Способ конического алмазного бурения скважин

 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для колонкового алмазного бурения скважин. Цель - повышение эффективности способа бурения за счет снижения стоимости буровых работ. В скважину на бурильных трубах спускают колонковый набор и передают на алмазный породоразрушающий инструмент (АПРИ) вращающий момент, осевую нагрузку и промывочный агент. В процессе бурения регистрируют механическую скорость бурения (МСБ), по величине которой регулируют указанные параметры бурения. Одновременно с регистрацией МСБ осуществляют регистрацию режимов вращения АПРИ и устанавливают равномерный режим его вращения, при котором отношение угловой скорости АПРИ ω<SB POS="POST">б</SB> к задаваемой угловой скорости ω<SB POS="POST">с</SB> вращателя равно ω<SB POS="POST">б</SB>/ω<SB POS="POST">с</SB> = 1. По падению величины МСБ устанавливают факт заполирования АПРИ и осуществляют его ликвидацию на забое скважины. Для этого осуществляют перевод равномерного режима вращения АПРИ в режим вращения с крутильными колебаниями, при котором ω<SB POS="POST">б</SB>/ω<SB POS="POST">с</SB>≥0. При этом перевод осуществляют периодически изменением осевой нагрузки на АПРИ. Окончание заполирования АПРИ фиксируют по увеличению МСБ. 6 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 1670076 А1 (s1)s Е 21 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

4

О

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4660173/03 (22) 09.03.89 (46) 15.08,91, Бюл. N. 30 (71) Московский геологоразведочный институт им. Серго Орджоникидзе (72) Г,А,Воробьев, А.Е.Козловский, Б.А.Новожилов, Г.С. Садыков, M. Ю. Богачев, Н.А,Горохов и И.Я.Соловьев (53) 622.245,12 (088.8) (56) Козловский Е.А. и др. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. Т. 2. М.: Недра, 1984, с. 7.

Авторское свидетельство СССР

N 448266, кл, Е 21 В 10/46, 1974. (54) СПОСОБ КОЛОНКОВОГО АЛМАЗНОГО

БУРЕНИЯ СКВАЖИН (57) Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для колонкового алмазного бурения скважин. Цель— повышение эффективности способа бурения за счет снижения стоимости буровых работ. В скважину на бурильных трубах спускают колонковый набор и передают на элИзобретение относится к горной промышленности, в частности к способам колонкового алмазного бурения скважин.

Цель изобретения — повышение эффективности способа за счет снижения стоимости буровых работ.

Существо предложения заключается в следующем, В процессе бурения скважины рабочий торец инструмента путем микрорезания разрушает горную породу, Как показывает практика бурения скважин, при этом происходит заполирование алмазов, которое мазный породоразрушающий инструмент (АПРИ) вращающий момент, осевую нагрузку и промывочный агент. В процессе бурения регистрируют механическую скорость бурения (МСБ), по величине которой регулируют укаэанные параметры бурения. Одновременно с регистрацией МСБ осуществляют регистрацию режимов вращения АПРИ и устанавливают равномерный режим его вращения, при котором отношение угловой скорости АПРИ ыБ к задаваемой угловой скорости о) вращателя равно о)Б о) =- 1. По падению величины

МСБ устанавливают факт заполировэния

АПРИ и осуществляют его ликвидацию на забое скважины. Для этого осуществляют перевод равномерного режима вращения

АПРИ в режим вращения с крутильными колебаниями, при котором о)Б/ri)c = 0 . При этом перевод осуществляют периодически изменением осевой нагрузки на АПРИ.

Окончание заполирования АПРИ фиксируют по увеличению МСБ. 6 ил. обусловлено диффузией в горную породу входящих в состав алмаза атомов углерода и образованием на алмазе карбидного слоя, по твердости значительно превышающий твердость горных пород в массиве

Исследования, проведенные с помощью скоростной киносъемки, работы алмазного инструмента при бурении специального блока иэ оптического стекла близкого по своим свойствам к горным породам Vill-IX категории по буримости показали, что в зависимости от параметров режима бурения могут быть выделены три

167007б

50

55 режима вращения алмазного породоразрушающего инструмента, которые характерий@ эуются зависимостью —,„= f (t) режим

0+ равномерного вращения — R12 (—, = 1) режим вращения автоколебаний (беэ остановок) — Ic)2 (— > О); режим крутильных й@ ((+ и

BBTOKO(leáéH (C OCTaHOBmMV) — Ж2 (— > О), где — — безразмерная угловая скорость

Жб

03 вращения; ве — угловая скорость коронки; вг. — задаваемая угловая скорость вращателя.

