Механическая скорость бурения скважин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

прохождения вектора Р0 не выполняется. Учитывая сказанное, а также влияние входных параметров Ре и Я и других условий, рабочий орган будет совершать плоскопараллельные колебания, но траектория движения точек по длине РО будет различна в диапазоне от линейной траектории до эллиптической с изменением угла наклона большой оси эллипса со сменой знака. Траектория любой точки на РО подсистемы в заданный момент времени определяется выходными информационными параметрами хьуь 9«.

Выходной параметр Я' и Р„' определяет динамическую нагрузку, передаваемую системой ПГ на несущие конструкции. О степени совершенства системы виброизоляции и ударозащиты для зарсзонансных ВТМ судят по величине коэффициентов передачи

Р 1 1*1

Уп=Т~' к(7)

' О "тая

Синтезируемая система ПГ является одномгссной колебательной системой с зарезонансным режимом работы, наделенная диссипативными свойствами. В стандартном виде уравнение движения системы с одной степенью свободы в направлении оси у в линейной постановке имеет вид

У+ 0(/)/А/, (8)

где р2 - с/А/; 2п 3 к!М\ М- масса РО; с - коэффициент жесткости упругой системы; к - коэффициент демпфирования.

Система испытывает сложное динамическое нагружение

0(0-/>«(/) + $ (/Ж/), <*>

где РЖ) - гармоническое воздействие, развиваемое ВВ; ^ (/) - управляющая функция; /?(/) - ударное воздействие, определяемое условиями загрузки.

Таким образом, анализ технической системы ПГ, установление се свойств и динамических параметров определяется путем математического моделирования подсистем и процессов с увязкой технологических параметров системы (()„ »») четез показатели режима колебаний РО (Г, А, (о, рг а), в зависимости от входных параметров окружающей среды (Я, Рс, Ра).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Юдин А. В. Принципы систсмологии, особенности структурного анализа и функционирования карьерных транспортио-перегрузочных систем // Изв. вузов Горный журнал. 1992. № 9. С. 122-128.

2. Хубка В. Теория технических систем / Пер. с нем. М.: Мир. 1987. 208 с.

3. Учите.чь А. Д.. Гущин В. В. Вибрационный выпуск горной массы. М.: Недра, 1981. 232 с.

УДК.622.24.05.055

И. Г. Макаров, Н. Б. Ситников МЕХАНИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Зависимость показателя механическая скорость проходки ум от технолошческих параметров: расход промывочной жидкости Q, усилия на долото С (рис. 1), скорости вращения долота п (рис. 2) на месторождениях с различным геологическим строением имеет одинаковый вид. Это подтверждают исследования ученых,проводивших эксперименты в разное время [1, 2,4, 5].

И Ш с.й*

г,, об/мин

Рис. 1.

Рис. 2.

Однако функция механической скорости проходки у„ у разных исследователей отличается по виду [1,2, 4]. Объясняется это тем, что на механическую скорость влияет большое число различных факторов, учет которых без критической оценки их важности способен осложнить зависимость так, что она потеряет практическую ценность.

Факторы, которые могут влиять на механическую скорость проходки и на процесс бурения в целом, следующие: во-первых, конструкция и качество изготовления долота; во-вторых, физико-механические свойства породы; в-третьих, величина осевой нагрузки долота С и частота его вращения п; в-четвертых, количество промывочной жидкости @ и сс физико-механические свойства; в-пятых, скорость и направление струй, вытекающих из долота и омывающих забой и шарошки, и многое другое. Оперативно М01уг влиять на ход бурения следующие технологические параметры: усилие на долото С, скорость вращения лолота я, расход бурового раствора, омывающего забой

Разрушению породы при внедрении в нее резца предшествует упругое напряженное состояние в породе. Распределение напряжений, возникающих в породе, изучены теоретически и экспериментально [6, 7, 8]. Многие резцы, применяемые в породоразрушающем инструменте, по своему действию с породой на забое могут быть сведены к взаимодействию цилиндра, сферы, круглого и длинного плоского штампа с плоскостью, ограничивающей упругое полупространство (рис. 3).

Штамп, имеющий плоскую опорную поверхность, используется для определения твердости горной породы в лабораторных условиях по методу Л. А. Шрейнера, принятого в 1942 г. Принимая во внимание то, что Генки теоретически установил зависимость между прочностью породы при всестороннем сжатии р и прочностью при одноосном сжатии осж [6], запишем

Следовательно, прочность породы при всестороннем сжатии в 7,28 раз должна быть больше прочности при одностороннем сжатии, поэтому можно использовать выражения, полученные при разрушении породы в лабораторных условиях, с учетом коэффициента Генки.

Давление под штампом в месте соприкосновения с породой определяется как [6, 7]

где С - прикладываемая нагрузка, Н; 5 - площадь контакта, м:; а - радиус рабочей поверхности штампа, м.

р = (2я + 1) о,

'с* •

(1)

Рис. 3. Схема разрушения породы шарошечным долотом

В глубь породы давление распределяется неравномерно и определяется следующей формулой [6]:

Q

Рш =-=====, при г = 0. (3)

2яа^а2 -х2

Порода разрушается при достижении критического значения нагрузки Сжр, соответствующего первому скачку разрушения под штампом. Эта нагрузка характеризует критическое сопротивление породы проникновению штампа, то есть позволяет оценить твердость образца. При разбури вам и и породы ее твердость увеличивается в 7,28 раз согласно расчетам Генки. Работа упругой деформации под штампом вычисляется по формуле [6,7], Дж

где С«р - критическая нагрузка, Н; £ - упру1*я деформация, м.

Упругая деформация при одаагшоаним штампа [6, 7]

где ц - коэффициент Пуассона, для большинства горных пород находится в прелелах 0,2-0,4 [8), ц < 0,25; Е- модуль упругости, Па.

С учетом формулы (5) работа упругой деформации имеет вид [6, 7]

„ (6) Л™л 4 а-Е '

Выражение (6) справедливо для абсолютно упругого тела. Полная работа для упругопла-стичной породы [6, 7]

4 аЕ

где К - коэффициент пластичности упругопластичньх пород [7), 1 <К< 6.

Объем разрушенной горной породы Уш определяется по объему образовавшейся под штампом лунки. Порода под штампом разрушается в виде шара (7)

а2=х2 + у2+г2. (8)

Удельная объемная работа разрушения

Ауд= —= к 7 К=ги V ^ 'К. . (9)

уя Уш АаЕУш 4 ЕУШ

При бурении скважины удельная работа разрушения в 7,28 раз больше. Зависимость механической скорости бурения от скорости вращения долота п, характеристики породы и конструкции долота опрелелим следующим образом.

Первым шагом получим расстояние, пройденное долотом за один оборот,

И< (10)

п

Объем выбуренной породы за один оборот долота определяется по формуле

^ = (11)

где 5С„ - площадь сечения скважины, 5С„ - лЯ/, м2; Ая - радиус долота, м.

Приведем объем выбуренной породы за один оборот долота У1 к объему разрушенной породы одним зубом шарошки К,'

У1

(12)

З/ч

где т - количество зубьев, находившихся в соприкосновении

= (13)

ш

Ят - радиус шарошки, м; ц - количество зубьев одной шарошки. Тогда удельная объемная работа одного зуба

^ шсЫ

* аЕУ\

В результате математических преобразований выражения (14) получаем

С 2 Л/Ц? Р

где к - постоянный коэффициент

к ,,^-й2). Юл

(17)

В - коэффициент, зависящий от конструкции долота,

Э-

аЯд/?ш

О - коэффициент, характеризующий разбуриваемую породу,

К

(18)

Р =

ЕА

I

у*з

(19)

Но выражению (16) механическая скорость проходки у„ будет иметь вид (рис. 4), где скорость пропорциональна нагрузке на долото (? в квадрате и прямопропорционапьна скорости вращения п. Эту зависимость наблюдаем и на рис. 1 и рис. 2 (участки ОБ и ОД), где узеличение нагрузки на долото приводит к увеличению механической скорости по параболической кривой. При дальнейшем увеличении нагрузки С скорость возрастает с меньшей интенсивностью и при дальнейшем нагружении долота, скорость снижается. Такое поведение механической скорости проходки связано со степенью очистки буровым раствором забоя, характеристикой разбуриваемой породы, скоростью вращения долота п, влияние которой на механическую скорость у„ после точки А определяется теми же факторами и усилием на долото б.

Рис. 4.

Порода разрушается при достижении давлением штампа рш ее предела прочности р„. Зная предел по выражению (3), можно определить глубину ее разрушения

И =

2 пар.

(20)

где

И = у = \а2 - х2 при 2 = 0.

При незначительной нагрузке С углубление разрушения И будет меньше радиуса плоскости штампа а, лунка разрушенной породы будет иметь форму шарового сегмента. При достижении определенного значения усилия на штамп углубление будет равно радиусу (Л » а). Такая глубина И получила название критической, лунка будет в форме половины шара (см. рис. 3). Последующее увеличение нагрузки приведет к превышению углубления над радиусом соприкосновения (Л > а), форма лунки разрушенной породы в этом случае должна будет иметь форму усеченного шара, радиус которого больше радиуса плоскости соприкосновения нггампа а. На практике лунка имеет форму конуса с радиусом основания, значительно превышающим радиус поверхности соприкосновения штампа с породой. Это объясняется следующим. При достижении критической глубины Иц, в породе зарождаются микротрещины и при дальнейшем повышении нагрузки (Л > а) трещины разрастаются и, в конечном счете, выходят на поверхность. Именно поэтому форма лунки разрушения при И > Лц, имеет форму конуса.

Таким образом, при увеличении нагрузки на долото С до момента, когда углубление разрушенной породы под зубом долота не достигло критического значения (Л«р< а), механическая скорость увеличивается пропорционально квадрату нагрузки, при условии полного очищения забоя буровым раствором до разрушения последующими зубьями шарошки. В случае недостаточного расхода буровою раствора для полной очистки забоя механическая скорость продолжает увеличиваться, но с меньшей интенсивностью, поскольку осуществляется повторное разрушение разбуренной породы. Сразу следует оговориться, что расход Qy скорость вращения п и нагрузка на долото О - конечные величины. Следовательно, при каких-то значениях технологических параметров, забой не будет полностью очищаться за тот промежуток времени, когда один зуб шарошки вышел из соприкосновения с породой, а другой не развил критической нагрузки разрушения р„, поэтому функция у„=.ДС, п) будет всегда иметь вид, представленный на рис. 4.

Увеличение нагрузки выше значения, вызывающего критическое углубление лунки разрушенной породы (А > а), приводит к сколам крупных кусков породы, размеры которых могут превышать расстояние зазоров между шарошками. Крупные куски породы, превышающие этот зазор, нельзя удалить из забоя даже при достаточной промывке без дополнительного измельчения до тех пор. пока габарит этих кусков не уменьшится до межшарошечного зазора.

Факт дополнительного дробления шлама долотом на забое был установлен американскими учеными Уорреном и Шабарумом. Они определили зависимость дробления шлама в зоне завеса долота от скорости его вращения п, расхода промывочной жидкости () и размера частиц забойного шлама:

а) с увеличением скорости вращения долота в диапазоне 69-640 об/мин процентное содержание дополнительного раздробленного шлама возрастает по степенной зависимости с 10-15 % при п = 69 об/мин до 80-95 % при п = 640 об/мин;

б) с увеличением расхода жидкости с 3 до 10,5 л/сек процентное содержание раздробленного шлама уменьшается;

в) с увеличением размера частиц натурного шлама дробление его увеличиваете* по прямолинейной зависимости.

Из этого можно сделать вывод, что бурение при значениях технологических параметров (нагрузки С и скорости вращения п) выше значений, соответствующих точкам А, С и Б, Д, ведет к интенсивному износу породоразрушаюшего инструмента. Бурение с усилием на долото и скоростью вращения соответствующим значениям этих параметров в точках Л, Б, С и Д осуществляется с наименьшим износом долота, зависящим только от количества разбуренной породы и се абра-зивности, то есть бурение при этих значениях позволяет углубиться на максимальное расстояние одним долотом Ащ,,.

Значения технологических параметров, соответствующие экстремуму функций V. = /[С) и V* = Дп), соответствуют максимуму механической скорости проходки. Максимальная скорость проходки ур и минимальная стоимость одного метра скважины ц будут при значениях технологических параметров, находящихся в интервале между и у,,^ [2].

Выводы

Механическая скорость проходки v., имеет две зависимости функции v„ ДО') при п = const. Связанно это с расходом буровою раствора, конструкцией долота и нагрузкой на долото G.

Выражение зависимости механической скорости проходки v„ от нагрузки на долото G (16) верно только в том случае, когда после разрушения породы зубом породоразрушаюшего инструмента происходит полная очиегка забоя.

Для каждого соотношения таких параметров, как расход промывочной жидкости Q, конструкция долота, выражение (16) справедливо на участке ограниченного таким значением нагрузки G, при котором отсутствует дополнительное дробление шлама.

Зона повторного измельчения шлама функции v„ ■ ДС) мало изучена, поэтому определение влияния технологических параметров бурения, конструкции долота и характеристики разбуриваемой породы на механическую скорость проходки vM на этом участке актуальна и по сей день.

Принимая во внимание результаты предшествующих исследований [I, 2, 3) и учитывая пм воды американских ученых Уоррена и Шабарума о дополнительном измельчении шлама, второе выражение зависимости ДО") для данного участка можно представить в виде

v„ = БС: + ГС + Ж. (21)

где Б. Г, Ж - коэффициенты, учитывающие конструкцию долота, характеристику разбуриваемой породы и расход промывочной жидкости

Коэффициент Б должен быть всегда отрицательным, так как на участке повторного дробления шлама механическая скорость проходки изменяется по кривой в виде обратной параболы.

В точке экстремума выражения (21) будет максимум скорости проходки а в точке равенства обоих выражений (16) и (21) функции vM ДО*)

D

будет максимум проходки Л™, на одно долото.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лукьянов Э. Е. и ()р Геолого-тех не логические исследования в процессе бурения. М.: Нефть и газ,

1997.

2. Ситников //. Б. Моделирование и опт ими тация процесса бурения геологоразведочных скважин: Автореферат дисс.... на соискание ученой степени д-ра техн. наук. Нкатеринбур!. 2000.

3. Мельник Д. //. Влияние гидростатического давления бурового раствора на прочностные свойства пород (Повышение скоростей бурения на нефть и газ). 1980.

4. Погарский А. А. и dp. Оптимизация процессов глубокого бурения. М.: Недра. 1981.

5. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование. Екатеринбург, 2002.

6. Шамшев Ф А. и <)р. Технология и техника разведочного бурения. М.: Недра, 1983.

7. Калинин А. Г.. Левицкий А. 3. Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полетные ископаемые. М.: Недра. 1988.

8. Беликов В Г.. Посташ С. А Рациональная отрабо-ка и износостойкость шарошечных долот. М.: Недра. 1972.