Технологические решения оптимизации процесса бурения

Из анализа результатов теоретических и опытных работ следует, что для повышения эффективности разрушения твердых горных пород целесообразно снижение коэффициента трения инструмента о породу, что может теоретически достигаться:

  • - за счет смазывающих добавок в составе раствора;
  • - использования в инструменте полированных алмазов;
  • - наложения на инструмент вибрации (забойными ударными машинами) и ультразвуковых колебаний.
Характер зависимости коэффициента трения рот подведенной к инструменту мощности N для разрушения горной породы

Рис. 2.5. Характер зависимости коэффициента трения рт от подведенной к инструменту мощности N для разрушения горной породы

В то же время при бурении возможны ложные ситуации, связанные со снижением коэффициента трения инструмента о забой. Это, например, при зашламовании забоя резцы не внедряются в породу на должную глубину и возникает предприжоговая ситуация, когда резко снижается крутящий момент, наступает этап термического разупрочнения самого инструмента и его активное изнашивание (рис. 2.5). В этом случае снижается и углубка за оборот, что служит сигналом для изменения параметров режима бурения.

Бурение следует вести на минимально возможных осевых нагрузках, но не в ущерб скорости бурения, необходимо использовать инструменты с оптимальным и эффективным вооружением, применять средства понижения прочности забоя (ПАВ), очистные агенты с минимальной плотностью, использовать средства интенсификации процесса разрушения горных пород, например, коронки, генерирующие ультразвуковые колебания, коронки с винтообразными промывочными каналами.

Исследования, выполненные в Иркутском отделении ВИТР, позволили установить связь формы промывочных каналов алмазных буровых коронок с эффективностью бурения. Установлено, что оптимальной формой канала будет форма, выполненная в виде отрезка логарифмической кривой, направленной в сторону, противоположную направлению вращения коронки, причем входная часть канала должна быть направлена под углом 96 по отношению к плоскости торца коронки (а.с. СССР № 1355686) (рис. 2.6). Схема криволинейного промывочного канала дана на рис. 2.7, а.

На справедливость данного технического решения указывает износ алмазных коронок с прямыми промывочными каналами: шлам при выходе из канала на корпусе и матрице коронки формирует криволинейную выработку -

Алмазная коронка с винтообразными промывочными каналами

Рис. 2.6. Алмазная коронка с винтообразными промывочными каналами

Схемы алмазных коронок с криволинейным (а) и прямым (6) промывочными каналами

Рис. 2.7. Схемы алмазных коронок с криволинейным (а) и прямым (6) промывочными каналами:

1 - канавка активного износа коронки

канавку 1, направленную в противоположную сторону от направления вращения коронки (рис. 2.6, 2.7, б).

Увеличенная длина криволинейного канала обеспечивает лучшее охлаждение матрицы коронки.

Криволинейный промывочный канал может быть выполнен любой геометрии, но его оптимальная форма будет определена, прежде всего, значением частоты вращения коронки. Здесь, очевидно, существует связь угла наклона канала с частотой вращения коронки, которая рассчитывается по минимуму гидравлического сопротивления в каналах.

Важным аргументом в пользу криволинейного промывочного канала является и то обстоятельство, что коронка с подобными промывочными каналами при частоте вращения 1 000-2 000 мин 1 становится подобием ротора осевого гидронасоса, активно откачивающего раствор со шламом с забоя, преодолевая, таким образом, влияние угнетающего породу и шлам на забое гидростатического давления, возрастающего за счет гидравлических сопротивлений.

Алмазные коронки с криволинейными промывочными пазами, выполненные в соответствии с техническим решением по а.с. № 1355686, при испытаниях в ПГО «Сосновгеология» позволили повысить ресурс и производительность бурения на 30 %.

При бурении оказались эффективны и алмазные расширители (патент РФ № 2115796), у которых промывочные пазы выполнены криволинейными, с наклоном в сторону, противоположную направлению вращения коронки, а породоразрушающие элементы расположены на линиях, повторяющих криволинейную линию паза.

