Оптимизация процесса бескернового бурения геологоразведочных скважин Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

при изменении коэффициента расхода </. идеальной круговой решетки профилен происходи! изменение циркуляции на входе а нес. По этой причине цдеадщ&я а)родинамическая характеристика вращающейся круговой решегки профилей е РЭР, н отанчие от линейной для классической круговой решетки профилей, имеет вид степенном функции, форма которой определяется се параметрами и геометрией РЭР.

Таким образом, применение РЭР позволяет добн п«ся существенного диапазона »вменений тэффнннента теоретического давления

вращающейся круювой решетки, что очень важно для шахтных центробежных вентиляторе^.

С учетом предложенных расчетов спроектирован радиальный энергетический регулятор РЭР 47-85 для газоотсасывающего вентилятора комбинированного проветрипания У ВЦГ-7 А [5). позволивший на 58 % увеличить глуби-

ну чкономнчного регулирования но сравнению с упрошенным направляющим аппаратом.

БИШЮГ РА<1»1 тяжий ап К.ТЖ

1. Иванов О II., Малченко В. О. Аэродинамика и пенгиляторы. Л.. Машшикяросиш:, 1986.280 с

2. Косарев Н //.. Микароо И. И Математ ические модели азролинамики ирашаюшихся круговых решеток аналитических профилей произвольное формы со струйпым управлением циркуляцией, научное издание. Екатеринбург Игт-во УГГУ, 2(Ю5 93 с.

3. Косаре* Н. П„ Макарон И. И Аэроднпамтас* иегпробежпых вентиля торой со струйным управлением обтеканием Н Изв. УГГУ. Вып. 22. 2007 С93-100.

4. Лойцмш кии л. Г. Механика жидкости и гам М: Наука. 1978.736 с.

5 Патент 2029!35(Россия). М.кл. F 04 D: 7/ 08. Центробежный вентилятор / В. Н. Макаров; таявл. 23.12.91; опубл. в Ь И. 1995. №5.

УДК 622.24.05.055

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА БЕСКЕРНОВОГО БУРЕНИЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Н. Б. Ситников. И. А. Бсрдов

flu основании математической модели Процесса бурения общего вида произведён анаши основных существующих показателей процесса бурения глубоких скважин самозатачивающимся породоразрушаю-шпм инструментом 11олупешме пывады проверены на конкретном примере, результаты проверки нодтвф-дшж все теоретические положения статьи.

Кчочевш-слом: математическая модель, параметры режима бурения, возмущения, ограничения, минимум удельных затрат. моторесурс нородоразрушаюшего инструмента, уравнение опта мал и. максимум проходки.

On the basts of mathematical model of general drilling processes analysis has been made of mam exisling Indications of drilling processes of deep boreholes by self-sharpening rock destruction instrument. Some conclusions made are checked on a concrete example, results of the cheeking were confirmed by all theoretical positions of the article.

Key words: mathematical model, parameters of drilling process, disturbance, limits, minimum of specific expenses, motor resource of rock destruction tool, optimal equation, maximum of drifting.

Проблема энергосбережения является актуальной во всех отраслях промышленности, в том числе в геологоразведочной при бурении разведочных скважин.

Существенный экономический эффект в этом случае может быть получен за счет режима бурения, оптимального по минимуму удельных (на один погонный метр скважины) jurpar электроэнергии.

Удельные затраты электроэнергии определяются следующим образом:

где

II

(I)

пе Q моторесурс породоразрушающего инструмента (ПРИ) - это энергия, необходимая для его полной отработки, Дж; Н- про*од-са на ПРИ. м; />- удельные энергозатраты. Дж/м.

Для оперативного управления процессом бурения более удобна дифференциальная форма выражения (1):

(2)

dH V di У где ;V - мощность, доводимая до забоя сква-лнны, В т; V механическая скорость бурения, м/ч.

Количество энергии, необходимое для разрушения забоя скважины за время di'.

d\V = Н di - М^ чу di,

гзс M¡v - момент трения. НЧм; ы - угловая скорость вращения ПРИ, рад/с. Момент трепля

1 2

гдеу^- коэффициент трения породоразрушающего инструмента по забою скважины; D -диаметр скважины, м; Р - осевое усилие, создаваемое на забой скважины. Н.

Износ породоразрушающего инструмента:

0-

где к - эмпирический коэффициент, D^ - средний диаметр ПРИ. м; I текущее время. Для полного износа долота:

Днгло/>-<'>-'Л=*-СЛ

А/^-Лр О*.

