Методика определения оптимальных параметров режима и условий бурения скважин

Каждый из рассмотренных критериев оптимизации не решает задачи выбора комплекса параметров, обеспечивающих оптимальную реализацию бурового процесса. В предлагаемой методике используются основные из рассмотренных критериев оптимизации, что позволяет определить как оптимальные значения параметров режима бурения - осевую нагрузку, частоту вращения и количество подаваемой промывочной жидкости, так и сделать вывод о соответствии оптимальным условиям по стоимости метра бурения.

Рассматриваемая методика предполагает выполнение следующих действий:

  • 1. Определяют оптимальные значения параметров режима бурения по критерию vM—* max в пределах заданных величин.
  • 2. Вычисляют оптимальные значения механических скоростей и

параметров режима бурения по критерию ^ => min. При этом полагаем, что

vu

выбранные значения механических скоростей и параметры режима бурения позволят обеспечить максимальный или близкий к нему ресурс бурового инструмента.

„ „ N. .

3. Результаты анализа по критериям vM —*? max и —1 => mm сравнивают и

vM

определяют прогнозируемый ресурс коронки в соответствии с указанными критериями, а также со значением расхода алмазов для конкретных условий бурения. Во-первых, определяется ожидаемый ресурс алмазной коронки

(соответствует выбору по критерию => min); во-вторых, прогнозируют

vM

ресурс коронки, который можно получить, применяя форсированные режимы бурения, выбранные по критерию vM —> max, и, соответственно, высокую механическую скорость бурения, но несколько пониженный ресурс коронки.

Например, известно, что расход алмазов без учета рекуперации зависит от физико-механических свойств горных пород, качества и количества алмазов в коронке, эксплуатационных характеристик коронки и качества её изготовления. Можно придерживаться следующих значений расхода алмазов, (кар./м) в зависимости от категории горных пород по буримости:

При бурении трещиноватых пород расход алмазов может возрасти на 30- 50 %.

Таким образом, имея значение массы алмазов, размещенных в коронке G, и принимая величину предполагаемого расхода алмазов q, можно определить

Зависимость механической скорости бурения от частоты вращения диорита однослойными коронками (а) и кварцита импрегнированными коронками (6)

Рис. 1.22. Зависимость механической скорости бурения от частоты вращения диорита однослойными коронками (а) и кварцита импрегнированными коронками (6)

Зависимость забойной мощности от осевой нагрузки при бурении диорита однослойными коронками (а) и кварцита импрегнированными

Рис. 1.23. Зависимость забойной мощности от осевой нагрузки при бурении диорита однослойными коронками (а) и кварцита импрегнированными

коронками (б)

прогнозируемую проходку на коронку при соответствии параметров режима бурения критерию

Пример 1. Категория горных пород по буримости X, породы трещиноватые, следовательно, q = 0,7-1,5 = 1,05 карат/м. Если коронка имеет массу алмазов 20 карат, то прогнозируемый ресурс коронки составит: 20 кар./1,05 кар./м = 19 м.

4. В дальнейшем, используя одну из формул (1.37)—(1.43) для расчета стоимости бурения 1м скважины, и полученные в соответствии с критериями

оптимизации значения оптимальных механических скоростей

и ресурса коронки, а также другие данные для расчета, производится определение стоимости 1 м скважины, а по минимуму этой величины выясняется, какие параметры процесса бурения скважины будут более оптимальными.

Пример 2. По данным бурения однослойными и импрегнированными коронками осуществим поиск оптимальных условий бурения (рациональной частоты вращения и осевой нагрузки) по критериям оптимизации vM—>тах и

N.

1 шт .

V,

На рис. 1.22 и 1.23 представлены результаты бурения - механическая скорость и забойная мощность при бурении диорита однослойными и кварцита импрегнированными коронками.

Представленные на рис. 1.22 и 1.23 данные обработаны методом полного факторного эксперимента (ПФЭ) [1,2] вида N0ll = 2 , где А0|1 - число опытов: к - количество влияющих факторов (в данном случае будет равен 2, так как влияющие факторы осевая нагрузка и частота вращения).

