Методика определения оптимальных параметров режима и условий бурения скважин

Технологии геологической разведки

УДК 622. 243

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА И УСЛОВИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

1 2 В.В. Нескоромных , П.С. Пушмин

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г.

Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проанализированы возможные критерии оптимального управления процессом алмазного бурения скважин. Предложена комплексная методика определения оптимальных режимных параметров с целью реализации высокопроизводительной технологии бурения скважин.

Библиогр. 3 назв. Ил. 2.

Ключевые слова: алмазное бурение; эффективность бурения скважин; критерии оптимизации; методика автоматического управления.

METHODS TO DETERMINE OPTIMUM PARAMETERS OF THE MODE AND CONDITIONS OF BOREHOLE DRILLING

V.V. Neskoromnyh, P.S. Pushmin

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Possible criteria of optimum control of diamond drilling are analyzed. The complex methods to determine optimum mode parameters in order to realize a highly efficient technology of borehole drilling are offered.

3 sources. 2 figure.

Key words: diamond drilling; efficiency of borehole drilling; optimization criteria; automatic control methods.

Современный уровень технологии буровых работ, характеризующихся высокими скоростями вращения, относительно большими глубинами скважин, а также высокой стоимостью породоразрушаю-щего инструмента, должен соответствовать требованиям высокой производительности, реализуемой за счет увеличения механической скорости бурения посредством применения совершенных технологий и породоразрушающих инструментов с повышенным ресурсом. При этом рост глубин скважин должен осуществляться без привлечения дополнительных мощностей, а совершенные технологии способствовать повышению качества, оперативности геологического опробования и

полноты исследования разбуриваемого массива горных пород.

Одним из наиболее вероятных способов повышения эффективности и производительности буровых работ является оптимизация параметров режима бурения, следовательно, основным направлением совершенствования процесса бурения является создание автоматизированной самонастраивающейся и высокопроизводительной системы с непрерывной реализацией процессов углубки скважины при различных геолого-технических условиях работ.

Современная буровая установка может быть оснащена контрольно-измерительными приборами, датчиками-регистра-

:Нескоромных Вячеслав Васильевич, доктор технических наук, профессор, тел.: (3952) 40-57-37, e-mail: TTR drill@ istu.irk.ru.

Neskoromnyh Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, tel.: (3952) 40-57-37, e-mail: TTR_drill@istu.irk.ru

2Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952) 40-57-37, e-mail pps@istu.irk.ru Pushmin Pavel, Candidate of technical sciences, Associate Professor, тел.: (3952) 40-57-37, e-mail pps@istu.irk.ru

торами и разнообразными устройствами автоматического управления. Основным, особенно при высокочастотном алмазном бурении, остается процесс управления углубкой скважины посредством выработки оптимальных параметров режима бурения. В данном случае актуален выбор параметра оптимизации или критерия оптимизации. Требования к критерию оптимизации процесса бурения состоят в том, что этот параметр должен надежно регистрироваться и фиксироваться непосредственно при бурении, а также оперативно влиять на другие параметры бурового процесса.

Наиболее современными автоматизированными буровыми агрегатами являются станки Diamec U6 APC и Diamec U8 APC компании Atlas Copco, предназначенные для колонкового бурения глубоких скважин ССК типоразмера AQ-HQ с автоматическим контролем параметров APC. Системой APC в память компьютера записываются данные бурения: глубина скважины, количество и давление промывочной жидкости, частота вращения снаряда, скорость бурения, усилие на породо-разрушающем инструменте, давление в гидросистеме и др. Критерием оптимального управления процессом бурения в данном случае является значение показателя RPI «число оборотов на сантиметр подачи», который является «перевернутым» значением углубки скважины за один оборот вращения коронки на забое: RPI=1/ho6 [14]. Данный показатель не является универсальным и единственно возможным критерием оптимизации алмазного бурения, способным в автоматическом режиме реагировать на изменение геолого-технических условий проходки скважины и комплексно учитывать наиболее значимые факторы процесса бурения, в частности, энергозатраты и ресурс дорогостоящего алмазного инструмента.

Каждый из известных на сегодняшний день критериев оптимизации [1] в отдельности не решает задачи выбора комплекса параметров, обеспечивающих оптимальную реализацию бурового процесса. На основании анализа возможных

критериев оптимального управления процессом бурения выстраивается следующая взаимосвязь наиболее вероятных критериев, которые целесообразно использовать при создании автоматизированных систем управления процессом бурения скважин (рис. 1).

Рассмотрим основные соотношения критериев управления процессом бурения.

1. Критерий механическая скорость бурения гМ оптимизируется в сторону максимальных значений ум ^ тах под влиянием основных параметров режима бурения - осевого усилия, частоты вращения, типа, количества и качества очистного агента. Общая и основная формулировка зависимости скорости бурения от основных факторов следующая: механическая скорость бурения пропорциональна количеству подведенной к забою мощности N, обратно пропорциональна энергоемкости разрушения породы AVи площади забоя F.

Известно [3], что при определенном уровне подводимой к забою мощности механическая скорость бурения начинает снижаться, поэтому возрастают удельные энергозатраты, то есть режим разрушения горной породы становится менее эффективным. При этом максимальные значения механической скорости не соответствуют условиям рационального потребления и расходования мощности. Поэтому параметр vм^max в качестве критерия оптимизации не может быть принят за основу оптимального управления, т.к. не предполагает получения наряду с высокой мгновенной скоростью бурения экономии за счет высокого ресурса инструмента и рационального расходования энергии на бурение, оптимального баланса рабочего времени, высокого качества работ за счет сохранности керна.

Ресурс инструмента, иначе говоря, рейсовая проходка на инструмент, также как и механическая скорость бурения, не учитывает всего многообразия влияющих факторов и не позволяет достигать оптимального результата без учета таких параметров, как, например, глубина скважины. При возрастающей глубине скважины бо-

/ С

> к

> 1

F - const >

N — ^ min V м M —— ^ min h o

Рис. 1. Критерии оптимального управления процессом алмазного бурения

лее важной характеристикой является большая стойкость бурового инструмента, что позволит повысить время, затраченное на углубление скважины в балансе общих затрат времени на производство работ. При бурении неглубоких скважин, когда спуско-подъемные операции занимают сравнительно малую долю в общем балансе производительного времени, можно допустить вариант форсированного бурения с реализацией высоких механических скоростей, но с несколько ограниченным ресурсом инструмента.

В случае поиска оптимальных условий параметр ресурс породоразру-шающего инструмента следует увязывать со стоимостью бурения. Например, одинаковую стоимость 1 м бурения скважины можно получить как путем увеличения механической скорости бурения, уменьшая при этом стойкость бурового инструмента, так и в результате повышения стойкости инструмента, но снижения механической скорости бурения.

Величина углубки за оборот Ноб породоразрушающего инструмента явля-

ется комплексным показателем, позволяющим косвенно рассматривать и оценивать физические процессы, происходящие на забое. Под оптимальной углубкой за один оборот подразумевается величина съема породы за один оборот, заданная таким внедрением алмазов в породу под действием определенных минимальных осевых нагрузок, при которых не происходит заполирования алмазных резцов коронки [2]. При более высоких нагрузках резцы чрезмерно внедряются в породу и разрушаются, не производя полезной работы. Режим корректировки значений осевого усилия при изменении частоты вращения коронки - одна из задач оптимизации при управлении процессом алмазного бурения.

2. Комплексный критерий

N

— ^ min.

VM

Данный критерий по своей сути близок к требованиям идеального конечного результата работы технической системы, так как отражает требования к

достижению максимальном механическом скорости проходки скважины vM при минимальных затратах энергии на процесс бурения. Этот критерий, полученный исходя из энергетических затрат на бурение и разрушение горной породы, определяет такое важное понятие, как энергоемкость процесса разрушения горных пород или бурения, и предполагает использование максимально щадящих значений параметров режима бурения, особенно осевого усилия. В этом случае проходка на коронку, очевидно, будет максимальной, но механическая скорость бурения - умеренной или средней по величине, что может быть применимо при бурении глубоких скважин, когда параметр стойкости инструмента будет более важным в сравнении с высоким уровнем механической скорости бурения. Максимальные значения механической скорости бурения могут быть получены при более высоких значениях осевой нагрузки и частоты вращения, но условия изнашивания коронки при этом будут также очень высокими.

