Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород Советский патент 1990 года по МПК E21B44/04 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при регулировании процесса бурения скважин алмазным породоразрушающим инструментом.

Цель изобретения - повышение эффективности бурения за счет уменьшения износа породоразрушающего инструмента.

На фиг. 1 представлен график обобщенного вида областей суи1ествования различных режимов работы алмазной коронки в пространстве параметров осевой нагрузки и частоты вращения; на фиг. 2 - экспериментально полученная характерная непрерывная кривая изменения скорости бурения и

кривая изменения отношения и гра-; V мех.

ницы режимов Ri2 от осевой нагрузки; на фиг. 3 - устройство датчика крутильных колебаний; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В процессе бурения скважины рабочий торец инструмента путем микрорезания разрушает породу. При этом исследования проведенные с помощью скоростной киносъемки, работы алмазного инструмента при бурении специального блока из оптического стекла, близкого по своим свойствам к горным породам VIII-IX категории по буримо- сти, показали, что в зависимости от параметров режима бурения могут быть вы- деленытри режима вращения алмазного породоразрушающего инструмента, которые характеризуются зависимостью

(0.

где ш б - угловая скорость вращения коронки;

LJ (Л Ч) 45

Шс - задаваемая вращателем угловая скорость.

У 1. Режим равномерного вращения (Ri2 ):

Шб , 1Гс-

2.Режим крутильных автоколебаний 2- го рода (R12 ):

0. Шс

3.Режим крутильных автоколебаний 1- го рода (F02 ):

0.

Шс

Полученные ре; ультаты пр1/1ведены в таблице. Они позволяют дать предварительную классификацию режимов работы алмазной коронки на забое скважины.

Можно выделить два принципиально отличных режима бурильных колонн: Oi2 множество форм движения сечений бурильной колонны со скольжением по стенкам скважины (режим скольжения), и Фз - режим, характеризующийся качением части сечений или всей колонны по стенкам скважины (режим качения).

Работа алмазной коронки при движении бурильной колонны в режиме качения (Фз) определяется режимом работы колонны и характеризуется разработкой ствола скважины; динамическим (ударным) нагру- жением подрезных алмазов, динамическим нагружением (вплоть до отрыва коронки от забоя) объемных алмазов, что связано с автоколебательным характером движения снаряда к забою; равномерным вращением коронки вокруг собственной оси.

При работе алмазной коронки, определяемой качением снаряда, забой покрывается сетью трещин, интенсивно развиваются трещины в столбике керна, уменьшается его диаметр, что через малый (несколько секунд) промежуток времени с момента начала воз буждения качения приводит к заклиниванию и срыву керна, т.е. к необратимому нарушению технологического процесса бурения. Полученный материал с учетом ранних результатов позволяет характеризовать данный режим работы алмазной коронки на забое скважины как недопустимый для нормального хода процесса бурения.

. Работы проводили на горизонтальном стенде, представляющем собой натурную модель скважины протяженностью 50 м. Киносъемку проводили со стороны забоя, что при просмотре киноматериалов позволило наблюдать работу алмазов, процессы образования и удаления шлама, формирование

10

15

20

25

30

поверхности забоя и дать кинематику движения алмазной коронки.

Влияние массы бурильных труб на результаты экспериментов незначительно, так как эксперименты проводили при частоте вращения свыше 400 об/мии, а при этих частотах увеличиваются силы инерции. Обнаруженные в процессе исследований режимы вращения алмазного инструмента проверяли на вертикальном стенде с помощью специальных снарядов, позволяющих работать коронке в равномерном режиме и в режиме крутильных автоколебаний.

На основании полученных результатов исследований построена диаграмма областей устойчивости различных режимов вращения алмазного инструмента в координатах п-Р (фиг. 1), где п - частота вращения бурового снаряда, об/мин; Р - осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, даН.

О бласть существования режима вращения Ri2 характеризуе я равномерным вращением алмазного инструмента вокруг оси скважины без остановок и ударов. Обеспечение равномерности вращения позволяет при неизменных параметрах режима бурения увеличить механическую скорость бурения. В этом режиме величины собиШс шь

равны, поэтому

MI

1

5

0

5

0

5

Область режима вращения Ri2 является весьма узкой и характеризуется высокочастотными крутильными колебаниями, падением механической скорости бурения и повышенным износом матрицы породораз- рушающего инструмента. В этом режиме угловая скорость вращения инструмента ниже угловой скорости, задаваемой враща- гелем станка. Происходит некоторое торможение вращения инструмента и его ускорение. Это ведет к образованию вибрации на инструменте, но остановки в этом

ш и режиме отсутствуют, поэтому - О . .

