Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород

(51) Ъ ВЮЗИ т, ,р ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЬСТВУ КОМУ СЕИД К СССР 197 АНИЯ ПРОЦЕС- ГОРНЫХ ПО- мощности егистрацию отклонений ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки Всесоюзного промышленного объепинения "Союзгеотехника"(56) Автоматизаций процессов глубокого бурения, М., Гостоптехиздат,1961, с, 3-27,Авторское свидетельствоУ 947405, кл, Е 21 В 45/00 4.( В 54)(57) СПОСОБ РЕГУЛИРОА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯОД, включающий контрольатраченной на бурение,е возрастающих пиковых и уменьшение одновременно с этим осевой нагрузки и скорости вращения до стабилизации уровня мощности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности ререгулирования путем оперативного прекращений 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 бурения при снижении ее среднего уров ня с одновременным пиковым возрастанием мощности осевую нагрузку увеличивают до получения первоначально заданного уровня механической скорости ,бурения,а вектор силы трения (Р) при скольжении элемента по стенке скважины30 направлен противоположно вектору абсолютной скорости скольженияЧЧГ=-рГ яЦп -Ч 2,Чйгде в - масса элемента (единицыдлины) снаряда;Ф - угловая скорость вращенияинструмента;Р и Й- диаметры скважииыи элемен та снаряда;/Р коэффициент трения снарядао стенки скважины,Ч - окружная скорость элементаоснаряда; 45Ч - механическая скорость буЮрения,При этом осевая составляющая сил трений Г элемента снаряда о стен- ки скважины составляет 50(2)35 Г =Р 3 с ф . (3) ;ф7Однако поскольку при вращательномбурении скорость вращения инструментаво много раз превосходит механическую 55скорость, то осевая составляющая силтрения ( Г ) при обращении снаряданичтожно мала, и поэтому осевая нагИзобретение относится к вращательному бурению скважин, а именно к способам оптимального управления и регулирования процесса вращательного бурения с применением бурильных труб, 5Цель изобретения - повышение эффективности регулирования путем оперативного прекращения зависания бурового снаряда, вызываемого возбуждением его качения по стенкам скважины.В процессе бурения скважины при нормальном движении бурового снаряда -обращении - его ось вращается вокруг. оси скважины или вокруг не которой оси, несовпадающей с осью симметрии скважины. При этом буровой снаряд скользит по стенкам скважины или не касается их. Максимальная удельная сила И ) прижатия элемен та снаряда к стенке скважины определяется в этом случае главным образом величиной центробежной силыЭ - с 1ш 22 рузка практически полностью передается на забой скважины, что обеспечивает стабильность уровня механической скорости при неизменных параметрах режима 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 случае отражают главным образом забойные процессы.При этом в процессе бурения на выбранной скорости вращения инструмента плавно увеличивают осевую нагрузку до тех пор, пока не появляется возрастание мощности в виде пиковых отклонений от стабильного уровня, что отражает переход от мокрого трения к сухому между породоразрушающнм инструментом и горной породой. При появлении указанных пиковых отклонейий осевую нагрузку и (или) скорость вращения уменьшают до стабилизации уровня мощности н на этом режиме осуществляют бурение.При качении снаряда удельная сила прижатия его элемента к стенке скважины существенно возрастает (обычно более, чем на два порядка) и вычисляется по формуле Йгде Я= ы-угловая скоростьЭ - 4качения 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 (Р ) при качении снаряда достаточно велика и вычисляется по формуле Г = КЕ , (5)Наличие силы Р направленной противоположно осевой нагрузке, пред" определяет 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 зависание снаряда выражается в периодическом дискретном сползании" его к3 1162953эа ою скважины, что вызывает релакса- лирования пб по уровням мощности и меционные колебания механической скорос- нической скокорости, основанные нати бурения с частотой порядка 0,05- разных физических я .х явлениях, воэникац, ри этом среднее значение ющих при вращательном б урении, немеханической скорости обычно снижа-обладают и ф ормальным сходством;ется по сравнению с тем уровнем при регулирован ии по мощности скоторый наблюдается до возбуждения увеличениемм мощности в виде пиковыхкачения снаряда. Последнее, кроме отклонений осевую нагрэ:".