Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Оптимизация в геологоразведочном производстве

Технологические критерии оптимизации буровых работ

Современная буровая установка может оснащаться контрольноизмерительными приборами, регистраторами и устройствами автоматического управления. Основным, особенно при высокочастотном алмазном бурении, остается процесс управления углублением скважины, выработка оптимальных параметров режима бурения.

В данном случае актуален выбор параметра оптимизации, или критерия оптимизации. Требования к критерию оптимизации процесса бурения состоят в том, что этот параметр должен надежно регистрироваться и фиксироваться непосредственно при бурении, а также оперативно влиять на другие параметры бурового процесса, поскольку, например, прижоговая ситуация (аварийная ситуация, которая возникает при перегреве алмазной коронки, расплавлении медно-никелевой матрицы и спекании разрушенной коронки с забоем) при алмазном бурении развивается не более 30-40 с.

Возможными критериями оптимизации технологии бурения могут быть следующие параметры:

  • - механическая скорость бурения vM;
  • - рейсовая скорость бурения vp;
  • - оптимальное время нахождения бурового инструмента на забое;
  • - расход алмазов или проходка на буровой инструмент (его ресурс);
  • - относительный показатель эффективности;
  • - оптимальное углубление забоя за один оборот бурового инструмента. Механическая скорость бурения оптимизируется в сторону максимальных значений под влиянием основных параметров режима бурения - осевого усилия, частоты вращения, вида, количества и качества очистного агента.

При этом эффективность бурения в целом определяется объемом разрушенной буровым инструментом породы в единицу времени, который непосредственно связан с величиной мощности N, подводимой к забою.

Объем породы, разрушаемый в единицу времени, можно установить из зависимости

где N - мощность, подведенная к забою для разрушения породы в единицу времени, кВт ч;

А у - энергоемкость разрушения породы определенного объема,

кВт/м3.

Объем разрушенной в единицу времени породы можно определить, используя значение скорости бурения:

где ум - механическая скорость бурения, м/ч;

F- площадь забоя скважины, м2.

Из равенства вышеприведенных формул для определения объема разрушенной породы получим

Из данного выражения следует общая и основная формулировка зависимости скорости бурения от основных факторов:

механическая скорость бурения пропорциональна количеству подведенной к забою мощности, обратно пропорциональна энергоемкости разрушения породы и площади забоя.

При передаче энергии от источника - бурового станка к забою для разрушения горной породы часть энергии расходуется на работу бурильной колонны. Поэтому с целью оценки и минимизации потерь энергии при её передаче к забою через бурильную колонну следует параметр N представить как разность мощности, выработанной буровым станком jVo6, и потерь мощности в системе «бурильная колонна - скважина» Nn. Тогда выражение (1.3) можно представить в развернутом виде:

Из данной зависимости следует, что с точки зрения оптимизации процесса бурения крайне важно учитывать не только уровень потребления энергии на забое для разрушения породы, но и потери энергии на пути к забою. Последнее возможно только с позиций оптимизации системы

«скважина - колонна», конструкции и условий работы бурильной колонны в скважине.

Таким образом, интенсификация процесса разрушения горной породы при бурении может осуществляться:

  • - вследствие увеличения передаваемой горной породе энергии, что предполагает также необходимость снижения ее потерь при передаче от источника энергии до забоя скважины;
  • - уменьшения энергоемкости процесса разрушения горной породы;
  • - уменьшения площади забоя скважины.

Обобщенный параметр режима работы породоразрушающего инструмента при вращательном бурении - реализуемая на забое мощность:

где рк - коэффициент сопротивления породы вращению бурового инструмента;

Рос - осевая нагрузка на инструмент, Н;

R - радиус торца бурового инструмента, м;

со - частота вращения, с-1.

С учетом данной зависимости формулу для определения механической скорости бурения можно записать в следующем виде:

Если частоту вращения выразить через линейную скорость перемещения резцов:

то формулу для расчета механической скорости бурения можно представить в виде:

Соотношение определяет значение удельного контактного

давления на забой скважины. При этом, следуя начальным условиям, при расчете <7, использовано значение всей площади забоя скважины без учета площади породоразрушающих элементов, которыми вооружен торец коронки или долота.

Буровой инструмент опирается на забой породоразрушающими элементами, площадь которых, например, равна Fn. При этом Fn < F. В данном случае для эффективной работы инструмента очень важны схема установки, размеры и форма породоразрушающих элементов. Рациональное и эффективное вооружение инструмента значительно влияет на энергоемкость разрушения горной породы, определяет стойкость инструмента. Принимая соотношение за удельное контактное давление на породу со стороны

бурового инструмента, при условии равномерного распространения напряжений в породе по всей площади забоя, выражение для расчета механической скорости бурения представим в виде

Таким образом, для вращательного бурения условиями высокопроизводительного бурения будут большие значения удельного контактного давления на забой, линейные скорости перемещения резца при повышенном значении коэффициента сопротивления породы и минимальная энергоемкость разрушения горной породы.

Увеличение передаваемой горной породе энергии может быть получено в результате:

  • - увеличения частоты вращения породоразрушающего инструмента;
  • - увеличения осевой статической или ударной нагрузки на породоразрушающие резцы бурового инструмента;
  • - передачи горной породе дополнительной тепловой энергии (термомеханическое бурение);
  • - передачи горной породе дополнительной гидродинамической энергии (гидромониторное бурение).

Уменьшение энергоемкости разрушения горной породы можно достичь за счет:

-создания породоразрушающего инструмента, максимально

соответствующего по своим характеристикам прочностным свойствам горных пород;

- применения «понизителей» твердости горных пород (жидкости с

поверхностно-активными веществами, ультразвуковых колебаний,

электромагнитных воздействий и др.);

- разработки оптимальных режимов бурения.

