Способ регулирования процесса вращательного бурения Советский патент 1991 года по МПК E21B44/00 

Изобретение относится к враща- -тельному бурению скважин, к способам регулирования вращательного бурения в переходных процессах.

Цель изобретения - повышение производительности бурения за счет сохранения рабочих частей пород разрушающего инструмента в переходных процессах при бурении пород VII-X категорий буримости.

Технологический процесс колонкового бурения определяется рядом регулируемых параметров (Рос, n, Q) и нерегулируемых (буримость пород, тип и свойства породоразрушающего инструмента) , а также специфическими осо-

бенностями способа бурения. Бурение разведочных геологических скважин осуществляется с помощью 2-х основных процессов: разрушение породы на забое скважины; транспортирование частиц разбуренной породы от забоя на поверхность. При бурении на забое имеют место следующие виды разрушения горных пород: объемное, поверхностное, усталостное.

Объемное разрушение происходит тогда, когда при контакте рабочих режущих частей (твердосплавных вставок и алмазов) породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение, превосходящее твердость породы на

&

& &

О 00

оо

вдавливание. Таким образом, при объемном разрушении справедливо соотношение

Рос

р

ы

(1)

где Р - осевая нагрузка на инструмент, KTJ «.

F - площадь контактов режущих органов (твердосплавных вставок шарошечных долот), см2; Р.. - твердость породы по штампу,

кг/см2.

При соблюдении неравенства (1) инструмент своими режущими органами внедряется в породу и разрушает забой. При бурении разрушается не только порода, но и инструмент -происхо- дит его износ, затупление, выпадание в случае применения алмазного бурения, а также истирание, выкрашивание, в случае шарошечного бурения. Поэтому F постепенно увеличивается. Осевая нагрузка зависит от прочности горных пород.

Для условий бурения горных тород армированными коронками типов 0243-59 и 0243-76, а также шарошечных долот типов ШК-59ЦА, ШК-76ЦА, предложено простое отношение ,12 Рц|«

Используемые при бурении шарошечные долота, шарошки которых армированы твердосплавными вставками из сплава ВК8-ВК, имеют следующие физико-химические свойства: твердость Hv 1150-1400 кг/мм2 (для сравнения твердость таких пород, как кварци- ты, песчаники кварцитовидные, соответствует Hv 900-I000 кг/мм2), сопротивление износу при 29 6 составляет 170 кг/мм2 , а при 350°С - 125 кг/мм2, предел выносливостиG6bUl 130 кг/мм2. Перегрев твердого сплава при бурении недопустим - происходит его полное разрушение. При бурении с отбором керна при частотах вращения от 400 до 12000 об/мин менялась осевая нагрузка дин до 2400 дин, механическая скорость бурения изменялась при этом от 1,2 до 6,4 м/ч. На основании полученных затрат мощности N и «соответствующей им механической скорости бурения VMe определена энергоемкость процесса разрушения Е, которую вычисляли по формуле

5

0 5

о

5

Q 5

0

5

.

При увеличении частоты вращения энергоемкость процесса сначала возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается. Таким образом при увеличении осевой нагрузки Р, на коронку или частоты вращения снаряда происходит повышение температуры забоя. Однако в первый период влияние температуры на процесс разрушения горных пород еще незначительно. При дальнейшем росте частоты вращения п и нагрузки Рос процесс механического разрушения сменяется термомеханическим, при этом большая часть энергии передается алмазам и матрице коронки в виде тепла.

При изготонлении породоразруша- ющего инструмента - долот и коронок, работающих в сложных условиях интенсивных ударно-циклических нагрузок, от материала припоя (для пайки твердосплавных вставок в тело шарошки применяются припои на медной основе) , так и от материала матрицы коронки, представляющей собой сплав на основе меди с добавками 3% железа и 10% никеля, требуется сочетание высокой прочности и- пластичности, при этом необходимо сохранение этих свойств на всей стадии режима бурения. В реальном процессе бурения при переходных процессах (режимах) режущим коронкам породоразрушающих инструментов сообщаются огромные ускорения через буровой снаряд. Так, при использовании в качестве приводов со ступенчатой регулировкой станков ЗИФ-650 и СКБ-5 переход от одной скорости вращения колонны к другой происходит за время с, а при времени с срабатывает токовая защита, колонна останавливается. В этом случае приходится производить процесс; бурения на меньших оборотах, что ведет к потере производительности бурения, сокращению срока службы поро- доразрушающего инструмента, повышению энергозатрат, i

При алмазном бурении (при высокой

твердости РШ горных пород, недостаточной осевой нагрузке) невозможно обеспечить достаточную величину внедрения алмазов в породу, при этом тем пература на пятне касания (F) резко повышается (идет термомеханическое разрушение), количество микронеров5

