Экспериментальные исследования периодического способа питания забоя скважин дробью

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 90 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1958 г.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО СПОСОБА ПИТАНИЯ ЗАБОЯ СКВАЖИН ДРОБЬЮ

П. И. СТЕПАНОВ

В данной статье делается попытка рассмотреть факторы, позволяющие повысить скорость проходки в час чистого бурения при периодическом питании скважин чугунной дробью по сравнению с рейсовым. С этой целью автором были проведены экспериментальные исследования в лаборатории бурения Томского политехнического института им. С. М. Кирова на специальной установке.

В литературе, а также среди практиков-буровиков по вопросу эффективной углубки в зависимости от состояния дроби на забое единого мнения не существует. Одни считают, что максимальная скорость углубки в процессе бурения обеспечивается колотыми частицами дроби. Согласно этим представлениям, максимум углубки в рейсе наступает после того, как на забое не остается целой дроби, а находятся только крупные частицы колотой дроби. По мере дальнейшего измельчения колотой дроби уменьшается скорость углубки. Чтобы создать запас на забое колотой дроби, надо, по их мнению, засыпать в скважину сразу большую порцию целой дроби. По представлениям других исследователей, максимальная скорость углубки получается тогда, когда на забое имеется, в основном, только целая шарообразная дробь. Третьи считают, что максимальная скорость углубки наступает тогда, когда на забое имеется целая и колотая дробь вместе. Однако сторонники этой точки зрения не указывают, при каком соотношении колотой и целой дроби наступает максимальная скорость углубки, и какие можно рекомендовать практические меры для поддерживания этого состояния дроби на забое.

Известно, что при рейсовом питании скорость углубки возрастает,-а затем, достигнув максимальных значений, начинает уменьшаться. Поэтому экспериментальными исследованиями прежде всего преследовалась цель выяснить, почему при рейсовом питании скорость углубки в течение рейса не является постоянной, и при каком состоянии работоспособной дроби наступает максимум углубки в рейсе. Далее, мы поставили перед собой задачу найти условия, при которых можно было бы удерживать максимально возможную скорость углубки в течение рейса на одном уровне. Для этого был применен периодический способ питания скважин мелкими порциями. Затем были проведены опыты по выявлению влияния весового количества дроби, находящейся на забое

скважины, на скорость проходки в час чистого бурения как при рейсовом, так и при периодическом питании.

Опытное бурение производилось на станке «ГП-1» коронкой с внешним диаметром 65 мм и окружной скоростью 1,4 м/сек в глыбе средне-зернистого гранита. Для исследования процесса и характера работы дроби на забое последняя извлекалась из скважины с помощью цилиндрического электромагнита через каждые 10 минут времени чистого бурения. Дробь просушивалась, просеивалась на ситах с диаметрами отверстий 2,5; 2,0; 1,5; 1,0 мм, и каждая фракция взвешивалась. Измерение количества промывочной жидкости, подаваемой в скважину, производилось мерным сосудом.

ч

Рис. 1. Зависимость скорости углубки от величины порции, засыпаемой на рейс.

Вес порций на рейс: 1—200 г; 2-400 г; 3-800 г.

В результате проведения экспериментальных наблюдений установлено, что максимальные значения скорости углубки в рейсе, а также среднерейсовая скорость проходки почти не зависят от весового количества засыпанной в скважину порции дроби. На рис. 1 изображены результаты бурения порциями в 200, 400, 800 г. Здесь по оси абсцисс отложено время бурения, а по ординатам — проходка в сантиметрах за интервал наблюдения. Из графиков, а также из таблицы 1 видно, что макси-

Таблица 1

Засыпка дроби на рейс, г Элементы наблюдения Показатели бурения и изменения состояния дроби за время наблюдения, равное 5 минутам Средне-рейсовая скор, проходки см мин Максимальная скор, проходки см мин Расход дроби на 1 см проходки, г.