Реальное уменьшение потерь энергии при передаче от источника до породоразрушающего инструмента возможно вследствие перемещения привода вращения инструмента к забою скважины (применение забойных гидро- или электродвигателей, редукторов-мультипликаторов, повышающих частоту вращения инструмента при умеренной частоте вращения бурильной колонны).

Уменьшение площади забоя скважины происходит за счет непрерывного уменьшения диаметра породоразрушающих инструментов и площади их горца (применение, например, коронок с утонченной рабочей поверхностью короночного кольца).

Отношение в формуле (1.3) определяет значение удельной

забойной мощности, подводимой к инструменту для разрушения породы, которая ограничена предельной прочностью породоразрушающего

Зависимость мощности разрушения породы при бурении шарошечными долотами диаметром 59 мм

Рис. 1.5. Зависимость мощности разрушения породы при бурении шарошечными долотами диаметром 59 мм (линия 1) и 76 мм (линия 2) от механической скорости бурения у„; кривая 3 - удельные затраты мощности, равные отношению N/vM

инструмента. Поэтому наиболее перспективным для достижения высокой скорости бурения является поиск условий, обеспечивающих минимальную

энергоемкость разрушения породы.

На рис. 1.5 приведены экспериментальные зависимости, отражающие связь механической скорости бурения с мощностью, подводимой к забою. При определенном уровне подводимой мощности механическая скорость бурения начинает снижаться, поэтому возрастают удельные энергозатраты, т. е. режим разрушения породы становится менее эффективным. При этом максимальные значения механической скорости не совпадают с условиями рационального потребления и расходования мощности. Поэтому параметр vM —* шах в качестве критерия не может быть принят за основу оптимального оперативного управления, так как не предполагает получения наряду с высокой мгновенной скоростью бурения экономии за счет высокого ресурса инструмента и рационального расходования энергии на бурение, оптимального баланса рабочего времени, высокого качества работ за счет сохранности керна.

Сложность поиска оптимальных условий бурения по критерию максимума механической скорости бурения подтверждается формулами (1.6)—(1.8), из которых следует, что механическая скорость бурения зависит от значительного числа влияющих факторов, сочетание которых не всегда способно дать оптимальный комплексный результат.

Рейсовую скорость бурения, в отличие от механической скорости бурения, только частично можно отнести к оперативным критериям управления процессом бурения. Этот критерий является важным при поиске оптимальных условий, как технологии, так и организации бурового процесса.

Рейсовая скорость определяется как отношение длины интервала проходки между спуском и подъемом бурового инструмента из скважины Lp ко времени, которое потрачено на спуско-подъемные операции Гспо, бурение интервала Lp - Т5 и время на вспомогательные операции, связанные с реализацией бурения и вынужденные простои - Ти. В виде формулы зависимость будет выглядеть следующим образом:

Оптимизация рейсовой скорости в направлении ее роста связана с повышением рейсовой проходки в меньшие сроки. Таким образом, поиск оптимальных условий бурения через анализ такого критерия как рейсовая скорость бурения, связан с анализом технологических возможностей удлинения интервала бурения, который может определяться ресурсом бурового инструмента или снижением вероятности самозаклинивания керна в керноприемной трубе, а также с сокращением затрат времени на буровой процесс и прежде всего времени простоя буровой.

Относительный показатель эффективности.

Для оценки оптимальной работоспособности инструмента целесообразно использовать относительный показатель эффективности [3]:

где vM - механическая скорость бурения;

И - интенсивность износа.

Рассмотрим два примера оценки работоспособности однослойных алмазных коронок.

При бурении уртита однослойной алмазной коронкой диаметром 24 мм кривая интенсивности износа (рис. 1.6) резко возрастает по мере увеличения осевого усилия и частоты вращения. Механическая скорость также резко нарастает по мере повышения осевого усилия, но до определенного предела, после которого кривая идет на снижение, повышение же частоты вращения приводит к увеличению и механической скорости бурения.

Таким образом, при бурении уртита предпочтительной будет невысокая

Зависимость механической скорости бурения v, интенсивности износа И и показателя эффективности Э от осевой нагрузки (а) и частоты вращения (б) при бурении уртита

Рис. 1.6. Зависимость механической скорости бурения vM, интенсивности износа И и показателя эффективности Э от осевой нагрузки (а) и частоты вращения (б) при бурении уртита

осевая нагрузка, оптимальное значение которой четко отражает максимум показателя Э.

Зависимость интенсивности износа от частоты вращения указывает на то, что износ коронки в данном случае практически мало зависит от частоты вращения. Причины подобных зависимостей объясняются тем, что при бурении данной породы образуется крупный шлам (зерна до 3 мм), размер которого растет при повышении осевого усилия, что и увеличивает износ инструмента.

Бурение кварцевого альбитофира (рис. 1.7) сопровождается образованием мелкого шлама, и зависимость интенсивности износа по мере роста осевого усилия имеет минимум при осевом усилии 200 даН и частоте вращения 500— 900 мин-1, нарастая в дальнейшем достаточно резко.

Зависимость механической скорости бурения v, интенсивности износа И и показателя эффективности Э от осевого усилия (а) и частоты вращения (б) инструмента при бурении альбитофира

Рис. 1.7. Зависимость механической скорости бурения vM, интенсивности износа И и показателя эффективности Э от осевого усилия (а) и частоты вращения (б) инструмента при бурении альбитофира

Механическая скорость бурения увеличивается при повышении частоты вращения и осевого усилия на всем интервале их варьирования, но кривая показателя Э дает точные величины наиболее оптимальных значений осевого усилия (200 даН) и частоты вращения (800 мин -1).