с

Область режима вращения Ri2 характеризуется крутильными колебаниями с остановками и ударами инструмента о забой, повыи енным износом инструмента и увеличением механической скорости бурения. В этом режиме наблюдаются ударные нагрузки на инструмент из-за его остановок на забое. Остановки алмазного инструмента обусловлены скоплением спрессованного шлама под торцом матрицы и увеличением за счет этого тормозного момента. В момент остановки инструмента угловая скорость 0)5 равна О, а угловая скорость а)с- задан

ной скорости вра1цателя. После остановки алмазный инстурмент вращается с ускорением до определенного момента и снова останавливается. Практически время остановок и время вращения алмазного инстру- мента приблизительно равны, поэтому

величина отношения О

(1) с

Исследование влияния параметров режима бурения на возникновение того или иного режима работы алмазной коронки {Rl2 ) для фиксирования пары порода - коронка различных компоновок бурового снаряда показали:

увеличение осевой нагрузки (п const, Q const) приводит к изменению режима работы алмазной коронки по цепочке R 12 - R 12 R 12 ;

ростчастоты вращения (Р const, Q const) ведет к изменению режима работь) алмазной

коронки по цепочке R i2 R -2 - R i2 .

В процессе исследований изучено влияние расхода промывочной жидкости на изменение режима работы алмазной коронки. которое обусловлено механизмом потери осевой нагрузки вследствие гидроподпора. Увеличение скорости подачи промывочной жидкости снижает осевую нагрузку на породоразрушзющий инструмент. Таким способом можно снизить осевую нагрузку до нуля. Этот процесс также наблюдался с помощью скоростной киносъемки во время экспериментальных исследований при бурении оптического стекла.

Осевую нагрузку снижают таким способом потому, что гидравлический канал (промывочная жидкость) является наиболее чувствительным и быстродействующим по сравнению с гидравлическим регулятором, который передает осевую нагрузку через гибкий бурильный вал, причем гидравлические регуляторы, устанавливаемые на буровых станках, имеют больщую инерционность, что может прирасти к осложнениям при бурении (например к. прижогу коронки).

На фиг. 2 приведена зкспериментально полученная характерная кривая изменения скорости бурения (V), кривая изменения отношения мощности и механической скоро- сги бурения и границы режимов вращения алмазного инструмента от осевой нагрузки (Р). Граница qi определяет переход режима Ri2 к режиму Ri2 при изменении осевой нагрузки Р, а границы q2 - переход от режи

о о

ма Ri2 к режиму .

,,N

Кривая - - кривая изменения критерия

минимальности износа породоразрушаю- щего инструмента при изменении осевой

5

20

5

1015

25зо

д 45

50

35

55

нагрузки Р. Минимум критерия совпадает с границей возбуждения Ri2 .

Границы q на практике определяются с помощью датчика крутильных колебаний, устанавливаемого в колонковом наборе (фиг. 3).

Датчик состоит из цилиндрического корпуса 1, жестко закрепленного внутри колонковой трубы 2. Внутри корпуса 1 размещен цилиндрический стакан 3, который подвешен на пружине 4. В зазоре между внутренней частью корпуса 1 и наружной поверхностью стакана 3 установлены уплот- нительные элементы 5. В месте крепления Koprfyca 1 с колонковой трубой 2 выполнены отверстия 6, а сам корпус 1 и стакан 3 имеют продольные щелеобразные соосные отверстия 7 и 8.

Таким образом, анализ изложенных материалов позволяет утверждать, что для регулирования процесса вращательного бурения необходимо регистрировать крутильные колебания алмазного породоразру- шающего инструмента, а при их регистрации переводить алмазный инструмент в равномерный режим вращения за счет увеличения скорости подачи промывочной жидкости и скорости вращения инстур- мента.

Способ осуществляют следующим образом.