5 5 5 5 5 • 5 5

200 Проходка, см Остаток дроби: целой, г колотой, г 2,4 3,7 10 150 2,4 120 2,7 80 1,1 60 0,49 0,74 16,0

400 Проходка, см Остаток дроби: целой, г колотой, г 2,0 2,7 110 200 4,0 10 230 ,50 2,3 1,0 1,0 60 0,47 0,8 25,0

800 Проходка, см 1,8 2,9 3,0 3,9 З.б' 2,5 1 1 1 1 1,51,0 0,50 1 1 0,78 40,0 221

мальные скорости углубки за интервал времени, равный 5 минутам, составляют для 200 г—3,7 см; 400 г— 4,0 см и 800 г—3,9 см (точки 0и 02, 03 на рис. 1), а среднерейсовые скорости, соответственно — 0,49, 0,47, (1,5 см/мин, т. е. абсолютные их значения во всех случаях практически равны между собой. Аналогичные результаты были получены В. И. Молчановым при исследовании в Казской ГРЭ зависимости среднерейсовой скорости проходки от весового количества засыпаемой в скважину дроби для порций весом 5, 10, 15 кг.

Из таблицы 1 также видно, что с увеличением веса порции на рейс почти прямо пропорционально увеличивается расход дроби на 1 пог. см проходки.

Далее было установлено, что при рейсовом питании максимальная скорость углубки в рейсе наступает после того, когда на забое скважины остается целой дроби меньше 50%, и поддерживается примерно на одном уровне до тех пор, пока на забое остается 5—10% целой дроби. Так, например, из таблицы 1 видно, что при засыпке дроби на рейс 200 г после максимума (3,9 см) осталось целой дроби 10 г или 6%. В дальнейшем при бурении колотыми частицами по мере их измельчения скорость" проходки уменьшается. При засыпке дроби на рейс 400 г по мере раскалывания целых дробин и увеличения колотой фракции скорость проходки возрастала. Затем, перед началом интервала наблюдения, давшего максимальную проходку, целой дроби было 110 г или 35%, а в конце — 10 г или 4%. После этого скорость проходки начинает также уменьшаться. На рис. 2 показаны результаты, когда бурение начиналось с засыпкой дроби в соотношении 50% целой и 50% колотой дроби. В результате этого за первый же интервал наблюдения получена проходка даже несколько выше максимальной предыдущего примера (табл. 1).

Увеличение скорости углубки, по-видимому, достигается за счет увеличения давления на одну целую дробинку, в результате чего она более интенсивно раздавливает породу на забое. Увеличение давления на одну целую дробинку достигается вследствие уменьшения их общего количества под торцом коронки благодаря попадания туда колотых частиц. Действительно, в процессе бурения целая и колотая дробь находятся все время в смешанном состоянии и, следовательно, под торец коронки попадает как первая, так и вторая. Само собой разумеется, что коронка при своем вращении будет опираться на целые дробины, как имеющие наибольший диаметр. Колотые частицы при этом выполняют также далеко не второстепенную роль. Они, во-первых, очищают след раздавли-' вания, получающийся при движении круглой дроби, во-вторых, не даюг последней выйти из под торца коронки, т. е. являются как бы «сепараторами» для круглой дроби, и, наконец, сами производят эффективную работу по разрушению породы при своем перекатывании.

Исходя из этого, становится ясным, почему передовые буровые бригады, применяя периодическое питание, добиваются более высоких производственных показателей, чем при рейсовом питании. Эти бригады, периодически засыпая в скважину все новые и новые порции целой шарообразной дроби, получают или несколько максимумов проходки в рейсе (вместо одного при рейсовом питании), или систематически поддерживают на забое определенное соотношение целой и колотой дроби, и тогда в течение всего рейса удается удерживать максимум проходки. Получение нескольких максимумов проходки в рейсе имеет место при периодическом питании крупными порциями, а поддержание определенного соотношения целой и колотой дроби достигается за счет периодического способа литания мелкими порциями или непрерывного (ручейкового) способа литания.

Таким образом, максимальная скорость углубки не уменьшается !1 поддерживается на одном уровне, если после подсыпки очередной порции целой дроби на забое скважины будет устанавливаться соотношение целой и колотой дроби, примерно, один к одному, а в конце интервала (промежутка времени) между подсыпками на забое остается не менее 5—10% целой дроби. Это обстоятельство имеет большое значение для практического регулирования режима периодического питания скважин дробью. Особо важное значение при этом имеет нижний предел наличия целой дроби на забое скважины. Если будет допущено уменьшение его до нуля и даже до состояния, когда бурение будет производиться колотой дробью, хотя и крупными частицами, то, кроме уменьшения скорости углубки, произойдет неравномерность в обработке керна и стенок скважины. В этом случае керн к концу -промежутка времени между подсыпками будет обработан меньше, чем вначале, и поэтому при подсыпке очередной порции целой дроби он будет расклинен в коронке, и процесс углубки скважины может прекратиться. Если же на забое скважины имеется целая дробь даже в незначительном количестве (5—10%) от общего количества, неравномерности в обработке керна и разработке скважины не наблюдается.

В процессе бурения целая чугунная дробь все время раскалывается и пополняет фракцию колотой дроби. Поэтому, чтобы поддержать на забое определенное соотношение целой и колотой дроби, в процессе бурения на забой необходимо непрерывно добавлять целую дробь и одновременно с этам удалять с помощью промывочной жидкости излишнее количество колотых частиц. Идеальным путем решения этого вопроса является непрерывное возобновление раскалывающихся дробин новыми, т. е. сколько целых дробинок раскалывается, столько и добавляется с одновременным выносом в шламовую трубу излишнего количества измельченных частиц. Этому больше всего будет соответствовать непрерывный (ручейковый) способ питания с помощью автоматически дейст: вующего дробопитателя.

При периодическом питании мелкими и крупными порциями процесс пополнения целой дроби протекает несколько иначе. Здесь пополнение целой дроби осуществляется не непрерывно, а периодически, через определенные промежутки времени и определенными порциями-дозами. Отсюда, при периодическом питании важное значение имеет вопрос определения веса порции и интервала между подсыпками. Лабораторными и производственными исследованиями установлено, что при бурении чугунной дробью вес порции и интервал между очередными подсыпками должны определяться скоростью раскалывания целых дробин на забсе скважины. Скорость раскалывания зависит от многих факторов. Главными из них являются: давление на забой, скорость вращения коронки, качество дроби, вес порции, соотношение целой и колотой дроби и т. д. Например, если при окружной скорости коронки, равной 1,4 м/сек, и при давлении 22,5 кг!см2 порция целой дроби весом*200 г раскалывается за 15—20 минут, то при этой же окружной скорости, но при давлении 45 кг/см* она раскалывается за 4—5 минут; такая же порция дроби при давлении 22,5 кг/см*, но при окружной скорости 2,6 м/сек, также раскалывается за 4—5 минут. Большое значение на скорость раскалывания оказывает вибрация. Так, по данным С. С. Сулакшина и В. М. Матросо-ва, при бурении в глыбе гранодиорита с окружной скоростью 0,5 м/сек и давлением 22 кг/см2 порция целой дроби весом 100 г раскалывается за 15—20 минут, а с вибратором, с возмущающим усилием, равным примерно 60 кг/см*, такая же порция раскалывается за 2—3 минуты. При этом в последнем случае средняя скорость углубки была в 2 раза больше, чем без вибратора.

Интересные результаты были получены при исследовании влияния на скорость раскалывания дроби веса порции >и соотношения целой и колотой дроби. Так, если порцию обыкновенной чугунной дроби весом 100 г засыпать в скважину и бурить с окружной скоростью коронки 1,4 м/сек при давлении 22,5 кг/см2, то для раскалывания всех дробин требуется 10—15 минут. Если такую же порцию целой дроби засыпать вместе с колотой, вес который равен также 100 г, то она раскалывается за 5—7 минут. Порции одной целой дроби весом 400 г, 800 г раскалываются за 20—30 минут, а в смеси с колотой—за 8—10 минут и т. д. Отсюда следует, что при определении веса порции целой дроби необходимо устанавливать минимально необходимый размер ее, который бы обеспечивал нормальный процесс углубки скважины.

Физико-механические свойства горных пород почти не оказывают существенного влияния на скорость раскалывания целой дроби. Для изучения процесса скорости раскалывания целой дроби в зависимости от физико-механических свойств буримых пород было произведено бурение песчаника и гранита. Оказалось, что порция целой дроби весом 200 г при бурении гранита раскалывается за 15—20 минут, а при бурении песчаника—за 20—25 минут. При этом в первом случае среднерей-совая скорость проходки была равна 0,49 см/мин, а во втором — 2,0 см/мин, т. е. буримссть песчаника была в четыре раза больше бури-мости гранита.

Наблюдениями за работой передовых буровых бригад треста «Ал-тайцветметразведка» также установлено, что эти бригады при определении режима питания забоя скважин мелкими порциями исходят, как правило, не из категорийности пород по буримости, а из расхода дроби в час чистого бурения (почасового расхода). Почасовой расход дроби не зависит от категории пород и, примерно, равен одной величине как для VIII категории, так и для XII, но зависит от диаметра коронки, давления на забой и окружной скорости коронки. В таблице 2 приводятся результаты наблюдений за одной из буровых бригад Белоусовской ГРП, производившей бурение скважины по микрокварциту с разным режимом периодического питания мелкими порциями.

Таблица 2

№№ смен Категория пород Пробурено за смену п. м. Проходка в час чистого бурения Расх. дроби в % к норме Режим период, питания Примечание

пог. м час в % % к норме ЕНВ вес порции в граммах интервал между подсыпка ми, мин

1 XII 0,2 0,030 75,0 116 150 7 Диаметр коронки

2 XII 0,1 0,017 42.5 244 150 5 110 мм, число обо-

ротов снаряда 132

3 XII 0,2 0,029 72,5 155 150 5 об/мин, давление

4 XII 0,06 0,015 37,5 423 301) 5 20-25 кг см1

5 XII 0,12 0,021 52,5 181 150 8

6 XII 0,05 0,010 25,0 321 300 5

7 XII 0,12 0,019 47,5 360 300 7

Из таблицы видно, что наилучшие показатели по проходке в час чистого бурения и расходу дроби получены в сменах 1, 3, 5 и хуже — в сменах 4, 6, 7. В первом случае на забой подавалось по 150 г через 5—7 минут, а во втором — через те же промежутки по 300 г. При бурении пород

VIII—IX категорий по буримости буровики тоже подают на забой по 150 г через 5—7 минут, получая при этом также наиболее высокие показатели по производительности бурения.

Следует заметить, что приведенные выше результаты экспериментальных наблюдений скорости раскалывания обыкновенной чугунном целой дроби были получены для одного сорта и диаметра дроби. С изменением качественной характеристики целой дроби изменятся и указанные выше зависимости скорости ее раскалывания. Поэтому режим периодического питания забоя дробью мелкими порциями в каждом случае нужно устанавливать применительно к дроби определенного качества. Как уже указывалось, фактором контроля за правильностью установленного режима питания мелкими порциями должна служить равномерность в обработке керна дробью. Если керн обрабатывав ге н неравномерно и даже имеют место саморасклинки его в коронке, то это свидетельствует о неправильно установленном режиме питания забоя скважин дробью. Надо или увеличить вес порции дроби, подаваемой на забой, или уменьшить интервал между подсыпками.

Для получения максимально возможной производительноеiи 6ур< ния, наряду с определением оптимальной величины дозы и промежутка времени между подсыпками, важное значение имеет правильно уста hoi: ленный режим промывки. При избыточной промывке с забоя будет rib -коситься колотой дроби больше, чем необходимо. Следовательно, при очередных подсыпках не будет выдержано определенного соотношения целой и колотой дроби. При недостаточной промывке на забое накапливается по мере подсыпки и раскалывания целой дроби все больше if больше колотой дроби, что в конечном счете ведет к нарушению рационального соотношения целой и колотой дроби, а значит и к уменьшению скорости углубки. Кроме того, при недостаточной промывке на забое скапливаются очень мелкие фракции колотой дроби, которые мешают более производительной работе крупных частиц. Экспериментальными и производствеными наблюдениями установлено, что для получения мак симально возможной скорости проходки при периодическом питании мелкими порциями, т. е. когда на забое поддерживается рациональное соотношение крупной и колотой дроби, необходимо удалять с забоя скважины все колотые частицы размером меньше одного-полугора миллиметров.

см

3 '

г

I -

0 5 /0 /5 20 25 30 ЗУ ЬО 45

//мин.

Рис. 2. Зависимость скорости углубки при периодическом питании от количества промывочной жидкости, подаваемой в скважину. Количество промывочной жидкости и л-мин на 1 пог. см диаметра коронки: 1 2,0 2,5: 2 4,0 4.3

! ill

На рис. 2, построенному по тому же принципу, что и рис I, а *акже к таблице 4 показаны результаты бурения на экспериментальной уста

15. Известии ТПИ, т. 90 225

новке коронкой диаметром 65 мм с периодическим питанием мелкими порциями (по 50 г через 5 минут) и разными количествами промывочной жидкости. Здесь, как уже упоминалось выше, в начале рейса на забой сразу же засыпалась колотая и круглая целая дробь в соотношении один к одному, т. е. 50 г целой и 50 г колотой. В результате этого за первый же интервал наблюдения получена проходка даже несколько больше, чем при рейсовом питании (точки 0|, Оз, Оз, на рис. 1). •

Таблица 4

X о ^ 2 * к =3 я ^ — С- Пробурено пог. см за время равное 5 минутам наблюдения, £ <и Ои я ГС х Я ^ ь-г - о £ *

о со = С. 3 О Г с - <-> с- £ ° С Время между подсыпками, м Промывка в л на 1 пог. см в» го диаметра кс 5 5 5 5 5 5 5 5 5 Пробурено за пог. см Средне рейсов скорость прох( см мин Расход дроби ] пог. см про

50 5 2- 4,5 3,8 з.о 2.6 2,7 3.1 3,0 3,0 3,0 28,7 0.65 13

2.5

50 5 4,1- 4,6 4,2 4,5 4,0 3,9 — _ - — 21,2 0,83 15

4,3 I

Линия 1 на этом рисунке характеризует проходку при бурении с промывкой 2—2,3 л/мин на 1 пог. м внешнего диаметра коронки (в пересчете на коронку диаметром 110 мм это равно 22—25 я/мин). Из графика и таблицы 4 видно, что по мере добавления порций целой дроби проходка все время уменьшалась и, достигнув какого-то определенного уровня, стала более или менее постоянной. Анализ извлекаемой дроби показал, что порция целой дроби почти полностью раскалывается за интервал между подсыпками, а колотой становится все больше и больше, при этом даже осколки диаметром в 0,25—0,5 мм не выносятся с забоя. В момент подсыпки очередной порции в точке 04 на забое стало целой дроби 60 г или 20%, а колотой — 220 г или 80%. Однако даже в этом случае среднерейсовая скорость проходки является больше среднерейсо-вой при рейсовом питании. Так, если при рейсовом питании она равна в среднем 0,48—0,49 см/мин (табл. 1), то в указанном опыте среднерейсовая скорость проходки равна 0,65 см/мин, что составляет 133%. Расход дроби при этом составил 18 г на 1 пог. см проходки.

Линия 2 характеризует проходку при том же режиме питания забоя скважины дробью, но с увеличенной промывкой. Количество промывочной жидкости подавалось из расчета 4,1—4,3 л/мин на 1 пог. см внешнего диаметра коронки (в пересчете на коронку диаметром 110 мм это составляет 45—47 л/мин). Как видно из диаграммы на рис. 2 и таблицы 4, скорость проходки некоторое время остается почти на одном уровне, а затем, хотя и незначительно, но также снижается. Анализ извлекаемой дроби показал, что в момент подсыпки целой дроби в начале рейса устанавливалось соотношение целой и колотой дроби один к одному, а перед очередной засыпкой 5 10% целой, а остальная часть дроби колотая. Но по мере добавления целой дроби и .раскалывания ее, колотой дроби. 1аже при этой промывке, накапливалось все больше и больше. В конце рейса (точка О5, рис. 2) перед очередной засыпкой вес колотой дроби составлял 160 г. Таким образом, и этого количества промывочной жидкости является недостаточным, чтобы поддерживать на забое определенное соотношение целой и колотой дроби. В этом случае среднерейсовая 226

скорость проходки составила 0,83 см/мин или 173% по отношению к скорости проходки при рейсовом питании, а расход дроби — 15 г на 1 пог. см проходки.