В то же время критерий оптимальности Э достаточно неудобен с точки зрения управления, так как исключена возможность оперативного измерения износа бурового инструмента в процессе бурения.

В качестве критерия, позволяющего оценить условия и технологию алмазного бурения, используется показатель расхода алмазов на 1 м проходки.

Расход алмазов без рекуперации для организаций Министерства Геологии СССР обычно составлял 0,6-1,0 карат/м в зависимости от твердости горных пород и степени совершенства применяемой технологии бурения.

Рекуперация (лат. recupertion - возвращение, получение обратно) - извлечение сохранившихся алмазов из отработанного алмазного инструмента с целью их повторного использования.

Рейсовая проходка на инструмент (ресурс инструмента), так же как и механическая скорость бурения, не учитывает всего многообразия влияющих факторов и не позволяет достигать оптимального результата без учета таких параметров, как глубина скважины. Этот параметр в случае поиска оптимальных условий следует увязывать со стоимостью бурения.

На рис. 1.8 [15] приведена кривая стоимости одного метра проходки скважины в координатах проходки на буровой инструмент и механической скорости бурения для долот типа ИСМ. Из представленных зависимостей следует, что одинаковую стоимость 1 м бурения скважины можно получить как путем увеличения механической скорости бурения, уменьшая при этом стойкость бурового инструмента, так и в результате повышения стойкости инструмента, но при снижении механической скорости бурения.

Зависимость стоимости 1 м бурения от проходки П и механической скорости бурения v

Рис. 1.8. Зависимость стоимости 1 м бурения от проходки П и механической скорости бурения vM

Выбор оптимального варианта сочетания стойкости бурового инструмента и механической скорости бурения следует производить с учетом глубины скважины.

При возрастающей глубине скважины более важной характеристикой будет большая стойкость бурового инструмента, что позволит повысить время, затраченное на углубление скважины, в балансе общих затрат времени на производство работ.

При бурении неглубоких скважин, когда спуско-подъемные операции занимают сравнительно малую долю в общем балансе производительного времени, можно допустить вариант форсированного бурения на высоких механических скоростях, но с несколько ограниченным ресурсом инструмента.

Поиск оптимальных условий производства буровых работ, параметров режима бурения, ориентированных на минимальную стоимость одного метра пробуренной скважины, является типичной задачей оптимизации.

При решении этой задачи опытным путем можно получить зависимости, отражающие влияние параметров режима бурения на ресурс бурового инструмента и значения механической скорости бурения при определенных постоянных значениях глубины скважины, горно-геологических условиях бурения и применяемых типах бурового инструмента. Полученные данные позволяют рассчитать стоимости 1 м проходки для каждого варианта сочетания параметров режима бурения и выбрать оптимальные параметры режима бурения для определенных условий производства работ.

На рис. 1.9 приведены кривые, отражающие многосложную связь условий и параметров, определяющих себестоимость бурения шарошечными долотами большого диаметра. Как видно из графиков, для минимизации стоимости 1 м проходки требуется выбрать следующие параметры режима бурения: частота вращения долота - 400 мин ~ , осевая нагрузка около 180 кН, так как повышение частоты вращения долота приводит к снижению проходки на долото и повышению стоимости 1 м проходки.

Зависимости проходки на долото П и стоимости метра проходки на долото С от параметров режима бурения

Рис. 1.9. Зависимости проходки на долото П и стоимости метра проходки на долото С от параметров режима бурения:

1 — со= 100 мин-1 ; 2 - ш=400 мин-1; 3-(о =200 мин-1 ; 4 - и=600 мин-1

информации.

Оптимальные параметры режима бурения, выбор которых

осуществляется по минимуму стоимости 1 м проходки, как правило, соответствуют наиболее

эффективному процессу разрушения горных пород, который будет характеризоваться минимальными затратами энергии на разрушение, высокими значениями механических скоростей бурения и эффективным ресурсом бурового инструмента.

Таким образом, выбор способа бурения - многофакторный анализ, итогом которого может быть уровень прибыли, выраженной через экономию затрат при сохранении высокого качества и достоверности полученной геологической

Оптимальное время нахождения породоразрушающего инструмента на забое исследуется с учетом таким параметров, как механическая скорость бурения, рейсовая скорость бурения и стоимость 1 м бурения См [9,10].

Рейсовая скорость бурения равна

где h - проходка за рейс, м; t - время бурения за рейс, ч;

Т - время спуско-подъемных операций в рейсе (для снарядов со съемным керноприемником следует учесть время на спуск и подъем керноприемника, выполняемые в течение рейса), ч.

Функция для vp от t исследуется на максимум:

Если (/ + Т)2 Ф 0, то а значит,

В то же время , следовательно, vp = vM, т. е. оптимальное время

работы коронки на забое определяется моментом равенства рейсовой скорости бурения механической скорости, или, иначе говоря, коронку следует поднимать с забоя, когда значение механической скорости снизится до значения рейсовой.

Если при расчете использовать еще и критерий См —> min, то можно прийти к несколько иному выводу:

где Ц - стоимость породоразрушающего инструмента; q - стоимость работы одного часа бурового агрегата.

Так как U/q > 0, рейс нужно прекращать и поднимать инструмент из скважины при меньшей механической скорости, чем это следует из условий максимума рейсовой скорости, т. е. для достижения минимальной стоимости бурения время бурения в рейсе должно быть больше, чем это задано условием максимальной рейсовой скорости.

Параметр q в формуле (1.13) является интегральным. В нем заключены затраты на оплату груда бурового персонала и вспомогательных рабочих, затраты средств на электроэнергию и горюче-смазочные материалы, транспортные расходы и др. Поэтому формула (1.13) комплексно и достаточно полно оценивает все параметры, влияющие на результативность бурового процесса.