В результате обработки данных получены модели, отражающие влияние факторов - осевого усилия Рос и частоты вращения со на механическую

скорость бурения vM и энергоемкость разрушения породы — для бурения

vM

однослойной коронкой диорита и импрегнированной коронкой кварцита:

Графическая интерпретация уравнений (1.58)—(1.61) дана на рис. 1.24. Анализ графиков на рис. 1.24 показывает, что для однослойной коронки максимальное значение механической скорости бурения (область I на

рис. 1.24, а) не совпадает с минимальным значением критерия (область III

Рис. 1.24. Графическая интерпретация уравнений механической скорости бурения {а, б) и критерия {в, г) для однослойной (а, в)

и импрегнированной (б, г) алмазных коронок

на рис. 1.24, в). Минимальные значения энергоемкости бурения получены

при Рос = 400 даН и со = 725 мин " . Механическая скорость бурения при данных режимах параметрах будет равна 4,5 см/мин, следовательно, вероятно получение максимального ресурса коронки.

При максимальной скорости бурения 9 см/мин, Рос = 1 400 даН и

со = 725 мин ' показатель В этом случае величина показателя в

  • 1,06 раза больше показателя 0,77, значит, ресурс коронки будет снижен на
  • 6 %.

Таким образом, в пределах рассмотренных условий бурения однослойной коронкой имеем два варианта для сравнения:

  • 1) vM= 5 см/мин или 3 м/ч и максимальный ресурс коронки, например, 15 м;
  • 2) vM = 9 см/мин или 5,4 м/ч и сниженный на 6 % ресурс коронки - 14,1 м.

По формуле (1.37) рассчитаем стоимость 1 м бурения скважины при следующих данных: стоимость станко-смены работы бурового агрегата Ссм = 24 000 руб, длительность станко-смены Г = 8 ч, время бурения 4 ч, т. е. (Г- Гб) = 4 ч, проходка за рейс 6 м, стоимость коронки Ц = 3 000 руб.

При таких данных по первому варианту стоимость 1 м бурения скважины составит 3 170 руб, а по второму - 2 748 руб, т. е. в данном случае наиболее экономично бурить на более высокой (в пределах полученных значений) скорости при максимальных частоте вращения и осевой нагрузке.

Изменим условия, например, время «чистого» бурения пусть составит 3 ч, т. е. (Г - Гв) = 5 ч, что будет соответствовать увеличению глубины скважины и доли вспомогательных операций в общем балансе времени. В этом случае стоимость 1 м бурения скважины по первому варианту составит 3 690 руб, а по второму - 3 258 руб. Таким образом, при росте стоимости 1 м снижение времени «чистого» бурения на разнице в стоимости 1 м не отразилось.

Стоимость бурового инструмента и станко-смены, а также величина снижения ресурса коронки - решающие факторы при выборе тактики бурения в данном случае.

Можно составить уравнение, позволяющее найти предельную разность в ресурсе коронки, при которой целесообразно снижение механической скорости для повышения ресурса коронки. Подобное уравнение будет выглядеть следующим образом:

или

где V| , V2, L, L2 - механические скорости и величины ресурса коронок по сравниваемым вариантам.

Если длины рейсовых проходок /р и время бурения Гб в сравниваемых вариантах различны, то их также следует учесть при расчете по вышеприведенной формуле. Если же эти параметры остаются неизменными, то уравнение (1.62) будет выглядеть несколько упрощенным:

Из уравнений (1.62) и (1.63) следует, что различие в механических скоростях (левая часть уравнений) должно быть больше различия в ресурсе буровых коронок (правая часть уравнений в скобках), если соотношение

; быть меньше в раза, если это соотношение больше 1; быть больше в раза, если это соотношение менее 1.

В рассматриваемом варианте (частный случай), а значит,

рассмотрение условий примера может сводитьсяк соотношению Поскольку условно принято, что равно 1 и это

выражение исключено из анализа, то дальнейшее решение уже не учитывает реальной размерности. Из этого соотношения следует, что величины разности в механических скоростях и ресурсе коронок должны быть сопоставимы.

