Способ регулирования процесса вращательного бурения

(ц) Е 21 В 44/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт электросваркиим. Е.О,Патона и Кировское производственное геологическое объединение (72) А.А.Яцюк, В,В,Литра, Г,А,Луценко, И.А.Пащенко и С,В,Базильский (53) 622.243(088,8)(56) Авторское свидетельство СССР У 1252480, кл, Е 21 В 44/00, 1985.Авторское свидетельство СССР .У 1245688, кл, Е 21 В 44/00, 1985.(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССАВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ(57) Изобретение относится к вращательному бурению скважины, к способамрегулирования вращательного буренияв переходных процессах, Целью изобИзобретение относится к враща.тельному бурению скважин, к способамрегулирования вращательного бурения.в переходных процессах,Цель изобретения - повышение производительности бурения за счет сохранения рабочих частей пород разрушающего инструмента в переходныхпроцессах при бурении пород 711-Х категорий буримости,Технологический процесс колонкового бурения определяется рядом регулируемых параметров (Р , и, Ц) и нерегулируемых (буримость пород, типи свойства породоразрушающего инструмента), а также специфическими осо-ретения является повышение производительности бурения за счет сохранения рабочих частей породоразрушаю-щего инструмента в переходных процессах при бурении пород 711-Х категорий буримости, Для этого в процессе приработки инструмента переход отодной скорости вращения к другой происходит р;Гвноускоренно. Одновременнопроизводят равноускоренное изменениеподачи промывочной жидкости с ускорением, в два раза меньшим,чем скоростьизменения скорости вращения. При этомпри бурении пород 711-7111 категориибуримости переход от одной скоростивращения к другой происходит с ускорением 0,01-0,2 об/с, а при бурениипород .1 Х-Х категории скорость изменения скорости вращения не превышает0,05 об/с, 2 з,п, ф-лы,бенностями способа бурения. Бурениеразведочных геологических скважиносуществляется с помощью 2-х основных процессов: разрушение породы назабое скважины; транспортирование частиц разбуренной породы от забоя наповерхность, При бурении на забоеимеют место следующие виды разрушения горных пород: объемное, поверхностное, усталостное,Объемное разрушение происходиттогда, когда при контакте рабочих режущих частей (твердосплавных вставоки алмазов) породоразрушающего инструмента с породой возникает напряжение,превосходящее твердость породы навдавливание, Таким образом, при объ- емном разрушении справедливо соотношениеРос-- , Ршфгде Р - осевая нагрузка на инструосмент, кг;фР - площадь контактов режущихорганов (твердосплавныхвставок шарошечных долот),см 2Р, - твердость породы по штампу,кг/см 2 . 15При соблюдении неравенства (1)инструмент своими режущими органамивнедряется в породу и разрушает забой. При бурении разрушается не только порода, но и инструмент - происходит его износ, затупление, выпаданиев случае применения алмазного бурения, а также истирание, выкрашивание,в случае шарошечного бурения, ПоэтомуР постепенно увеличивается. Осевая 25нагрузка зависит от прочности горныхпород,Для условий бурения горных породармированными коронками типов 0243-59и 0243-76, а также шарошечных долоттипов ШКЦА, ШКЦА, предложенопростое отношение Рос =О, 12 Р,1Используемые при бурении шарошечные долота, шарошки которых армированы твердосплавными вставками изсплава ВК 8-ВК, имеют следующие физико-химические свойства: твердостьНтт=1150-1400 кг/мм 2 (для сравнениятвердость таких пород, как кварциты, песчаники кварцитовидные, соответствует Нч=900-1000 кг/мм 2); софопротивление износу биц при 29 Ясоставляет 170 кг/мм 2, а при 350 С -о125 кг/мм, предел выносливости 6 ыц 45=130 кг/мм 2 . Перегрев твердого сплава при бурении недопустим - происходит его полное разрушение. При бурении с отбором керна при частотахвращения от 400 до 12000 об/мин менялась осевая нагрузка Р от 600 диндо 2400 дин, механическая скоростьбурения изменялась при этом от 1,2до 6,4 м/ч, На основании полученныхзатрат мощности Б и соответствующей55им механической скорости бурения Чеопределена энергоемкость процессаразрушения Е, которую вычисляли поформуле Е=И/7.