С повышением глубины скважины возрастают все параметры, находящиеся в знаменателях формул (1.12) и (1.13), кроме параметра Ц (стоимости породоразрушающего инструмента), поскольку с повышением глубины скважины снижается механическая скорость бурения, а значит, увеличивается время на бурение, возрастают затраты времени на проведение СПО. В то же время повышается и стоимость работы агрегата, поскольку растут расход энергии и материалов на бурение. Поэтому, если учитывать, что Ц - величина постоянная, то с повышением глубины скважины соотношение U/q понижается, a vM стремится к значению vp при общей тенденции к понижению.

Пример 1. Рассчитать предельно допустимое значение механической скорости, если время на спуско-подъемные операции Т по мере углубления скважины будет составлять 1, 2 и 3 ч при следующих условиях: стоимость коронки Ц = 4 000 руб, q = 4 000 руб, время бурения интервала, равного длине рейсовой проходки, t- 1, 2 и 3 ч, рейсовая проходка -6 м.

Расчет производим по формуле (1.13). Результаты расчетов представлены в виде графика на рис. 1.10.

Величина углубления бурового инструмента за один оборот.

В исследовательских работах и практических рекомендациях по технологии механического колонкового бурения, особенно алмазного, рассматривается такой показатель управления процессом бурения, как углубление породоразрушающего инструмента за один оборот /гоб, мм/об, который функционально выражается в простейшем виде следующим образом:

Рис. 1.10. Изменение контрольного значения механической скорости бурения с глубиной скважины при различных начальных значениях механической скорости бурения:

  • 1 - / = 0,5 ч, vM = 12 м/ч; 2 -t = 1 ч, vM = 6 м/ч;
  • 3 -1 = 2 ч, vM = 3 м/ч;
  • 4 -1 = 3 ч, vM = 2 м/ч

где vM - механическая скорость бурения, мм/мин;

со - частота вращения, мин-1.

Величина углубления скважины за один оборот является комплексным показателем, позволяющим косвенно рассматривать и оценивать физические процессы, происходящие на забое, в частности, реакцию породы на внедрение резца, а также поведение коронки, в том числе под воздействием таких управляемых параметров бурения, как осевая нагрузка, частота вращения инструмента в зависимости от физико-механических свойств породы и величины износа резцов.

Все выше отмеченное позволяет утверждать, что величина /гоб может быть применена при определении оптимальных режимов бурения.

Этот показатель используется на производстве для обоснования параметров, так называемой, «алмазосберегающей технологии» [3,18], дающей возможность поддерживать нормированный расход алмазов при достаточно высоких значениях механической скорости бурения.

Под оптимальным углублением за один оборот подразумевается величина съема породы за один оборот, заданная таким внедрением алмазов в породу под действием определенных минимальных осевых нагрузок, при которых не происходит заполирование алмазных резцов коронки. При нагрузках несколько выше означенных, резцы чрезмерно загружаются в породу и разрушаются, не производя полезной работы.

Величина оптимального углубления алмазных резцов зависит от их размеров, физико-механических свойств породы и параметров режима бурения - осевой нагрузки и частоты вращения.

Опытным путем установлено, что величина оптимального углубления за один оборот для однослойной коронки должна составлять 2,5-10 % диаметра алмаза d, т. е.

С помощью вышеприведенной зависимости во Всесоюзном институте техники разведки (ВИТР) определены:

Зависимость углубления за один оборот от параметров режима бурения (а) и схемы поясняющие существо усталостно-поверхностного (б) и объемного разрушения породы (в, г)

Рис. 1.11. Зависимость углубления за один оборот от параметров режима бурения (а) и схемы поясняющие существо усталостно-поверхностного (б) и объемного разрушения породы (в, г)

оптимальное углубление за один оборот в зависимости от зернистости Z (шт/кар)

допустимое значение осевой нагрузки на единичный алмаз

величина осевой нагрузки на коронку

где М — масса объемных алмазов, кар.

При алмазном бурении однослойными коронками рекомендуется оптимальную величину внедрения единичного алмаза принимать равной 0,001-0,008 мм/об. При углублении забоя меньшем, чем 0,001 мм/об, наступает заполирование алмазов, при углублении забоя большем, чем 0,008 мм/об начинается повышенный износ алмазных резцов.

На рис. 1.11, а дана зависимость углубления за один оборот от осевого усилия и частоты вращения. Величина углубления за один оборот возрастает при повышении осевого усилия независимо от частоты вращения коронки. Это происходит как в интервале усталостно-поверхностного режима разрушения, так и в интервале объемного режима разрушения породы.

Зависимость углубления за один оборот от частоты вращения имеет более сложный характер. На интервале усталостно-поверхностного разрушения, когда осевая нагрузка недостаточна для объемного разрушения породы, большие значения углубления за один оборот Иу характерны для бурения на высоких частотах вращения, а равное углубление за один оборот по мере снижения частоты вращения достигается при более высокой осевой нагрузке (Р, Р2, Рз ~ рис. 1.11, а). Причины этого состоят в том, что режим усталостного разрушения связан с процессом снижения прочности и твердости породы вследствие циклически повторяющихся нагружений породы резцами, образования и развития многочисленных трещин в породе. Этот режим нагружения, при недостаточной для внедрения в породу резца нагрузке, будет более интенсивным в случае более высокой частоты вращения коронки.