В процессе бурения скважины осуществляют регулирование параметров режима бурения. В зависимости от проходимых пород изменяют осевую нагрузку, скорость вращения и подачи промывочной жидкости, осуществляют контроль мощности и механической скорости бурения. Одновременно регистрируют крутильные автоколебания породоразрушающего инструмента с помощью датчика крутильных колебаний, устройство которого приведено на фиг. 3. Датчик крутильных колебаний спускается вместе с колонковой трубой 2 в скважину. На колонковую трубу 2 передают вращающий момент, осепую нагрузку и промывочную жидкость. Промывочная жидкость через отверстия 6, 7 и 8 поступает во внутреннюю часть колонковой трубы 2. Когда коронка вращается равномерно (в режиме Ri2 ) стакан 3, подвешенный на пружине 4, в()ащается вместе с корпусом 1 датчика с одинаковой частотой. При увеличении нагрузки под торцом коронки скапливается спрессованный шлам и коронка переходит li режим вращения Rr. который характеризуется крутильными автоколебаниями. Стакан 3 датчика под действием крутильных колебаний начинает поворачиваться вокруг оси О. Вместе со стаканом 3 поворачивается отверстие 8 относительно отверстия 7 и перекрывает его сечение. Уменьшение сечения отверстий 7 и 8 повышает давление на манометре насоса. Так как стакан 3 поворачивается вокруг оси О вправо и влево от оси отверстия 7, то на манометре насоса регистрируются скачки давления, которые показывают, что коронка перешла в режим Ri2. Этот режим характеризуется снижением механической скорости бурения, хотя небольшое повышение видно на фиг. 2, но при увеличении нагрузки происходит ее снижение. Если продолжать зависимость V f(P) (без ступени на графике), то видно, на какую величину механическая скорость уменьшилась с возрастанием осевого давления из-за крутильных колебаний. Причем этот режим ухудшает состояние алмазной коронки и способствует ее быстрому износу.

Для перехода из режима Ri2 (фиг. 1) в режим Ri2 снижают осевую нагрузку за счет увеличения скорости подачи промывочной жидкости на забой скважины. Скорость подачи увеличивают путем увеличения числа оборотов двигателя (для плавнопривод- иых насосов) или переключением на повышенную скорость коробки передач насоса. Под действием увеличения гидроподпора под торцом коронки она как бы приподнимается над забоем скважины и снижает нагрузку на забой. Большее количество жидкости попадает под торец коронки и вымывает шлам. При снижении осевой нагрузки на забой одновременно увеличивают частоту вращения бурильных труб, что

акже способствует переходу коронки из режима Ri2 в режим Ri2 .

Скорость вращения бурильных тру б у ве личивают до момента прекращения крутильиых колебаний. Прекращение режима крутильных колебаний регистрируют на манометре, показания которого стабилизиоу- ются. После перехода коронки в режим вращения (Ri2) происходит ее равномерное

вращение без рывков и ударов. Такой-режим характеризуется равномерной отработкой алмазных коронок без заполирования алмазов и позволяет уве.пичить мexal-lи e- скую скорость при HdM3MeHtiHix параметрах

режима бурения

По мере надобности регулирование параметров режимов бурения повторяют,

Формула изобретения

Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород, вклюмзю- щий подачу на забой промывочной жидкости, а также изменение осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент

и скорости его вращения, отличающий- с я тем, что, с целью повышения эффективности бурения за счет умеиыиения износа породоразрушйкзщегс инструмента, регистрируют кругильные колебания породоразрушающего инструмента и при их возникновении одновременно снижают осевую нагрузку путем увеличения скорости подачи промывочной жидкосп и уиеличива- Ю1 скорость вращиния породоразру1иающего инструмента,

Изобретение относится к бурению скважин и позволяет повысить эффективность бурения за счет уменьшения износа породоразрушающего инструмента. Для этого в процессе бурения скважины осуществляют регулирование параметров режима бурения. В зависимости от проходимых пород изменяют осевую нагрузку, скорость вращения и подачи промывочной жидкости. Осуществляют контроль мощности и механической скорости бурения. Одновременно производят регистрацию крутильных колебаний породоразрушающего инструмента. При их возникновении увеличивают скорость подачи промывочной жидкости, что приводит к уменьшению осевой нагрузки. Одновременно увеличивают скорость вращения породоразрушающего инструмента. Указанные операции переводят породоразрушающий инструмент в режим равномерного вращения. 4 ил., 1 табл.

Примечание. -- - частота поперечных перемещений на забое. Q - частота крутильных автоколебаний.

Примечач 1е

Недопусти мый ава рийный ре1жим

Uf

дан

й 11

г

«

«

1 1

1000 п. обIмин

то

Фиг 2

Р.даН

Редактор М.Петрова

Составитель В.Шилов Техред М.Моргентал

Корректор Э.Лончакова