В этом случае предельно низкий допустимый по критерию стоимости 1 м бурения ресурс коронки можно рассчитать по следующему выражению

Полученное значение ресурса коронки будет справедливо, если останутся неизменными рейсовая проходка и время «чистого» бурения в течение смены.

Таким образом, в рассматриваемом случае бурение следует вести при осевом усилии 1 400 даН и частоте вращения 725 мин"1, что будет экономически выгодно. При этом параметры режима бурения можно существенно повышать, добиваясь более высокой скорости бурения.

Если же используется более дорогой инструмент при низкой стоимости станко-смены (эти условия характеризуют современное и передовое положение дел, когда применяется дорогое и высокопроизводительное оборудование, а издержки производства малы), то становится более актуальным поиск оптимальных условий бурения для достижения высокого

Т’.ц

ресурса инструмента. Например, если соотношение 2 из-за стоимости

коронки 6 000 руб., то предельный минимальный ресурс коронки при достигнутых скоростях должен быть не менее 7,22 м. Эту величину можно найти из формулы

или

где vj, v2 - сравниваемые варианты механических скоростей, м/ч;

L, Ь2 - сравниваемые варианты ресурса инструмента, м;

/ь /2 - сравниваемые варианты рейсовой проходки, м;

Т,Т2 - сравниваемые варианты времени «чистого» бурения в течение смены, ч.

Для импрегнированной коронки области максимальных значений

N6

механической скорости оурения и минимального значения критерия —-

vM

совпали (области II и IV на рис. 1.24, б, г). Это значит, что отработка коронки при максимальных значениях осевого усилия и частоты вращения обеспечат и максимальный ресурс инструмента, а эффективность бурения будет высока. При этом, учитывая полученные значения критериев, имеется некоторый резерв повышения параметров режима и механической скорости бурения.

Пример 3. Используя данные бурения, представленные на рис. 1.22, а и 1.23, а определить стоимость 1 м скважины, если полагать, что ресурс долота равен рейсовой проходке, а снижение ресурса и проходки на долото снижает время чистого бурения с 4 до 3,5 ч.

При механической скорости бурения 3 м/ч и ресурсе долота 15 м, стоимость 1 м составила

при механической скорости 5,4 м/ч и ресурсе долота 14,1 м стоимость 1 м будет равна

Таким образом, разность стоимости 1 м бурения скважины составила 264 руб. Дальнейшее повышение механической скорости до 6-7 м/ч, снижение ресурса долота до 12-11 м, а также времени «чистого» бурения в балансе затрат времени приведет к росту стоимости 1 м, но в данном случае более оправданным является выбор более высокой механической скорости бурения.

Пример 4. Оценим соответствие критерия управления процессом бурения, основанного на реализации заданного углубления за один оборот коронки на забое, представленного в виде показателя RPI, равного отношению 1 //г0б, где /г„б - углубление за один оборот, см/мин.

В результате обработки данных получены модели, отражающие влияние факторов - осевого усилия Рос и частоты вращения со на углублении за один оборот при бурении однослойной и импрегнированной коронками:

Графическая интерпретация уравнений (1.65) и (1.66) представлена на рис. 1.25. Из графиков следует, что углубление за один оборот повышается в основном по мере роста осевого усилия. При бурении однослойной коронкой оптимальное углубление за один оборот по критерию RPI сначала реализуется за счет повышения частоты вращения, а затем - вследствие роста осевого усилия и частоты вращения (см. рис. 1.23, а).

Графическая интерпретация уравнений углубления за один оборот /г

Рис. 1.25. Графическая интерпретация уравнений углубления за один оборот /гоб

(в скобках значение RPI) для однослойной (а) и импрсгнированной (б) коронок

При бурении импрегнированной коронкой оптимальное углубление за один оборот по критерию RPI достигается путем снижения осевого усилия по мере роста частоты вращения (см. рис. 1.24, б).

Оптимальным условиям бурения по критерию RPI = 80-100 (области V и VI на рис. 1.25, а, б) соответствуют следующие значения механических скоростей: 6-7,5 см/мин для однослойных коронок, (см. рис. 1.24, а); 5,5-7 см/мин для импрегнированных коронок (см. рис. 1.24, б).