В 1928 г. академиком П.А. Ребиндером был установлен научный факт адсорбционного понижения прочности твердых тел вследствие уменьшения поверхностной энергии, являющейся результатом физических или химических процессов на поверхности твердых тел (на поверхности трещин). При этом происходит изменение механических свойств тела, приводящее к снижению

Схема адсорбции жидкости на бортах трещины

Рис. 2.8. Схема адсорбции жидкости на бортах трещины

прочности, возникновению хрупкости,

уменьшению долговечности, понижению

пластичности и т. д.

В зазоре трещины в породе жидкость образует адсорбционный слой, на который действует давление в направлении дальнейшего продвижения в глубину микротрещины, способствуя таким образом ее развитию, следовательно, и разрушению породы (рис. 2.8).

Адсорбция (лат. ad-на, sorbeo - поглощаю) - поглощение веществ из растворов или газов на поверхности твердого тела или жидкости.

Проникновение адсорбирующих молекул 1 в устье микрощелей нейтрализует работу сил сцепления молекул разрушаемого тела 2 и создает раздвигающие усилия (рис. 2.8). Этот эффект вызывает возрастание величины деформации в упругих телах или скорости деформации в телах упруго - пластичных.

Если обозначить А - работу адсорбционных сил жидкости, С - работу сил сцепления в породе, Е - работу внешних сил, деформирующих тело, то максимальный эффект адсорбционного понижения прочности разрушаемого тела будет проявляться при условии А + Е > С, что приведет к увеличению размеров трещин и дополнительному разрушению твердого тела.

Адсорбционный слой жидкости, проникая в трещину, вызывает также давление, которое называется капиллярным.

По некоторым оценкам, капиллярное давление может достигать сотен, тысяч атмосфер, что создает дополнительное раздвигающее усилие при проникновении адсорбирующихся молекул в устье микрощелей. Капиллярное давление приводит к возрастанию величины деформации в упругих телах или скорости деформации в телах упруго -пластичных.

Осуществив проникновение в микрощели, адсорбционные слои замедляют смыкание микрощелей или приводят к уменьшению упругой деформации после разгрузки деформированного тела.

Третьим важным элементом влияния адсорбирующих на поверхности трещин молекул жидкости является их действие на зону пластических деформаций у вершины трещины 3 (рис. 2.8). Увеличение трещины и скорость ее роста сдерживаются пластическим течением материала в этой области. Адсорбирующиеся молекулы, при условии проникновения в эту зону, обеспечивают воздействие, результатом которого становится охрупчивание материала, находящегося в процессе пластического течения. Это оказывает очень значительное влияние на интенсификацию процесса разрушения твердых тел, так как основные затраты энергии разрушения твердого тела связаны именно с зоной пластических деформаций.

Проблемой в данном случае является реализация условий проникновения молекул жидкости в микрощели, размер которых не превышает размер молекул жидкости.

Для этой цели успешно применяют жидкости с пониженным поверхностным натяжением - поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве таковых могут применяться керосин (применяют при металлообработке резанием) или водные растворы с добавками таких реагентов, как сульфонол (применяют при бурении).

Эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел усиливается при уменьшении скорости деформации, что связано с тем, насколько полно пропитывается зона разрушения и деформации. Наибольший эффект адсорбции достигается при оптимальных условиях деформации, т. е. при таких условиях, когда образование внутренних поверхностей микрощелей происходит наиболее полно.

Для интенсификации процесса пропитывания зоны грещиннообразования в породе эффективно применение ультразвука, вызывающего гидровибрирование молекул жидкости и повышение их подвижности. Испытания разработанных (Тульский научно-исследовательский институт горной промышленности) виброактивных алмазных коронок показали перспективность применения ультразвука для интенсификации процесса разрушения горных пород.

При бурении шарошечными долотами одним из путей интенсификации процесса бурения является использование гидромониторных насадок долота.