3. Комплексный критерий

V 2

— ^ max.

N

Считая, что отношение N/vM -параметр, определяющий наряду с энергоемкостью износостойкость инструмента, то вероятен критерий оптимизации, который определяет стремление к получению максимальной скорости бурения при высокой износостойкости инстру-

V 2

мента: — ^ max . Данный критерий дает

N

более высокие значения параметров режима бурения, ориентированные на высокие значения механической скорости при условии минимизации затрат мощности на бурение, и располагается между критерия-N

ми vM и — ^ min, определяя условия

vm

получения не только высокой скорости бурения, но и благоприятной отработки

V2

инструмента. Критерий — ^ max подхо-

N

дит для управления процессом при бурении неглубоких скважин, когда фактор скорости проходки более предпочтителен.

На основании проведенного анализа критериев оптимизации можно сделать вывод о том, что оптимальные параметры режима бурения, выбор которых осуществляется по минимуму стоимости метра проходки, как правило, соответствуют наиболее эффективному процессу разрушения горных пород, который будет характеризоваться минимальными затратами энергии на разрушение, высокими значениями механических скоростей бурения и эффективным ресурсом бурового инструмента.

Придерживаясь вышесказанного, можно предложить комплексную методику опре-деления как оптимальных значений пара-метров режима бурения - осевой нагрузки, частоты вращения и количества подавае-мой промывочной жидкости, так и соот-ветствия оптимальным условиям по стои-мости одного метра бурения скважины.

Рассмотрим последовательность реализации предлагаемой методики.

1. Определяются оптимальные значения параметров режима бурения по критерию v^^max в пределах заданных величин.

2. Определяются оптимальные значения механических скоростей и параметров режима бурения по критерию N  TT

— ^ min . При этом следует полагать, что

выбранные значения механических скоростей и параметры режима бурения позволят обеспечить максимальный или близкий к нему ресурс бурового инструмента.

3. Результаты анализа по критериям

N

vM^max и — ^ min сравниваются,

определяется прогнозируемый ресурс коронки в соответствии с указанными критериями, а также с использованием значений расхода алмазов для конкретных условий бурения. Во-первых, определяется ожидаемый ресурс алмазной коронки

(соответствует выбору по критерию N  ч

— ^ min ), во-вторых, прогнозируется

вращения и осевой нагрузки) по критериям

N

ресурс коронки, который можно получить, применяя форсированные режимы бурения, выбранные по критерию vM^max, и соответственно высокую механическую скорость бурения, но несколько пониженный ресурс коронки. В частности, зная значение массы алмазов, размещенных в коронке G, и принимая значение предполагаемого расхода алмазов q [3], можно определить прогнозируемую проходку на коронку L при соответствии параметров режима

« N . т G

бурения критерию — ^ min : L — — .

vm q

Следует иметь в виду, что при бурении трещиноватых пород расход алмазов может возрасти на 30-50%.

4. Используя одну из известных [3] формул расчета стоимости метра бурения, например (1), и полученные в соответствии с критериями оптимизации vM^max и N/vM значения оптимальных механических скоростей и ресурса коронки, а также другие данные для расчета, можно определить стоимость метра скважины. Далее по минимуму полученной величины выясняется - какие параметры процесса бурения являются оптимальными.

С -

С

(

Т

1 Т - Т

Л

V

у м

L

+Ц -

где

Сст - стоимость станко-смены, руб.; Т - длительность станко-смены, ч; Тб - время, затраченное непосред-твенно на углубку скважины, ч;

^ - длина рейсовой проходки, м; Ц - стоимость бурового инструмента,

руб.;

L - проходка буровым инструментом (ресурс инструмента), м.

Пример. По данным бурения однослойными и импрегнированными коронами осуществим поиск оптимальных условий бурения (рациональной частоты

На основании анализа результатов бурения, проведенного с использованием планирования полного факторного эксперимента (механической скорости и забойной мощности при бурении диорита однослойными и кварцита импрегни-ованными коронками), получены графические зависимости, отражающие влияние факторов - осевого усилия Рос и частоты вращения а на механическую скорость бурения vM и энергоемкость разрушения породы N/vM (рис. 2).

Анализ представленных графиков показывает, что для однослойной коронки максимальное значение механической скорости бурения (область I на рис. 2, а) не совпадает с минимальным значением критерия N/vM (область III на рис. 2, в).

Минимальные значения энергоемкос-и бурения N/vM получены при Рос=400 даН и а=725 мин-1. В этом случае механическая скорость бурения равна 4,5 см/мин, следовательно, получение максимального ресурса коронки весьма вероятно.

При максимальной скорости бурения 9 см/мин, Рос=1400 даН и а=725 мин-1 показатель N/vM=0,82. В этом случае величина показателя N/vM в 1,06 раза больше показателя 0,77, следовательно, ресурс коронки будет снижен на 6%.

В пределах рассмотренных условий бурения однослойной коронкой имеем два варианта для сравнения:

1. vM=5 см/мин или 3 м/ч и максимальный ресурс коронки, например, 15 м;

2. vM=9 см/мин или 5,4 м/ч и сниженный на 6% ресурс коронки - 14,1 м.

Проведем расчет стоимости метра бурения по формуле (1) при следующих условиях: стоимость станко-смены работы бурового агрегата Ссм= 24 000 руб., длительность станко-смены Т=8 ч, время бурения 4 ч, т.е. (Т-Тб)= 4 ч, проходка за рейс составляет 6 м, стоимость буровой коронки Ц=3000 руб.

оптимизации vM^max и — ^ min .

V

V

м

м

Рос,даН

1400

900

400

Г Ум,\ смЛ мйн /1 \ 2 \ 3 \ \Y\8\ 4\ 5 \6\7

\\ \\\

71

\

_ X

9 ' /

398

а)

ю, мин

725 -1

Рос,даН

1400

900

400

Ж ш

Ум, \смЛмин И \2 \3

71

б)

/' 12 \

398

ю, мин

725 -1

II

Рос,даН

1400

900

400

0, 89,/ / /083/// / 0,81/

кВтмйи /см 0,79 0,77 /

III

71

398

ю, мин

725 -1

в)

Рос,даН 1400

900

400

0,5 --

~———

0,6

Кб/Ум , 0,7___„_—

кВт мин /см

0,9/С"

/1,0/ / / 11

IV

71

398

ю, мин

725 -1

г)

Рис. 2. Графическая интерпретация уравнений механической скорости бурения

N

алмазных коронок

I

V

м

При таких условиях по первому варианту стоимость метра бурения составит 3170 руб., а по второму - 2748 руб., т.е. в данном случае выгоднее бурить на более высокой скорости при максимальных значениях частоты вращения и осевого усилия.

Изменим условия, например, время «чистого» бурения составит 3 ч, т.е. (Т-Тв)=5 ч, что будет соответствовать увеличению глубины скважины и доли вспомогательных операций в общем балансе времени. В этом случае стоимость метра бурения по первому варианту

оставит 3690 руб., а по второму - 3258 руб. Таким образом, при росте стоимости метра снижение времени «чистого» бурения на разнице в стоимости одного метра проходки скважины не отразилось.

Стоимость бурового инструмента и станко-смены, а также величина снижения ресурса коронки - решающие факторы при выборе тактики бурения в данном примере.

Составим уравнение, позволяющее найти предельную разность в ресурсе коронки, при которой целесообразно

снижение механическом скорости для повышения ресурса коронки:

C

^см

Т

V,

I

V-,

или

I

= Ц

L2 L1

1 ,

(- +

I

) - (- + -

I

Т х Ц

Ссм Ц2 Ц

где у1 , у2, Ь^ Ь2 - механические скорости и величины ресурса коронок по сравниваемым вариантам.