у уменьщатого, приводит к увеличению среднего ют, а при регулировании по механиуровня мощности с увеличением ампли О ческой скоростти с уменьшением скотуды колебаний ее мгновенных зна- рости и одновременн ом возрастаниемчений, что вызывается главным об- мощности ( при воз ужденин качаниябразом колебаниями осевой нагрузки снаряда) осевую нагрузку, наоборот,на забое скважины, Таким образом, увеличивают,возбуждение качения снаряда опреде На фиг 1 приведена структурнаяляют по возникновению релаксацион- схема устройства, анализирующего п е -ных колебаний механической скоростиф укнц Р дбурения со снижением ее среднеголагаемый способ в случае чного г рурегулирования процесса бурения; на фиг,2уровня и повышению уровня мощностиЭи 3-ди- диаграммы затрат мощности,затрачиваемой на бурение с увеличе иллюстрирую щие соответственно регунием амплитуды колебаний ее мгновен- лирование процесса б ениных значений.роцесса урения по уровнюмощности при обращении снаряда и поПо предлагаемому способу в этом поддержанию постостоянным уровня мехаслучае процесс бурения Регулируют , нической с бкой скорости бурения при качана фиг. - фрагментпо поддержанию исходного заданного 25 нии снаряда ф 4 -(до возбуждения качения снаряда) диаграммы затммы затрат мощности, отражауровня механической скорости бу- ющей нереге нерегулируемый по уровню мехарения. При этом с уменьшением скорос- нической сти бкой скорости процесс бурения,ти урения осевую нагрузку увели-. При ручном ег ли очивают чтобыри ручном регулировании процесосевой составлчивают, что ы преодолеть действие ЗО сом бурения после вкосле включения бурочосево составляющей сил трения, выз- вого агрегата 1 (ф 1).иг, ) бурильщик 2вавшеи зависание снаряда, и восста- с помощью Рукояток приводов вращеновить исходный уровень механической ния 3ния и подачи 4 устанавливает раскорости. Указанные операции в про- циональные значения пения параметров рецессе бурения периодически повторя жима бурения - скорости вращенияют в соответствии с частотой колеба- и осевой нагрузки ( ннапример, наний механической скорости бурения, основании предшествуютвующего опытаВ процессе регулирования возможное или расчета) анализирализнруя при этомвозрастание уровня мощности ограни- характер изменения мощности и скочивают допустимым пределом, напри рости брости урения соответственно по ремер, с помощью ограничителя кру- гистраторам 5 6и , и определяет критящего момента типа "ОМ", терий (канал) регулирования. Если поВ предлагаемом способе регулиро- казаказакия регистраторов мощности 5 ивания процесса вращательного бурения с бскорости урения 6 стабильны, токонтролируют мощность, затрачивае бурурильщик приступает к регулированиюмую на бурение, например, с помощью процесс б6процесса урения (поиску оптимальсамопишущих киловаттметров типа ного режима) по параметру мощностиНи механическую скорость бу- первыи канал), для чего продолжаетрения, например, с применением се- плавно увеличивать осевую нагрузку ирийной контрольно-измерительной ап (или) скорость в а ения кпаратуры типа "Курс1",или скорость вращения, контролируясвои действия по регистраторам 5При стабилизации уровней механи- и 6 кти , которые при этом показываютческой скорости бурения и мощностиЭ адекватные приращения мощности инапример, после срыва (ликвидации) еханическо скорости. Указаннуюкачения снаряда снова переходят к Б 5 операцию бурацию урильщик продолжает дорегулированию процесса бурения потех пор покпор, пока на регистраторе не поуровню мощности, описанному вьппе. являются резкие (неадекватные) воэСледует отметить, что операции регу- растания мощия мощности в виде пиковыхотклонений, после чего он уменьшает осевую нагрузку и (или)скорость вращения до исчезновения этих пиков и на этом оптимальном режиме, обеспечивающем наибольшую механическую 5 скорость и ресурс коронки, продолжает бурение. Если при установившемся 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 (негармоничес кие) колебания механической скорости с частотой порядка 0,05-0,5 Гц и снижением ее среднего уровня, то бурильщик приступает к регулированию процесса бурения по механической скорости (второй канал), для чего при неизменной скорости вращения увеличивают осевую нагрузку до исчезновения релаксационных колебаний механической скорости и стабилизации 25 ее на исходном (до возникновения релаксационных колебаний) уровне и уменьшает осевую, нагрузку при превышении этого уровня.