Анализ показывает, что если струя жидкости, выходящая из насадки, к забою будет направлена по касательной, то ее породоразрушающее действие может усилиться. В данном случае наибольший эффект может быть достигнут, если струя будет направлена по касательной непосредственно в зону работы

Схема для определения рационального направления струи промывочного раствора из насадки I

Рис. 2.9. Схема для определения рационального направления струи промывочного раствора из насадки I

зубца шарошечного долота (рис. 2.9).

Конструкция малогабаритных долот для геологоразведочного бурения позволяет использовать удлиненные насадки и направить струю под углом 15-25 к забою в приконтактную зону зубьев шарошки с породой. В приконтактной зоне зуба долота с забоем порода деформирована зубьями, имеет выступы, которые образуются при внедрении в забой, и может быть наиболее легко разрушена струей жидкости.

При бурении более прочных пород динамическое давление струи должно обеспечить сдвиг и отрыв от поверхности забоя частицы разрушенной породы.

При внедрении зуба шарошечного долота в породу на забое образуются магистральные трещины, направленные от ядра сжатия к поверхности забоя. Скалывание породы по направлениям развития магистральных трещин приводит к образованию лунок выкола. Препятствием этому является угнетающее давление, которое связано с действием гидростатического давления столба жидкости, пластового давления и динамического потока струй жидкости из промывочных каналов долота.

Для эффективного отделения (отслаивания) от забоя отколотых зубьями кусочков породы необходимо направить поток жидкости в зону разрушения по направлению именно в образующуюся трещину отрыва (рис. 2.9).

Представленная на рис. 2.9 модель интенсификации процесса разрушения твердой горной породы реализована в конструкции долота, разработанного в Иркутском отделении ВИТР (а.с. СССР № 1416656). В соответствии с разработанным техническим решением осевая линия промывочных каналов ориентирована по касательной к образующей поверхности шарошек таким образом, что струя раствора направлена под набегающую на породу шарошку. Модернизированные двухшарошечные долота ДДА, получившие обозначение ДДА-С (рис. 2.10), показали более высокие результаты при бурении твердых горных пород VIII—IX категории по буримости: механическая скорость бурения возросла на 30 %, ресурс долот увеличился на 20 %.

Шарошечное долото ДДА-С

Рис. 2.10. Шарошечное долото ДДА-С:

  • 1 - корпус долота из втулки с резьбой и лап;
  • 2 - сварной шов;
  • 3 - цапфы; 4 - шарошки;
  • 5 - твердосплавные вставки;6 - палец с упорными буртами; 7 - заглушка;
  • 8 - гидродинамические отверстия

Существо модернизации состояло в том, что центральный канал долота перекрывали заглушкой 7, в которой были просверлены два отверстия 8 диаметром 5 мм и каждое направлено по касательной к одной и другой шарошке 4.

Выпуск алмазов из матрицы является одним из важнейших конструктивных параметров алмазного бурового инструмента, который определяет как механическую скорость бурения, так и ресурс инструмента.

По данным специалистов ВИТР, выпуск алмазов у импрегнированного инструмента должен быть 10 %, а у однослойных - 25 % диаметра объемных алмазов.

Буровой шлам из-под торца коронки должен удаляться потоком очистного агента. Перед удалением в загрубное пространство с места отделения на забое частицы породы по концентрическим траекториям под торцом коронки достигают промывочного канала, из которого выносятся потоком очистного агента. Из- под торца коронки, как показывают результаты исследований, выносится только часть шлама, а оставшийся шлам увлекается коронкой и перемещается в направлении ее движения. В результате этого под торцом коронки всегда присутствует какое-то количество шлама, снижающее механическую скорость бурения.

Снижение механической скорости бурения связано с тем, что передаваемая на алмазную коронку осевая нагрузка Рос в процессе бурения распределяется между алмазными зернами Р и породой Ри через матрицу и шлам (рис. 2.11). В результате шлам играет существенную роль при разрушении породы, ограничивая проникновение алмазов в породу. Глубина

Схема работы алмазной коронки с учетом влияния образующегося при разрушении породы шлама

Рис. 2.11. Схема работы алмазной коронки с учетом влияния образующегося при разрушении породы шлама:

  • 1 - матрица;2 - алмазы;
  • 3 - промывочное окно в матрице

внедрения алмаза в породу h будет меньше на величину ?,, которая обуславливается высотой шламовой подушки Нш и зазором между матрицей коронки и забоем Нм:

С = (НШ-НJ.

Внедрение в породу с учетом наличия шлама под коронкой будет определяться зависимостью

hlu = h-(Hul-HJ. (2.3)

Таким образом, если высота спрессованной шламовой подушки превышает межконтактный зазор, внедрение алмазов в породу, то глубина борозды разрушения и механическая скорость бурения будут снижаться. При этом высота спрессованного шлама может превышать межконтактный зазор только в определенных точках под торцом инструмента, формируясь локально. Очевидно, что двух-трех локальных точек спрессованного шлама будет достаточно для ограничения скорости разрушения горной породы.

Исследования, выполненные с применением скоростной киносъемки, показали, что шлам спрессовывается под сбегающей частью сектора матрицы коронки, а количество шлама под секторами увеличивается с ростом осевой нагрузки на инструмент [3, 15].

Данные, приведенные в работе [3], подтверждают сделанный вывод: снижение выпуска алмазов из матрицы приводит к уменьшению глубины борозды разрушения. Так, при бурении мрамора снижение выпуска алмаза в 3,6 раза привело к уменьшению борозды разрушения в 1,7 раза, а при бурении известняка - в 2 раза.

Наличие шлама влияет также на износ алмазов и матрицы. Исследования показали [53], что обнажение алмазов по торцу происходит неравномерно. Большее обнажение и больший износ наблюдаются с набегающей стороны сектора под влиянием абразивного воздействия бурового шлама. Со стороны сбегающей части сектора износ матрицы меньше. Это, вероятно, объясняется именно тем, что эта часть сектора матрицы опирается при бурении преимущественно на шлам, не совершая активной работы по разрушению горной породы, а также тем, что шлам, проходя под торцом коронки, измельчается и не производит активного изнашивания матрицы.

Различные по форме и крупности алмазы в процессе бурения и изнашивания матрицы имеют различный выпуск из матрицы, даже если располагаются рядом, а износ алмазов на различных секторах также отличается [3, 15].

Зависимость механической скорости от величины выпуска алмазов из матрицы при бурении пород

Рис. 2.12. Зависимость механической скорости от величины выпуска алмазов из матрицы при бурении пород:

  • 1 - IX, X категорий по буримости коронками с алмазами зернистостью 20-30 шт./ кар.;
  • 2 - X категории по буримости коронками зернистостью 60-90 шт./кар.

Объяснение таким результатам работы коронки можно найти в том, что различные по размеру и форме алмазы будут иметь различную глубину внедрения в породу и механизм разрушения, что скажется на крупности шлама и величине межконтактного зазора. Различный износ секторов коронки может быть вызван также работой коронки с перекосом, который, как ранее уже было отмечено, всегда имеет место при бурении вследствие прогиба буровой компоновки.

В работе [3] приведены результаты исследований влияния выпуска алмазов из матрицы на механическую скорость бурения (рис. 2.12). Как видно на графиках механическая скорость бурения изменяется в зависимости от выпуска алмазов. При выпуске алмазов до 0,05 мм зазор между секторами коронки и забоем заполняется шламом, количество которого незначительно, но тем не менее этот шлам сдерживает внедрение алмазных резцов в породу.

По мере увеличения выпуска алмазов условия очистки улучшаются, резцы активнее внедряются в породу и, соответственно, наблюдается рост механической скорости бурения.

При достижении выпуска алмазов 0,05 мм количество шлама становится более значительным, увеличиваются размеры частиц породы. Этот признак указывает на изменение режима разрушения породы от усталостноповерхностного к объемному. Имеющийся межконтактный зазор не обеспечивает эффективной очистки забоя от шлама. Этот период длится достаточно долго и при выпуске более крупных алмазов (кривая 1, рис. 2.12) в пределах 0,15-0,175 мм (диаметр алмазов ~1,6 мм), а для менее крупных алмазов (кривая 2, рис. 1.24) - 0,125 мм (диаметр алмазов ~1,1 мм) наблюдается второй скачок механической скорости. Этот скачок обусловлен достижением оптимальных условий очистки забоя от шлама и, очевидно, соответствует наиболее эффективным условиям разрушения породы алмазами соответствующих размеров, так как дальнейшее повышение выпуска алмазов не приводит к росту механической скорости бурения.

Опытное бурение по оценке влияния выпуска алмазов на механическую скорость бурения и расход алмазов показало [5], что оптимальным условиям бурения горных пород IX-X категории по буримости алмазными коронками с алмазами зернистостью 20-30 шт./кар. соответствует выпуск алмазов 0,3-0,33 мм (~ 18-20 % диаметра алмазного резца).

Исследование механизма образования шлама при разрушении горной породы алмазными резцами показало, что определенное значение имеет не только выпуск алмаза из матрицы, но и ширина передней кромки алмаза [5].

Скалывание породы передней гранью резца приводит к образованию частиц, которые перемещаются после скалывания по передней грани резца по ходу его движения (рис. 2.13). Если размер частиц шлама соизмерим с зазором между матрицей коронки и породой, происходит зажим и постоянное нагнетание шлама в зазор перед резцом. Судя по лункам износа матрицы,

Схема разрушения горных пород алмазом при малом выпуске из матрицы

Рис. 2.13. Схема разрушения горных пород алмазом при малом выпуске из матрицы:

1 - алмаз; 2 - матрица

объем скапливающего перед алмазом шлама находится в прямой зависимости от ширины передней грани резца. Таким образом, важно не только задавать определенный зазор между матрицей и забоем за счет выпуска алмазов из матрицы, но и учитывать, что для создания более эффективного инструмента необходимо устанавливать алмазы, ориентируя их острыми гранями в направлении приложения разрушающих усилий.

Из приведенных данных следует, что при изнашивании алмазных резцов и увеличении ширины их передней грани условия бурения и удаления шлама из-под торца коронки ухудшаются.

Исходя из условий образования и выноса шлама из-под торца коронок, в работе [3] приведена зависимость для определения возможной максимальной механической скорости бурения алмазной коронкой:

где со - частота вращения инструмента;

Нм - межконтактный зазор между матрицей коронки и забоем;

А с, А з - площади торца коронки и забоя скважины соответственно.

Из данной формулы следует пропорциональная зависимость скорости бурения от величины межконтактного зазора.

Для эффективной работы алмазной коронки необходимо, чтобы углубка за оборот была оптимальной по отношению к выпуску алмазов. Если выпуск алмазов незначительный и нет условий для быстрого выноса шлама, то частицы разрушенной породы подвергаются переизмельчению, а алмазы - повышенному износу.

У коронок с заданным увеличенным выпуском алмазов свободное пространство между матрицей и забоем для размещения разрушенной породы увеличится, и появляются лучшие условия для ускоренного выноса продуктов разрушения с забоя и внедрения алмазов в породу.

В работе [3] приведены данные о сравнительных испытаниях буровых коронок с заданным выпуском алмазов (заточенные коронки, выпуск алмазов 23 % диаметра резцов) и аналогичных, но незаточенных коронок (рис. 2.14).

Зависимости углубления за один оборо

Рис. 2.14. Зависимости углубления за один оборот /?об (кривые 1, 2) и износа матрицы по высоте АН (кривые 3, 4) от удельных расхода промывочной жидкости (а) и осевой нагрузки (б) при бурении заточенными (кривые 1,4) и незаточенными коронками (кривые 2, 3)

Как следует из полученных данных, при бурении заточенными алмазными коронками достигнуты более высокое углубление за один оборот и существенно меньший износ матрицы по высоте. При повышении расхода промывочной жидкости износ

матрицы снижается, углубление за один оборот увеличивается до определенных

пределов, а затем снижается (рис. 2.14, а).

Более интенсивно углубление за оборот увеличивается при бурении заточенными коронками. При

повышении расхода

промывочной жидкости происходит снижение углубления за оборот коронки, что связано с проявлением силы гидроподпора бурового инструмента, являющейся следствием роста гидравлических сопротивлений в зазорах под торцом коронки и между матрицей коронки и керном.

Одним из существенных факторов интенсификации процесса разрушения горной породы является наложение ударных импульсов на буровой инструмент. Данные, приведенные в табл. 2.2 показывают, что вращательноударное бурение обеспечивает повышение выхода керна и проходки за рейс, снижение затрат мощности на бурение и расход алмазов. При этом важно отметить, что гидроударники можно использовать в сочетании со всеми современными типами буровых инструментов: твердосплавными и алмазными коронками, шарошечными долотами.

Как показывает производственный опыт, вращательно-ударный способ алмазного бурения обеспечивает заметный рост основных техникоэкономических показателей и может применяться в сочетании с другими прогрессивными технологическими приемами алмазного бурения.

Таблица 2.2

Производственные данные алмазного бурения Северо-Западного геологического управления

Тип коронки

Средняя проходка за рейс, м

Средняя механическая скорость бурения, м/ч

Расход алмазов, г/м

Выход керна,%

01 АЗ

3,13/1,76

2,38/0,67

0,121/0,236

96/89,5

01А4

2,68/2,49

1,67/1,12

0,1622/0,1586

92,5/87

02ИЗ

2,86/2,57

1,55/1,26

0,4722/0,535

86/81,4

01И4

2,2/1,8

1,83/1,5

1,41/0,704

96/85,5

Механическая скорость бурения в данном случае повышается за счет концентрации высоких удельных нагрузок на контакте режущих элементов с породой. Наложение на алмазный инструмент высокочастотных колебаний (50 Гц) с энергией 1,5-2,0 даН-м вызывает увеличение среднего значения углубления за один оборот с 0,05-0,07 до 0,09-012 мм/об, т. е. на 70-80 %, благодаря лучшему внедрению алмазов в породу под действием динамических осевых нагрузок, что ведет к росту механической скорости. Одновременно уменьшаются затраты мощности, необходимой для работы коронки, и снижается интенсивность роста мощности с увеличением механической скорости.

Зависимость коэффициента сопротивления вращению за один оборот коронки от углубления в породу за один оборот коронки имеет вид [18]

где постоянные коэффициенты А (на 25 %) и В (в 2 раза) ниже, чем при обычном вращательном бурении. Вследствие этого условия работы коронки улучшаются, ее нагрев уменьшается, а ресурс, соответственно, возрастает. В связи с исключением подклинок керна увеличивается проходка за рейс, выход керна и ресурс коронок.

Применение высокочастотных гидроударников позволяет компенсировать потери в скорости бурения при невозможности реализации высоких частот вращения колонны вследствие недостатка мощности привода бурового станка или в результате низкого качества бурильных труб. Использование гидроударников уменьшает затраты мощности на вращение и вибрацию колонн, что связано со снижением трения между колонной и стенками скважины.

Таким образом, применение ударно-вибрационного бурения может быть оправдано в тех случаях, когда его применение не вызывает негативного влияния на процесс бурения из-за чрезмерного количества подаваемой промывочной жидкости, например, при бурении без отбора керна. В то же время комплекс положительных качеств этого способа бурения позволяет ставить вопрос о развитии данной технологии и о создании новых, более эффективных технических средств ее реализации. Это могут быть устройства не гидромеханического, а, например, электромагнитного принципа действия, эффективность работы которых не связана с количеством подаваемой в скважину буровой жидкости.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >