Влияние частоты вращения алмазного породоразрушающего инструмента на техникоэкономические показатели бурения разведочных скважин

Влияние частоты вращения алмазного породоразрушающего инструмента на технические ^ показатели бурения разведочных скважин

л

л

В.И. Склянов, канд. техн. наук, доц., ФГБОУ ВО «Норильский государственный индустриальный институт» МА Перепелкин, канд. техн. наук, доц., ФГБОУ ВО «Норильский государственный индустриальный институт»

Исследования процесса разрушения горных пород при бурении скважин алмазным инструментом позволяют отметить целый ряд особенностей.

1. Эффективность процесса разрушения забоя скважины зависит от свойств взаимодействующих тел: алмазов и матрицы коронки, с одной стороны, и горных пород - с другой [1].

2. В процессе разрушения горных пород алмазами под влиянием высоких контактных нагрузок и температур в микрообъемах горной породы происходят физико-химические процессы [2].

3. В результате взаимодействия резцов и горной породы происходит разрушение того и другого. Вследствие непрерывного изменения поверхности алмазов и горных пород процесс бурения носит нестабильный, случайный и нестационарный динамический характер [3].

4. Процесс разрушения горных пород неразрывно связан с процессом трения режущей поверхности о породу. Движение алмазов по горной породе следует рассматривать как процесс скачкообразный, совершаемый с высокой частотой следования.

5. В процессе трения алмазов коронки о горную породу возникают автоколебания алмазного инструмента [2].

6. На характер взаимодействия алмазов с горной породой существенно влияет среда - качество промывочной жидкости [3].

7. Процесс разрушения горных пород в забое скважины сопровождается возникновением теплового, акустического и электромагнитного полей.

Алмазное бурение скважин может быть эффективным только при определенном сочетании параметров режима бурения: частоты вращения снаряда, осевой нагрузки на ко-ронку и расхода промывочной жидкости [4].

Зависимость технических показателей бурения от частоты вращения рабочего инструмента изучали Ф.А. Шамшев, М.И. Койфман, И.А. Врубель-Голубкин, Н.И. Любимов, П.Н. Курочкин, М.И. Исаев, П.В. Пономарев, Г.А. Блинов, О.В. Иванов, Н.В. Соловьев А.Г. Калинин и др.

Исследователи отмечают, что рациональная частота вращения буровой коронки зависит от физико-механических свойств горных пород, их структурных и текстурных особенностей, трещиноватости, а также технических условий бурения - глубины скважины, состояния бурильной колонны и алмазной коронки.

Мнения исследователей о характере зависимости механической скорости бурения от частоты вращения снаряда весьма разнообразны. Большинство исследователей подчерки-

96 | «Горная Промышленность» №5 (135) / 2017

вает, что при увеличении частоты вращения снаряда наблюдается непропорциональный рост механической скорости бурения. Это объясняется следующими причинами:

- фактором времени (Ф.А. Шамшев, Л.А. Шрейнер), сущность которого состоит в том, что для выполнения работы по разрушению горной породы необходимо время. При определенной (высокой) частоте вращения снаряда наступает момент недостатка времени для разрушения алмазами породы на глубину к. В этом случае прямо пропорциональный характер зависимости нарушается;

- возникновением положительного (по глубине) градиента механических свойств, т.е. размягченного поверхностного слоя под действием температуры трения (И.В. Крагельский);

- локализацией деформации в тонком поверхностном слое, в результате которой скорость пластической деформации невелика, а деформация не успевает распространяться на значительную глубину при уменьшении положительности фрикционной связи (И.В. Крагельский);

- заполированием объемных алмазов, в результате чего число инденторов в алмазном резце резко уменьшается, и глубина их внедрения падает (О.В. Иванов).

Исследования, проведенные в ВИТР [5], показали, что при изменении частоты вращения снаряда крутящий момент практически остается на одном уровне для каждого значения нагрузки, а механическая скорость бурения имеет различный характер, определяемый геолого-техническими условиями бурения.

Разработку высокооборотных режимов алмазного бурения с применением установок УКБ специалисты выполняли на базе Кировской и Приазовской экспедиций. При этом проходку и затраты мощности замеряли через каждые 5 мин. Расход жидкости составлял 40-50 л/мин. Бурение скважин выполнялось алмазными импрегнированными коронками типа 02И3-59 и 02И3-76. Отношения темпов роста механической скорости бурения к темпам роста частоты вращения приведены в таблице [5].

На основе данных таблицы сделаны следующие выводы:

1. Механическая скорость бурения скважины с увеличением частоты вращения буровой коронки непрерывно возрастает. Отношение темпа роста частоты вращения коронки к темпу роста механической скорости бурения скважины с увеличением частоты вращения бурового снаряда постепенно уменьшается.

2. Расход алмазов на каждый метр пробуренной скважины находится примерно на одном уровне.

3. Увеличение нагрузки на коронку приводит сначала к

Частота вращения, Осевая Механическая скорость

мин-1 нагрузка, кг бурения, м/ч

200 0,69

400 1,20

600 600 1,52

800 1,84

1000 1,96

1200 2,14

200 1,13

400 1,79

600 1200 2,28

800 2,85

1000 3,33

1200 4,24

200 1,17

400 1,84

600 1800 2,54

800 3,30

1000 4,16

1200 5,08

200 1,50

400 2,24

600 2400 3,30

800 4,11

1000 5,32

1200 6,38

200 1,23

400 2,34

600 3000 2,94

800 3,30

1000 3,73

увеличению механической скорости бурения, затем следует ее уменьшение и, наконец, повторный рост скорости про-ходки скважины. Второй максимум скорости проходки скважины сопровождается уменьшением энергоемкости процесса разрушения и увеличением износа коронок, что можно объяснить сменой механического процесса разрушения термомеханическим.

Рекомендации зарубежных фирм по выбору параметров режима бурения скважин алмазными коронками применительно к единичному алмазу либо к площади алмазонасы-щенного слоя, учитывают характер взаимодействия режущих элементов с породой [6].

Анализируя состояние забоя скважины при бурении алмазной коронкой в породах с различными физико-механическими свойствами, зарубежные исследователи пришли к выводу, что на поверхности забоя в общем случае образуются кольцевые канавки и гребни между ними. Размеры канавок и гребней зависят от свойств пород, крупности алмазов, осевой нагрузки и окружной скорости вращения коронки. Увеличение скорости вращения коронки при недостаточной нагрузке приводит к уменьшению высоты и ширины гребней, а увеличение осевой нагрузки - к большей глубине проникновения алмазов в породу и образованию более крупных ее частиц при увеличении толщины и высоты гребней.

Работа по разрушению забоя скважины складывается из раздавливания породы единичным алмазом под действием осевой нагрузки и ее срезания с поверхности забоя под воздействием крутящего момента.

Изложенный процесс разрушения свидетельствует о факте единичного внедрения алмаза в породу, при перемещении он подвергается действию сил трения, динамическому и термическому воздействию, что вызывает наряду с разрушением породы и износ алмазного зерна.

Исследования специалистов фирмы «Атлас Копко» [7] показали, что механическая скорость бурения коронкой повышается пропоционально росту частоты ее вращения до 4000 мин-1. Так, при экспериментальных работах на стенде повышение частоты вращения до 1 мин-1 при соответствующей осевой нагрузке, даже в наиболее твердых породах типа гранитоидов и кварцитов, приводило к увеличению механической скорости бурения до 50-60 см/мин.

При бурении скважины инструментом типоразмера В механическая скорость достигала 8-15 м/ч, рейсовая скорость - 4-10 м/ч при n = 920 мин-1, что соответствует углублению забоя за каждый оборот на 0,14-0,27 мм.

По данным других исследователей [6], при использовании коронки диаметром 76 мм, в определенных условиях частота ее вращения возрастает до 8000 мин-1 при окружной скорости 20 м/с. Высказывается предположение: по аналогии со шлифовкой металлов, когда окружные скорости вращения инструмента составляют 50-75 м/с, частота вращения буровой коронки может быть увеличена до 20000-30000 мин-1.

По данным фирм «Даймонд Боарт» (Бельгия), «Атлас Копко» (Швеция) и «Кри-стенсен» (США), окружные скорости вращения однослойных алмазных коронок, в зависи-мо-сти от твердости буримых пород, должны находиться в пределах 1-3 м/с. Широкое распространение импрегнирован-ных буровых коронок предопределило повышение окружных скоростей их рабочего вращения до 2-5 м/с. Однако такое увеличение не приводит к росту механической скорости бурения скважины без соответствующего повышения осевой нагрузки на буровой инструмент.

В свою очередь, отечественными исследователями [6] установлено, что при этом снижается эффективность разрушения пород в забое скважины, поскольку по экспоненциальному закону уменьшается углубление алмазов в породу. В результате интенсивность роста механической скорости проходки скважины снижается по мере увеличения частоты вращения коронки. Это было также установлено японскими исследователями, которыми рекомендована формула расчета механической скорости бурения скважи-

где k - эмпирический коэффициент, зависящий от свойств пород, осевой нагрузки и очистки забоя; n - частота вращения, мин-1.

В заключение следует отметить, что в реальных условиях рост частоты вращения бурового снаряда до оптимальных параметров ограничивается мощностью приводов буро-вых станков, прочностью и повышенным износом бурильных труб, потерями при передаче энергии от поверхностного генератора до горных пород забоя скважины.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:_

1. Иванов О.В. Исследование возможности использования твердости горных пород по штампу для оценки их сопротивления при бурении алмазными коронками [Текст]: / О.В. Иванов, В.Н. Горин // Методика и техника разведки. - 1972. - N 7. - С. 41-46.

2. Беляков В.И. Исследование упругих колебаний породоразрушающего инструмента [Текст]:/ В.И. Беляков, Г.А. Блинов, О.В. Иванов// ОНТИВИТР. - 1974. - С. 15-25.

3. ВладиславлевВ.С. Разрушение горных пород при бурении скважин [Текст]: учебник для вузов/ В.С. Владиславлев. -М.: Гостехтепиздат, 1958. - 252 с.

4. Иванов О.В. Дисперсионный анализ параметров режима бурения [Текст]: / О.В. Иванов // Методика и техника разведки. - N 83. - С. 74-80.

5. Блинов Г.А. Техника и технология высокоскоростного бурения [Текст]: учебник для вузов/Г.А. Блинов, Л.Г. Буркин, О.А. Володин и др. -М.: Недра, 1982. -408 с.

6. Кардыш В.Г. Техника и технология бурения геологоразведочных скважин за рубежом [Текст]: Учебник для вузов / В.Г. Кардыш, Б.В. Мурзаков, А.С. Окмянский. - М.: Недра, 1989. - 256 с.

7. Голиков С.И. Буровое оборудование фирм «Крелиус», «АтласКопко» и «Боррос» для геологоразведочных работ. Техника и технология бурения: организация производства [Текст]: / С.И. Голиков, Р.А. Онищин, Л.А. Шумов // ВИЭМС. - 1984.

«Горная Промышленность» №5 (135) / 2017 | 97