Данные значения скоростей существенно меньше максимально полученных, особенно для импрегнированной коронки, и не соответствуют оптимальным условиям бурения, выбранным по критерию минимальной энергоемкости.

Так, для однослойной коронки,несмотря на умеренные значения механической скорости, критерий , гарантирующий высокий ресурс

коронки, будет не самым оптимальным - 0,81, в сравнение с достигнутым - 0,77.

В то же время следует отметить, что уравнения (1.65) и (1.66) в принципе позволяют реализовать процесс управления бурением по критерию заданной углубки за один оборот h0q. Рассмотрим эту возможность детально.

Если математическую модель углубки представить в общем виде:

то выражение для расчета осевого усилия Рос при заданном углублении за один оборот /?05 будет выглядеть следующим образом:

Таким образом, выбирая величину частоты вращения со при заданной величине углубления за один оборот /гоб, можно определить соответствующую этому заданному углублению и выбранной частоте вращения величину оптимальной осевой нагрузки.

Задача существенно усложняется, если в качестве третьего влияющего на процесс бурения фактора рассмотреть количество подаваемой промывочной жидкости Q. В этом случае модель будет выглядеть следующим образом:

В этом случае решение может производиться в два этапа сначала рассчитываются модель (1.67) и значение Рос по формуле (1.68), а затем вычисляется значение Q из вышеприведенной модели:

Построение представленных моделей и решение уравнений с целью определения Рос и Q при реализации методики управления процессом бурения следует производить на компьютере, управляющем процессом бурения в режиме оперативного диалога с мгновенной оценкой скорости бурения и углубления за один оборот.

Например, если задать углубление за один оборот коронки h0б = 0,01 см/об. и установить частоту вращения со = 398 мин -1 (в закодированном по методике полного факторного эксперимента обозначении частота равна 0), то из уравнения (1.65) путем подстановки принятых значений параметров можно определить оптимальную для данных условий осевую нагрузку:

что соответствует величине Рос = 930 даН.

Для импрегнированной коронки подобные условия позволяют по уравнению (1.66) рассчитать иное значение осевой нагрузки:

что соответствует осевой нагрузке 819 даН.

Таким образом, рассмотрена методика выбора оптимальных параметров бурения по заданному углублению за один оборот при сопоставлении и комплексной оценке таких критериев, как механическая скорость, энергоемкость и стоимость 1 м бурения.

Проведем процесс поиска оптимальных параметров режима бурения по

критерию и сравним с ранее полученными результатами.

Уравнения (1.69) и (1.70) получены для бурения импрегнированной и однослойной коронками в соответствии с методикой ПФЭ. В данном случае оценено влияние основных факторов - осевой нагрузки и частоты вращения

Рис. 1.26. Графическая интерпретация критерия min от параметров режима

бурения для бурения диорита однослойной коронкой (а) и кварцита импрегнированной коронкой (б)

на величину критерия (рис. 1.26).

Из графиков, представленных на рис. 1.26, следует, что максимальные

значения критерия возможны как для случая бурения однослойной

коронкой, так и для случая бурения импрегнированной коронкой при максимальных значениях Рос и о с некоторым (большим для однослойной коронки) опережающим влиянием частоты вращения.

Таким образом, данный критерий соответствует условиям более интенсивной скоростной проходки скважины.

Пример 5. В табл. 1.7 приведены данные бурения известняка

однослойной коронкой. Рассчитать значения критериев и

RPI управления процессом бурения и оценить их соответствие.

12

Рис. 1.27. Графическая интерпретация уравнений механической скорости бурения {а, б), углубки за оборот (в, г) и критерия (д, ё) для однослойной алмазной коронки 01 АЗ-59 при бурении известняка с очисткой забоя водой

Таблица 1.7

Критерии оптимизации, рассчитанные по данным бурения известняка коронкой 01 АЗ-59 ( промывочная жидкость - вода)

