Способ регулирования процесса вращательного бурения

 

Изобретение относится к вращательному бурению скважины, к способам регулирования вращательного буренияв переходных процессах. Целью изобретения является повышение производительности бурения за счет сохранения рабочих частей породоразрушающего 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

М

РЕСПУБЛИН (19) (11) (Si)S E 21 В 44/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHpblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4482090/03 l (22) 29.07.88 (46) 15.05,9 1. Бюп. N - 18 (71) Институт электросварки им. Е.О.Патона и Кировское производственное геологическое объединение (72) А.A.Яцюк, В.В.Литра, Г.А.Луценко, M.À.Ïàùåíêo и С.В,Базильский (53) 622.243(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1252480, кл, Е 21 В 44/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР .N - 1245688, кл. Е 21 В 44/00, 1985. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ (57) Изобретение относится к вращательному бурению скважины, к способам регулирования вращательного буренияв переходных процессах. Целью изобИзобретение 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 (Р, и, q) и нерегулируемых (буримость пород, тип и свойства породоразрушающего инструмента), а также специфическими осоретения является повышение производительности бурения за счет сохранения рабочих частей породоразрушаю- щего инструмента в переходных процессах при бурении пород VII-X категорий буримости. Для этого в процессе приработки инструмента переход от одной скорости вращения к другой происходит р;Гвноускоренно. 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/с, а при бурении пород .IX-Õ категории скорость изменения скорости вращения не превышает

0,05 об/с . 2 з.п. ф-лы. 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

1649088 вдавливание. Таким образом, при объ- емном разрушении справедливо соотношение

Pоо — i P ш где P — осевая нагрузка на инструос мент, кг; а

Р— площадь контактов режущих органов (твердосплавных вставок шарошечных долот), см2

Р,„ — твердость породы по штампу, кг/см2, 15

При соблюдении неравенства (1) инструмент своими режущими органами внедряется в породу и разрушает забой. При бурении разрушается не только порода, но и инструмент — происхо- 20 дит его износ, затупление, выпадание в случае применения алмазного бурения, а также истирание, выкрашивание, в случае шарошечного бурения, Поэтому

Г постепенно увеличивается. Осевая 25 .нагрузка зависит от прочности горных пород.

Для условий бурения горных пород армированными коронками типов 0243-59 и 0243-76, а также шарошечных долот типов ШК-59ЦА, ШК-76ЦА, предложено простое отношение Р с =О, 12 Р .

Используемые при бурении шарошечные долота, шарошки которых армированы твердосплавными вставками из сплава ВК8-ВК, имеют следующие физико-химические свойства: твердость

Hv= 1150-1400 кг/mP (для сравнения

Рд - Р д Рц 40 ты, песчаники кварцитовидные, соответствует Hv=900-1000 кг/мм2); со о противление износу G< при 29 Я составляет 170 кг/мм2, а при 350 С— о

125 кг/мм, предел выносливости6@„ш- 45

=130 кг/мм . 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 Р от 600 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

55 им механической скорости бурения Vzz> определена энергоемкость процесса разрушения Е, которую вычисляли по формуле

E=N/V>.

При увеличении частоты вращения энергоемкость процесса сначала возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается. Таким образом, при увеличении осевой нагрузки P на коронку или частоты вращения сйаряда происходит повышение температуры забоя. Однако в первый период влияние температуры на .процесс разрушения горных пород еще незначительно, При дальнейшем росте частоты вращения и и нагрузки Ро процесс механического разрушения сменяется термомеханичес ким, при этом большая часть энергии передается алмазам и матрице коронки в 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 шарошки применяются припои на медной основе), так и от материала матрицы коронки, представляющей собой сплав на основе меди с добавками 37 железа и

10Х никеля, требуется сочетание высокои прочности и. пластичности, IlpH 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 буроьой 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 =2-4 с, а при времени t)4 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 породораэрушающего инструмента, повышению энергозатрат.

При алмазном бурении (при высокой твердости Р „ горных пород, недоста= точной осевой нагрузке) невозможно обеспечить достаточную величину внедрения алмазов в породу, при этом температура на пятне касания (F) резко повышается (идет термомеханическое разрушение), количество микронеров49088

Рос — C. p (Д (2) 40

5 16 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 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 сжатие для твердого сплава марки ВК8-BK (7 =355 кг/мм, а твердость на вдавлйвание может составлять для пород

IX-X категории буримости Р =500600 кг/мм, следует отметить, что поверхностное разрушение забоя при таких технологических условиях бурения не эффективно. Значения ускорений, которые сообщаются инструменту посредством бурового снаряда, имеют следующие значения: О, 1-2 об /с для

Я времени t=4 с; 0,25-3,5 об/с для

t=2 с.

Следует отметить, что на .породах

IX-Х 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 ЗИФ-650, так и на станках

СКБ-5 составляет не меньше 6667 об/мин (1, 1 об/с) . Таким образом, минимальное значение ускорения породоразрушающего наконечника составляет 0,25 об/с (при времени перехода

t=4 с), При этих значениях ускорения буровой колонны (аS =О, "-3,5 об/с .) наблюдается катастрофическое изнашивание режущих органов инструмента. В этот период в паяном соединении шарошки долота твердосплавная вставка паяный шов — материал шарошки получают развитие остаточные паяльные

{термические) напряжения, которые на стадии приработки инструмента способ

t0

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 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 процес— са бурения на стадии приработки.

При скольжении коронки по породе в зоне пятен касания, размеры которых могут достигать нескольких единиц, а затем, по окончании процесса при— работки, и десятков микрометров, в результате. работы сил трения выделя— ется опрецеленное количество тепла.

Тепло во фрикционном контакте благодаря двойственной природе трения генерируется в двух зонах: непосредственно на поверхности трения в результате преодоления молекуляр п х 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 100200 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 ее срока 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 тепло не отводится от алмаза в горную породу и матрица охлаждается недостаточно,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

1649088

45 при таких ускорениях колонны в переходном режиме и приработке происходит повьппение внутренних напряжений в рабочем (режущем) органе и разупрочнение матрицы. Аналогичная картина наблюдается при переходных режимах и приработке шарашечного долота. Резко снижаются физико-химические свойства твердого сплава (G b ) 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, Следовательно переход от одной усI р. тановленной скорости вращения буровой колонны к другой необходимо осушествлять с ускорением, составля- 25 ющим 0,01-0,2 об/с . Применять значения ускорения выше, чем 0,2 об/с г 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

35 расхода промывочной жидкости, которая меньше в два раза, чем скорость изменения частоты вращения буровой колонны, Если ускорение частоты вращения буровой колонны а „ больше, чем „ в два раза больше ускореййя расхода а промывочной жидкости, то прорасу мывочной жидкости недостаточно, что ведет к износу инструмента, если а (a в два раза, то избыток кол ра су. промывки не позволяет установить оптимальный режим бурения.

При приработке породоразрушающего инструмента при бурении пород

ХХ-Х категории буримости ускорение

50 не превышает 0,05 об/сг.

При большем ускорении буровой колонны имеет место разупрочнение матрицы коронки и паяного шва шарошки долота. Таким образом, при прира55 ботке инструмента при бурении крепких пород, необходимым является пре. вьппение значений ускорения вращения бурового снаряда не более чем на

О, 05 об/с . Это приводит к увел«чению срока службы, повышению производительности, снижению энергозатрат.

Этот критерий важен при бурении пород IX-Х 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 Р снижается и периодически на забое возникают условия для объемного разруше . я .

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-ro 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 устайовки. 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

ТМГ-ЗОП, два вентилятора Ц4-70 - 2 5.

Комплект РЭП 5 работает от линий электропередачи, источников электропитания соизмеримой мощности (ДЭА-100), электрических сетей с глухозаземленной или изолированной нейтралью. B последнем случае для контроля сопротивления изоляции используется реле утечки, Схема комплекта РЭП-5 предусматривает возможность отключения энергооборудования буровой установки при снижении согротивления изоляции ниже допустимого уровня. Благодаря малым размерам составных частей

РЭП-5 не загромождает буровые здания и обеспечивает удобство эксплуатации

9088

55

164 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-подъемных 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 глухозаземпенной нейтралью. Учет расхода электроэнергии на бурение и спуско-подъемные работы производится с помощью трехфазных электрических счетчиков САЗУИ670М, вмонтированных в шкаф управления каждого комплекта РЭП-5.

Бурение в основном ведется с применением шарошечных долот диаметром

73,59 мм и алмазных коронок диаметром 59,46. E качестве бурильного вала используются легкосплавные и стальные трубы диаметром 54 мм ниппельно-замкового соединения, а в качестве промывочной жидкости — малоглинистые полимерэмульсионные растворы и эмульсия на основе мыла и смеси гудронов. Наблюдение 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, Ъ и

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

IX-Х категорий буримости после окончания процесса приработки долота на забое в случае, если ускорение вращения буровой колонны ар „ „=0,05 об/с имеет место значитсльный процент (до

30 ) выкрашиванкя твердого сплава и раннее разупрочнение паяного соединения ВК вЂ” 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 oo/ñ. Чтобы перейти к частоте вращения в 900 o6/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 а д является отрицательным. время перехода Т 10 с. Применение предлагаемого способа позволит повысить производительность бурения на станках ЗИФ-650М на 62Х, на станках СКБ-5 на 39, увеличить механическую скорость на станках

ЗИФ-650I на 59, на станках CKE-5 на 50Х сократить расход алмазов на станках ЗИФ-650I на 20Х, на станках

СКБ-5. — на 17Х, снизить расход электроэнергии (энергозатрат) на бурение

1 м, на 43Х глубине скважин 1100 м и на 62Х 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

1. Способ регулирования процесса вращательного бурения, включающий подачу промывочной жидкости, а также измерение осевой нагрузки и скорости

Редактор Л,Пчолинская

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Заказ 1505 Тираж 371 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101

11 1649088 12 вращения, отличающийся рением в два раза меньшим, чем скотем, что, с целью повышения произво- рость изменения. скорости вращения. дительности бурения за счет сохране- 2. Способ поп. 1, отл.ячания рабочих частей породоразрушающе- ю шийся тем, что при бурении по5

roинструмента в -переходных процессах род VII-VIII категорий буримости пепри бурении пород различной катего- реход от одной скорости вращения к рии буримости, в процессе приработки другой происходит с ускорением 0,01инструмента переход от одной скорости 0,2 об/с . вращения к другой происходит равно- 10 3. Способ по п. 1, о т л и ч аускоренно, при этом одновременно про- ю шийся тем, что при бурении изводят равноускоренное изменение пород IX-X категорий буримости скоподачи промывочной жидкости с уско- рость изменения скорости вращения не превышает 0,05 об/с ..