При определенной осевой нагрузке Рп режим разрушения становится объемным, поскольку осевая нагрузка уже достаточна для внедрения резца в породу. При этом режиме разрушения большее углубление за один оборот достигается уже при меньшей частоте вращения, и по мере роста частоты вращения углубление за один оборот снижается. Причины подобного механизма состоят в том, что при образовании борозды разрушения порода скалывается перед резцом по некоторой поверхности в направлении забоя (линия АБ на рис. 1.11, в). Оптимальными будут условия разрушения породы, при которых скорость перемещения резца будет равна скорости образования трещины отрыва породы в направлении линии АБ. При повышении частоты вращения скорость образования трещины отрыва породы перед резцом начинает отставать от скорости перемещения резца. Резец, испытывая повышенную сопротивляемость породы перемещению, «всплывает», т. е. снижается глубина его внедрения в породу (рис. 1.11, г). «Всплытие» резца происходит ровно настолько, насколько должна уменьшиться длина трещины отрыва А Б с тем, чтобы вновь время поступательного перемещения резца была равно времени образования трещины отрыва А Б .

При объемном разрушении породы равное углубление за один оборот /гоб может быть получена при повышении частоты вращения путем увеличения осевого усилия 4, Р5, Р6 - рис. 1.11, а). Таким образом, для поддержания рационального углубления за оборот по мере повышения частоты вращения следует несколько повышать и осевую нагрузку.

При объемном разрушении горной породы возможны условия, при которых разрушение породы будет происходить наиболее эффективно. Для этого необходимо, чтобы осуществлялась наиболее полная очистка забоя от шлама и выдерживалось такое сочетание осевого усилия и частоты вращения, при которых скорость формирования трещины отрыва АБ (рис. 1.11, в) соответствовала бы скорости перемещения резца. То есть напряжения в ядре сжатия породы должны быть достаточны для эффективного скалывания

Зависимость углубления за один оборот от параметров режима бурения (а) и схемы, поясняющие процесс объемного разрушения при зашламовании забоя (б) и термомеханическом разрушении (в)

Рис. 1.12. Зависимость углубления за один оборот от параметров режима бурения (а) и схемы, поясняющие процесс объемного разрушения при зашламовании забоя (б) и термомеханическом разрушении (в)

породы передней гранью резца под действием касательных и растягивающих напряжений.

Условия разрушения ухудшаются при зашламовании забоя, например, из-за недостаточного количества подаваемого к забою очистного агента. В этом случае при достаточной для объемного разрушения породы осевой нагрузке наблюдается режим, сходный с усталостно-поверхностным, при котором резцы коронки, повторно измельчая шламовую подушку, не могут создавать достаточных для эффективного разрушения породы напряжений. В этом случае зависимость углубления за один оборот от частоты вращения будет аналогична режиму усталостно-поверхностного разрушения, при котором большее углубление за один оборот достигается при более высокой частоте вращения бурового инструмента (рис. 1.12, а, б).

При чрезмерной осевой нагрузке наступает сложный режим термомеханического разрушения породы (рис. 1.12, в), который

сопровождается термическим разупрочнением коронки, что приводит к её активному разрушению. Разрушаются (трескаются, выкрашиваются) и изнашиваются, прежде всего, алмазные резцы. Процесс разрушения резцов интенсивно происходит при более высокой частоте вращения, что сопровождается и более ощутимым снижением углубления в породу.

В начальный период термомеханического процесса разрушения породы возможен резкий рост скорости проходки из-за чрезмерного обнажения резцов в момент интенсивного износа металла матрицы. В этот момент часто происходит падение мощности на разрушение, что объясняется снижением сил трения и сопротивления вращению коронки на забое, который «металлизирован» продуктами износа матрицы коронки. Таким образом, возможен ложный сигнал о благоприятных условиях работы бурового инструмента, что усложняет выбор оптимальных параметров режима бурения.

Режим корректировки значений осевого усилия при изменении частоты вращения коронки - одна из задач оптимизации при управлении процессом алмазного бурения.

При управлении процессом бурения для каждого типа коронки, как в ручном, так и автоматическом режимах, компаниями Atlas Copco и Boart Longyear рекомендуется рациональная частота вращения, выбор которой определяется по рекомендуемой линейной скорости перемещения алмазного резца в пределах 2-5 м/с. Параметрами управления являются усилие подачи и количество подаваемой на забой промывочной жидкости, которые должны обеспечивать определенную скорость проходки.

Критерием оптимального управления алмазного бурения в данном случае является значение показателя RPI «число оборотов на сантиметр подачи», который является «перевернутым» значением углубления скважины за один оборот вращения коронки на забое: RPI = 1//гоб.

В табл. 1.1 приведены рекомендуемые параметры режима бурения импрегнированными коронками типа a-bit компании Boart Longyear.

Таблица 1.1

Параметры режима бурения импрегнированными коронками типа a-hit компании BoartLongyear

Типоразмер

коронки

Расход

промывочной

жидкости,

л/мин

Частота вращения, мин 4

Скорость бурения, см/мин, при RPI, об/см

Осевая

нагрузка,

даН

80

100

1 700

22

17

BQ - 59,6 мм

23-30

1 000

13

10

900-2 300

700

9

7

1 350

17

14

NQ - 75,3 мм

30-38

800

10

8

1 400-2 700

1 000

13

10

HQ- 96,1 мм

38-45

600

8

6

1 800-3 600

РО - 122,6 мм

68-87

  • 800
  • 600
  • 10
  • 6
  • 8
  • 5

2 300-4 500

Например, при частоте вращения 1 200 мин 1 и рекомендованной RPI скорость проходки должна быть примерно 12-15 см, тогда показатель RPI составит: 1 200/15-1 200/12 = 80-100. Эти значения RPI соответствуют значениям углубления за один оборот 0,125-0,1 мм/об. Указанные значения углубления за один оборот считаются оптимальными для данного типа алмазных коронок. В определенных условиях допускается значение RPI = 50 (бурение малоабразивных пород средней твердости), что при рекомендованной частоте вращения соответствует углублению за один оборот /гоб = 0,2 мм/об.

