Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 161359 1 Е 21 В 44/ ИЕ И БР Т чныи инстиБ,А,Новожия и С,В.Лапр, Спосо ом бурени 5, М 12, с ельство С 44/00, 19 ИРОВАНИ О БУРЕН ы снижения и, - Развед- 25.ССР85. Я ПРОЦЕСЯ ГОРНЫХ рению сква фективност ение относится коляет повысить э им ни по ст ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Суманеев Н,Н. ивибрации при алмазнка и охрана недр, 19Авторское свидеМ 1245688, кл. Е 21(54) СПОСОБ РЕГУЛСА ВРАЩАТЕЛЬНОГПОРОД(57) Иэобретжин и позв Изобретение относится к горному делуожет быть использовано при регулироваи процесса бурения скважин алмазнымродоразрушающим инструментом.Цель изобретения - повышение эффективности бурения за счет уменьшения износа породораэрушающего инструмента.На фиг. 1 представлен график обобщенного вида областей существования различных режимов работы алмазной коронки впространстве параметров осевой нагрузкии частоты вращения; на фиг. 2 - экспериментально полученная характерная непрерывная кривая изменения скорости бурения им,кривая изменения отношения и граЧ мех.ницы режимов 812 от осевой нагрузки; нафиг. 3 - устройство датчика крутильных колебаний; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг, 3,бурения за счет уменьшения износа породоразрушающего инструмента. Для этого в пдоцессе 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, 1 ил., 1 табл. Сущность изобретения заключается вследующем.В процессе бурения скважины рабочийторец инструмента путем микрорезанияразрушает породу При этом исследования,проведенные с помощью скоростной киносьемки, работы алмазного инструмента при.бурении специального блока из оптическогостекла, близкого по своим свойствам к горным породам Ч 1 НХ категории по буримости, показали, что в зависимости отпараметров режима бурения могут быть выделены три режима вращения алмазного породоразрушающего инструмента, которыехарактеризуются зависимостьюЙ) б- =1,г сгде в б - угловая скоро ь вращения корон 1613592шс - задаваемая вращателем угловая скорость,1, Режим равномерного вращения (В 12 ) б Шс 2, Ре)им крутильных автоколебаний 2 го рода (й 1 г ):МбЖс3. Режим крутильных автоколебаний 1- го родэ (Юг 1:- О,ИсПолученные реЗультаты приведены в таблице, Они позволяют дать предварительную классификацию режимов работы алмазной коронки на забое скважины.Можно выделить два принципиально отличных режима бурильных колонн; Ф 12 - 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) нагружением 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, оп ределяемой 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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/мин, 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 и-Р (фиг, 1), где и - частота вращения бурового снаряда, об/мин; Р - осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, даН.Область существования режима вращения Яи характеризуется равномерным вращением алмазного инструмента вокруг оси скважины беэ остановок и ударов. Обеспечение равномерности вращения позволяет при неизменных параметрах режима бурения увеличить механическую скорость бурения, В этом режиме величины вб им.- Юбравны, поэгому - = 1со,Область режима вращения В 12 является весьма узкой и характеризуется высокочастотными крутильными колебаниями, падением механической скорости бурения и повышенным износом матрицы породоразрушающего инструмента, В этом режиме угловая скорость вращения инструмента ниже угловой скорости, задаваемой вращаелем станка, Происходит некоторое торможение вращения инструмента и его ускорение. Это ведет к образованию вибрации на инструменте, но остановки в этомИбрежиме отсутствуют, поэтому ) ОЮсОбласть режима вращения Я 2 характеризуется крутильными колебаниями с остановками и ударами инструмента о забой, повышенным износом инструмента и увеличением механической скорости бурения, В этом режиме наблюдаются ударные нагрузки на инструмент иэ-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 соо равна О, а угловая скорость щ с - задан 1613592ной скорости вращателя. После остановкиалмазный инстурмент вращается с ускорением до определенного момента и сноваостанавливается, Практически время остановок и время вращения алмазного инструмента приблизительно равны, поэтомуо) бвеличина отношения -О,ИсИсследование влияния параметров режима бурения на возникновение того или 10иного режима работы алмазной коронки(Н 12 ) для фиксирования пары пОрода ко 1ронка различных компоновок бурового снаряда показали:увеличение осевой нагрузки (и = сопэт, 15О = сопвт) приводит к изменению режимаработы алмазной коронки по цепочкеЙ 12 ф Й 12 ф Й 122 3,рост частоты вращения (Р = сопят, 0 = сопвт)ведет к изменению режима работы алмазнойкоронки по цепочке Р 12 - В;2 - В 123, 2 1В 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 напородоразрушающий инструмент, Такимспособом можно снизить осевую нагрузкудо нуля, Этот процесс также наблюдался спомощью скоростной киносьемки во времяэкспериментальных исследований при бурении оптического стекла, 35Осевую нагрузку снижают таким способом г 1 отому, что гидравлический канал (промывочная жидкость) является наиболеечувствительным и быстродействующим поравнению с гидравлическим регулятором,который передает осевую нагрузку через гибкий бурильный вал, причем гидравлическиерегулягоры, устанавливаемые на буровыхстанках, имеют большую инерционность, чтоможет прирести к осложнениям при бурении 45(например к прижогу коронки),На фиг, 2 приведена экспериментальнополученная характерная кривая измененияскорости бурения ф), кривая изменения отношения мощнссти и механической скоросги бурения и границы режимов вращенияалмазного инструмента от осевой нагрузки(Р), Граница с 11 определяет переход режима812 к режиму 812 при изменении осевои2нагрузки Р, а границы о 2 - переход от режима Й 12 к режиму Й 122, 3МКривая -- кривая изменения критерияЧминимально ти износа породоразрушающего инструмента при изменении осевой нагрузки Р. Минимум критерия совпадает с границей возбуждения 812Границы о 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 уплотнительные элементы 5, В месте крепления корйуса 1 с колонковой трубой 2 выполнены отверстия б, а сам корпус 1 и стакан 3 имеют продольные щелеобразные соосные отверстия 7 и 8,Таким образом, анализ изложенных материалов позволяет утверждать, что для регчлирования процесса вращательного бурения необходимо регистрировать крутильные колебания алмазного породораэрушающего инструмента, а при их регистрации переводить алмазный инструмент в равномерный режим вращения за счет увеличения скорости подачи промывочной жидкости и скорости вращения инстурмента.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 бурен я, 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, осевую нагрузку и промывочную жидкость. Промывочная жидкость через отверстия б, 7 и 8 поступает во внутреннюю часть колонковой трубы 2. Когда коронка вращается равномерно (в режиме 812 ) стакан 3, подвешенный на пружине 4, вращается вместе с корпусом 1 датчика с одинаковой частотой, При увеличении нагрузки под торцом коронки скапливается спрессованный шлам и коронка переходит в режим вращения К 12, который характери,3эуется крутильными автоколебаниями, Стакан 3 датчика под действием крутильных колебаний начинает поворачиваться вокруг оси О. Вместе со стаканом 3 поворачивает1613592 ой ко онки П рил;ечат 1 е характеристика ное вращени ые аетоколебанаЯ =20 - 400 Гц ые аотоколебани ода, И= 10-100 качения,й0 Недопустимый аеа рийнжил 1 и Примечани б- частота поперечных перемещений на забоес2 - частота крутильных аетоколебаний,ся отверстие 8 относительно отверстия 7 иперекрывает его сечение. Уменьшение сечения отверстий 7 и 8 повышает давление наманометре насоса, Так как стакан 3 поворачивается вокруг оси 0 вправо и влево от оси 5отверстия 7, то на манометре насоса регистрируются скачки давления, которые показывают, что коронка перешла в режим Р 1 г,зЭтот режим характеризуется снижениеммеханической скорости бурения, хотя небольшое повышение видно на фиг. 2, но приувеличении нагрузки происходит ее снижение, Если продолжать зависимость Ч = 1(Р)(без ступени на графике), то видно, на какуювеличину механическая скорость уменьшилась с возрастанием осевого давления из-закрутильных колебаний. Причем этот режимухудшает состояние алмазной коронки испособствует ее быстрому износу,Для пе 1 оехода из режима Й 12 (фиг. 1) в 20режим Й 12 снижают осевую нагрузку засчет увеличения скорости подачи промывочной жидкости на забой скважины. Скоростьподачи увеличивают путем увеличения числа оборотов двигателя (для плавноприводных насосов) или переключением наповышенную скорость коробки передач насоса. Под действием увеличения гидроподпора под торцом коронки она как быприподнимается над забоем скважины и 30снижает нагрузку на забой. Большее количество жидкости попадает под торец коронки и вымывает шлем. При снижении осевойнагрузки на забой одновременно увеличивают частоту вращения бурильных труб, что 35 также способствует переходу коронки из режима Б 12 е реким Ри,зСкорость вращения бурильных труб увеличивают до момента прекращения крутильных колебаний. Прекращение режима крутильных колебаний регистрируют на манометре, показания которого стабилиэиоуются. После перехода коронки е режим вращения (В 1 г ) происходит ее равномерное вращение без рывков и ударов, Такой режим характеризуется равномерной отработкой алмазных коронок без заполироеания алмазов и позволяет увеличить механие скую скорость при ндиэменн,х па,.аметра . режима буренияПо мере надобности регулирование параметров режимов бурения повторяют,Форл 1 ула иэобре гения Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород, включающий подачу на забой промывочной жидкости, а также изменение осевой нагрузки на породораэрушающий инструмент и скорости его вращения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эффективности бурения за счет уменьшения износа породоразрушающего инструмента, регистр,",руют кругильные колеба ия породораэрушающего инс 1 румента и при их возникновении одновременно снижают осевую нагрузку путем увеличения скорости подачи промывочной жидкост и увеличиеаю 1 скорость вращ ни породоразрушающего инструмента, 16135921613592Составитель В.Шилов Редактор М.Петрова Техред М.Моргентал Корректор Э.Лонча каэ 3872 Тираж 479 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 1