Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Шигин А. О., Гилев А. В., Шигина А. А.,
5.1. Исследование эффективных режимов шарошечного бурения скважин буровыми станками
При механическом способе разрушения горных пород основная доля энергии расходуется на внедрение породоразрушающих элементов вооружения в горную породу. Величина давления, создаваемого породоразрушающим инструментом на забое скважины, определяется не только величиной осевого усилия F, но и значением контактной площади Sк данного долота. Под контактной площадью понимается сумма площадей всех зубьев на всех шарошках, контактирующих в данный момент с горной породой забоя скважины (для шарошечных долот), сумма площадей торцовой поверхности лопастей (для лопастных долот). Величина контактной площади всех долот (шарошечных, лопастных, алмазных) табулирована, т.е. известна.
При увеличении контактного давления Pк = F/Sк, линейно зависящего от осевого усилия, разрушение на забое происходит по-разному. Рассмотрим три возможных случая:
а) Рк > Н. В этом случае в горной породе, находящейся под пятном контакта, возникает объемное разрушение. Оно характеризуется тем, что возникает при единичном взаимодействии породоразрушающего элемента долота с данной «точкой» поверхности горной породы. Возникающие частицы шлама в этом случае имеют максимальный размер. Разрушение горной породы, происходящее при выполнении приведенного условия, является наиболее эффективным.
Из условия обеспечения объёмного разрушения горной породы величина осевой нагрузки на шарошечное долото рассчитывается по формуле
Φ = α∙H∙Sк,
где α = (0,33–1,59) – коэффициент, учитывающий реальные условия разрушения горной породы в скважине (величина дифференциального давления, температура горных пород, состояние забоя и пр.); Sк – контактная площадь данного долота. Величина α определяется по опытным данным.
Зная твердость горных пород и контактную площадь используемого долота, можно определить осевую нагрузку, требуемую для бурения скважины данным шарошечным долотом. Нужно помнить, что по указанной формуле можно определить лишь ориентировочное значение требуемого для разрушения горной породы осевого усилия, так как формула не учитывает работоспособность опор долота.
Наблюдающийся экстремальный характер изменения механической скорости бурения Vм от осевой нагрузки F (рис. 5.1) связывают с ограничением высоты зубцов на шарошках, наличием шлама на забое. Осевая нагрузка, при которой достигается максимальное значение механической скорости, называется критической.
Следует иметь в виду следующее: при чрезмерном увеличении осевого усилия бурильная колонна теряет устойчивость и претерпевает продольный изгиб, что приводит к незапланированному искривлению скважины.
Рис. 5.1. Зависимость механической скорости бурения от осевой нагрузки (контактного давления) на долото (n = const, C = const)
б) Рк < Н. При такой величине контактного давления возникает усталостно-объемное разрушение горной породы. Непременным следствием установления подобного соотношения между величиной контактного давления и твердостью горной породы является возникновение разрушения при неоднократном действии породоразрушающего элемента вооружения долота на одну и ту же точку забоя. Разрушение при этом связывают с повреждаемостью породы забоя, развитием трещин в горной породе под пятном контакта при каждом ударном цикле нагряжения. Вид лунки выкола такой же, какой возникает при объёмном разрушении.
Количество циклов нагружения n, необходимое для разрушения горных пород, зависит от их механических свойств: с увеличением хрупкости пород величина n меньше. Зависимость между величиной контактного давления Pк и количеством циклов нагружения n, необходимых для разрушения породы, имеет вид (рис. 5.1). Эта усталостная кривая описывается уравнением
где m – показатель степени; С = const – постоянная усталостной кривой.
Чем больше Pк, тем меньше необходимо создать циклов нагружения для разрушения горной породы.
Минимальное контактное давление, вызывающее усталостное разрушение при циклическом нагружении при выполнении условия Рк < Н, называется пределом усталости горной породы Рус. Считается, что
Рус = (1/20–1/30)H.
Б.А. Жлобинским установлено, что механизм усталостно-объёмного разрушения горных пород похож на механизм разрушения хрупких горных пород при статическом вдавливании индентора. Лунка выкола возникает вследствие раздробления горной породы под пятном контакта, передачи давления от индентора на окружающую породу и возникновения вокруг пятна контакта овальной (если индентор имеет прямоугольную площадку вдавливания) или круглой (при цилиндрическом инденторе) трещины, последняя стадия разрушения связана с раздавливанием уплотненного ядра под индентором и образованием лунки.
в) Рк << Н. Это условие определяет поверхностное разрушение горной породы в результате истирающего действия инструмента. Скорость бурения при выполнении этого неравенства незначительна. Размер частиц шлама мал.
Изменение механической скорости бурения от величины осевого усилия указывает на различный механизм разрушения горных пород в трех областях изменения F (или Рк). При малых нагрузках (участок I) зависимость Vм = f(F) линейная: прямая выходит из начала координат. Угол наклона прямой к оси F характеризует интенсивность изменения механической скорости при росте осевого усилия. Касательная к кривой, проведенная на участке II, свидетельствует о том, что в этом диапазоне изменения осевого усилия прирост механической скорости больше, чем на участке I (касательная отсекает от оси F положительный отрезок). На участке III угол наклона касательной меньше, чем на участке II, что свидетельствует о том, что на участке III изменение Vм при росте F меньше, чем на участке II (касательная отсекает от оси F отрезок, расположенный левее начала координат).
Часто зависимость Vм = f(F) представляют в виде степенной зависимости
Vм = kFa.
При a = 1 из этого выражения получаем связь между Vм и F для участка I, при а > 1 для участка II, а < 1 для участка III.
При бурении скважины выбранное значение осевого усилия может обеспечить появление любого из приведенных участков. Рекомендация увеличивать величину осевого усилия F для реализации объемного разрушения не всегда оправдана, так как, во-первых, часто при больших усилиях начинается интенсивный износ долота, увеличивающий контактную площадь долота, и приводящий к снижению Vм, во-вторых, бурение при меньщих осевых нагрузках, сопровождаемое снижением механической скорости, часто приводит к достижению положительного результата, например, росту проходки на долото, росту рейсовой и коммерческой скорости, снижению себестоимости метра проходки. Следует иметь в виду, что увеличение осевого усилия приводит к росту интенсивности искривления скважины, это связано с возрастанием отклоняющей силы при увеличении прогиба КНБК, большим разрушением стенки скважины.
Зашламование забоя существенно изменяет зависимость Vм = f(F), так как происходит не только снижение Vм, но и уменьшение величины осевого усилия, при котором достигается наибольшее значение механической скорости.
Приведенное на рис. 5.1 изменение механической скорости отличает не только бурение скважин шарошечным, но и лопастным долотом.
Выбор параметра режима бурения – осевой нагрузки на долото – по диаграмме Vм = f(F) не гарантирует от ошибок.
В настоящее время при бурении чаще всего реализуется поверхностное (при турбинном бурении) и усталостно-объемное разрушение горных пород. Связано это в основном с тем, что материал, из которого изготавливается породоразрушающий инструмент, меньше изнашивается при реализации усталостно-объёмного разрушения.
В настоящее время контроль за величиной F при бурении скважины реализуется с помощью индикаторов веса гидравлических (ГИВ), электрических (ЭИВ), которые устанавливаются на неподвижном конце талевого каната.
Общий вид зависимости Vм = f(n) хорошо известен из работ В. С. Федорова (рис. 5.2). На кривой выделяются два линейных участка: начальный и конечный. На этих участках Vм изменяется пропорционально n, что свидетельствует о постоянстве проходки за оборот d.
Рис. 5.2. Общий вид зависимости Vм = f(n) при различных осевых усилиях (F2 > F1)
Основными факторами, определяющими вид кривой Vм = f(n), являются следующие:
● время контакта tк зуба шарошечного долота с горной породой,
● число поражений забоя зубьями долота.
С увеличением частоты вращения n возрастает число поражений забоя зубьями шарошечного долота, возрастает скорость и энергия соударения. Это обеспечивает рост механической скорости бурения. Но одновременно с этим увеличение n обеспечивает и снижение времени контакта tк, что снижает эффективность разрушения горных пород и, как следствие, механическую скорость. В результате действия указанных факторов при бурении возникает сложная зависимость
Vм = f(n).
На участке кривой Vм = f(n), расположенном между начальным и конечным линейными участками, изменение механической скорости, происходящее при постоянной осевой нагрузке, но росте частоты вращения, характеризуется снижением темпа прироста механической скорости. При определенной частоте вращения nкр наблюдается резкое снижение темпа прироста механической скорости. Это происходит вследствие резкого уменьшения глубины внедрения зуба долота в горную породу за один оборот, снижения времени контакта зуба долота с забоем скважины. Для мрамора, например, nкр = 100 мин–1. С ростом твердости горной породы nкр возрастает.
Энергоемкость разрушения возрастает. По этой причине бурение скважины с частотой вращения n > nкр нерационально. При данном
значении осевого усилия увеличение n долота с целью повышения механической скорости целесообразно лишь до тех пор, пока возрастает рейсовая скорость бурения.
Обладая технологической информативностью, зависимость Vм = f(n), тем не менее, не может быть гарантом выбора рекомендуемого значения частоты вращения n. Тому есть причина: отсутствие приборов, надежно контролирующих частоту вращения. В роторном бурении частота вращения долота равна частоте вращения ротора и может быть измерена тахометром достаточно точно. Для измерения частоты вращения долота в турбинном бурении используется турботахометр, датчик которого устанавливается в верхнем узле турбобура и соединяется с валом последнего. Работа турботахометра основана на фиксации специальной аппаратурой, устанавливаемой на вертлюге, импульса давления, формируемого при кратковременном перекрытии трубного пространства через каждые 10 оборотов вала турбобура. Каналом связи служит промывочная жидкость, находящаяся внутри бурильной трубы. Особенностью гидравлического канала связи является существенное затухание энергии сигнала в связи с потерями на трение у стенок колонны и наличие помех, создаваемых работающим буровым насосом.
С увеличением глубины скважины в большей степени проявляются пластические свойства горных пород, требуются большие деформации до разрушения и большая длительность контакта зубьев долота с забоем. Это вызывает необходимость снижения частоты вращения долота с углублением скважины. Существует и другая причина, по которой необходимо снижать величину n при росте глубины скважины. Значительный рост мощности, необходимой для привода ротора из-за роста потерь на трение бурильной колонны о стенку скважины.
Условия эффективного и своевременного изменения режимов бурения. Для эффективного и своевременного изменения режимов бурения необходимо выполнять следующие условия:
– сигналы об изменении физико-механических свойств породы должен поступать постоянно к микроконтроллеру с минимальной задержкой во времени.
– измеренные сигналы должны многогранно отражать картину о характеристиках буримых пород, должны быть достоверны и однозначно сообщать микроконтроллерам об изменении конкретных физико-механических свойств породы.
– микроконтроллеры должны содержать функции, преобразующие измеренные сигналы в задающие сигналы для привода подачи и привода вращения.
– функции микроконтроллеров должны отражать информацию об эффективных режимах бурения при различных физико-механических свойствах породы.
– задающие сигналы должны с минимальной задержкой во времени доходить до исполнительных механизмов.
– исполнительный механизм должен быстро и эффективно изменять подачу и скорость вращения бурового става соответственно задающему сигналу.
При разработке способа регулирования особое внимание надо уделять выбору регулируемой величины. От этого зависит качество процесса регулирования и конструкция регулятора. Регулируемая величина должна удовлетворять следующим требованиям:
– иметь однозначную связь с нагрузкой на машину;
– обеспечивать постоянную перегрузочную способность двигателя независимо от колебаний нагрузки;
– допускать измерение несложным, малогабаритным, допустимым для применения в полевых условиях чувствительным элементом;
– обеспечивать достаточную чувствительность регулятора;
– обеспечивать достаточное быстродействие регулятора;
– позволять осуществление простыми средствами дистанционной передачи регулируемой величины на значительные расстояния в случае выноса регулирующего органа механизма подачи от машины.
Наиболее приемлемые в качестве регулируемой величины параметры горных машин с приводами различных типов выбираются с учетом их особенностей. Для обеспечения высокого качества процесса регулирования при работе однотипных горных машин в различных горно-геологических условиях и при изменении других параметров их работы необходимо создание приспосабливающихся или адаптивных систем регулирования. В зависимости от того, какие условия работы горных машин изменяются, может возникнуть необходимость в создании как активных, так и пассивных самоприспосабливающихся систем. Однако многие параметры в процессе работы горной машины изменяются стохастически, например, крепость породы. В этом случае пассивная самонастраивающаяся система уже не может обеспечить хорошее качество процесса. Оно может быть достигнуто при помощи систем, осуществляющих контролируемые изменения своих параметров в зависимости от текущей информации об условиях работы системы управления.
Оптимальные режимы бурения (рис. 5.3) в процессе эксплуатации бурового станка, согласно исследованиям проф. В.Д. Буткина можно обеспечить путем выбора соответствующего осевого усилия и частоты вращения бурового става [41]. С увеличением крепости породы осевое усилие необходимо увеличивать, а частоту вращения долота – уменьшать.
Рис. 5.3. Зависимость осевого усилия и частоты вращения долота от крепости породы
Зависимость осевого усилия от крепости пород выражается формулой
где Pос – усилие подачи, Н; f – коэффициент крепости породы по шкале Н.Н. Протодъяконова; d – диаметр долота, см.
На рис. 5.3 графически отображены зависимости этих параметров от коэффициента крепости породы.
Таким образом, необходимо определить рациональные режимы работы шарошечных долот в зависимости от прочностных и структурных характеристик породного массива. Также необходимо разработать эффективные средства управления, позволяющие получать достоверную информацию об изменениях свойств породы в процессе бурения и своевременно регулировать режимные параметры.