На основании полученных результатов исследований построена диаграмма областей устойчивости различных режимов вращения алмазного инструмента в координатах п-р (фиг.1), где n — частота вращения бурового снаряда, об/мин; р — осевая нагрузка на породораэрушающий инструмент, даН, Область существования режима вращейия Н12 характеризуется равномернь w вра1 щением алмазного инструмента вокруг оси скважины, без остановок и ударов. Обеспечение равномерности вращения позволяет при неизменных параметрах режима бурения увеличить механическую скорость буре ния, В этом режиме величины вб и о равны, (( поэтому — = 1 . (д

Область режима вращения В12 являет2 ся 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 вращателем станка, Происходит некоторое торможение вращения инструмента и его ускорение. Это ведет к образованию вибрации на инструменте, но остановки в этом (лг режиме отсутствуют, поэтому — — > 0 .

0)

Область режима вращения 612 харакз теризуется 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 из-эа его остановок на забое, Остановки алмазного инструмента обусловлены скоплением спрессованного шлама под торцом матрицы и увеличением, эа счет этого, тормозного момента. В мо5

35 мент остановки инструмента угловая скорость ьб =О, а угловая скорость в равна заданной скорости вращателя, После остановки алмазный инструмент вращается с ускорением до определенного момента и снова останавливается. Практически время остановок и время вращения алмазного инструмента приблизительно равны. Поэтому

03 величина отношения — > 0, о с

В процессе бурения скважины на инструмент передается осевая нагрузка и вращающий момент, Под действием осевой нагрузки колонна бурильных труб теряет устойчивость и принимает волнообразную форму. В момент остановки алмазного инструмента, постоянно передаваемый вращающий момент продолжает скручивать бурильные трубы. При это .1 происходит уменьшение длины полувслны бурильных труб, а это ведет к сокращению длины колонны и к отрыву алмазного инструмента от забоя, При отрыве инструмента от забо: уменьшается сила трения на забое и инс;румент приобретает ускорение за счет уп ругих свойств бурильных труб и вращающего момента. При этом увеличивается длина полуволны бурильных труб (как бы увеличение длины колонны) и инструмент с ударом соприкасается с забоем скважины. Такие удары о забой происходя; с частотой до

200 — 400 Гц. Такие ударные нагрузки с высо кой частотой позволяют обнажать заполированные алмазы на забое скважины без изменения их свойств.

На фиг.2 приведены зависимости

Кд а = f (а)), где Кд — коэффициент абразивности пары порода — коронка, ив удельная объемная работа разрушения.

Эти зависимости получены на основании результатов исследований по работе алмазных коронок в различных режимах ее вращения (Кд12 и Кд12з). Они показывают, 1 что коэффициент абразивности возрастает при работе в режиме 812, а это, в свою

3 очередь. приводит к ликвидации заполирования алмазного инструмента.

Известно выражение для Кд

r i.à0 tgu К

% БР 3;ТМ7БО; где до — притупление группы алмазов; ао — жесткость пары алмаз — порода;

i — число группы алмазов; .

Ь вЂ” ширина торца алмаза;

К вЂ” коэффициент пропорциональности между мощностью и оЬьемным износом алмазов;

1670076 да; а — характеристика геометрической формы алмазов (угол приострения алмазов); л — коэффициент трения алмаз — пороD — средний диаметр коронки; о,х — прочность породы на смятие.

Изменение режима воащения коронки, т.е. перевод от R>z к Rig при неизменных

1 параметрах режима бурения (фиг.2), приводит к увеличению Кд, Из формулы (1) видно, что коэффициент абразивности Кд увеличивается при неизменных значениях других величин, входящих в формулу, только при уменьшении величины д (фиг.3), т.е. в режиме R>yз происходит заточка алмазов с образованием новых режущих поверх остей. Этот вывод подтверждается увеличением механической скорости бурения в режиме В12 (фиг.4).

Таким образом, при заполировании алмазного породоразрушающего инструмента предлагается периодически кратковременно вводить его в режим ьращения Rig и переводить в режим Ri" .измеэ 1 нением осевой нагрузки на инструмент.

Изменения осевой нагрузки осуществляют до тех пор, пока не восстановится оп имальная величина механич .ской скорости бурения для проходимых пород. Введение алмазного инструмента в режим вращения

К и перевод из этого режима в режим э

1 вращения R ц предлагается регистрировать в процессе бурения с помощью датчика крутильных колебаний, устройство которого приведено на фиг.5, На фиг.1 показана диаграмма областей устойчивых режимов работы алмазного инструмента; на фиг.2 — зависимость

Кд и = f ((o) при различных режимах вращения алмазного инструмента; на фиг.3— параметры выступающего алмаза в торце матрицы; на фиг.4 — изменение скорости бурения от осевой нагрузки и границ режимов вращения алмазного инструмента; на фиг.5 — схема датчика крутильных колебаний, установленного в колонковой трубе, на фиг,б — разрез А-А на фиг.5, Датчик содержит цилиндрический корпус: 1, жестко закрепленный внутри колонковой трубы 2. Внутри корпуса 1 ра"" ещен 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 корпуса 1 с колонковой трубой 2 выполнены отверстия 6, а сам корпус 1 и стакан 3 имеют продольные щелеобразные соосные отверстия 7 и 8.

