ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ОПТИМИЗАЦИЮ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Оптимизация параметров режима алмазного бурения

Алмазное бурение, как и другие способы бурения, может быть высокоэффективно только при определенном сочетании параметров режима

бурения.

Графики зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки при частоте вращения бурового инструмента

Рис. 2.1. Графики зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки при частоте вращения бурового инструмента:

  • 1 - 200 мин 2 - 400 мин3 - 600 мин _1;
  • 4 - 800 мин -|; 5 — 1 000 мин 6 - 1 200 мин 1

На рис. 2.1 представлены графические зависимости механической скорости бурения импрег- нированными алмазными коронками диаметром 59 и 76 мм от осевой нагрузки

[5]. Анализ этих

зависимостей показывает, что механическая скорость бурения с повышением частоты вращения

возрастает и имеет

максимум при осевой

нагрузке 2 400 даН.

При повышении

частоты вращения бурового инструмента уменьшается глубина внедрения алмазного резца в породу и, соответственно, глубина борозды разрушения породы. Причины этого состоят, прежде всего, в сокращении времени на развитие деформаций и снижении результирующего напряжения разрушения в породе и соответственно глубины внедрения резца в породу. Вследствие снижения результирующего напряжения разрушения повышается сопротивляемость породы резанию- скалыванию и раздавливанию, возрастает тангенциальное усилие резания- скалывания породы FT, что является причиной снижения глубины внедрения резца в породу.

Установлено, что с повышением частоты вращения механическая скорость бурения увеличивается, но темп прироста механической скорости бурения по мере повышения частоты вращения уменьшается при росте частоты вращения от 200 до 1200 мин 1 (от 0,95-0,7 до 0,7-0,5) [18]. При этом темп приращения механической скорости бурения с повышением частоты вращения для более твердых пород ниже, чем для менее твердых горных пород.

На рис. 2.2 представлены данные из работы [18], которые отражают влияние частоты вращения и осевой нагрузки на темп прироста механической скорости бурения в сопоставлении с ростом частоты вращения бурового инструмента.

Графики зависимости отношения темпа прироста механической скорости бурения d к темпу прироста частоты вращения бурового инструмента т от частоты вращения со при значениях осевой нагрузки на

Рис. 2.2. Графики зависимости отношения темпа прироста механической скорости бурения d к темпу прироста частоты вращения бурового инструмента т от частоты вращения со при значениях осевой нагрузки на

инструмент:

1 - 600 даН; 2 - 1 200 даН; 3 - 1 800 даН; 4 - 2 400 даН; 5 - 3 000 даН

Полученные графики показывают, что темп прироста механической скорости бурения с повышением частоты вращения минимален при наименьшей (600 даН) и наибольшей (3 000 даН) осевых нагрузках. В первом случае, очевидно, осевая нагрузка недостаточна для объемного разрушения породы, а во втором - нагрузка чрезмерна, что привело к зашламованию забоя.

При осевых нагрузках 1 800 и 2 400 даН и частоте вращения 800 мин _1 темп роста механической скорости бурения начинает опережать темп роста частоты вращения. Эти параметры режима бурения, а именно, осевая нагрузка

1 800-2 400 даН и частота вращения 800-1 200 мин ", в данном случае являются оптимальными. Эти режимы бурения соответствуют оптимальным условиям объемного разрушения породы, при котором важны оба основных параметра режима бурения.

Таким образом, каждому значению частоты вращения соответствует определенная оптимальная осевая нагрузка на буровой инструмент, обеспечивающая максимум механической скорости бурения. Как правило, при росте частоты вращения снаряда осевую нагрузку увеличивают для повышения напряжения разрушения породы, которое снижается при повышении скорости перемещения резцов коронки. При достижении критического значения частоты вращения бурового снаряда при постоянном значении осевой нагрузки на алмазную коронку снижение механической скорости бурения сопровождается интенсивным микроизнашиванием и заполированием торца алмазной коронки. Для предотвращения

начинающегося процесса заполирования коронки требуется несколько увеличить осевую нагрузку на инструмент, а затем вновь повысить частоту вращения и подачу очистного агента. Путем последовательных шагов необходимо установить оптимальное сочетание частоты вращения и осевой нагрузки.

Таблица 2.1

Рекомендуемые параметры режима бурения алмазным буровым инструментом горных пород различной твердости

Категория

по

буримо- сти и твердость горных пород, ГПа

Зернистость

объемных

алмазов,

шт./кар.

Осевая

нагрузка,

даН

(по данным ВИТР)

Расход воды, л/мин

30

50

70

Н

са

JaS

С.

-1

МИН

Н

CQ

S*

о.

2*

^пр?

мин '

н

CQ

с.

мин 1

VI, VII - 1-2,5

10-20

400-800 500-1 000

  • 26
  • 24

400-1 400 350-1 100

  • 33
  • 27

400-1 800 350-1 250

  • 39
  • 1

400-2 100 350-1 450

VIII, IX-

2,5^1

20-30

600-1 200 800-1 300

  • 16
  • 19

300-1 100 250-1 050

  • 20
  • 1

300-1 300 250-1 150

  • 23
  • 4

300-1 500 250-1 350

40-50

  • 12
  • 13

200-1 400 150-1 250

  • 14
  • 5

200-1 700 150-1 400

  • 16
  • 7

200-2 000 150-1 600

IX-XI - 4-5,5

  • 120-
  • 150

800-1 300 1 200-1 700

  • 7
  • 8
  • 450-550
  • 400-500
  • 8
  • 9
  • 450-650
  • 400-550
  • 9
  • 1
  • 450-750
  • 400-600
  • 150-
  • 400

Д

14

  • 500-600
  • 500-550

Л

5

  • 500-750
  • 500-600
  • 15
  • 7
  • 500-850
  • 500-700

XI, XII - 5,5-7,0

  • 400-
  • 800

1 200-2 000 1 500-2 300

  • 27
  • 37

750-1 300 800-1 200

  • 33
  • 1

750-1 600 800-1 350

  • 38
  • 8

750-1 900 800-1 600

  • 800-1
  • 200
  • 39
  • 55

800-1 600 1000-1 500

  • 48
  • 1

800-1900 1 000-1 700

  • 56
  • 0

800-2 200 1 000-1 900

Примечания к табл. 2.1:

  • 1. В числителе значения для коронок диаметром 59 мм, в знаменателе - 76 мм.
  • 2. При зернистости алмазов 10-20 шт./карат предельные мощности для коронок 59 мм выше, чем для коронок 76 мм, из-за повышенного содержания объемных алмазов.
  • 3. При бурении по трещиноватым породам частоты вращения снаряда, приведенные в табл. 2.1, следует уменьшить на 25-30 %.

Предельное значение частоты вращения бурового инструмента о)определяется предельно допустимой забойной мощностью jVnp [5]:

где Д, - диаметр бурового инструмента, м;

Рос - осевая нагрузка, Н.

Рекомендуемые частоты вращения и значения осевых усилий, рекомендованные ВИТР, приведены в табл. 2.1 [18].

Следует отметить, что эти значения являются усредненными и не учитывают насыщенности матриц инструмента алмазами. В соответствии с методикой, представленной в работе [18], значение осевой нагрузки можно скорректировать:

где ф0 - коэффициент, учитывающий изменение площади контактирования алмазов с забоем скважины (ф0 = 0,17-0,25 - меньшее значение относится к породам с твердостью рш >3,5 ГПа, большее - к породам твердостью рш < 1,5 ГПа);

fa - суммарная площадь контактов объемных алмазов с породой, м2.

Как следует из выражения (2.2), осевая нагрузка на алмазный инструмент повышается с ростом твердости горных пород и концентрации объемных алмазов.

Осевые нагрузки в начале бурения новой коронкой должны быть понижены. По мере приработки коронки, увеличения зоны разрушения горной породы и зашламования забоя скважины следует повышать осевую нагрузку с одновременным повышением частоты вращения инструмента и расхода очистного агента.

Начало повышения осевой нагрузки обычно совпадает с началом падения механической скорости бурения, менее интенсивного для импрегнированного бурового инструмента и более интенсивного для однослойного, так как последние содержат более крупные алмазы, для которых по мере износа площадь контакта с породой увеличивается более интенсивно. Поэтому с увеличением площади контактов объемных алмазов с породой на забое скважины следует увеличивать осевую нагрузку на алмазный инструмент: для однослойных коронок до 2-2,2 раза, для импрегнированных - до 1,3 раза [18].

Влияние осевой нагрузки на процесс разрушения горных пород при алмазном бурении наглядно представлен на рис. 2.3, где даны зависимости механической скорости бурения и износа коронки 02ИЗ-46 от удельной нагрузки на коронку при частоте вращения 700-800 мин 1 [18].

Анализ зависимостей показывает, что механическая скорость бурения имеет максимум, а износ - минимум при удельной нагрузке на коронку 15 Н/мм2.

При дальнейшем повышении нагрузки на коронку механическая скорость бурения сначала уменьшается, а затем возрастает, что сопровождается повышением расхода алмазов. Визуальное наблюдение за характером износа резцов показало, что алмазы, работавшие при повышенных нагрузках (зона II на рис. 2.3), имели трещины и сколы, в то же время у коронок, работавших при параметрах режима бурения, соответствующих зоне I на рис. 2.3, чрезмерного износа матрицы и разрушения алмазов не наблюдалось.

С целью исследования совместного влияния частоты вращения и осевой нагрузки на изнашивание инструмента построены графики (рис. 2.4), на которых данные об износе алмазов аппроксимировались зависимостью типа Рос-(?) = const [18]. Анализ зависимости показывает, что коронки, бурение которыми осуществлено при параметрах режима бурения, находящихся в области графика А, не имеют аномального износа и, напротив, у коронок, отработка которых осуществлена в соответствии с параметрами режима бурения из области графика В, все алмазы имели видимые повреждения. В области С наблюдались коронки, получившие аномальный износ и не имеющие такового.

Графики зависимости механической скорости бурения и износа коронки от удельной нагрузки на коронку q

Рис. 2.3. Графики зависимости механической скорости бурения и износа коронки от удельной нагрузки на коронку q

График зависимости износа коронок от сочетания режимных параметров - осевого усилия и частоты вращения

Рис. 2.4. График зависимости износа коронок от сочетания режимных параметров - осевого усилия и частоты вращения

Лс-ю

Сопоставление графиков рис. 2.3 и 2.4 позволяет сделать вывод о том, что область графиков А (рис. 2.4) соответствует сочетаниям параметров режима бурения, лежащих слева (зона I) от первого максимума зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки (рис. 2.3), а область В

соответствует сочетаниям параметров частоты вращения и осевой нагрузки при значениях осевой нагрузки, лежащих справа от этого максимума (зона II).

Наличие области С свидетельствует о различном качестве изготовления коронок и влиянии случайных факторов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >