CC BY
59
УДК 622. 243
МЕТОДИКА АНАЛИЗА СИТУАЦИЙ НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ ПО УГЛУБКЕ ЗА ОДИН ОБОРОТ АЛМАЗНОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
1 2 В.В. Нескоромных , П.С. Пушмин
'Сибирский федеральный университет, 660025, г. Красноярск, пр. им. газ. «Красноярский рабочий», 95.
^Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предложена методика анализа ситуаций на забое скважины по углубке за один оборот алмазного породоразрушающего инструмента. На основании предложенной методики проанализированы четыре основные забойные ситуации, сопровождающие процесс отработки алмазного инструмента. Выявлены управляющие воздействия для сохранения заданной и оптимальной углубки за оборот при эффективном разрушении твердых горных пород. Библиогр. 3 назв. Ил. 5. Табл. 1.
Ключевые слова: алмазное бурение; эффективность бурения скважин; критерии оптимизации; полный факторный эксперимент; методика автоматического управления.
PROCEDURE TO ANALYZE SITUATIONS AT DD WELL BOTTOM PER REVOLUTION OF DIAMOND ROCK CUTTING TOOL
V.V. Neskoromnykh, P.S. Pushmin
Siberian Federal University, 95 Prospectus named after Gazety "Krasnoyarsky Raboshy", Krasnoyarsk, 660025.
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article proposes a procedure to analyze situations at well bottom drilling deeper per a revolution of the diamond rock cutting tool. On the basis of the proposed procedure the authors analyze four major bottom hole situations accompanying diamond tool working off. Operating influences to preserve the set and optimum deepening per a revolution are revealed under effective destruction of firm rocks.
3 sources. 5 figures. 1 table.
Key words: diamond drilling; well drilling efficiency; optimization criteria; complete factorial experiment; automatic control procedure.
В исследовательских работах и практических рекомендациях по технологии механического колонкового бурения, в особенности алмазного, рассматривается углубка породоразруша-
'Нескоромных Вячеслав Васильевич, доктор технических наук, профессор, тел.: (3952)405737, email: TTR_drill@istu.irk.ru
Neskoromnykh Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, tel.: (3952)405737, e-mail: TTR_drill@istu.irk.ru
2Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952)405737, e-mail: pps@istu.irk.ru
Pushmin Pavel, Candidate of technical sciences, Associate Professor, e-mail: pps@istu.irk.ru, тел.: (3952)405737.
ющего инструмента за 1 оборот инструмента на забое (мм/об):
v
h = — Поб ■
а
где vм - механическая скорость бурения, мм/мин; а - частота вращения, мин-1.
Величина углубки за оборот является комплексным показателем, позволяющим косвенно рассматривать и оценивать физические процессы, происходящие на забое, в частности, реакцию породы на внедрение резца, а также поведение коронки, в том числе под воздействием таких управляемых параметров бурения, как осевая нагрузка, частота вращения инструмента в зависимости от физико-механических свойств породы и износа алмазных резцов.
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 котором не происходит заполирования алмазных резцов коронки. При нагрузках несколько выше означенных резцы чрезмерно загружаются в породу и разрушаются, не производя полезной работы.
Опытным путем установлено, что величина оптимальной углубки за один оборот для однослойной коронки должна составлять 2,5-10% диаметра алмаза d, т.е.
= (0,025 - 0,1^.
При алмазном бурении однослойными коронками известны рекомендации ВИТР по оптимальной величине
внедрения единичного алмаза h=0,01-0,08 мм/об. При углубке меньшей, чем 0,01 мм/об, наступает заполирование алмазов, при h>0,08 мм/об начинается повышенный их износ.
При управлении процессом бурения для каждого типа коронки как в ручном, так и в автоматическом режимах компаниями Atlas Copco и Boart Longyear рекомендуется рациональная частота вращения, выбор которой определяется по рекомендуемой линейной скорости перемещения алмазного резца в пределах 2-5 м/c. Параметрами управления являются усилие подачи и количество подаваемой на забой промывочной жидкости, которые должны обеспечивать определенную скорость проходки. Критерием оптимального управления алмазного бурения в данном случае является значение показателя RPI «число оборотов на сантиметр подачи»:
1
RPI = ■
h
o6
В табл. 1 приведены рекомендуемые параметры режима бурения импре-гнированными коронками типа a-bit компании Boart Longyear.
Например, при частоте вращения 1200 мин-1 и рекомендованной RPI скорость проходки должна быть 12-15 см,
Таблица 1
Параметры режима бурения импрегнированными коронками типа a-bit
компании Boart Longyear
Типоразмер коронки, мм Расход промывочной жидкости, л/мин Частота вращения, -1 мин Скорость бурения (см/мин) при RPI, об/cM Осевая нагрузка, даН
80 100
BQ - 59,6 23-30 1700 1000 700 22 13 9 17 10 7 900-2300
NQ - 75,3 30-38 1350 800 17 10 14 8 1400-2700
HQ - 96,1 38-45 1000 600 13 8 10 6 1800-3600
PQ - 122,6 68-87 800 600 10 6 8 5 2300-4500
тогда показатель ЯР1 составит 1200/151200/12 = 80-100. Эти значения ЯР1 соответствуют значениям углубки за оборот 0,125-0,1 мм/об. Указанные значения углубки за оборот считаются оптимальными для данного типа алмазных коронок.
Допускается в определенных условиях значение ЕР1, равное 50 (бурение малоабразивных пород средней твердости), что соответствует при рекомендованной частоте вращения углубке за оборот 0,2 мм/об.
+1 Р1
Ш1П
шеё
шах
Р2
74 | \Ум=2 м/ч 1 \ 1 \ 1 \ 1 N. \ум=3м/ч|
1 \ \ Ум=1 м/ч 1 \ 1 \ 1 \ 1 \ 1 1
-1
0
+1
-1
Частота вращения, мин
Рис. 1. Графическая интерпретация математических моделей на отклик Ум
Таким образом, основной интервал варьирования углубкой за оборот принят равным 0,1-0,125 мм. Существенно меньшие значения углубки могут быть связаны с заполированием алмазных коронок, а более значительные - с интенсивным износом коронок, образованием на их торце фасок и др.
Скорости углубки при заданной частоте вращения добиваются варьированием осевой нагрузки в заданных для данной коронки пределах, например, 900-2300 даН для коронки типоразмера
во.
Если при установленной частоте вращения (1200 мин-1) и варьировании осевым усилием и количеством подаваемого агента в заданных пределах не удается добиться рационального ЯР1, то
частоту вращения несколько снижают и уже устанавливают следующий уровень рациональной углубки, который соответствует рекомендованной ЕР1.
Важнейшим фактором при управлении процессом динамичного алмазного бурения является возможность прогнозирования и распознавания забойной ситуации, а именно определение режима разрушения горных пород с целью принятия верного решения по корректировке параметров управления. Это касается, прежде всего, автоматизированного управления процессом бурения при использовании современных компьютерных технологий.
Ьоб, м
Ь2
Ь1
к ш1п
/ к шеё
7 / / , / /
шах
// // к -►
Р1
Р2
Рос, даН;
Рис. 2. Зависимость углубки за оборот от осевой нагрузки и частоты вращения
Для анализа забойной ситуации на основании значительного многолетнего объема бурения на стенде в рамках лабораторных работ со студентами при изучении дисциплины «Разрушение горных пород при бурении» предложена методика поиска оптимальных условий на основе полного факторного эксперимента, которая основана на оценке влияния факторов на механическую скорость бурения и углубку за один оборот [3]. На основании данных бурения могут быть получены определенные математические модели процесса [2, 3], анализ которых производится в следующей последовательности.
Например, если в качестве факторов выбраны осевое усилие Р и частота вращения а, значит, для получения результата нужно иметь 4 опыта, продублированные для расчета критериев адекватности и сходимости опытных работ.
Для анализа модели процесса бурения уравнение регрессии воспроизводят в виде графиков равных скоростей в поле квадрата с вершинами (-Р; -а), (-Р; +а), (+Р; -а), рис. 1.
Для более детального анализа процесса разрушения породы при бурении строятся графики зависимости углубки за один оборот инструмента на забое в зависимости от осевой нагрузки при трех значениях частоты вращения. Для этого на графике рис. 1 выбираются 3 значения частоты вращения min, med, max и в точках пересечений с кривыми VM определяются значения Р.
Углубка за оборот инструмента на забое рассчитывается по зависимости
у
ho = м
60n
(1)
где п - частота вращения инструмента, мин-1; Vм - механическая скорость бурения, м/ч.
По результатам расчета ^в при соответствующем на графике рис. 1 значении Р строится график h = в виде представленного на рис. 2.
Анализ графиков, полученных при проведении работ по методике полного факторного эксперимента, позволяет выделить основные характеристики процесса разрушения пород при бурении.
Величина оптимальной углубки алмазных резцов зависит от их размеров, физико-механических свойств породы и параметров режима бурения -осевой нагрузки и частоты вращения.
На рис. 3, а дана зависимость углубки за один оборот от осевого усилия и частоты вращения, полученная экспериментально (см. рис. 1 и 2) на основании анализа модели процесса бурения. Анализ показывает, что величина
углубки за один оборот возрастает при повышении осевого усилия независимо от частоты вращения коронки как в интервале усталостно-поверхностного режима разрушения, так и в интервале объемного режима разрушения породы.
Зависимость углубки за один оборот от частоты вращения имеет более сложный характер. На интервале усталостно-поверхностного разрушения, когда осевая нагрузка не достаточна для объемного разрушения породы, большие значения углубки за оборот hy характерны для бурения на высоких частотах вращения, а равная углубка за один оборот по мере снижения частоты вращения достигается при более высокой осевой нагрузке (Р1, Р2, Р3 - рис. 3, а). Причины этого состоят в том, что режим усталостного разрушения связан с процессом снижения прочности и твердости породы вследствие циклически повторяющихся нагружений породы резцами, образования и развития многочисленных трещин в породе. Подобный режим нагружения при недостаточной для внедрения в породу резца нагрузке, естественно, будет более интенсивным в случае более высокой частоты вращения коронки, т. е. при более интенсивной смене циклов нагружения породы.
При определенной осевой нагрузке Рп (см. рис. 3) режим разрушения становится объемным, поскольку осевая нагрузка уже достаточна для внедрения резца в породу. При этом режиме разрушения большая углубка за один оборот достигается уже при меньшей частоте вращения, и по мере роста частоты вращения углубка за один оборот снижается.
Причины подобного механизма состоят в том, что при образовании борозды разрушения порода скалывается перед резцом по некоторой поверхности в направлении забоя (линия АБ на рис.
3, в).
а)
1
Рис. 3. Зависимость углубки за один оборот от параметров режима бурения (а) и схемы, поясняющие существо усталостно-поверхностного (б) и объемного разрушения породы (в, г)
Оптимальными условия разрушения породы будут в том случае, если скорость перемещения резца будет равна скорости образования трещины отрыва породы в направлении линии АБ.
При повышении частоты вращения скорость образования трещины отрыва породы перед резцом может отставать от скорости перемещения резца. Резец, испытывая повышенную сопротивляемость породы перемещению, - «всплывает», т.е. снижается глубина его внедрения в породу (рис. 3, г). «Всплытие» резца происходит ровно настолько,
насколько должна уменьшиться длина
* *
трещины отрыва А Б , а скорость поступательного перемещения резца
должна быть равной скорости образова-
**
ния трещины отрыва А Б . В этом случае будет выполняться следующее со-
отношение глубин борозд разрушения породы на забое: Ь0 <Ьо. При объемном разрушении породы равная углубка за один оборот Ь0 может быть получена при росте частоты вращения путем повышения осевого усилия (Р4, Р5, Р6 -рис. 3, а).
Таким образом, для поддержания рациональной углубки за оборот по мере повышения частоты вращения следует несколько повышать и осевую нагрузку. Режим корректировки значений осевого усилия при изменении частоты вращения коронки - одна из основных задач оптимизации при управлении процессом алмазного бурения.
При объемном разрушении горной породы возможны условия, при которых разрушение породы будет происходить наиболее эффективно. Для этого
необходимо, чтобы осуществлялась наиболее полная очистка забоя от шлам, и выдерживалось такое сочетание осевого усилия и частоты вращения, при котором скорость формирования трещины отрыва АБ (см. рис. 3, в) соответствовала бы скорости перемещения резца. То есть напряжения в ядре сжатия породы должны быть достаточными для эффективного скалывания породы передней гранью резца под действием касательных и растягивающих напряжений.
Условия разрушения ухудшаются при зашламовании забоя из-за недостаточного количества подаваемого к забою очистного агента. В этом случае при достаточной для объемного разрушения породы осевой нагрузке наблюдается режим, сходный с усталостно-поверхностным, при котором резцы коронки, повторно измельчая шламовую подушку, не могут создавать достаточных для эффективного разрушения по-
роды напряжений. В этом случае зависимость углубки за оборот от частоты вращения будет аналогична режиму усталостно-поверхностного разрушения, при котором большая углубка за оборот достигается при более высокой частоте вращения (рис. 4, а, б).
При чрезмерной осевой нагрузке наступает сложный режим термомеханического разрушения породы (рис. 4, в), который сопровождается термическим разупрочнением коронки, что может приводить к её разрушению. Разрушаются (трескаются, выкрашиваются) и изнашиваются, прежде всего, алмазные резцы.
Процесс разрушения резцов интенсивно происходит при более высокой частоте вращения, что сопровождается и более ощутимым снижением углубки. В начальный период термомеханического процесса разрушения породы
б о
т
о р
о б о а
з
а к
б у
гл Уг
а)
Зашламование забоя
шах ю шed т - ш1п ю
Термомеханическое разрушение
Объемное разрушение с пос. дующим зашламо-ванием при недостатке О
Ро
ле-
Осевая нагрузка, даН
б)
ш » тт » ш/Ш • •_
иишшшТшштиииМшн
в)
Рис. 4. Зависимость углубки за один оборот от параметров режима бурения (а) и схемы, поясняющие существо объемного разрушения при зашламовании забоя (б) и термомеханическом разрушении (в)
возможен резкий рост скорости проходки, который часто сопровождается падением мощности на разрушение.
Таким образом, возможен ложный сигнал о благоприятных условиях работы бурового инструмента, что усложняет выбор оптимальных параметров режима бурения.
Значение углубки за оборот можно представить в следующем виде [1, 2]:
N
V
к = — = ■
об . ^
со ЛУЬ а N
(2)
Поскольку — = М , где Мкр -
а
крутящий момент, то можно записать: М
(3)
коб =
кр
АР
Таким образом, в процессе регулирования показателей углубку за оборот поддерживают на оптимальном постоянном уровне путем повышения крутящего момента за счет регулирования
осевого усилия, частоты вращения и соответственно глубины внедрения резца в породу.
Как известно, при повышении осевого усилия и снижении частоты вращения глубина внедрения резца в породу возрастает. При повышении диаметра бурового инструмента оптимальная углубка за оборот поддерживается путем снижения частоты вращения и повышения осевого усилия (см. табл. 1).
Рассмотрим эти положения более детально (рис. 5).
Рис. 5. Схема для анализа внедрения алмазного резца в породу
Крутящий момент определяется из зависимости
Мкр = Я х ^, (4)
где Я - средний радиус торца коронки, м;
Гп - тангенциальное суммарное
усилие сопротивлению резанию-
скалыванию породы, даН, определяемое
из зависимости [1]:
ак„ ЬаЫ„К
" - + Р/, (5)
F = ■
sin YCK
где h - глубина внедрения резца, м;
a - ширина внедрившейся в породу части резца, м;
аск - предел прочности породы на скалывание (может быть приравнен к пределу прочности породы на растяжение), Па;
Np - число работающих на разрушение породы резцов на торце инструмента;
f - коэффициент трения торца инструмента о породу;
P - осевая нагрузка, даН; 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.
Ширина внедрившейся в породу части резца a определится из зависимости
a = 4dh, где d - диаметр резца, м.
После подстановок крутящий момент на забое определится из формулы
f
M р = R
к hjdhNK
v
Таким
+ Pf
J
рост
(6)
«П Гак
образом, рост крутящего момента, достаточный для сохранения углубки за оборот, достигается в основном повышением Р, что приводит к росту и Ь - глубины внедрения резца в породу. Рост осевого усилия на резец при сохранении углубки за оборот на прежнем уровне не требует повышения количества подаваемой на забой жидкости
для очистки забоя от шлама. В случае же роста углубки за оборот пропорционально должна быть повышена и подача очистного агента для эффективного удаления продуктов разрушения с забоя.
Выводы
1. Методика полного факторного эксперимента позволяет получать в процессе бурения модели, анализ которых на уровне процесса углубки за один оборот дает возможность по косвенным признакам - зависимостям углубки за оборот от частоты вращения инструмента при неизменных значениях осевого усилия и количества подаваемой на забой промывочной жидкости - оценить забойную ситуацию, связанную с особенностями разрушения горной породы, и принять соответствующие оперативные действия по регулированию параметров режима бурения в направлении их оптимальных значений.
2. По влиянию частоты вращения на углубку за оборот выделено четыре основные забойные ситуации, сопровождающие процесс отработки алмазного инструмента: усталостно-поверхностное разрушение, которое может сопровождаться заполированием резцов коронки; объемное разрушение, при котором возможен поиск оптимального значения углубки за оборот; за-шламование забоя; режим термомеханического разупрочнения и разрушения инструмента.
3. Данная методика используется при проведении экспериментальных работ и может применяться при автоматизированном управлении процессом бурения станками, оснащенными системами автоматизированного управления типа APC [1].
4. Управляющие воздействия для сохранения заданной и оптимальной углубки за оборот при объемном разрушении горных пород достигаются в основном повышением осевого усилия, что приводит к росту глубины внедрения резцов в породу. Рост осевого усилия на инструмент при сохранении
углубки за оборот на прежнем уровне не требует повышения количества подаваемой на забой жидкости для очистки забоя от шлама. В случае же роста углубки за оборот пропорционально должна быть повышена и подача очистного агента для эффективного удаления продуктов разрушения с забоя.
5. Снижение углубки за оборот при зашламовании забоя требует, прежде всего, увеличения подачи очистного агента; при снижении углубки за оборот вследствие термомеханического
разупрочнения и разрушения резцовой части коронки единственно верным решением может быть ограничение параметров режима бурения до значений, обеспечивающих эффективную отра-
ботку инструмента и реализацию заданной углубки за один оборот.
Библиографический список
1. Нескоромных В. В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учеб. пособие / В.В. Нескоромных. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. 297 с.
2. Нескоромных В. В., Пушмин П. С. Оптимизация в геологоразведочном производстве: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 164 с.
3. Нескоромных В. В. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: методические указания по выполнению лабораторных работ. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. 17 с.
Рецензент кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета В.Г.Заливин