Необходимость и возможность применения сравнительно большой промывки при периодическом питании мелкими порциями подтверждается также и теоретическими расчетами.

Так, например, если в формуле Риттингера к принять равным 5, 11, тогда скорость падения частиц дроби диаметром 1,0 мм и, следовательно, скорость струи будет равна 0,4 м/сек. При диаметре коронки, равном 110 мм, и дроби - 3 мм диаметр скважины будет равен 125 лш, следовательно, площадь зазора будет равна 27,6 см2. Отсюда расход промывочной жидкости 27,6 X 40 1,1 л!сек или, примерно, 66 л/мин. Если же к принять равным 4, т. е. для округлых частиц, то р будет равно 60 л/мин.

Выводы

1. Наиболее эффективное разрушение пород при бурении чугунной дробью осуществляется в том случае, если на забое находится колотая и целая дробь вместе и, примерно, в соотношении 50—90% первой и 10—50% второй.

2. Определенное соотношение целой и колотой дроби можно поддержать только применением непрерывного способа питания или периодического питания мелкими порциями, а также применением сравнительно высокой промывки.

3. Вес порции и интервал времени между подсыпками должны определяться исходя из скорости раскалывания целых дробинок этой порции. Скорость раскалывания целых дробинок зависит от давления на забой, окружной скорости коронки, вибраций, качества дроби, соотношения целой и колотой дроби и почти не зависит от физико-механических свойств буримых чугунной дробью горных пород.

ИСПРАВЛЕНИЯ И ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ

Стр. Строка Напечатано Следует читать

4 25 сверху ЬерИтпасНа Ьер1оПгппас11а

6 8 снизу „сахаровидиые" „сахаровидные",

я 6 минерала минералов

п 2 серые серые,

7 13 I Коллоидальные Аутигенные

12 28 „чертинской свиты" „чергинской свиты"

17 ю камбрийскими кембрийскими

18 27 сверху мерглей мергелей

>» 29 Н1астйае Шавтйае

21 19 кембрию докембрию

23 16 снизу 1957 1958

26 26 поддерживается подтверждается

28 4 БЫкоузка эЫкоуяка

29 5 1957 1958

33 14 Ви1а1а51з Ви1а1а5р1$

39 20 выше описанных вышеописанных

41 23 сверху бласто-псаммитовой бластопсамм итовой

48 14 снизу дайки Рудное дайки. Рудное

56 20 минералогии минерагении

66 Рис. 10 серпцига серицита

67 6 снизу теллурида, золота теллурида золота

76 27 радроблены раздроблены

77 23 эпидото-кварево-полевош па- эпидото-кварцево-полево-

товые шпатовые

83, 14 сверху плагигранитной плагиогранитной

я 7 снизу Елисеева Н. А. Елисеев Н. А.

88 9 — л неравномерно зернистая неравномернозернистля

110 25 сверху природы породы

112 7 снизу А. К. Яхонтова Л. К. Яхонтова

116 8 Ио ИО

122 26 N—(304); г—(101); N-(304); г—(101);

* 24 гп—110) ш—

123 1 сверху

я 15

129 8 Болдырев А. К. Коллектив авторов, под ред.

А. К. Болдырева

133 Таблица 1 Содержание Содержание Са 51* Об

160 26 снизу поверхностных водоемов поверхностные водоемы

170 12 снизу (4 (У и

201 1 сверху Этой этой

226 9 1 пог. м 1 пог. см

В статье С. А. Строителева .Исследование кристаллизации эисомита и мирабилита" по техническим причинам фигурные скобки заменены на квадратные, например: [100] вместо {100) и т. д.