При увеличении частоты вращенияэнергоемкость процесса сначала возрастает, достигает максимума, а затемуменьшается. Таким образом, при увеличении осевой нагрузки Р на коронку или частоты вращения сйарядапроисходит повышение температуры забоя. Однако в первый период влияниетемпературы на .процесс разрушениягорных пород еще незначительно, Придальнейшем росте частоты вращения ии нагрузки Ро процесс механическогоразрушения сменяется термомеханическим, при этом большая часть энергиипередается алмазам и матрице коронкив виде тепла,При изготовлении породоразрушающего инструмента - долот и коронок,работающих в сложных условиях интенсивных ударно-циклических нагрузок,от материала припоя (для пайки .твердосплавных вставок в тело шарошкиприменяются припои на медной основе), так и от материала матрицы коронки, представляющей собой сплав наоснове меди с добавками 37 железа и103 никеля, требуется сочетание высокой прочности и пластичности, приэтом необходимо сохранение этихсвойств на всей стадии режима бурения, В реальном процессе бурения припереходных процессах (режимах) режущим коронкам породоразрушающих инструментов сообщаются огромные ускорения через буровой снаряд, Так, прииспользовании в качестве приводовсо ступенчатой регулировкой станковЗИФи СКБпереход от . одной скорости вращения колонны к другой происходит за время =2-4 с, а при времени С)4 с срабатывает токовая защита, колонна останавливается. В этомслучае приходится производить процессбурения на меньших оборотах, что ведет к потере производительности бурения, сокращению срока службы породораэрушающего инструмента, повышению энергозатрат.При алмазном бурении (при высокойтвердости Ргорных пород, недостаточной осевой нагрузке) невозможнообеспечить достаточную величину внедрения алмазов в породу, при этом температура на пятне касания (Р) резкоповышается (идет термомеханическоеразрушение), количество микронеров(2) 50 55 5 16ностей на поверхности алмаза уменьшается, фактическая площадь контактаувеличивается, происходит некотороеперераспределение нагрузки в сторонуснижения ее воздействия на породу,наступает, так называемое, состояниеравновесной шероховатости , известное в бурении, как заполирование алмазной коронки, При шарошечном бурении имеет место поверхностное разрушения забоя,При разрушение пород при бурении происходит только вследствие сил трения,возникающих на контакте твердосплавных вставок с породой, С учетом того, что предел прочности на сжатиедля твердого сплава марки ВК 8-ВКб =355 кг/мм, а твердость на вдавлйвание может составлять для пород1 Х-Х категории буримости Р =500600 кг/мм, следует отметить, чтоповерхностное разрушение забоя притаких технологических условиях бурения не эффективно. Значения ускорений, которые сообщаются инструменту посредством бурового снаряда, имеют следующие значения; О, 1-2 об /с дляйвремени =4 с; 0,25-3,5 об/с для=2 с.Следует отметить, что на .породах1 Х-Х категорий буримости технологический процесс бурения ведется в основном на скоростях вращения: дляшарошечного бурения 350-450 об/минфдля бурения с отбором керна (алмазном) 500-1300 об/мин. Минимальныйпереход от 3-й к 4-й скорости как настанках ЗИФ, так и на станкахСКБсоставляет не меньше 6667 об/мин (1, 1 об/с), Таким образом,минимальное значение ускорения породоразрушающего наконечника составляет 0,25 об/с (при времени переходаТ=4 с),При этих значениях ускорения буровой колонны (а =0,25-35 об/с.)наблюдается катастрофическое изнашивание режущих органов инструмента, Вэтот период в паяном соединении шарошки долота твердосплавная вставкапаяный шов - материал шарошки получают развитие остаточные паяльные(термические) напряжения, которые настадии приработки инструмента способ 5 10 15 20 25 30 35 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 лф 0,5 об/с"., происходит разупрочнение матрицы - сплава на медной основе, появляются значительные внутренние напряжения в режущем органе коронки (смесь 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 вьщеляется определенное количество тепла, Тепло во фрикционном контакте благодаря двойственной природе трения генерируется в двух зонах; непосредственно на поверхности трения в результате преодоления молекулярных связей и на некоторой глубине за счет цеформации 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 режимах бурения может достигать 100- 200 С. При ускорении 0 5-3,5 об/с имеет место значительное, в несколько раз, повышение температуры, что разупрочняет матрицу, ослабляет режущий орган коронки и ведет к снижению еесрока службы, повышению энергозатрат,снижению производительности бурения,В переходных процессах (режимах)имеет место несоответствие подачи промывочной жидкости: то ее недостаточно,то появляется избыток, При алмазном бурении выделяющееся теплоне отводится от алмаза в горную породу и матрица охлаждается недостаточно,а при избытке промывки происходитподъем буровой колонны над забоем.