Время отработки породоразрушающего инструмента определяется следующим образом:

Р-0)

где

(3)

•-JL.

Показатель эффективности удельных энергозатрат определяем из выражения:

II

2-Кп

Jir .р И)

^2 Vç V0 '

где

Технологические параметры Р и О), оптимальные по удельным энергозатратам, не зависят от диаметра ПРИ и коэффициента трения, а величина самих затрат зависит. Таким образом, при бурении пород с неизвестными свойствами оптимальные (по энергозатратам) значения технологических параметров могут быть полутень! в абсолютных единицах, а эффект (л использования этих (южимов - в относительных единицах путем сравнения значений:

Ь = Ъ-щ й V,

Оптимальные по удельным энергозатратам значения технологических параметров определяются из системы уравнении:

— =0: dP

d<0

dP dVn

lid)

(5)

Если 'зависимость механической скорости бурения от режимных параметров аппроксимировал уравнением эдошштчссиого ачрэбо-нонда:

Р0(Л») = 00 + 2л,Р+2я2ю *

-»- 2а%Ргл г Од/*2 ♦ а5ш2. (6)

то можно получить уравнение оптимали (7). на графике которого расположены режимы, оптимальные по механической скорости оурения. но максимуму рейсовой скорости, минимуму стоимости проходки одного метра скважины п максимуму проходки на породоразру-шающий инструмент:

алРг + а,/' = а5со2 +а2и). (7)

гдеа^ «,. ау о, - эмпирические коэффициенты. {звисятпе от иородоразрушающет инструмента и свойств буримых пород.

При отработке алмазного (самозатачивающегося) нородорззрушаюшего ннстру мента при неизменных свойствах буримых пород, а также значений технологических параметров (Р = соп51 <о = сотш) проходка на коронку определяется из выражения

ПушЩч (*>

рейсовая скоросп. бурения:

(9)

стоимость прохолки олното метра скважины:

CjL

(Ю)

где Н - проходка на ПРИ. м: К0 механическая скорость бурения как функция технологических параметров У (осевое усилие) и (о(угло-вая скорость вращения ПРИ ). м/ч; Тл - время отработки ПРИ, ч; Г - рейсовая скорость бурения. м/ч; время вспомогательных операций, ч; д - стоимость проходки одного метра скважины (условных единиц на метр. у. еУм); С(1 стоимость пород оразру тающего инстру-мента. у. е.; С - стоимость одного часа работы буровой установки, у. е./ч.

Уравнение оптимали (7) может быть использовано для определения режимных параметров Р и локально-оптимальных по основным показателям процесса бурения: механической и рейсовой скорости бурения, а также стоимости проходки одного метра скважины и проходки на породоразрушающнЙ инструмент. Некоторые из »тих значений являются глобально-оптимальными по тому

или иному показателю. Из выражений (3) и (8) определяем проходку на ПРИ:

нЖ.

Р'»

(II)

Взяв производные от проходки H un технологическим параметрам Р и од. получим систему:

dP PW

dVi

dfo

0 P<ù-l'bP

P'<ù'

= 0

' dP

k-A»

dlù

02)

Сравнивая системы уравнении (12) л (5). можно убедиться, что они одинаковы. Таким образом, управление процессом бурения пи минимуму удельных энергозатрат и максимуму проходки на ПРИ обеспечивается при одинаковых значениях технологическим параметров и показателей процесса бурения Из системы уравнений (12) получаем уравнение оптимали:

(131

" dtû

Очевидно, что оптимальные значен»* технологических параметров по энергозатратам на один погонный метр скважины н проходке на ПРИ совпадают.

С помощью уравнении оптимали (7) mm ( J 3) можно выразить один параметр через другой Использование уравнения (7) позволяет определить режимные параметры Рим отимальные но проходке на ПРИ.

С этой целыо в систему уравнений (12) подставляем следующие зависимости механической скорости и ее производных оттехиоло I ических параметров Р и <о:

dV,

dP

2«, + 2i;-o) 2а АР:

dVt

dtû

Выполнив эту операцию, получим:

а0 + 2«20> * °5С>:: = :

иа^2ч\Р+илР2 - им1.

116i

Складывая уравнения системы (14). полу-

чим:

I

«id) I «,/* = () => Р =--[аоч аг(0\

«I

(15)

Приставляя значение Р в первое урзвне-системы (Í4U получим квадратное уравне-шносигельной угловой скорости вращения:

oqu¡ + 2a2af<a+■ú5ay(á2 = = а+ац + laifl га4(о+ а\а^ЬУ (16)

Значсиия технологических параметров Р .з (о. оптимальные по максимуму механической скорости бурения, можно определи ть из выражения (6). для чего необходимо от зависимости механической с корост бурения ш) взять частые производные по технологическим параметрам Р и со и приравнять их нулю:

W0(PM

dP WyiP, о»)

= 0". = 0:

fl2fl4-a3üt.

Oi " -

°>олгП,

A

2 *l7> rae A = íi3 -a4a5.

Методика определения оптимальные значений режимных параметров по показателям стоимости проходки одного метра сква-

жины и рейсовой скорости бурения состоит в следующем: осевому усилию, оптимальному гю проходке на ПРИ. добавляется величина Л/*но уравнению оптнмалн

+ <720)| ~ ) = 0.

Дня нового значения Р} = Р^ и - АР опре-цсаяеог ж&чекне «а/,.

Для полученных значений Р, и со, определяют время бурения Т.. по выражению (У). механическая скорость бурения но уравнению (.б), проходка на ПРИ по выражению (8),, стоимость проходки одного метра скважины но уравнению (10) и фиксируют полученный результат

Далее операция повторяется: Р. = Р1 -»■АР н т. д. Полученный при этом результат сравнивают: если «/, > «у:. то процесс повторяется.

После достижения результа та < </в,, его можно уточнить: с этой нелыо необходимо двигаться обратно с уменьшенным шагом: Р,.К*Р- ИО 'ДЛ затем Рл 210 'ЛР\\

Т. д.

Аналогичным образом определяют максимум рейсовой скорости.

В качестве примера приведем расчет оптимальных режимов для следующих горнотехнических условий: «0= 15,38; 5,9-10""; о,' 0.245; <1, = 2,9 10*; я, = 5.3108; а, = 4.1 • 10"4;

Показа гели процесса бурения i соло» Оразвсдочиых скважин

Глобально-оптимальные показатели режима бурення Глобаныю-ошимальные режимные параметры Оптимальнее оремя бурения Локачмю-опшмильные значения показателей режима бурсиия

V* = 2.66847 м/ч 8179 Н ttVpdV = 53.92 рз.г'с = 2^654 ч ГГ- 1.851 м/ч; //»6.045 м \q 17,78 у. е./м

ур *шх в 1.884 м/ч Р^-' 7298.65 Н <■>*«* = 52.92 рад'с г^ = 2,588 ч V -2.617 м/ч: // 6,776 м; ^-16,68 у.е./м

Яш* т i6.2 у. еУм /%«« = 6198 11 w^j v = 52.2 рад'с /^•3,1019ч И„-2,422 м/ч://-7.514 м; ^=1.4766 м/ч

//„,« - 8,103 м />w „ = 4238,9 Н 53,579 рал'с г,, = 8.1028 ч С,,-1,805 7 м/ч; //-8,1028 м; У/г* 1,4766 м'ч

В - МО6: с; - 52 у.с.; / = I ч.; С - 17 у.сУч.

[П

В таблице приведены результаты оптимизации процесса бурения геологоразведочной скважины но максимуму механической скорости бурения У„ пш = 2,668 м/ч. максимуму рейсовой скорости Ррггод = 1.884 м/ч. минимуму стоимости бурения одного метра скважины 16,2 у. е./м и максимуму проходки на ПРИ Н^- 8,103 м. Из таблицы видно, что с увеличением механической скорости бурения У, проходка на ПРИ уменьшается. Максимум проходки на ПРИ обеспечивается пр»' наименьшем значении осевого усилия, т. с породоразрушаюший инструмент следует

беречь. Следует отмстить, что оптимальные значения скорости вращения ПРИ по всем показателям практически постоянны, хот» время отработки ПРИ '¡\ в равной степени зависит от осевого усилия Р и скорости вращения породоразрушающего инструмента со.

БИШШОГВ\ФИЧБСКИЙ СЛИСОК

1. Козловский Е. А., Питерский П. А/.. Мура-шов С ф. Автоматизация управления 1сол«| оразье-дочным бурением, м.: Недра, 1991.198 с.

2. Ситников П. К. Использование математической модели общего вида для оптимизации процесса бурения самозатачивающимся инструментом // Изв. вузов. Горный журнал. 2002. № 2. С. 90-97,