со, мин'1

Рос, кН

Л/б/Ум-чгпп,

кВт-ч/м

Optimum

v„

ф

-> 74

max

Optimum

vM

4/ ) (А /

RPI

3

2,4/2= 1,2

1,7

187

625

6

3,2/3,5 = 0,91

3,5

3,8

107

9

4,5/4,8 = 0,94

4,8

5,12

78

12

6,0/6,7 = 0,9

6,7

7,48

6,7

56

3

3,7/4,4 = 0,84

5,23

139

1 020

6

5,4/6,1 =0,86

5,81

100

9

6,5/7,8 = 0,83

7,8

9,36

78

12

8,1/9,5 = 0,85

11,14

9,5

64

3

4,3/5 = 0,86

5,81

178

1 480

6

6,6/8,4 = 0,79

8,4

10,7

105

9

8,6/10,9 = 0,79

10,9

13,8

81

12

9,5/12,1 =0,79

12,1

15,4

12,1

73

3

4,6/5,7 = 0,81

7,06

210

2 000

6

6,7/8,2 = 0,82

10,04

146

9

8,8/11,1 =0,79

1U

14,01

11,1

108

12

9,1/11,1 =0,82

13,54

108

3

5/5,5 = 0,91

6,05

327

3 000

6

7,5/7,8 = 0,96

8,11

230

9

9,8/11,9 = 0,82

11,9

14,45

11,9

151

12

10,9/12,5 = 0,87

14,33

144

В результате обработки данных бурения известняка получены следующие модели для диапазона изменения частоты вращения от 625 до 1 480 мин":

В соответствии с данными табл. 1.7 и графиками на рис. 1.27 оптимальными параметрами режима бурения известняка являются частота вращения 1 480 мин" и осевая нагрузка в пределах 6-12 кН, что

позволит получить скорость бурения в среднем 8-11,3 м/ч. Критерий в

этом случае будет равен 0,79. В соответствии с критерием, скорость бурения может быть повышена до 12 м/ч при частоте вращения 1 480 мин 1 и максимальной осевой нагрузке 12 кН, при этом величина критерия будет

уже несколько больше - 0,83, следовательно, ресурс коронки L снизится на 5 %.

Управление процессом бурения целесообразно вести в соответствии с зависимостью, представленной на графике рис. 1.27, г и формулой (1.72).

При углублении за один оборот 0,1 мм регулирование осевого усилия в зависимости от частоты вращения необходимо производить по следующей

формуле: где ш - частота вращения, представленная в

закодированном от +1 до -1 значении (от 625 до 1 480 мин ').

Таблица 1.8

Критерии оптимизации, рассчитанные по данным бурения габбро коронкой 01 АЗ-59 (промывочная жидкость - вода)

со, мин'1

Рос, кН

кВт- ч/м

Optimum

vM

(А?

max

Optimum

vM

<%>

RPI

625

3

1.4/1,6 = 0,88

1,83

234

6

2,8/3,2 = 0,88

3,66

117

9

3,8/5,1 = 0,75

5,1

6,85

73

12

4,7/6,2 = 0,76

6,2

8,18

6,2

61

15

6,8/6,6= 1,03

6,4

57

1 020

3

2,1/2,1 = 1

2,1

291

6

3,7/4,5 = 0,82

4,5

5,49

136

9

5,7/6,1 =0,93

6,56

6,1

96

12

9,5/6,8 = 1,4

4,86

90

15

11,5/6,1=1,88

3,24

100

18

18,7/7,4=2,52

2,94

82

1 480

3

2,6/2,7 = 0,96

2,81

328

6

5,0/5,8 = 0,86

5,8

6,74

5,8

153

9

8,0/6,9= 1,16

5,95

128

12

12,2/8,6=1,42

6,06

8,6

103

15

16,1/8,2=1,96

4,18

108

2 000

3

3,4/4,1 = 0,83

4,1

4,9

293

6

7,7/6,8= 1,13

6,01

6,8

177

9

13,5/8,3=1,63

5,09

145

12

15,7/9,1=1,73

5,26

132

3 000

3

3,9/4,4 = 0,89

4,4

4,94

409

6

9,4/7,8= 1,2

6,5

7,8

231

9

18,1/9,4=1,93

4,87

191,5

Пример 6. Опытные данные бурения однослойной коронкой габбро с применением в качестве очистного агента технической воды, приведенные в табл. 1.8 и технической воды с добавлением ПАВ в табл. 1.9. Используя представленные данные, следует выполнить анализ полученных результатов и

выявить оптимальные параметры режима бурения по критериям

и углублению за один оборот /гоб (RPI).