Из приведенных уравнений следует, что различие в механических скоростях (левая часть уравнений) должно быть:

- больше различия в ресурсе буровых коронок (правая часть уравнений в

« л Т х Ц скобках), если соотношение-= 1;

Ссм

Т х Ц

- меньше в - раза, если это

Ссм

соотношение больше 1;

К Т х Ц

- больше в - раза, если это

Ссм

соотношение менее 1.

В рассматриваемом варианте ТхЦ

С.

= 1, значит, рассмотрение условий

примера сводится к соотношению (---) = (---), из которого следует,

V! V Ц2 Ц1 что разность в механических скоростях и ресурсе коронок должны быть сопоставимы. В этом случае предельно низкий допустимый по критерию стоимости метра бурения ресурс коронки можно рассчитать из зависимости:

L2 =

м.

L1 • V1 • V2

15 • 3 • 5,4

VV - LV + V2 3 • 5,4-15 • 3 +15 • 5,4

= 4,6

Полученное значение ресурса коронки будет справедливо, если останутся неизменными рейсовая проходка и время «чистого» бурения в течение смены.

Таким образом, в рассматриваемом случае бурение следует вести при осевом усилии 1400 даН и частоте вращения 725 мин-1, что будет экономически выгодно.

При этом параметры режима бурения можно существенно повышать, добиваясь более высокой скорости бурения. Если же используется более дорогой инструмент при низкой стоимости станко-смены, то становится более актуальным поиск оптимальных условий бурения для достижения высокого ресурса инструменТ х Ц 0

та. Например, если соотношение-= 2

Ссм

из-за стоимости коронки 6000 руб., то предельный минимальный ресурс коронки при достигнутых скоростях должен быть не менее 7,22 м.

Для импрегнированной коронки области максимальных значений механической скорости бурения и минимального значения критерия N/vM совпали (области II и IV на рис. 2, б, г). Это значит, что отработка коронки при максимальных значениях осевого усилия и частоты вращения обеспечат и максимальный ресурс инструмента, в совокупности с высокой эффективностью бурения. При этом, учитывая полученные значения критериев, имеется некоторый резерв повышения параметров режима и механической скорости бурения.

Таким образом, при решении задачи оптимизации процесса бурения опытным путем с применением полного факторного эксперимента можно получить зависимости, отражающие влияние параметров режима бурения на ресурс бурового инструмента и значения механической скорости бурения при определенных постоянных значениях глубины скважины, горно-геологических условиях и применяемых типах бурового инструмента.

Применяемые для обработки результатов бурения методы планирования экспериментов, оптимизации и прогнозирования приобретают все большее значение при постановке исследований, направленных на изучение сложных буровых процессов. Планирование экспериментов предусматривает включение в практику инженерных исследований способов, позволяющих увеличивать эффективность работ. Полученные данные позволят рассчи-

тать стоимости метра проходки для каждого варианта сочетания параметров режима бурения и, используя предлагаемую методику, выбрать оптимальные параметры режима бурения для определенных условий производства работ.

На основании предложенной методики могут быть разработаны аппаратура, датчики, программные продукты, задача которых состоит в более точном и эффективном автоматическом регулировании параметров управления - осевой нагрузки, частоты вращения инструмента, количества и качества очистного агента с целью достижения оптимального значения выбранного критерия оптимизации.

Библиографический список

1. Воздвиженский Б.И., Г.А. Воробьев, Л.К. Горшков и др. Повышение эффективности колонкового алмазного бурения. - М.: Недра, 1990. - 208 с.

2. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геолого-разведочных работ: учеб. пособие. - Иркутск: Изд. ИрГТУ, 2008. - 297 с.

3. Нескоромных В.В. Проектирование скважин на твердые полезные ископаемые: учеб. пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 294 с.

Рецензент кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета В.В. Большаков