература на п тне касани  (F) резко повышаетс  (идет термомеханическое разрушение), количество микронеров5

ностей на поверхности алмаза уменьшаетс , фактическа  площадь контакта увеличиваетс , происходит некоторое перераспределение нагрузки в сторону снижени  ее воздействи  на породу, наступает, так называемое, состо ние равновесной шероховатости, известное в бурении, как заполирова- ние алмазной коронки. При шарошечном бурении имеет место поверхностное разрушени  забо . При

1

ЕЈЈ ,1Р

F Ш

(2)

разрушение пород при бурении происходит только вследствие сил трени , возникающих на контакте твердосплавных вставок с породой. С учетом того , что предел прочности на сжатие дл  твердого сплава марки ВК8-ВК (У 355 кг/мм2, а твердость на вдавливание может составл ть дл  пород IX-X категории буримости 600 кг/мм2, следует отметить, что поверхностное разрушение забо  при таких технологических услови х бурени  не эффективно. Значени  ускорений , которые сообщаютс  инструменту посредством бурового снар да, имеют следующие значени : 0,1-2 об/с дл времени с; 0,25-3,5 об/с2 дл  с.

Следует отметить, что на породах IX-X категорий буримости технологический процесс бурени  ведетс  в основном на скорост х вращени : дл  шарошечного бурени  350-450 об /мин, дл  бурени  с отбором керна (алмазном ) 500-1300 об/мин. Минимальный переход от 3-й к 4-й скорости как на станках ЗИ Г-650, так и на станках СКБ-5 составл ет не меньше 66- 67 об/мин (1,1 об/с). Таким образом, минимальное значение ускорени  поро- Доразрушающего наконечника составл ет 0,25 об/с2 (при времени перехода с).

При этих значени х ускорени  буровой колонны (аЈ 0,25-3,5 об/с2) наблюдаетс  катастрофическое изнашивание режущих органов инструмента. В этот период в па ном соединении ша1649088

5

0

5

ствуют по влению сколов твердого сплава и трещин в нем, что приводит к выпадению твердого сплава из гнезда тела шарошки. Происходит процесс разбуривани  твердого сплава, что ведет к дальнейшему скалыванию целых друз из вставки, увеличению процента их выпадени , уменьшению проходки,

механической скорости, потере производительности , повышению энергозатрат. При алмазном бурении в этом случае при минимальных ускорени х буровой колонны,, равных ,5 об/с2, происходит разупрочнение матрицы - сплава на медной основе, по вл ютс  значительные внутренние напр жени  в режущем органе коронки (смегь алмазов и сплава ВК в соотношении 1:1), что ведет к нарушению технологии процесса бурени  на стадии приработки.

При скольжении коронки по породе в зоне п тен касани , размеры которых могут достигать нескольких единиц, а затем, по окончании процесса приработки , и дес тков микрометров, в результате работы сил трени  выдел етс  определенное количество тепла. . Тепло во фрикционном контакте благо0 дар  двойственной природе трени  генерируетс  в двух зонах: непосредственно на поверхности трени  в результате преодолени  молекул рных св зей и на некоторой глубине за счет деформации поверхностного сло . Контактна  температура (на п тне контакта) может достигать очень высоких температур, а объемна , как в массиве породы, так и в теле матрицы при оптимальных ре0 жимах бурени  может достигать 100- 200°С. При ускорении 0,5-3,5 об/с2 имеет место значительное, в несколько раз, повышение температуры, что раз- упрочн ет матрицу, ослабл ет режущий

5 орган коронки и ведет к снижению ее срока службы, повышению энергозатрат, снижению производительности бурени .

В переходных процессах (режимах) имеет место несоответствие подачи

0 промывочной жидкости: то ее недостаточно , то по вл етс  избыток. При алмазном бурении выдел ющеес  тепло не отводитс  от алмаза в горную породу и матрица охлаждаетс  недостаточ5

рошки долота твердосплавна  вставка - но,а при избытке промывки происходит па ный шов - материал шарошки полу- подъем буровой колонны над забоем, чают развитие остаточные па льные (термические) напр жени , которые на

Алмазу необходимо контактировать с новыми сло ми породы (при посто нном охлаждении матрицы), а на самом деле

стадии приработки инструмента способно ,а при избытке промывки происходит подъем буровой колонны над забоем,

Алмазу необходимо контактировать с новыми сло ми породы (при посто нном охлаждении матрицы), а на самом деле