В табл. 1.8 и 1.9 сделан предварительный анализ и ориентировочно установлены оптимальные значения названных критериев.

Таблица 1.9

Критерии оптимизации, рассчитанные по данным бурения габбро коронкой 01 АЗ-59 (промывочная жидкость - вода с ПАВ)

ш, мин'1

Рос, кН

Гм,

м/ч

ЛУг м—>min, кВт-ч/м

Optimum

v„

<%>

V“/ -

А,

max

Optimum

vM

<%>

RPI

3

2,5

0,64

3,9

150

6

4,4

0,61

4,4

7,17

85

625

9

5,4

0,72

7,48

69

12

6,3

0,86

7,35

60

15

7,5

0,88

8,5

7,5

50

18

7,3

1,11

6,58

51

3

3,2

0,63

3,2

5,12

191

6

6,1

0,67

9,08

100

1020

9

7,8

0,88

8,8

78

12

8,7

1,0

8,7

70

15

9,9

0,95

10,4

9,9

62

3

4,2

0,69

4,2

6,08

211

6

8,4

0,71

11,76

8,4

106

1480

9

9,8

0,89

11,04

91

12

10,6

1,18

8,99

84

15

9,8

1,68

5,82

91

3

5,7

0,67

5,7

8,55

5,7

211

2000

6

8,6

1,12

7,7

140

9

9,1

1,77

5,14

132

11

10,2

1,82

5,6

118

3

6,4

0,53

6,4

12,05

281

3000

6

12,3

0,89

13,75

12,3

146

8

12,6

1,25

10,05

143

При бурении габбро с промывкой забоя водой (табл. 1.8) достигнута максимальная скорость 9,1-9,4 м/ч при ш = 2 000-3 000 мин 1 и Рос = 9-12 кН,

но при этом критерий энергоемкости разрушения кВт ч /м,

что в 2,5 раза больше, чем при со = 625 мин ", Рос = 9-12 кН, когда скорость бурения составила 5-6 м/ч и была получена минимальная энергоемкость, равная 0,75 кВт-ч /м. Таким образом, реализация форсированных до предела режимов бурения позволяет повысить скорость проходки скважины в 1,67 раза, но при этом ресурс коронки будет снижен в 2,5 раза.

Критерий дает значение оптимальной скорости бурения

6,2 м/ч при Рос = 12 кН и со = 625 мин - .

По критерию углубления за один оборот (RPI) рациональным будет бурение при частоте вращения инструмента со = 625 мин 1 и Рос = 7-8 кН; со = 1 020 мин 1 и Рос = 9-18 кН; со = 1 480 мин 1 и Рос = 12 кН, при этом максимальная скорость будет 7,4 м/ч. Важно отметить, что первый вариант выбора режимных параметров соответствует бурению с максимальным ресурсом коронки, а второй вариант менее оправдан, так как при незначительном росте механической скорости бурения ресурс коронки снижается в 2 раза.

Применение в качестве промывочной жидкости технической воды с добавлением ПАВ позволило повысить механическую скорость бурения на 12-16 % и снизить энергоемкость бурения на 14-15 %. При этом минимальная энергоемкость (0,53 кВт-ч /м) достигнута при частоте вращения коронки со = 3 000 мин 1 и Рос = 3 кН, но при умеренной механической скорости 6,4 м/ч. Повышение осевого усилия при этой же частоте вращения позволило получить рекордную скорость - 12,3-12,6 м/ч. В то же время такие высокие скорости бурения вызвали рост энергоемкости в 1,7-2,3 раза, что, безусловно, предполагает снижение ресурса коронки в 1,5-2 раза.

По критерию углубления за один оборот коронки (RPI) лучшими будут условия при со = 1480 мин -1, Рос =6-12 кН, что позволит получить механическую скорость 8,4-10,6 м/ч и вполне умеренную энергоемкость бурения (0,71-1,18 кВт ч /м).