Основной интервал варьирования углублением за один оборот инструментом в рекомендациях компании Boart Longyear принят 0,1-0,125 мм. Существенно меньшие значения углубления могут быть связаны с заполированием алмазных коронок, а более значительные (свыше 0,2 мм/об) - с интенсивным износом коронок, образованием на их горце фасок и других повреждений матрицы коронки. Увеличения скорости углубления при заданной частоте вращения добиваются варьированием осевой нагрузки в заданных, для данной коронки, пределах, например, 900-2300 даН для коронки типоразмера BQ.

Если при установленной частоте вращения (1 200 мин ') и варьировании осевым усилием в заданных пределах не удается добиться рационального RPI, то частоту вращения несколько снижают и устанавливают следующий уровень рационального углубления, который соответствует рекомендованному RPI. Например, для частоты вращения 1 100 мин -1 при рациональных RPI скорости будут равны 11-13 см/мин. Если и в этом случае не удается установить рациональный RPI, то вновь понижают частоту вращения до тех пор, пока не добьются оптимального значения установленного показателя углубления за один оборот бурового инструмента на забое.

Схема для анализа внедрения алмазного резца в породу

Рис. 1.13. Схема для анализа внедрения алмазного резца в породу

Используя зависимость (1.3), получим значение углубления коронкой за один оборот, разделив данное выражение на частоту вращения:

Таким образом, в процессе регулирования по индексу RPI углубление за один оборот поддерживают на оптимальном постоянном уровне путем повышения крутящего момента за счет

регулирования осевого усилия, частоты вращения и, соответственно, глубины внедрения резца в породу. Как известно, при повышении осевого усилия и снижении частоты вращения глубина внедрения резца в породу возрастает. При повышении диаметра бурового инструмента оптимальное углубление за один оборот поддерживается путем снижения частоты вращения и повышения осевого усилия (см. табл. 1.1).

Рассмотрим эти положения более детально (рис. 1.13).

Крутящий момент, необходимый для вращения буровой коронки, определяется из зависимости:

где R - средний радиус торца коронки;

FT - тангенциальное суммарное усилие на торце как усилие сопротивления резанию-скалыванию породы.

Тангенциальное суммарное усилие сопротивления резанию-скалыванию породы определится из формулы:

где оск - предел прочности породы на скалывание (может быть приравнен к пределу прочности породы на растяжение);

h - глубина внедрения резца;

а - ширина внедрившейся в породу части резца;

Np - число работающих на разрушение породы резцов на торце инструмента;

К - коэффициент уширения борозды разрушения (К = 1 для пластичных горных пород; К- 1,5 - для хрупких горных пород);

Уск~ угол скалывания породы перед резцом;

Р - осевая нагрузка;

/- коэффициент трения торца инструмента о породу.

Ширину внедрившейся в породу части резца а вычисляют по зависимости:

где d - диаметр резца. Установка для подземного бурения Diamec U6 АРС

Рис. 1.14. Установка для подземного бурения Diamec U6 АРС

После подстановок крутящий момент на забое находят формуле:

Таким образом, рост крутящего момента, достаточный для сохранения углубления за один оборот инструмента, достигается в основном повышением осевой нагрузки на резец Р, что приводит к росту внедрения резца в породу h.

Наиболее современными автоматизированными буровыми агрегатами в настоящее время являются станки Diamec U6 АРС и Diamec U8 АРС компании

Atlas Copco, предназначенные для колонкового бурения глубоких скважин как с поверхности, так и из подземных горных выработок, ССК типоразмера AQ- HQ с автоматическим контролем параметров (рис. 1.14).

Система АРС (автоматического контроля бурения) позволяет управлять процессом бурения одному оператору. Системой АРС в память компьютера записываются данные бурения: глубина скважины, количество и давление промывочной жидкости, частота вращения, скорость бурения, усилие на коронке, давление в гидросистеме станка и др. Система АРС оптимизирует скорость бурения по показателю RPI, регулируя усилие подачи, частоту вращения в соответствии с изменением условий бурения. Это позволяет оператору выполнять в процессе бурения другие работы - опорожнять керноприемники, готовить к работе коронки и штанги.

Комплексная оценка оптимальности процесса бурения.

Наряду с названными критериями рекомендуется комплексная оценка оптимальности процесса бурения по следующему критерию:

В данной зависимости учитываются два основных показателя: затраты мощности на бурениеN и механическая скорость бурения.

Критерий по своей сути близок к требованиям идеального

конечного результата работы технической системы, так как отражает требования к достижению максимальной механической скорости проходки скважины при минимальных затратах энергии на процесс бурения.

Этот критерий, полученный исходя из энергетических затрат на бурение и разрушение горной породы, определяет такое важное понятие, как энергоемкость процесса разрушения горных пород или бурения.

Энергоемкость процесса разрушения горных пород на забое скважины - показатель эффективности процесса разрушения горных пород, определяемый как отношение затраченной на разрушение породы энергии к интервалу углубки (объему разрушенной породы) за определенный отрезок времени (мгновенной механической скорости бурения).

Энергоемкость процесса бурения - показатель эффективности процесса бурения скважины, определяемый как отношение общей затраченной на процесс бурения мощности к механической скорости бурения.

Таким образом, второй показатель - энергоемкость бурения - включает все затраты энергии на бурение и, прежде всего, затраты на передачу энергии от бурового станка к забою, т. е. на вращение бурильной колонны.

