Способ оптимизации процесса бурения Советский патент 1993 года по МПК E21B44/00 

Изобретение относится к бурению и может быть использовано для регулирования процесса бурения и подбора породоразру- шающего инструмента для определенных геологических условий.

Цель изобретения - повышение эффективности способа путем увеличения точности регулирования процесса бурения и подбора породоразрушающего инструмента для определенных геологических условий.

Физической основой предлагаемого способа явились результаты экспериментальных работ, проведенных авторами в производственных и стендовых условиях. При экспериментальных работах изучались спектральный состав упругих колебаний, возникающих при бурении, и показатели эффективности процесса бурения (мощность, расходуемая на бурение, механическая скорость бурения и т.д.). Установлено, что высокочастотные упругие колебания частотой 5-20 кГц определяются динамическим взаимодействием резцов породоразрушающего инструмента с забоем, хрупким разрушением горной породы.

Энергия упругих колебаний в диапазоне 5-20 кГц - WA представляет полезную часть полной энергии, расходуемой на бурение Wn. В величину энергии Wn входят все затраты энергии при бурении, в том числе и-на процессы,.которые не сопровождаются возникновением упругих колебаний - трение. Поэтому отношение энергии упругих колебаний в диапазоне 5-20 кГц WA к полной энергии, расходуемой на бурение Wn - величина А - представляет .собой коэффициент эффективности использования энергии при бурении. Достижение при бурении путем регулирования режимных параметров максимального значения величины А обеспечит наиболее эффективное использование энергии. Величина А представляет собой критерий оптимальности процесса бурения. Критерий А можно также использовать при выборе оптимального типа породоразрушающего инструмента для бурения. Наиболее подходящим для разбуривания данной толщи горной породы будет породо- разрушающий инструмент обеспечивающий в процессе бурения наибольшее из

у

Ё

00

о ю о

N СО

всех других породоразрушающих инструментов значение величины А,

Способ был опробован при бурении различных типов горных пород. Ниже приводятся результаты применения способа при бурении серого гранита. Вначале для каждого типа породоразрушающего инструмента осуществлялся поиск оптимального режима бурения по критерию .

На фиг.1 показаны графики зависимостей величины А от осевой нагрузки Р при различных частотах вращения снаряда п

при бурении однослойной алмазной коронкой типа А4ДП диаметром 59 мм. Величина А имеет четкий максимум при режимных параметрах: Р 1750 даН, п 700 мин , 0 19 дм3/мин. На фиг.2а показан график зависимости величины А от осевой нагрузки Р при частоте вращения п - 1000 для импрегнированной алмазной коронки типа И4ДП диаметром 59 мм. Выделяется четкий максимум величины А при Р и 750 даН. Однако зависимость величины А от частоты вращения п при оптимальном значении осевой нагрузки Р - 750 даН (фиг.26) показывает, что оптимальное значение частоты вращения достигнуто не было и требуется дальнейшее увеличение частоты вращения. Найденные по критерию оптимальные режимы бурения серого гранита для однослойной и импрегниршаннай алмазных коронок хорошо согласуются с рекомендуемыми для этих кромок режимами.

На втором этапе реализации способа по критерию А- мах определялся наиболее подходящий тип импрегнироеаниой алмазной коронки для разбуризшия серого гранита. Сравнение коронок производилось в области оптимального режима бурения для импрегнированных алмазных коронок полученного вначале испытания.

В табл.1 приведены сведения о конструктивных параметрах сравниваемых имп- регнированных алмазных коронок.

В табл.2 приведены зарегистрированные в процессе бурения при Р - 750 дай, п - 700 мин и Q - 19 дм3/мин полной мощности, расходуемой на бурение Nn, механической скорости VM. анергии упругих колебаний в диапазоне 5-20 кГц WA и расчетное значение величины А.

Наибольшее значение величины А получено для коронки И4ГС, имеющей объемные алмазы АСПК крупностью 400-150 шт/карат, наименьшие значения А у коронки ИбДХ с природными объемными алмазами XXXV группы крупностью 600-400

шт/карат, т.е. для разбуривания серого гранита наиболее подходят импрегнированные алмазные коронки типа И4ГС с объемными алмазами крупностью 400-150 шт/карат, позволяющие наиболее эффективно использовать энергию в процессе бурения.

Из данных, приведенных в табл.2 видно, что хотя механическая скорость бурения имеет ту же тенденцию что и величина А, на основании только значений VM нельзя выбрать наиболее подходящий тип породораз- рушающего инструмента. Коронка ИбДХ, имея большее чем коронка ИЖ значение механической скорости, в то же время затрачивает на бурение почти в 2 раза большую мощность. Бурение коронкой ИбДХ крайне неэффективно. Поэтому только величина А позволяет наиболее объективно оценивать эффективность бурения каждым, типом породоразрушающего инструмента.

Формула изобретения

Способ оптимизации процесса бурения, включающий измерение энергии WA упругих колебаний, вызванных породораз- рушающим инструментом, в диапазоне частот 5-20 кГц, и регулирование режимных параметров, от л ичающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа путем увеличения точности регулирования процесса бурения и подбора породоразрушающего инструмента для определенных геологических условий, дополнительно измеряют полную энергию Wn, расходуемую на бурение, определяют величину отношения А ш WA/WH путем регулирования режимных параметров при конкретном типе породоразрушающего инструмента, достигают максимального значения величины А, меняют тип породоразрушающего инструмента и снова достигают максимального

значения величины А, выбирают породораз- рушающий инструмент, при котором максимальное значение величины А наибольшее, и с выбранным таким образом для данного геологического разреза породоразрушающим инструментом продолжают бурение, поддерживая путем регулирования режимных параметров максимальное значение величины А.

Таблица 1

Использование: механическое бурение скважин. Сущность изобретения: измеряют энергию упругих колебаний, вызванных инструментом, в диапазоне частот 5-20 кГц. Дополнительно измеряют полную энергию, расходуемую на бурение, и определяют отношение энергии упругих колебаний к полной энергии. Регулируя режимные параметры, добиваются максимальной величины отношения. 2 ил.

1250

1500

Фиа.1

Таблица2

050

2000 Р, ЭаН

500

A, I

усл.еА 30

20

10

БОО

10001500 Р,ЗаН

§.

800ЮОО п,мин1

Фиг. 2