Алмазу необходимо контактировать сновыми слоями породы (при постоянномохлаждении матрицы), а на самом деле45 при таких ускорениях колонны в переходном режиме и приработке происходит повьппение внутренних напряженийв рабочем (режущем) органе и разупрочнение матрицы. Аналогичная картинанаблюдается при переходных режимахи приработке шарашечного долота. Резко снижаются Физико-химические свойства твердого сплава 0 оып) происходит перераспределение карбидов вольфрама в кобальтовой связке из-за значительных внутренних напряжений вней, снижаются прочностные свойстватвердого сплава, активно проявляетсябрак при изготовлении: выкрашиваниецелых массивов ВК-друз происходитпо 30 зонам - плоскостям богатымсвободным (структурным) графитом.Устанавливается неэффективный режимповерхностного разрушения забоя,Следовательно переход от одной услтановленной скорости вращения буровой колонны к другой необходимоосушествлять с ускорением, составляющим 0,01-0,2 об/с. Применять значения ускорения выше, чем 0,2 об/сгнецелесообразно, так как начинаютпроявляться описанные негативныеявления, а при ускорении, меньшем,чем 0,01, наблюдаются потери производительности при бурении, Одновременно со скоростью изменения частотывращения буровой колонны соответственно меняется скорость изменения35расхода промывочной жидкости, которая меньше в два раза, чем скоростьизменения частоты вращения буровойколонны, Если ускорение частоты вращения буровой колонны абольше, чемв два раза больше ускореййя расходаа промывочной жидкости, то проОасумывочной жидкости недостаточно, чтоведет к износу инструмента, еслиа (а в два раза, то избытоккол раскпромывки не позволяет установить оптимальный режим бурения.При приработке породоразрушающе го инструмента при бурении пород1 Х-Х категории буримости ускорение50не превышает 0,05 об/сг,При большем ускорении буровой колонны имеет место разупрочнениематрицы коронки и паяного шва шарошки долота. Таким образом, при прира 55ботке инструмента при бурении крепких пород, необходимым является превьппение значений ускорения вращениябурового снаряда не более чем на О, 05 об /с . Это приводит к увеличению срока службы, повышению производительности, снижению энергозатрат,Этот критерий важен при бурении пород 1 Х-Х категории буримости на инструменте, который находится в эксплуатации какое-то конечное времяВэтих случаях наряду с объемным разрушением забоя имеет место усталостное разрушение - промежуточная стадиямежду 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 породына вдавливание Рш снижается и периодически на забое возникают условиядля объемного разруше. я.Предлагаемый способ регулированияпроцесса вращательного бурения .в переходных процессах (режимах) реали зован следующим образом.Горные породы разреза представлены гранитами средней абразивности1 Х-Х категории буримости,Комплект регулируемых электроприводов (РЭП) предназначен для оснащения буровых агрегатов 5-го классадля бурения на твердые полезные ископаемые и представляют собой групповой электропривод, состоящий изэлектроприводов бурового станка инасоса. Принципиальная схема комплекта РЭРобеспечивает возможностьподключения энергооборудования буровой устайовки. В состав РЭПвходят: шкаф управления, пульт управления, шкаф токоограничивающих реакторов, двигатель станка Д 808 У 2 мощностью 37 кВт, двигатель насоса Д 41 У 2мощностью 15 кВт, два тахогенератораТМГ-ЗОП, два вентилятора Ц 4-70 Р 2,5.Комплект РЭП 5 работает от линийэлектропередачи, источников электропитания соизмеримой мощности (ДЭА),электрических сетей с глухозаземленной или изолированной нейтралью. Впоследнем случае для контроля сопротивления изоляции используется релеутечки, Схема комплекта РЭПпредусматривает возможность отключенияэнергооборудования буровой установки при снижении согротивления изоляции ниже допустимого уровня. Благодаря малым размерам составных частейРЭПне загромождает буровые зданияи обеспечивает удобство эксплуатации1 О 9088 45 50 55 164буровых установок, Комплект РЭП гарантирует режимы 1 и 3 по электроприводам станка и насоса 1- для нормальной работы; 3 - для кратковременной работы с полуторакратным отбороммощности от приводного двигателя (приликвидации аварий, при спуско-подъемных операциях и др.).