Удельная энергия на разрушение породы при бурении может быть оценена в виде зависимости [7]:

где - энергия, израсходованная на бурение;

V„ - объем разрушенной в процессе бурения породы.

Энергия, израсходованная на бурение, определяется по зависимости:

где Nq - мощность на разрушение породы на забое скважины; t - время бурения.

Объем разрушенной породы вычисляется по формуле

где vM - механическая скорость бурения;

F- площадь забоя скважины.

После всех подстановок получим

Учитывая, что F = const, критерий управления оптимальным бурением будет представлен в виде

при этом следует учитывать сложную функциональную взаимосвязь параметров, вовлеченных в процесс и отражающих его физическую суть: Зависимость удельной работы разрушения (1) и интенсивности износа коронки (2) от проходки П

Рис. 1.15. Зависимость удельной работы разрушения (1) и интенсивности износа коронки (2) от проходки П

Рассмотрим физический смысл критерия W. Данный критерий по своему физическому смыслу определяет интенсивность износа инструмента на единицу скорости бурения и может использоваться, прежде всего, для достижения максимального ресурса бурового инструмента. Критерий W связан с процессом разрушения горных пород при бурении, т. е. с процессами разрушения как самого инструмента для бурения, так и горной породы, и показывает затраты энергии (энергоемкость) на разрушение единицы объема горной породы. Минимизация величины W позволяет получить максимальную проходку на инструмент и минимизировать затраты на бурение.

Например, в работе [16] показана установленная экспериментально зависимость между интенсивностью износа инструмента И и удельной работой разрушения (рис. 1.15).

Учитывая, что мощность на бурение определяется по зависимости

где Мкр- крутящий момент;

со - частота вращения,

получим зависимость расчета критерия управления в несколько ином виде:

Основным преимуществом критерия W является возможность его измерения через параметры крутящего момента и механической скорости бурения. Этот критерий может использоваться для выбора породоразрушающего инструмента или даже классификации горных пород по буримосги. Его использование совместно с таким параметром, рассмотренным ранее, как максимальная рейсовая скорость (для определения времени подъема инструмента из скважины), позволяет практически перекрыть всю необходимую систему технологических критериев для оптимального управления процессом бурения.

На рис. 1.16 приведены графики, отражающие зависимости затрат мощности N и механической скорости бурения vM от осевой нагрузки Рос. Из этих графиков следует, что существуют интервалы интенсивного повышения

Зависимость механической скорости бурения и затрат мощности на бурение от осевого усилия

Рис. 1.16. Зависимость механической скорости бурения и затрат мощности на бурение от осевого усилия

механической скорости бурения и умеренного роста затрат мощности, а также крутящего момента на бурение. При определенных значениях осевой нагрузки и частоты вращения рост механической скорости замедляется, а потребление мощности нарастает, что может быть связано с неблагоприятными условиями работы бурильной колонны или бурового инструмента.

Таким образом, система регулирования процесса бурения должна ограничить параметры режима в точке, которая соответствует критерию оптимизации.

На рис. 1.17 приведены данные алмазного бурения в экспедиции Кировского производственно-геологического объединения [18].

Графики зависимости энергоемкости процесса разрушения горных пород Nq/v и механической скорости бурения v от частоты вращения инструмента при различных значениях осевого усилия - даны в скобках, кН

Рис. 1.17. Графики зависимости энергоемкости процесса разрушения горных пород Nq/vm и механической скорости бурения vM от частоты вращения инструмента при различных значениях осевого усилия - даны в скобках, кН (горные породы IX-X категорий по буримости, коронка 02ИЗ-59)

Графики показывают сложнейшую взаимосвязь основных параметров режима бурения и затрат мощности на разрушение породы. Характерно, что при увеличении частоты вращения энергоемкость разрушения сначала возрастает, достигая максимума, затем несколько уменьшается. Снижение энергоемкости часто не сопровождается снижением механической скорости бурения и такой режим разрушения породы, названный термомеханическим, является пограничным между традиционно используемым на практике механическим разрушением горной породы и активным процессом разрушения самого бурового инструмента вследствие чрезмерного нагрева.

Иллюстрация термомеханического процесса разрушения дана на рис.

1.12,в.

Анализ графиков на рис. 1.17 показывает, что осевая нагрузка 30 кН оказала разрушающее действие на коронку даже при малых значениях частоты вращения, что отразилось, прежде всего, низкой механической скоростью бурения.

При осевой нагрузке 6 кН режим разрушения не вышел за пределы механического даже при максимальных значениях частоты вращения коронки, при этом четко выделяется оптимальное значение частоты вращения шопт, равное 670-680 мин -1.

При осевой нагрузке 12 кН наблюдался практически линейный рост механической скорости, при этом энергоемкость разрушения также нарастала, достигнув максимума при частоте вращения несколько большей, чем 1 000 мин При этом падение энергоемкости бурения сопровождалось ростом механической скорости и, возможно, именно этот режим, а также соответствующие ему параметры бурения являются наилучшими при условии, что не произошло термического разупрочнения алмазной коронки и её активного изнашивания.

Первоначальное резкое снижение механической скорости при Рос= 18 кН и частоте вращения более 800 мин 1 с последующим новым её повышением и одновременным снижением энергоемкости - явный сигнал о переходе процесса бурения в термомеханический режим, сопровождающийся разрушением коронки.

При осевом усилии 24 кН режим термического разупрочнения коронки не отмечается на графиках в виде смены максимумов и минимумов, при этом достигается самая высокая механическая скорость бурения, и только снижение энергоемкости после частоты вращения 800 мин 1 может указывать на изменение характера работы бурового инструмента.