5

В процессе бурения скважины на алмазный породоразрушающий инструмент (не показан) передают вращающий момент, осевую нагрузку и промывочный агент. Вп время бурения скважины рабочий торец инструмента путем микрореэания разрушает горную породу с образованием столбика керна (не показан). При этом регистрируют механическую скорость бурения, по величине которой регулируют параметры режимов бурения. Одновременно с регистрированием механической скорости бурения осуществляют регистрацию режимов вращения алмазного породоразрушающего инструмента и устанавливают равномерный режим его вращения, nnè котором о ношение у ловой скорости инструмента к задаваемой

o>> угловой скорости вращения —,; ==- 1 Я" ) .

Границы режимов вращения К (фиi.1) определяют с помощью датчика крутильны:.; колебаний. устанавливаемого в колонколол наборе, устройство которого привольно Нп фиг,З. Датчик крутильных колебаний 1 спускают B скважину влгесте с колон ооой трубой 2. Промывочная жидкость через отверстия 6, 7 и 8 поступает во внутреннюI: часть колонковой трубы 2. При работе апмаэного инструмента в равномер .ом режи1 ме вращения R a стакан 3, подвешенный на пружине 4, вращается вместе с корпусом 2 датчика с одинаковои часготой. Так клг при равномерном вращении алмазного инструME нта отсутствуют Kpyòènьн ые Itолебония, то отьерстия 7 и 8 совмещены и chill эл, показывающий это, передаемся на; а:, ометр бурового насоса (в нашем случае, давление на насосе не повышается. так как не увеличивается гидравлическое сопротивление на датчике)

Снижение механической скорости i",,,рения показывает фак- эаполирования орца алмазного инструмента, Для ликвидации эаполирования алмазов осуществляют перевод режима равномерного вращения алмазного породораэрушающего инструмента Рц в ре1 жим вращения с крутильными автоколеоаниями, при котором отношение угловой скорости инструмента к задаваемой угловой (!)() скорости вращателя — — 0 . Вхождение в

0)„этот режим определяют с помощью датч ка э крутильных колебаний (фиг,5), Режим R характеризуется крутильными,олебаниями, при котором стакан 3 датчика поворачивается вокруг оси О. Вместе со стаканом 3 поворачивается отверстие 8 относите ..но отверстия 7 и перекрыьает его ce<ение.

Уменьшение сечения отверстий 7 и 8 повы,шает давление на манометре насоса. Так

1670076

1000 об/сии

1000 как стакан 3 поворачивается вокруг оси 0 вправо и влево относительно отверстия 7, то на манометре насоса регистрируются скачки давления. Эти скачки давления показывают, что коронка перешла в режим вращения Яа . Перевод алмазного породораэрушающего инструмента в режим вращения Вд и вывод в режим вращения R12

1 осуществляют периодически изменением величины осевой нагрузки на инструмент.

Изменения осевой нагрузки на алмазный инструмент осуществляют до тех пор. пока не восстановится заданная величина механической скорости бурения для проходимых пород. Регулирование осевой нагрузки осуществляют с помощью дросселя гидравлической системы бурового станка.

Окончание ликвидации эаполирования инструмента фиксируют по увеличению механической скорости бурения, после которого алмазный инструмент переводят в режим вращения йи, Фиксирование этого

1 режима осуществляется по показаниям датчика крутильных колебаний.

Фо рмул а изобрете н и я

Способ колонкового алмазного бурения скважин, включающий спуск колонкового набора в скважину на бурильных трубах, передачу вращающего момента, осевой нагрузки и промывочного агента на алмазный породораэрушающий инструмент, регистрацию механической скорости бурения, по величине которой регулируют указанные параметры бурения, устанавливают

5 факт заполирования алмазного породоразрушающего инструмента по падению механической скорости бурения и осуществляют ликвидацию эаполирования алмазного инструмента на забое скважины, 10 отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет снижения стоимости буровых работ, первоначально устанавливают равномерный режим вращения алмазного

15 породоразрушающего инструмента, при котором отношение угловой скорости инструмента к задаваемой угловой скорости йЬ вращателя — = 1 . а при снижении мехав, 20 нической скорости бурения ликвидацию заполирования инструмента осуществляют переводом равномерного режима вращения алмазного породоразрушающего инструмента в режим вращения с крутильными

25 колебаниями, при котором отношение угловой скорости инструмента к задаваемой угловой скорости вращателя — > 0, при йф

COC этом перевод осуществляют периодически

30 изменением осевой нагрузки на породораэрушающий инструмент.

1670076 у.цб

Фиг 2

ЛаЛ7РиЦа

1670076

1000

1670076

Составитель М.Неснова

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор М.Максимишинец

Редактор M.Òîâòèí

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

Заказ 2722 Тираж 366 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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