при таких ускорени х колонны в переходном режиме и приработке происходит повышение внутренних напр жений в рабочем (режущем) органе и разупрочнение матрицы. Аналогична  картина наблюдаетс  при переходных режимах и приработке шарошечного долота. Резко снижаютс  физико-химические свойства твердого сплава () происходит перераспределение карбидов вольфрама в кобальтовой св зке из-за значительных внутренних напр жений в ней, снижаютс  прочностные свойства твердого сплава, активно про вл етс  брак при изготовлении: выкрашивание целых массивов ВК-друз происходит по 30 зонам - плоскост м, богатым свободным (структурным) графитом. Устанавливаетс  неэффективный режим поверхностного разрушени  забо , t Следовательно,переход от одной установленной скорости вращени  буровой колонны к другой необходимо осуществл ть с ускорением, состевл - ющим 0,01-0,2 об/с2. Примен ть с.наче- ни  ускорени  выше, чем 0,2 об/с2 нецелесообразно, так как начинают про вл тьс  описанные негативные  влени , а при ускорении, меньшем, чем 0,01, наблюдаютс  потери производительности при бурении. Одновременно со скоростью изменени  частоты вращени  буровой колонны соответственно мен етс  скорость изменени  расхода промывочной жидкости, котора  меньше в два раза, чем скорость изменени  частоты вращени  буровой колонны. Если ускорение частоты вращени  буровой колонны а.... больше че

кил

в два раза больше ускорени  расхода аоасх промывочной жидкости, то промывочной жидкости недостаточно, что ведет к износу инструмента, если

акол арасхв два Раза то избыток промывки не позвол ет установить оптимальный режим бурени .

При приработке породоразрушающе- го инструмента при бурении пород IX-X категории буримости ускорение не превышает 0,05 об/с2.

При большем ускорении буровой колонны имеет место разупрочнение матрицы коронки и па ного шва шарошки долота. Таким образом, при приработке инструмента при бурении крепких пород, необходимым  вл етс  превышение значений ускорени  вращени  бурового снар да не более чем на

0

5

0

5

0

5

0

5

0,05 об/с2. Это приводит к увеличению срока службы, повышению производительности , снижению энергозатрат. Этот критерий важен при бурении пород IX-X категории буримости на инструменте , который находитс  в эксплуатации какое-то конечное врем . В этих случа х нар ду с объемным разрушением забо  имеет место усталостное разрушение - промежуточна  стади  между объемным и поверхностным разрушением . При этом первоначально имеет место зависимость (2), но в результате многократного силового воздействи  на породу в ней развиваетс  система трещин, поэтому твердость породы на вдавливание Рш снижаетс  и периодически на забое возникают услови  дл  объемного разрушен ш .

Предлагаемый способ регулировани  процесса вращательного бурени  -в переходных процессах (режимах) реали-- зован следующим образом.

Горные породы разреза представлены гранитами средней абразивности IX-X категории буримости.

Комплект регулируемых электроприводов (РЭП-5) предназначен дл  оснащени  буровых агрегатов 5-го класса дл  бурени  на твердые полезные ископаемые и представл ют собой групповой электропривод, состо щий из электроприводов бурового станка и насоса. Принципиальна  схема комплекта РЭР-5 обеспечивает возможность подключени  энергооборудовани  буровой установки. В состав РЭП-5 вход т: шкаф управлени , пульт управлени , шкаф токоограничивающих реакторов , двигатель станка Д808У2 мощностью 37 кВт, двигатель насоса Д41У2 мощностью 15 кВт, два тахогенератора TMF-ЗОП, два вентил тора Ц4-70 If 2,5.

Комплект РЭП 5 работает от линий электропередачи, источников электропитани  соизмеримой мощности (ДЗА-100), электрических сетей с глухозаземлен- ной или изолированной нейтралью. В последнем случае дл  контрол  сопротивлени  изол ции используетс  реле утечки. Схема комплекта РЭП-5 предусматривает возможность отключени  энергооборудовани  буровой установки при снижении сопротивлени  изол ции ниже допустимого уровн . Благодар  малым размерам составных частей РЭП-5 не загромождает буровые здани  и обеспечивает удобство эксплуатации

буровых установок. Комплект РЭП-5 гарантирует режимы 1 и 3 по электроприводам станка и насоса 1 - дл  нормальной работы; 3 - дл  кратковременной работы с полуторакратным отбором мощности от приводного двигател  (при ликвидации аварий, при спуско-подъем- ных операци х и др.).

Питание буровых агрегатов электроэнергией осуществл етс  от дизельных передвижных электростанций и комплектных трансформаторных подстанций как с изолированной (с применением реле утечки) ,так и с глухозаземленной нейтралью. Учет расхода электроэнергии на бурение и спуско-подъемные работы производитс  с помощью трехфазных электрических счетчиков САЗУ- И670М, вмонтированных в шкаф управлени  каждого комплекта РЭП-5.

Бурение в основном ведетс  с применением шарошечных долот диаметром 73,59 мм и алмазных коронок диамет20 При алмазном бурении частота вращен 600 об/мин или 60 об/с. Чтобы перей ти к частоте вращени  в 900 об/мин (15 об/с), или к 300 об/мин (5 об/с при максимально возможном ускорении

ром 59,46. В качестве бурильного вала 25 ,2 об/с2 врем  перехода с,

используютс  легкосплавные и стальные трубы диаметром 54 мм ниппельно-зам- кового соединени , а в качестве промывочной жидкости - малоглинистые поли- мерэмульсионные растворы и эмульси  на основе мыла и смеси гудронов, На- блдодение за процессом бурени  осуществл етс  с помощью аналоговых и самопишущих приборов пульта РЭП-5, регистрирующих расход потребл емой мощности на бурение и спуско-подъемные операции, а также частоту вращени  бурильного вала. Записи на диаграммных лентах служат также дл  составлени  баланса рабочего времени. На каждом конкретном буровом агрегате составл етс  тарировочный график перевода значений расхода промывочной жидкости Q частоте вращени  трансмиссионного вала. Таким образом, определенному значению Q соответствует значение частоты вращени  вала электродвигател . В данном решении частота вращени  вала насоса должна быть в два раза меньше частоты вращени  бурильной колонны.

Изучение характера износа коронок показало, что дл  коронок, использованных по предлагаемому способу, характерен нормальный износ матрицы коронок, незначителен процент коронок , которые были сн ты с рейса вследствие образовани  фасок по наружному диаметру; в то же врем ,

дл  коронок, которые, использовались по стандартной (базовой) технологии бурени , характерно наличие быстрого износа торцов и фасок по внутреннему диаметру. Дл  шарошечных долот было замечено, что при бурении пород IX-X категорий буримости после окончани  процесса приработки долота на

забое в случае, если ускорение вращени  буровой колонны аЈ ,05 об/с2 имеет место значительный процент (до 30%) выкрашивани  твердого сплава и раннее разупрочнение па ного соединени  ВК - сталь шарошки.

Предлагаемый способ достаточно универсален, что дает возможность его использовани  как при увеличении частоты вращени , так и уменьшении.

При алмазном бурении частота вращени  600 об/мин или 60 об/с. Чтобы перейти к частоте вращени  в 900 об/мин (15 об/с), или к 300 об/мин (5 об/с) при максимально возможном ускорении

,2 об/с2 врем  перехода с,

в этом случае ускорение положительное , в случае уменьшени  частоты вращени  ускорение частоты вращени  а.0дЯвл етс  отрицательным, врем  перехода Т-10 с.

Применение предлагаемого способа позволит повысить производительность бурени  на станках ЗИФ-650М на 62%, на станках СКБ-5 на 39%, увеличить механическую скорость на станках ЗИФ-650М на 59%, на станках СКБ-5 - на 50%, сократить расход алмазов на станках ЗИФ-650М на 20%, на станках СКБ-5ч- на 17%, снизить расход электроэнергии (энергозатрат) на бурение 1 м. на 43% при глубине скважин 1100 м и на 62% при глубине 700 м.

Использование способа регулировани  процесса вращательного бурени  в

переходных процессах (режимах) обеспечивает значительно полнее все свойства породоразрушающего инструмента шарошечных долот или коронок, что позвол ет значительно улучшить

их срок службы и вследствие этого повысить производительность бурени , уменьшить энергозатраты.

Claims (3)

1. Способ регулировани  процесса вращательного бурени , включающий подачу промывочной жидкости, а также измерение осевой нагрузки и скорости

111649088 ,12

вращени , отличающийс рением,в два раза меньшим, чем скотем , что, с целью повышени  произво-рость изменени  скорости вращени , дительности бурени  за счет сохране-

2. Способ по п. 1, о т лчи ч а ни  рабочих частей породоразрушающе-ю щ и и с   тем, что при бурении пого инструмента в-переходных процессахрод VII-VIII категорий буримости пепри бурении пород различной катего-реход от одной скорости вращени  к

рии буримости, в процессе приработкидругой происходит с ускорением 0,01инструмента переход от одной скорости0,2 об/с2.

вращени  к другой происходит равно- JQ

3. Способ по п. 1, о т л и ч аускоренно , при этом одновременно про-ю щ и и с   тем, что при бурении

извод т равноускоренное изменениепород IX-X категорий буримости скоподачи промывочной жидкости с уско-рость изменени  скорости вращени 

не превышает 0,05 об/с2.