ностей на поверхности алмаза уменьшается, фактическая площадь контакта увеличивается, происходит некоторое перераспределение нагрузки в сторону снижения ее воздействия на породу, наступает, так называемое, состояние равновесной шероховатости, известное в бурении, как заполирова- ние алмазной коронки. При шарошечном бурении имеет место поверхностное разрушения забоя. При

1

ЕЈЈ ,1Р

F Ш

(2)

разрушение пород при бурении происходит только вследствие сил трения, возникающих на контакте твердосплавных вставок с породой. С учетом того, что предел прочности на сжатие для твердого сплава марки ВК8-ВК (У 355 кг/мм2, а твердость на вдавливание может составлять для пород IX-X категории буримости 600 кг/мм2, следует отметить, что поверхностное разрушение забоя при таких технологических условиях бурения не эффективно. Значения ускорений, которые сообщаются инструменту посредством бурового снаряда, имеют следующие значения: 0,1-2 об/с дл времени с; 0,25-3,5 об/с2 для с.

Следует отметить, что на породах IX-X категорий буримости технологический процесс бурения ведется в основном на скоростях вращения: для шарошечного бурения 350-450 об /мин, для бурения с отбором керна (алмазном) 500-1300 об/мин. Минимальный переход от 3-й к 4-й скорости как на станках ЗИ Г-650, так и на станках СКБ-5 составляет не меньше 66- 67 об/мин (1,1 об/с). Таким образом, минимальное значение ускорения поро- Доразрушающего наконечника составляет 0,25 об/с2 (при времени перехода с).

При этих значениях ускорения буровой колонны (аЈ 0,25-3,5 об/с2) наблюдается катастрофическое изнашивание режущих органов инструмента. В этот период в паяном соединении ша1649088

5

0

5

ствуют появлению сколов твердого сплава и трещин в нем, что приводит к выпадению твердого сплава из гнезда тела шарошки. Происходит процесс разбуривания твердого сплава, что ведет к дальнейшему скалыванию целых друз из вставки, увеличению процента их выпадения, уменьшению проходки,

механической скорости, потере производительности, повышению энергозатрат. При алмазном бурении в этом случае при минимальных ускорениях буровой колонны,, равных ,5 об/с2, происходит разупрочнение матрицы - сплава на медной основе, появляются значительные внутренние напряжения в режущем органе коронки (смегь алмазов и сплава ВК в соотношении 1:1), что ведет к нарушению технологии процесса бурения на стадии приработки.

При скольжении коронки по породе в зоне пятен касания, размеры которых могут достигать нескольких единиц, а затем, по окончании процесса приработки, и десятков микрометров, в результате работы сил трения выделяется определенное количество тепла. . Тепло во фрикционном контакте благо0 даря двойственной природе трения генерируется в двух зонах: непосредственно на поверхности трения в результате преодоления молекулярных связей и на некоторой глубине за счет деформации поверхностного слоя. Контактная температура (на пятне контакта) может достигать очень высоких температур, а объемная, как в массиве породы, так и в теле матрицы при оптимальных ре0 жимах бурения может достигать 100- 200°С. При ускорении 0,5-3,5 об/с2 имеет место значительное, в несколько раз, повышение температуры, что раз- упрочняет матрицу, ослабляет режущий

5 орган коронки и ведет к снижению ее срока службы, повышению энергозатрат, снижению производительности бурения.

В переходных процессах (режимах) имеет место несоответствие подачи

0 промывочной жидкости: то ее недостаточно, то появляется избыток. При алмазном бурении выделяющееся тепло не отводится от алмаза в горную породу и матрица охлаждается недостаточ5

Изобретение относится к вращательному бурению скважины, к способам регулирования вращательного бурения- в переходных процессах. Целью изобретения является повышение производительности бурения за счет сохранения рабочих частей породоразрушаю- щего инструмента в переходных процессах при бурении пород VI1-Х категорий бурнмости. Для этого в процессе приработки инструмента переход от одной скорости вращения к другой происходит равноускоренно. Одновременно производят равноускоренное изменение подачи промывочной жидкости с ускорением, в два раза меньшим, чем скорость изменения скорости вращения. При этом при бурении пород VII-VIII категории буримости переход от одной скорости вращения к другой происходит с ускорением 0,01-0,2 об/с2, а при бурении пород .IX-X категории скорость изменения скорости вращения не превышает 0,05 об/с2. 2 з.п. ф-лы. i (Я

рошки долота твердосплавная вставка - но,а при избытке промывки происходит паяный шов - материал шарошки полу- подъем буровой колонны над забоем, чают развитие остаточные паяльные (термические) напряжения, которые на

Алмазу необходимо контактировать с новыми слоями породы (при постоянном охлаждении матрицы), а на самом деле

стадии приработки инструмента способно,а при избытке промывки происходит подъем буровой колонны над забоем,

Алмазу необходимо контактировать с новыми слоями породы (при постоянном охлаждении матрицы), а на самом деле

при таких ускорениях колонны в переходном режиме и приработке происходит повышение внутренних напряжений в рабочем (режущем) органе и разупрочнение матрицы. Аналогичная картина наблюдается при переходных режимах и приработке шарошечного долота. Резко снижаются физико-химические свойства твердого сплава () происходит перераспределение карбидов вольфрама в кобальтовой связке из-за значительных внутренних напряжений в ней, снижаются прочностные свойства твердого сплава, активно проявляется брак при изготовлении: выкрашивание целых массивов ВК-друз происходит по 30 зонам - плоскостям, богатым свободным (структурным) графитом. Устанавливается неэффективный режим поверхностного разрушения забоя, t Следовательно,переход от одной установленной скорости вращения буровой колонны к другой необходимо осуществлять с ускорением, состевля- ющим 0,01-0,2 об/с2. Применять с.наче- ния ускорения выше, чем 0,2 об/с2 нецелесообразно, так как начинают проявляться описанные негативные явления, а при ускорении, меньшем, чем 0,01, наблюдаются потери производительности при бурении. Одновременно со скоростью изменения частоты вращения буровой колонны соответственно меняется скорость изменения расхода промывочной жидкости, которая меньше в два раза, чем скорость изменения частоты вращения буровой колонны. Если ускорение частоты вращения буровой колонны а.... больше че

кил

в два раза больше ускорения расхода аоасх промывочной жидкости, то промывочной жидкости недостаточно, что ведет к износу инструмента, если

акол арасхв два Раза то избыток промывки не позволяет установить оптимальный режим бурения.

При приработке породоразрушающе- го инструмента при бурении пород IX-X категории буримости ускорение не превышает 0,05 об/с2.

При большем ускорении буровой колонны имеет место разупрочнение матрицы коронки и паяного шва шарошки долота. Таким образом, при приработке инструмента при бурении крепких пород, необходимым является превышение значений ускорения вращения бурового снаряда не более чем на

0

5

0

5

0

5

0

5

0,05 об/с2. Это приводит к увеличению срока службы, повышению производительности, снижению энергозатрат. Этот критерий важен при бурении пород IX-X категории буримости на инструменте, который находится в эксплуатации какое-то конечное время. В этих случаях наряду с объемным разрушением забоя имеет место усталостное разрушение - промежуточная стадия между объемным и поверхностным разрушением. При этом первоначально имеет место зависимость (2), но в результате многократного силового воздействия на породу в ней развивается система трещин, поэтому твердость породы на вдавливание Рш снижается и периодически на забое возникают условия для объемного разрушен ш .

Предлагаемый способ регулирования процесса вращательного бурения -в переходных процессах (режимах) реали-- зован следующим образом.

Горные породы разреза представлены гранитами средней абразивности IX-X категории буримости.

Комплект регулируемых электроприводов (РЭП-5) предназначен для оснащения буровых агрегатов 5-го класса для бурения на твердые полезные ископаемые и представляют собой групповой электропривод, состоящий из электроприводов бурового станка и насоса. Принципиальная схема комплекта РЭР-5 обеспечивает возможность подключения энергооборудования буровой установки. В состав РЭП-5 входят: шкаф управления, пульт управления, шкаф токоограничивающих реакторов, двигатель станка Д808У2 мощностью 37 кВт, двигатель насоса Д41У2 мощностью 15 кВт, два тахогенератора TMF-ЗОП, два вентилятора Ц4-70 If 2,5.

Комплект РЭП 5 работает от линий электропередачи, источников электропитания соизмеримой мощности (ДЗА-100), электрических сетей с глухозаземлен- ной или изолированной нейтралью. В последнем случае для контроля сопротивления изоляции используется реле утечки. Схема комплекта РЭП-5 предусматривает возможность отключения энергооборудования буровой установки при снижении сопротивления изоляции ниже допустимого уровня. Благодаря малым размерам составных частей РЭП-5 не загромождает буровые здания и обеспечивает удобство эксплуатации

буровых установок. Комплект РЭП-5 гарантирует режимы 1 и 3 по электроприводам станка и насоса 1 - для нормальной работы; 3 - для кратковременной работы с полуторакратным отбором мощности от приводного двигателя (при ликвидации аварий, при спуско-подъем- ных операциях и др.).

Питание буровых агрегатов электроэнергией осуществляется от дизельных передвижных электростанций и комплектных трансформаторных подстанций как с изолированной (с применением реле утечки) ,так и с глухозаземленной нейтралью. Учет расхода электроэнергии на бурение и спуско-подъемные работы производится с помощью трехфазных электрических счетчиков САЗУ- И670М, вмонтированных в шкаф управления каждого комплекта РЭП-5.

Бурение в основном ведется с применением шарошечных долот диаметром 73,59 мм и алмазных коронок диамет20 При алмазном бурении частота вращен 600 об/мин или 60 об/с. Чтобы перей ти к частоте вращения в 900 об/мин (15 об/с), или к 300 об/мин (5 об/с при максимально возможном ускорении

ром 59,46. В качестве бурильного вала 25 ,2 об/с2 время перехода с,

используются легкосплавные и стальные трубы диаметром 54 мм ниппельно-зам- кового соединения, а в качестве промывочной жидкости - малоглинистые поли- мерэмульсионные растворы и эмульсия на основе мыла и смеси гудронов, На- блдодение за процессом бурения осуществляется с помощью аналоговых и самопишущих приборов пульта РЭП-5, регистрирующих расход потребляемой мощности на бурение и спуско-подъемные операции, а также частоту вращения бурильного вала. Записи на диаграммных лентах служат также для составления баланса рабочего времени. На каждом конкретном буровом агрегате составляется тарировочный график перевода значений расхода промывочной жидкости Q частоте вращения трансмиссионного вала. Таким образом, определенному значению Q соответствует значение частоты вращения вала электродвигателя. В данном решении частота вращения вала насоса должна быть в два раза меньше частоты вращения бурильной колонны.

Изучение характера износа коронок показало, что для коронок, использованных по предлагаемому способу, характерен нормальный износ матрицы коронок, незначителен процент коронок, которые были сняты с рейса вследствие образования фасок по наружному диаметру; в то же время,

для коронок, которые, использовались по стандартной (базовой) технологии бурения, характерно наличие быстрого износа торцов и фасок по внутреннему диаметру. Для шарошечных долот было замечено, что при бурении пород IX-X категорий буримости после окончания процесса приработки долота на

забое в случае, если ускорение вращения буровой колонны аЈ ,05 об/с2 имеет место значительный процент (до 30%) выкрашивания твердого сплава и раннее разупрочнение паяного соединения ВК - сталь шарошки.

Предлагаемый способ достаточно универсален, что дает возможность его использования как при увеличении частоты вращения, так и уменьшении.

При алмазном бурении частота вращения 600 об/мин или 60 об/с. Чтобы перейти к частоте вращения в 900 об/мин (15 об/с), или к 300 об/мин (5 об/с) при максимально возможном ускорении

,2 об/с2 время перехода с,

в этом случае ускорение положительное, в случае уменьшения частоты вращения ускорение частоты вращения а.0дЯвляется отрицательным, время перехода Т-10 с.

Применение предлагаемого способа позволит повысить производительность бурения на станках ЗИФ-650М на 62%, на станках СКБ-5 на 39%, увеличить механическую скорость на станках ЗИФ-650М на 59%, на станках СКБ-5 - на 50%, сократить расход алмазов на станках ЗИФ-650М на 20%, на станках СКБ-5ч- на 17%, снизить расход электроэнергии (энергозатрат) на бурение 1 м. на 43% при глубине скважин 1100 м и на 62% при глубине 700 м.

Использование способа регулирования процесса вращательного бурения в

переходных процессах (режимах) обеспечивает значительно полнее все свойства породоразрушающего инструмента шарошечных долот или коронок, что позволяет значительно улучшить

их срок службы и вследствие этого повысить производительность бурения, уменьшить энергозатраты.

Формула изобретения

111649088 ,12

вращения, отличающийсярением,в два раза меньшим, чем скотем, что, с целью повышения произво-рость изменения скорости вращения, дительности бурения за счет сохране- 2. Способ по п. 1, о т лчи ч а ния рабочих частей породоразрушающе-ю щ и и с я тем, что при бурении пого инструмента в-переходных процессахрод VII-VIII категорий буримости пепри бурении пород различной катего-реход от одной скорости вращения к

рии буримости, в процессе приработкидругой происходит с ускорением 0,01инструмента переход от одной скорости0,2 об/с2.

вращения к другой происходит равно- JQ 3. Способ по п. 1, о т л и ч аускоренно, при этом одновременно про-ю щ и и с я тем, что при бурении

изводят равноускоренное изменениепород IX-X категорий буримости скоподачи промывочной жидкости с уско-рость изменения скорости вращения

не превышает 0,05 об/с2.