Критерий поиска оптимальных условий разрушения горных пород при бурении Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622. 243

КРИТЕРИЙ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ

1 2 © В.В. Нескоромных , П.С. Пушмин

Сибирский федеральный университет, 660025, Россия, г. Красноярск, проспект газеты «Красноярский рабочий», 95.

2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предложен и обоснован критерий оптимизации процесса алмазного бурения скважин, устанавливающий связь крутящего момента и углубки за один оборот и отражающий закономерную тенденцию развития методов разрушения горных пород при бурении. Критерий может быть использован при разработке алгоритма управления процессом алмазного бурения.

Библиогр. 4 назв. Ил. 1.

Ключевые слова: алмазное бурение; эффективность бурения скважин; критерий оптимизации; разрушение горных пород.

CRITERION TO SELECT OPTIMAL CONDITIONS FOR ROCK DESTRUCTION WHILE DRILLING

V.V. Neskoromnykh, P.S. Pushmin

Siberian Federal University, 95 Gazety -Krasnoyarsky Rabochii" Ave., Krasnoyarsk, 660025, Russia. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The criterion to optimize diamond drilling of wells is proposed by the authors. It is proposed to set up connection of rotational moment and deepening per a turn, to reflect the tendency in developing rock destruction methods in drilling operations. The criterion can also be employed in working out the algorithm targeted to control diamond drilling.

4 references. 1 figure.

Key words: diamond drilling; efficiency of drilling holes; optimization criterion; rock destruction.

В работах по вопросам оптимизации процесса бурения рекомендуется комплексная оценка оптимальности процесса бурения следующего вида [1,

4]:

N

— ^ mm. (1)

v,.

Критерием (1) учитываются два основных показателя: затраты мощности на бурение скважины N и механическая скорость бурения vм.

Критерий N/vм^min по своей сути близок к требованиям идеального конечного результата (ИКР) работы технической системы, известной из теории

решения изобретательских задач (ТРИЗ), разработанной в своей основе Г.С. Альтшуллером, так как отражает требования к достижению максимальной механической скорости проходки скважины, то есть максимального результата при минимальных затратах энергии на процесс бурения [3].

Следует учесть, что при механическом вращательном бурении основная доля затрат энергии (порядка 80-90%) приходится на работу бурильной колонны и подачу через колонну очистного агента, и только малая доля энергии расходуется собственно на разрушение горных пород на забое. В этом случае

:Нескоромных Вячеслав Васильевич, доктор технических наук, профессор, тел.: 8(3952) 405737, e-mail: TTR_drin@istu.irk.ru

Neskoromnykh Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, tel.: 8(3952) 405737, e-mail: TTR_drill@istu.irk.ru

2Пушмин П.С., кандидат технических наук, доцент, тел.: 8(3952) 405737, e-mail: pps@istu.irk.ru Pushmin P.S., Candidate of technical sciences, Associate Professor, tel.: 8(3952) 405737, e-mail: pps@istu.irk.ru

становится понятным, что поиск оптимальных условий для механического бурения должен быть в первую очередь ориентирован в направлении оптимизации затрат энергии на работу бурильной колонны и только во вторую очередь может быть учтен процесс собственно разрушения породы на забое. Тем не менее, учитывая современные возможности буровых технологий, а именно использование забойных приводов и применение неразъемных колонн типа «колтюбинг», следует отметить существенную минимизацию затрат энергии на работу бурильной колонны.

Рассмотрим возможности оптимизации процесса бурения с точки зрения соответствия требованиям идеального конечного результата (ИКР) [3].

Учитывая, что мощность на бурение определяется из зависимости

Ы = Мр а

где Мкр - крутящий момент, Н м; а -

-1

частота вращения, мин , получим зависимость для расчета критерия управления (1) в несколько ином аналитическом виде:

акк НаЫпК ^ = —-+ Рf,

(3)

ж = ■

М -а

- кр

^ тт.

Основным преимуществом критерия Ж является возможность его измерения через параметры крутящего момента и механической скорости бурения. Этот критерий может использоваться для выбора породоразрушающе-го инструмента или даже классификации горных пород по буримости.

Крутящий момент определяется из зависимости

М = Я - F ,

кр т ?

(2)

где Я - средний радиус торца коронки, м; Ят - тангенциальное суммарное усилие на торце инструмента, определяемое как суммарное усилие сопротивления резанию-скалыванию породы, Н.

Тангенциальное суммарное усилие сопротивления резанию-скалыванию породы Ят (рисунок) определится из формулы [2]:

^ Уск

где И - глубина внедрения резца в породу, м;

а - ширина внедрившейся в породу части резца, м;

аск - предел прочности породы на скалывание, Па;

Ыр - число работающих на разрушение породы резцов на торце инструмента;

/- коэффициент трения торца инструмента о породу;

Р - осевая нагрузка, Н; К - коэффициент уширения борозды разрушения (К=1 для пластичных горных пород, К=1,5 - для хрупких горных пород);

уск - угол скалывания породы перед резцом, град.

. / Р ^ г 1

■у.1. % р > Л 1

Схема для исследования процесса разрушения горной породы алмазным резцом радиусом г

Ширина внедрившейся в породу части резца а определится из зависимости

а = , (4)

где ё - диаметр резца, м.

После подстановок (3) и (4) в формулу (2) получим зависимость для определения крутящего момента на забое скважины:

М р = Я

V 'ск у

Таким образом, рост крутящего момента, достаточный для сохранения углубки за один оборот, достигается в основном повышением осевого усилия Р, что приводит к росту глубины внедрения резца И (см. рис. 1).

V

м

Известно, что механическая скорость бурения определяется как произведение углубки за оборот ho6 и частоты вращения а: vM=ho6a. Поэтому критерий оптимизации «мгновенного характера», полученный из соотношения N/vM^min, можно выразить следующим образом:

ш MP W = —- ^ min.

ho6

Указанный критерий позволяет рассмотреть условия получения максимума углубки за оборот при минимуме крутящего момента на бурильной колонне при определенном значении площади забоя скважины. В этом случае возможно определение условий эффективной работы как бурильной колонны по минимуму величины крутящего момента, так и бурового инструмента по величине углубки за один оборот. В случае, если рациональная углубка за один оборот задана как величина постоянная, например, через параметр управления RPI компании Boart Longyear [4], критерий W может быть сориентирован на поиск условий эффективной работы бурильной колонны через минимум величины крутящего момента.

Учитывая, что углубка за оборот определяется как произведение глубины внедрения резца в породу h и числа работающих на разрушение резцов Np: ho6=hNp, получим формулу для расчета критерия W в следующем виде:

(

W = R

aCK4dhK , Pf

Л

+ -

sin/а

hN

(5)

р J

Из зависимости (5) следует, что минимизация параметра оптимизации критерия W возможна при следующих условиях: R^min; P^ min; f^ min; d^ min; h ^ max; Np^ max.

В то же время, глубина внедрения резца в породу h в первом слагаемом формулы (5) находится в числителе, а во втором - в знаменателе, то есть возникает некоторое противоречие, которое вполне устраняется тем, что в пер-

вом слагаемом степень влияния фактора h - а во втором слагаемом - 1.

Следует учитывать, что в балансе затрат мощности и усилий первое слагаемое занимает не более 10-20% общих затрат, а второе - 80-90%, поэтому, отметив, что более желательны по условию оптимального критерия мелкорезцовые и импрегнированные коронки (d^■mm, Np^max), представим искомый критерий оптимизации в более компактном виде:

р/

^ (6)

W = R-

Из зависимости (6) следует, что при бурении более оптимальны буровые инструменты меньшего диаметра, так как затраты мощности на бурение в этом случае будут меньше, а достигаемые скорости бурения - более высокими.

В то же время, между параметрами h и N имеется противоречие, так как повышение числа резцов неизбежно приведет к уменьшению их размеров, а соответственно и снижению глубины внедрения резцов в породу. Выявленное противоречие является любопытным с точки зрения создания новых типов бурового инструмента и отражает, очевидно, уже реально назревающий переход от инструментов механического типа к другим типам буровых наконечников, способным реализовать разрушение породы не механическим, а иным, например, термомеханическим способом или плавлением горной породы, например, лазером. В этом случае минимизация критерия W становится возможна также за счет снижения и последующего устранения таких параметров, как осевое усилие и коэффициент внешнего трения, поскольку эти параметры не являются необходимыми при реализации немеханических способов разрушения горных пород.

Выводы

1. Обоснован критерий оптимизации процесса бурения скважин, устанавливающий связь крутящего момента

и углубки за один оборот инструмента. Предложенный критерий может быть использован при разработке алгоритма управления процессом алмазного бурения.

2. Анализ полученного критерия оптимизации процесса бурения, учитывающий минимизацию величины крутящего момента, реализуемого при бурении с возрастающим значением углубки за один оборот, отражает закономерную тенденцию развития методов разрушения горных пород при бурении, согласно которой идеальное соответствие предложенному критерию оптимизации процесса бурения может иметь не механическое разрушение горных пород при бурении, а иные, в частности, физико-химические способы породо-разрушающего воздействия.

Библиографический список

1. Повышение эффективности колонкового алмазного бурения / Б.И. Воздвиженский [и др.]. М.: Недра, 1990. 208 с.

2. Нескоромных В.В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учеб. пособие. Красноярск: Изд-во СФУ, 2012. 297 с.

3. Нескоромных В.В., Рожков В.П. Методологические и правовые основы

инженерного творчества: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 304 с.

4. Нескоромных В.В., Пушмин П.С. Оптимизация в геологоразведочном производстве: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 161 с.

References

1. Vozdvizhenkiy B.I. Raising efficiency of diamond drilling. [Povyshenie effektivnosti kolonkovogo almaznogo bu-renia]. B.I. Vozdvizhenskiy, G.A. Vorob-jev, l.K. Gorshkov [et. al.]. Moscow: Nedra, 1990, 208 p.

2. Neskoromnykh V.V. Rock destruction in geological survey. [Razrushenie gornyh porod pri provedenii geologo-razvedochnyh rabot]. Uchebnik-Textbook. Krasnoyarsk: Publ.H. SFU, 2012, 297 p.

3. Neskoromnykh V.V. Methodical and legal foundation of engineering creative work. [Metodologicheskie and pravovye osnovy inzhnernogo tvorchestva] Neskoromnykh V.V., Rozhkov V.P. (Eds.). Irkutsk: Publ. H. ISTU, 2011, 304 p.

4. Neskoromnykh V.V. Optimization in geological survey. [Optimizacia v geo-logicheskom proizvodstve]. Uchebnik -Textbook by Neskoromnykh V.V., Push-min P.S., Irkutsk: Publ. H. ISTU, 2011, 161 p.

Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета В.В. Большаков