В результате обработки данных получены модели, отражающие процесс бурения габбро с промывкой забоя водой:

При промывке водой с добавлением ПАВ получены другие модели:

На рис. 1.28 приведены графики, построенные по уравнениям (1.75)— (1.80), в зависимости от частоты вращения и осевой нагрузки при промывке

Графическая интерпретация уравнений механической скорости

Рис. 1.28. Графическая интерпретация уравнений механической скорости

бурения (а, б), углубления за оборот (в, г) и критерия (д, е) для

однослойной алмазной коронки 01 АЗ-59 при бурении габбро и промывке водой (а, в, д) и ПАВ (б, г, е)

водой и водой с добавлением ПАВ в диапазоне изменения частоты вращения 625-1 480 мин Графики построены в соответствии с моделями, рассчитанными по методике полного факторного эксперимента.

На графиках рис. 1.28 в, г выделены зоны оптимального углубления за один оборот коронки и обведены области, которые одновременно соответствуют высоким значениям ресурса инструмента и скоростям бурения 5-7 м/ч. Эти условия близки к оптимальным.

Уравнения управления осевым усилием Рос по мере изменения частоты вращения коронки при условии поддержания оптимального углубления за один оборот коронки /?об получены из уравнений (1.76) и (1.79):

при промывке водой

при промывке водой с добавлением ПАВ

С помощью полученных уравнений в пределах выделенного поля на графиках рис. 1.28 в, г, задавая значения углубления за один оборот коронки в пределах 0,1-0,125 мм и частоту вращения в интервале от -1 до +1 (625- 1 480 мин '), можно рассчитать соответствующее значение осевого усилия в закодированном выражении. Таким образом, появляется возможность для автоматизированного управления процессом бурения, когда по задаваемой частоте вращения в автоматическом режиме устанавливают оптимальное значение осевого усилия и реализуется оптимальное углубление за один оборот коронки.

Пример 7. Рассчитать график изменения осевого усилия Рос при изменении частоты вращения в пределах 625-1 480 мин-1 при углублении за один оборот коронки 0,1 мм и промывке водой (см. рис. 1.27, в).

Используем первое из полученных выше уравнений для Рос и произведем расчеты, подставляя в него значения углубления за один оборот коронки 0,1 мм и частоты вращения в закодированном выражении, например: -1 (соответствует 625 мин-1); -0,5 (838,5 мин '); 0 (1 052 мин -1); +0,5 (1 266 мин~'); +1 (1 480 мин^1).

В результате расчетов получены следующие значения осевых усилий, соответствующих значениям выделенных частот вращения коронки: -0,13 (6,92 кН); +0,05 (7,73 кН); +0,3 (8,85 кН); +0,67 (10,52 кН); +1,37 (13,67 кН).

В табл. 1.10 и 1.11 приведены данные о бурении гранита импрегнированной коронкой 02И4 и значения рассчитанных критериев оптимизации. По полученным данным получены следующие модели:

при промывке водой: Графическая интерпретация уравнений механической скорости

Рис. 1.29. Графическая интерпретация уравнений механической скорости

бурения (а, б), углубления за один оборот (в, г) и критерия (д, е) для импрег-

нированной алмазной коронки 02И4; при бурении гранита и промывке водой (а,

в, д) и ПАВ (б, г, е)

при промывке водой с добавлением ПАВ:

На рис. 1.29 приведена графическая интерпретация уравнений (1.81)—

(1.86).

Из приведенных данных следует, что применение поверхностноактивных веществ при бурении гранита импрегнированной коронкой существенно повысило механическую скорость проходки, углубление за один оборот коронки на забое и снизило энергоемкость разрушения при бурении.

Таблица 1.10

Критерии оптимизации, рассчитанные по данным бурения гранита коронкой 02И4-59 ( промывочная жидкость - вода)

О), мин'1

Рос, кН

M>/vM —»min, кВт-ч/м

Optimum

''л /?

max

Optimum

RPI

6

1,2/0,8 = 1,5

0,53

470

9

2,3/1,7 = 1,35

1,7

1,26

221

625

12

4,7/3,0= 1,57

1,91

3,0

125

15

7,0/3,3 = 2,12

1,56

113

18

9,5/3,6 = 2,63

1,37

104

6

2,6/1,9 = 1,36

1,9

1,4

323

1 020

9

6,7/3,3 = 2,03

1,63

3,3

185

12

9,7/3,8 = 2,55

1,49

161

15

12,4/4,4 = 2,81

1,57

139

3

1,2/0,5 = 2,4

0,2

1783

6

3,5/2,2 =1,59

2,2

1,38

403

1 480

9

11,7/4,7 = 2,49

1,89

4,7

189

12

16,0/5,5 = 2,91

1,89

5,5

162

15

20,6/5,9 = 3,49

1,69

159

3

1,6/0,9= 1,78

1,98

1333

6

10,3/4,5 = 2,29

1,97

266

2 000

9

18,1/6,0 = 3,0

2,0

200

И

19/6,2 = 3,06

2,03

193

12

22/12,4 = 1,77

12,4

7,0

12,4

96,8

3

0,6/0,7 = 0,86

0,7

0,81

2586

3 000

6

14,3/4,9 = 2,92

1,68

367

8

19,8/6,8 = 2,91

2,34

6,8

265

При бурении с промывкой водой наилучший результат получен при со = 2 000 мин 1 и Рос = 12 кН: механическая скорость составила 12,4 м/ч, а энергоемкость бурения - только 1,77 кВт-ч /м. Этот результат не является типичным и при анализе не учитывается.

Полученные данные позволяют оценить возможный ресурс коронки по

критерию

Критерий задает более высокие значения механической

скорости, что можно использовать для бурения на более форсированных режимах бурения.

При бурении с промывкой водой с добавлением ПАВ наибольшая скорость бурения составила 7,8 м/ч, но при значительных энергозатратах. Близкие к минимальным энергозатраты получены при механических скоростях 2,6-3,9 м/ч. Именно эти скорости бурения можно считать наиболее экономичными.

Таблица 1.11

Критерии оптимизации, рассчитанные по данным бурения гранита коронкой 02И4-59 (промывочная жидкость - вода с добавлением ПАВ)

со, мин'1

Рос, кН

V» , м/ч

NeJvM —>min, кВтч/м

Optimum

v,„

>%>

v7 ->

Ao

max

Optimum

vM

<%>

RPI

625

6

1,6

0,94

1,6

1,7

234

9

2,3

1,0

2,3

163

12

2,7

U9

2,28

139

15

4,0

1,7

2,32

4,0

94

18

4,0

2,3

1,74

94

1 020

6

3,1

0,97

3,1

3,2

197

9

4,1

1,07

3,8

4,1

149

12

4,8

1,7

2,84

128

15

5,2

2,2

2,37

118

18

5,8

2,7

2,13

106

1 480

6

3,9

1,03

3,9

3,08

227

9

6,1

1,26

4,8

6,1

146

12

6,4

2,2

2,9

139

15

6,9

2,8

2,48

129

2 000

3

2,6

0,73

2,6

3,56

462

6

5,3

1,0

5,3

5,3

226

9

7,0

2,2

3,12

71

11

7,8

2,54

3,07

154

3 000

3

2,5

0,8

2,5

3,13

720

6

7,0

2,2

3,18

7,0

257

8

7,1

2,6

2,7

253

Критерий предлагает для реализации выбор механических

скоростей в пределах от 4 до 7 м/ч.

При бурении в условиях эксперимента импрегнированным породоразрушающим инструментом близкое к оптимальному углубление за один оборот коронки (0,09-0,1 мм/об.) получено только при использовании в качестве промывочной жидкости воды с добавлением ПАВ и при бурении с максимальной осевой нагрузкой и частотой вращения 625 мин ”. В этом случае управление по рекомендованному критерием RPI углублению за один оборот коронки нецелесообразно. Любая другая величина углубления за один оборот коронки может устанавливаться в автоматическом режиме в соответствии с зависимостями (1.82), (1.83).

Рассмотрим далее, в качестве отдельных примеров, возможные варианты технологических решений, позволяющих реализовать оптимальные, с точки зрения механизма разрушения горных пород, условия бурения геологоразведочных скважин.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >