Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород Советский патент 1985 года по МПК E21B45/00 

11 Изобретение относится к вращатель ному бурению скважин, а именно к спо собам оптимального управления и регу лирования процесса вращательного бу рения с применением бурильных труб. Цель изобретения - пЬвьппение эффе тивности регулирования путем оперативного прекращения зависания бурового снаряда, вызьгааемого возбуждением его качения по стенкам скважины, В процессе бурения скважины при нормальном движении бурового снаряда -обращении - его ось вращается вокруг, оси скважины или вокруг некоторой оси,- несовпадающей с осью симметрии скважины. При этом бзфовой снаряд скользит по стенкам скважины или не касается их. Максимальная удельная сила (f ) прижатия элемента 1 ляется снаряда к стенке скважины опреде в этом случае главным образом величиной центробежной силы - d f mu) а вектор силы трения (F) при скольжении элемента по стенке скважины направлен протироположно вектору абсолютной скорости скольжения -4 .Г -V F - JU. f sign: где га - масса элемента (единицы длины) снаряда; U) - угловая скорость врап1ения инструмента; D и d- диаметры скважины-и элемен та снаряда; ,, коэффициент трения снаряд о стенки скважины; окружная скорость элемент снаряда; механическая скорость бурения . При этом осевая составляющая сил трений FJ, элемента снаряда о стенскважины составляет V« F, I F tg Однако поскольку при вращательном бурении скорость вращения инструмент во много раз превосходит механическу скорость, то осевая составляющая сил трения ( Fg ) при обращении снаряда ничтожно мала, и поэтому осевая наг3руэка практически полностью передается на забойскважины , что обеспечивает стабильность уровня механической скорости при неизменных параметрах релшма бурения. Стабильный характер имеет и мощность, затрачиваемая на вращение бурового снаряда при его устойчивом обращении.Поэтому при обращении снаряда процесс вращательного бурения регулируют по уровню мощности, так как изменения уровня мощности в этом отражают главным образом забойные процессы.При этом в процессе бзфения на выбранной скорости вращения инструмента плавно увеличивают осевую нагрузку до тех пор, пока не появляется возрастание мощности в врще пиковых отклонений от стабильного уровня, что отражает переход от мокрого трения к сукому между породоразрушающим инструментом и горной породой. При появлении указанных пиковых отклонений осевую нагрузку и (или) скорость вращения уменьшают до стабилизации уровня мощности и на этом режиме осуществляют бурение. При качении снаряда удельная с.ила прижатия его элемента к стенке скважины существенно возрастает (обычно более, чем на два порядка) и вычисляется по формуле ID - d fv т5г где И W -угловая скорость качения снаряда. Кроме того, при качении снаряда без скольжения вектор силы трения его элемента о стенки скважины направлен противоположно осевому перемещению снаряда; поэтому осевая составляющая сил трения (Fj ) при качении снаряда достаточно велика и вычисляется по формуле F jitf ц ,(5) Наличие силы F направленной противоположно осевой нагрузке,предопределяет зависание снаряда, при котором осевая нагрузка передается на забой скважины лишь частично. В свою очередь,зависание снаряда является причиной уменьшения механической скорости бурения из-за снижения осевой нагрузки на забой и заполирования алмазных коронок.Обычно вследствие осевых колебаний бурового снаряда зав периодивисание снаряда выражается II ческом дискретном сползании его к 3 забою скважины, что вызывает релакс ционные колебания механической скор ти бурения с частотой порядка 0,050,5 Гц. При.зтом среднее значение механической скорости обычно снижается по сравнению с тем уровнем, который наблюдается до возбуждения качения снаряда. Последнее, кроме того, приводит к увеличению среднег уровня мощности с увеличением ампли туды колебаний ее мгновенных значений, что вызывается главным образом колебаниями осевой нагрузки на забое скважины. Таким образом, возбуждение качения снаряда определяют по возникновению релаксацион ных колебаний механической скорост бурения со снижением ее среднего уровня и повьшению уровня мощности, затрачиваемой на бурение с увеличением амплитуды колебаний ее мгновен ных значений. По предлагаемому способу в этом случае процесс бурения регулируют по поддержанию исходного заданного (до возбуждения качения снаряда) уровня механической скорости бурения. При этом с 5пченьшением скоро ти бзфения осевую нагрузку увеличивают, чтобы преодолеть действие осевой составляющей сил трения, выз вавшей зависание снаряда, и восстановить исходнь уровень механическо скорости. Указанные операции в процессе бурения периодически повторяют в соответствии с частотой колеба ний механической скорости бурения. В процессе регулирования возможное возрастание уровня мощности ограничивают допустимым пределом, например, с помощью ограничителя крутящего момента типа ОМ-40, В предлагаемом способе регулирования процесса вращательного бурени контролируют мощность, затрачиваемую на бурение, например, с помощью самопишущих киловатТметров типа Н-395 и механическую скорость бурения, например, с применением серийной контрольно-измерительной ап паратзфы типа Курс-441. При стабилизации уровней механической скорости бурения и мощности, например, после срыва (ликвидации) качения снаряда снова переходят к регулированию процесса бурения по уровню мощности, описанному выше. Следует отметить, что операции регу 53 лирования по уровням мощности и менической скорости, основанр1Ь е на разных физических явлениях, возникающих при вращательном бурении, не обладают и формальным сходством: при регулировании по мощности с увеличением мощности в виде пиковых отклонений осевую нагрузку уменьшают, а при регулировании по механической скорости с уменьшением скорости и одновременном возрастанием мощности (при возбуждении качания снаряда) осевую нагрузку, наоборот, увеличивают. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства,анализирующего предпатаемыА способ в случае ручного регулирования процесса бурения; на фиг.2 и 3 - диаграммы затрат мощности, иллюстрирующие соответственно регулирование процесса бурения по уровню мощности при обращении снаряда и по поддержанию постоянным уровня механической скорости бурения при качании снаряда; на фиг. 4 - фрагмент диаграммы затрат мощности, отражающей нерегулируемый по уровню механической скорости процесс бурения. При ручном регулировании процессом бурения после включения бурового агрегата 1 -{фиг.1) бурильщик 2 с помощью рукояток приводов вращения 3 и подачи 4 устанавливает рациональные значения параметров режима бурения - скорости вращения и осевой нагрузки ( например, на основании предшеств5тощего опыта или расчета), анализируя при этом характер изменения мощности и скорости бурения соответственно по регистраторам 5 и 6, и определяет критерий (канал) регулирования. Если показания р егистраторов мощности 5 и скорости бурения 6 стабильны, то бурильщик приступает к регулированию процесса бурения (поиску оптимального режима) по параметру мощности (первый канал), для чего продолжает плавно увеличивать осевую нагрузку и (или) скорость вращения, контролируя свои действия по регистраторам 5 и 6, которые при этом показывают адекватные приращения мощности и механической скорости. Указанную операцию бзфильщик продолжает до тех пор, пока на регистраторе не появляются резкие (неадекватные) возрастания мощности в виде пиковых 5 отклонений, после чего он уменьшает осевую нагрузку и (или)скорость вращения до исчезновения этих пиков и на этом оптимальном режиме, обеспечивающем наибольшую механическую скорость и ресурс коронки, продолжает бурение. Если при установившем ся процессе бурения бурильщик обнаруживает по регистраторам 5 и 6 самопроизвольное резкое возрастание мощности в виде длительных (или пиковых ) отклонений ее постоянной составляющей с увеличением амплитуды переменной составляющей и при этом релаксационные (негармонические) колебания механической скорост с частотой порядка 0,05-0,5 Гц и сн жением ее среднего уровня, то бурильщик приступает к регулированию процесса бурения по механической ск рости (второй канал), для чего при неизменной скорости вращения увеличивают осевзпо нагрузку до исчезновения релаксационных колебаний механической скорости и стабилизации ее на исходном (до возникновения релаксационньк колебаний) уровне и уменьшает осевую нагрузку при пре вышении этого уровня. Естественно, что исходный уровень механической скорости - величина непостоянная и зависит от степени износа коронки ( в том числе и за время регулирования), смены пород и т.п. Поэтому основной целью регулирования по второму каналу явл ется не достижение в точности исход го уровня механической скорости, а устранение ее релаксационных колебаний и достижение стабилизации ско рости, что обеспечивает передачу оп тимальной нагрузки на забой и в ито выход на ту величину механической скорости, которая может быть реализована в данных условиях при регулировании по первому каналу. В процессе регулирования по мощности и механической скорости скачки мощности могут превзойти допустимый предел и тогда срабатывает ограничительное устройство 7 (фиг.1), отключая вращение бурового снаряда. Регулирование процесса бурения с уч тием бурильщика (оператора) в силу ограниченности физических возможностей человека по восприятию и анализу текущей информации не всегда обеспечивает правильность веде3ния процесса бурения. Поэтому предлагаемый способ особенно целесообразно применять в автоматизированных системах управления процессом бурения . Для реализации предлагаемого способа при автоматизированном управлении процессом бурения на буровом агрегате 1 функции оператора может выполнять устройство (например, микроЭВМ),которое снабжено соответствующими алгоритмами, построенными на основании специфических признаков указанных ситуаций: стабильность уровней мощности и скорости бурения (нормальное бурение), скачкообразное увеличение мощности в сочетании с релаксационными колебаниями скорости бурения (бурение с .качением снаряда) . После распознавания ситуации управляющая система через регулируемые привод 3 и орган 4 подачи приступает к реализации одной из программ: регулированию по мощности или скорости бурения. Пример. Реализация предлагаемого способа регулирования процесса вращательного бурения была осуществлена на одном из месторождений НПО Союзглавгеологоразведка при бурении плановых скважин №№ 1637 и 1642 с проектными глубинами 800 и 1200м. На обеих скважинах объемы бурения с обращением и качением снаряда распределялись приблизительно поровну. Качение снаряда определяли по оперативным признакам ( возрастание мощности и колебания ее уровня, возникновение релаксационных колебаний механической скорости со снижением ее среднего уровня), а также по вспомогательным признакам (характер кернообразования, износа инструмента и др) . При обращении снаряда регулирование процесса бурения осуществляли по поддержанию заданного уровня мощности, при котором отмечалась наибольшая стойкость алмазных коронок, а уровень механической скорости составлял 3-3,5 м/ч. Фрагмент диаграммы затрат мощности, отражающей указанное регулирование при бурении скважины № 1642 в интервале 643,7-649,4 м, показан на фиг. 2, Регулирование сводилось к установлению заданного уровня мощности плавным увеличением осевой нагрузки приблизительно до

1300 кг, которая практически не изменялась в течение проходки интервала хода шпинделя станка вледствие стабильности уровня мощности и механической скорости (на диаграмме фиг. 2 временные интервалы между перекреплениями снаряда одинаковы). . При возбуждении качения снаряда по индикатору аппаратуры Курс-411 регистрировали колебания механической скорости бурения в диапазоне 3,20,8 м/ч с частотой 0,05-0,5 Гц. Процесс бурения регулирования по исходнму уровню механической скорости ( л/ 3 м/ч ,) выборочно в различных интервалах бурения скважин №№ 1637 и 1642 путем плавного увеличения осевой нагрузки при снижении механической скорости и уменьшения нагрузки при увеличении скорости выше 3 м/ч.

На фиг. 3 представлен фрагмент диаграммы затрат мощности, иллюстрирующей регулирование процесса бурения по уровню механической скорости бурения (скважина № 1657, интервал глубин 752,2-758,0 Ом) .. Из диаграммы видно, что несмотря на увеличениеи резкие колебания затрат мощности, скорость бурения на заданном уровне (3 м/ч) поддерживалась постоянной (интервалы между перекреплениями снаряда одинаковы) .,.

Для сравнения на фиг. 4 приведена диаграмма затрат мощности, зарегистрированная в тех же условиях бурения, но без применения регулирования по уровню механической скорости. В данном случае установленна после запуска вращения инструмента осевая нагрузка не изменялась в течение бурения интервала хода шпинделя станка. Это привело, как видно из рассмотрения фрагмента диаграммы фиг. 4, к колебанию механической скорости бурения с уменьшением ее среднего значения при бурении практически каждого интерзала хода пшинделя станка (интервалы между перекреплениями нео- динаковы и больше в среднем на 30% соответствующих интервалов при регулируемом процессе) .

Помимо исключения потерь от снижения механической скорости и, следовательно, производительности бурения предлагаемый способ регулирования способствует уменьшению расхода анализов за счет уменьшения заполирования и износа алмазных коронок, возникающих при зависании, снаряда и отсутствии соответствующего регулирования процесса бурения осевой нагрузкой.

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий контроль мощности, затраченной на бурение, регистрацию ее возрастающих пиковых отклонений и уменьшение одновременно с этим осевой нагрузки и скорости вращения до стабилизации уровня мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ререгулирования путем оперативного прекращения зависания бурового снаряда, вызываемого возбуждением его качения по стенкам скважины, определяют механическую скорость бурения,, регистрируют ее отклонение от первоначально заданного уровня,соответствующего стабилизации уровня мощности, и в случае возникновения релаксационных колебаний механической скорости бу- с рения при снижении ее среднего уров-; /3 ня с одновременным пиковым возрастанием мощности осевую нагрузку увеличис вают до получения первоначально заданного уровня механической скорости ; бурения.,- О5 to 0 01 Од

т

мЛ

ffffw

АЛЛ

ггЩ

Фиг.З