Питание буровых агрегатов электроэнергией осуществляется от дизельных передвижных электростанций и комплектных трансформаторных подстанцийкак с изолированной (с применениемреле утечки),так и с глухозаземпеннойнейтралью. Учет расхода электроэнергии на бурение и спуско-подъемныеработы производится с помощью трехфазных электрических счетчиков САЗУИ 670 М, вмонтированных в шкаф управления каждого комплекта РЭП,Бурение в основном ведется с применением шарошечных долот диаметром73,59 мм и алмазных коронок диаметром 59,46. В качестве бурильного валаиспользуются легкосплавные и стальныетрубы диаметром 54 мм ниппельно-замкового соединения, а в качестве промывочной жидкости - малоглинистые полимерэмульсионные растворы и эмульсияна основе мыпа и смеси гудронов, Набщодение. за процессом бурения осуществляется с помощью аналоговых исамопишущих приборов пульта РЗП,регистрирующих расход потребляемоймощности 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 графикперевода значений расхода промывочной жидкости 0 частоте вращения трансмиссионного вала. Таким образом, определенному значению Я соответствуетзначение частоты вращения вала электродвигателя, В данном решении частота вращения вала насоса должна бытьв два раза меньше частоты вращениябурильной колонны,Изучение характера износа коронокпоказало, что для коронок, использованных по предлагаемому способу, характерен нормальный износ матрицыкоронок, незначителен процент коронок, которые были сняты с рейсавследствие образования фасок по наружному диаметру; в то же время,Ъи 10 15 20 25 30 35 40 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 1 Х-Х категорий буримости после окончания процесса приработки долота на забое в случае, если ускорение вращения буровой колонны ар О=0,05 об/с имеет место значитсльный 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 а=0,2 об/с время перехода Т=10 с, в этом случае ускорение положительное, в случае уменьшения частоты вращения ускорение частоты вращения аоявляется отрицательным. время перехода Т=10 с.Применение предлагаемого способа позволит повысить производительность бурения на станках ЗИФМ на 623, на станках СКБна 39 , увеличить механическую скорость на станках ЗИФМ на 59 , на станках СКБна 50 Ж, сократить расход алмазов на станках ЗИФМ на 203, на станках СКБ. - на 17%, снизить расход электроэнергии (энергозатрат) на бурение 1 м, на 43% нри глубине скважин 1100 м и на 62% при глубине 700 м.Использование способа регулирования процесса враща.ельного бурения впереходных процессах (режимах) обеспечивает значительно полнее всесвойства породоразрушающего инструмента шарошечных долот или коронок,что позволяет значительно улучшитьих срок службы и вследствие этого повысить производительность бурения,уменьшить энергозатраты,Формула изобретения 1, Способ регулирования процесса вращательного бурения, включающий подачу промывочной жидкости, а также измерение осевой нагрузки и скоростиРедактор Л,Пчолинская Техред М.Моргентал .Корректор Т.Палий Заказ 1505 Тираж 371 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 11 1649088 12вращения, о т л и ч а ю щ и й с я рением в два раза меньшим, чем скотем, что, с целью повышения произво- рость изменения. скорости вращения.дительности бурения за счет сохране, Способ поп. 1, отл.ячания рабочих частей породоразрушающе- ю щ и й с я тем, что при бурении по 5гоинструмента в .переходных процессах род Ч 11-Ч 111 категорий буримости пепри бурении пород различной катего- реход от одной скорости вращения крии буримости, в процессе приработки другой происходит с ускорением 0,01 инструмента переход от одной скорости 0,2 об/с,вращения к другой происходит равно 3. Способ по п. 1, о т л и ч аускоренно,при этом одновременно про- ю щ и й с я тем, что при буренииизводят равноускоренное изменение пород 1 Х-Х категорий буримости скоподачи промывочной жидкости с уско- рость изменения скорости вращенияне превышает 0,05 об/с.,