Естественно, что "исходный уро вень" механической скорости - величина непостоянная и зависит от степени износа коронки. ( в том числе и за вРемя регулирования), смены пород и твп Поэтому основнои целью 35 регулирования по второму каналу является не достижение в точности исходного уровня механической скорости, а устранение ее релаксационных колебаний и достижение стабилизации ско рости, что обеспечивает передачу оптимальной нагрузки на забой и в итоге выход на ту величину механической скорости, которая может быть реализована в данных условиях при регу лировании 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 участием бурильщика (оператора) в силу ограниченности физических возмож ностей человека по восприятию и анализу текущей информации не всегда обеспечивает правильность ведения 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, мик- роЭВИ),которое снабжено соответствующими алгоритмами, построенными нагосновании специфических признаковуказанных ситуаций: стабильностьуровней мощности и скорости бурения(нормальное бурение), скачкообразноеувеличение мощности в сочетании срелаксационными колебаниями скоростибурения (бурение с.качением снаряда),После распознавания ситуации управляющая система через регулируемыепривод 3 и орган 4 подачи приступаетк реализации одной из программ: регулированию по мощности или по скоростибурения.П р и м е р. Реализация предлагаемого способа регулирования процессавращательного бурения былаосуществлена на одном иэ месторождений ВПО"Союзглавгеологоразведка" при бурении плановых скважин ВВ 1637 и 1642с проектными глубинами 800 и 1200 м,На обеих скважинах объемы буренияс обращением и качением снаряда распределялись приблизительно поровну.Качение снаряда определяли по оперативным признакам ( возрастаниемощности и колебания ее уровня, возникновение релаксационных колебаний механической скорости со снижением ее среднего уровня), а такжепо вспомогательным признакам (характер кернообразования, износа инструмента и др),При обращении снаряда регулирование процесса бурения осуществлялипо поддержанию заданного уровнямощности, при котором отмечалась наибольшая стойкость алмазных коронок,а уровень механической скорости составлял 3-3,5 м/ч, Фрагмент диаграммызатрат мощности, отражающей указанное регулирование при бурении скважины Ф 1642 в интервале 643,7-649,4 м,показан на фиг, 2. Регулирование сводилось к установлению заданногоуровня мощности плавным увеличениемосевой нагрузки приблизительно до7 11629 1300 кг, которая практически не изменялась в течение проходки интервала хода шпинделя станка вледствие стабильности уровня мощности и механической скорости (на диаграмме 5 фиг. 2 временные .интервалы между перекреплениями снаряда одинаковы), При возбуждении качения снаряда по индикатору аппаратуры "Курс" регистрировали колебания механической 1 ц скорости бурения в диапазоне 3,2- 0,8 м/ч с частотой 0,05-0,5 Гц, Процесс бурения регулирования по исходному уровню механической скорости ( м 3 м/ч ,) выборочно в различных 15 интервалах бурения скважин ВУ 1637 и 1642 путем плавного увеличения осевой нагрузки при снижении механической скорости и уменьшения нагрузки при увеличении скорости выше 3 мч. 20На фиг. 3 представлен фрагмент диаграммы затрат мощности, иллюстрирующей регулирование процесса бурения по уровню механической скорости бурения (скважина У 1657, интервал 25 глубин 752,2-758,0 Ом),. Из диаграммы видно, что несмотря на увеличение и резкие колебания затрат мощности, скорость бурения на заданном уровне (3 м/ч) поддерживалась постоянной ЗО (интервалы между перекреплениями снаряда одинаковы) 53 8Для сравнения на фиг. 4 приведенадиаграмма затрат мощности, зарегистрированная в тех же условиях бурения,но без применения регулирования поуровню механической скорости. В данном случае установленна после запускавращения инструмента осевая нагрузкане изменялась в течение бурения интервала хода шпинделя станка. Этопривело, как видно из рассмотренияфрагмента диаграммы фиг. 4, к колебанию механической скорости бурения сумейьшением ее среднего значенияпри бурении практически каждого интервала хода шпинделя станка (интервалы между перекреплениями неодинаковы и больше в среднемна ЗОХ 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.1162953 оставитель И,Назаркинаехред С.Мигунова Корректор М,Леонтюк едактор Е.П патент ", г. Проектная,о аказ 5057 Тираж 540 ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыт 113035, Москва, Ж, Раушская наб