Таким образом, оценка оптимальности условий и режима бурения представляет из себя сложнейшую задачу, при которой необходимо учитывать и качества бурового инструмента, например, способность коронок выдерживать критические значения температур и работать в режиме термомеханического разрушения горных пород.

Методика управления критерием W может состоять в пошаговом регулировании осевого усилия в процессе поиска минимального значения W при заданной рекомендованной частоте вращения породоразрушающего инструмента.

Для оценки энергоемкости всего процесса бурения следует учитывать общие затраты мощности N0§ на процесс бурения, равные в основном сумме затрат энергии непосредственно на разрушение породы N5 и работу бурильной колонны А^б.к, отнесенные к механической скорости бурения:

На базе предложенных критериев могут разрабатываться аппаратура, датчики, программные продукты, задача которых состоит в регулировании параметров управления - осевой нагрузки, частоты вращения инструмента, количества и качества очистного агента с целью достижения оптимального значения выбранного критерия, что, в свою очередь, показывает стремление технической системы к достижению идеального конечного результата.

На основании критерия W = Nq/vм можно получить иной, более детализованный критерий «мгновенного» действия, который согласуется с критерием управления процесса алмазного бурения компании Boart Longyear.

Механическая скорость бурения определяется как произведение углубления за оборот Лоб и частоты вращения со:

поэтому критерий оптимизации бурения «мгновенного характера», полученный из соотношения , может выглядеть следующим образом:

Указанный критерий позволяет рассмотреть условия получения максимума углубления за один оборот при минимуме крутящего момента на бурильной колонне.

Учитывая, что углубление за один оборот определяется как произведение глубины внедрения резца в породу h и числа работающих на разрушение резцов Np: ho6 = h? Np, получим формулу для расчета параметра W:

Из данной формулы становится понятно, что минимизация параметра оптимизации W возможна при следующих условиях: Я—>min; Р—> min;/—> min; i/—> min; h —*? max; Np—> max.

В то же время глубина внедрения резца в породу h в первом слагаемом формулы находится в числителе, а во втором - в знаменателе, т. е. возникает противоречие, которое вполне устраняется тем, что в первом слагаемом степень влияния фактора h - Z2, а во втором слагаемом - 1. Необходимо также учитывать, что в балансе затрат мощности и усилий первое слагаемое занимает не более 10-20 % общих затрат, а второе - 80-90 %.

Поэтому, отметив, что более желательны, по условию оптимального критерия, мелкорезцовые и импрегнированные коронки (d—main, а также Np»max), можем сформулировать искомый параметр оптимизации более компактно, отбросив первое слагаемое:

Из данной зависимости следует, что будут более оптимальны буровые коронки меньшего диаметра, так как затраты мощности на бурение будут меньше, а достигаемые скорости бурения более высокими.

Критерии оптимального управления процессом вращательного бурения алмазным буровым инструментом

Рис. 1.18. Критерии оптимального управления процессом вращательного бурения алмазным буровым инструментом

В то же время между параметрами h и Np имеется противоречие, так как повышение числа резцов неизбежно приведет к уменьшению их размеров, а соответственно, и снижению глубины внедрения резцов в породу. Эго выявленное противоречие является любопытным с точки зрения создания новых типов бурового инструмента и отражает, очевидно, уже реально назревающий переход от инструментов механического типа, к другим типам буровых наконечников, способных реализовать разрушение породы не механическим, а иным, например, термомеханическим способом или плавлением горной породы, например, лазером.

Из трактовки критерия следует

Если придерживаться положения, что соотношение N§/vM - параметр, определяющий, наряду с энергоемкостью, износостойкость инструмента (см. рис. 1.15), то вероятен критерий оптимизации, который определяет стремление к получению потребителем максимальной скорости бурения при высокой износостойкости инструмента:

Таким образом, наряду с критерием W, может быть рекомендован критерий интенсификации процесса бурения при условии оптимальных условий работы бурового инструмента.

На основании анализа возможных критериев оптимального управления процессом бурения выстраивается следующая взаимосвязь наиболее вероятных критериев (рис. 1.18), которые целесообразно использовать при создании автоматизированных систем управления процессом бурения скважин.

Рассмотрим основные соотношения приведенных выше критериев управления бурением: механическую скорость

(рис. 1.19). Из представленных графиков следует, что оптимальные значения осевого усилия и частоты вращения для рассмотренных критериев управления процессом бурения не совпадают. Как правило, критерий

достигается раньше, чем наступает максимальная механическая

скорость бурения и реализуется критерий

Критерий предполагает использование максимально щадящих

значений параметров режима бурения, особенно осевой нагрузке. В этом случае проходка на коронку, очевидно, будет максимальной, но механическая скорость бурения будет умеренной или средней по величине.

Максимальные значения механической скорости бурения могут быть получены при больших значениях осевой нагрузки и частоте вращения, но условия изнашивания коронки при этом будут также очень высокими.

Критерий дает более высокие значения параметров режима

бурения, ориентированные на большие значения механической скорости при условии минимизации затрат мощности на бурение. При этом критерий

располагается между критериями vM и , определяя условия получения не только высокой механической скорости бурения, но и благоприятной отработки инструмента.

Критерий подходит для управления процессом при бурении

неглубоких скважин, когда фактор скорости проходки более предпочтителен.

Основные зависимости показателей бурения от параметров режима бурения

Рис. 1.19. Основные зависимости показателей бурения от параметров режима бурения: а, в, е - частота вращения 1 000 мин , б, г, д - осевая нагрузка

500 даН

Критерий же может быть применен при проходке глубоких

скважин, когда параметр стойкости инструмента будет более важным в сравнении с высоким уровнем механической скорости бурения.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы