Научная статья на тему 'Оптимизация режимных параметров при бурении скважин упрочненным алмазным породоразрушающим инструментом'

Оптимизация режимных параметров при бурении скважин упрочненным алмазным породоразрушающим инструментом Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
918
149
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
бурение скважин / упрочнение бурового инструмента / механическая скорость / алмазная коронка / well drilling / hardening drilling tool / rate of penetration / diamond bit

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Рябчиков Сергей Яковлевич

Исследовано влияние режимных параметров на механическую скорость бурения при проходке скважин упрочненным алмазным породоразрушающим инструментом. Установлено оптимальное сочетание осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и его частоты вращения, обеспечивающее максимальную скорость бурения. Разработана методика определения поправочных коэффициентов для задания рациональных значений осевой нагрузки на упрочненный породоразрушающий инструмент.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Рябчиков Сергей Яковлевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The influence of operating parameters on drilling rate of penetration at hole boring by hardened diamond rock-breaking tool has been studied. Optimal combination of axial load on rock-breaking tool and its rotation frequency providing maximum drilling velocity was determined. The technique of determining reduction coefficients for setting rational values of axial load to the hardened rock-breaking tool was developed.

Текст научной работы на тему «Оптимизация режимных параметров при бурении скважин упрочненным алмазным породоразрушающим инструментом»

Технология и техника геологоразведочных работ

УДК 622.24.051.001.5

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН УПРОЧНЕННЫМ АЛМАЗНЫМ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМ ИНСТРУМЕНТОМ

С.Я. Рябчиков

Томский политехнический университет E-mail: kafedrabs@mail.ru

Исследовано влияние режимных параметров на механическую скорость бурения при проходке скважин упрочненным алмазным породоразрушающим инструментом. Установлено оптимальное сочетание осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и его частоты вращения, обеспечивающее максимальную скорость бурения. Разработана методика определения поправочных коэффициентов для задания рациональных значений осевой нагрузки на упрочненный породоразрушающий инструмент.

Ключевые слова:

Бурение скважин, упрочнение бурового инструмента, механическая скорость, алмазная коронка. Key words:

Well drilling, hardening drilling tool, rate of penetration, diamond bit.

Эффективность бурения скважин, особенно в крепких горных породах, в значительной степени определяется эксплуатационными показателями по-родоразрушающего инструмента (ПРИ) и рациональными технологическими режимами. Недостаточный ресурс ПРИ, отсутствие скоординированных режимных параметров ограничивают рост производительности и снижение стоимости буровых работ. Разработанные нами новые технологии объёмного упрочнения ПРИ, основанные на криогенном воздействии или радиационном облучении, позволяют повысить ресурс твердосплавного и алмазного инструмента в 1,3...1,8 раза [1, 2]. Очевидно, что для одних и тех же геолого-технических условий рациональные режимы бурения скважин ПРИ, имеющим различную износостойкость, должны отличаться. При определении рациональных режимных параметров бурения упрочнённым ПРИ использовались основные выводы и рекомендации, полученные нами в процессе теоретических и экспериментальных исследований влияния термического «удара» в области низких отрицательных температур и радиационного облучения малыми дозами гамма-квантов на эксплуатационные показатели твёрдос-плавного и алмазного ПРИ [3]. При этом оценка рациональных технологических параметров процесса бурения осуществлялась по двум направлениям:

• по критерию максимальной рейсовой скорости с учетом геолого-технических условий и эксплуатационных показателей упрочненного ПРИ;

• путём поиска рациональных значений осевой нагрузки на упрочнённый ПРИ и его частоты вращения, обеспечивающих максимальное значение механической скорости бурения скважин в конкретных горных породах.

Многие исследователи рекомендуют в качестве показателя для оптимизации процессов бурения максимум рейсовой скорости [4-6]. Реализация данного показателя за счет увеличения частоты вращения бурового снаряда до величин, когда он будет кардинально влиять на производительность работы, ограничен техническими возможностями (эксплуатационными показателями) как ПРИ, так и бурового оборудования. Кроме того известно, что сокращение затрат времени на какую-либо одну операцию, даже в несколько раз, не приводит к существенному повышению производительности. В работе [7] показано, в частности, что при 2.3 кратном увеличении механической скорости бурения производительность, при прочих равных условиях, будет увеличена не более чем на 30.40 %. Поэтому наиболее перспективной может считаться такая технология бурения, которая

Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 318. № 1

обеспечивает повышение всех основных показателей: углубка за рейс, механическая скорость бурения, износостойкость ПРИ, снижение времени на вспомогательные операции и т. д. Наиболее значимыми из перечисленных показателей являются механическая скорость бурения и ресурс ПРИ. Первый показатель в значительной степени определяется режимными параметрами бурения (осевая нагрузка и частота вращения), второй -износостойкостью используемого ПРИ.

В современных алмазных коронках, как правило, алмазы монтируются заподлицо с торцом матрицы или выступают на незначительную величину (до 5...8 % от размера зерен). Поэтому в процессе работы зазор между матрицей и забоем практически отсутствует или имеет очень небольшую величину, что затрудняет обеспечение нормального температурного режима на торце коронки. Работа алмазов и материала матрицы при этом сопровождается интенсивным механическим, физико-механическим и химико-механическим износом. При работе в таких условиях к износостойкости алмазов и, особенно матрицы, предъявляются повышенные требования.

Износостойкость любого материала характеризуется работой, которую необходимо затрачивать на изнашивание единицы его объёма [8]:

= -

А

АУ"

(1)

где - износостойкость, кДж/мм3; А - работа, затрачиваемая на изнашивание, кДж; АГ - абсолютный объёмный износ, мм3;

А = /ТИЬ,

АУ = ,

(2) (3)

где/Т - коэффициент трения; N - нормальная нагрузка, Н; Ь - путь трения, км; 8н - номинальная площадь контакта, мм2; Ж - износ изделия, мм.

Подставляя (2), (3) в (1), износостойкость можно определить следующим образом: = А

= ' (4)

Дальнейшие преобразования выражения (4), выполненные Н.В. Цыпиным [9], приводят его к следующему виду:

_ = 1тРЩ

(5)

где рт - давление на номинальной площади контакта, МПа, рт=^Зн; Жи - интенсивность изнашивания, мм/км, Жи=Ж/Ь.

Как видно из выражения (5), интенсивность изнашивания и алмазов, и матрицы в процессе работы коронки на забое в значительной степени зависит от нагрузки на инструмент. Интенсивность изнашивания композиционного алмазосодержащего материала будет тем больше, чем больше осевая нагрузка.

В начальный период работы у коронок без заданного выпуска алмазов последние обнажаются по мере износа матрицы и требуют обязательной приработки. Коронки с заданным выпуском алмазов могут производительно работать без предварительной приработки. В дальнейшем интенсивность изнашивания матрицы должна быть строго скоординирована с интенсивностью износа алмазов. Оптимальным соотношением этих показателей может быть равенство, предложенное в работе [9]:

К / = 1, (6)

где Жм, Жа - интенсивность изнашивания матрицы и алмазов соответственно.

Поэтому режимные параметры процесса бурения после приработки коронки должны подбираться таким образом, чтобы интенсивность изнашивания и матрицы, и алмазов были бы примерно одинаковыми. Ранее нами было установлено, что криогенная обработка и облучение малыми дозами гамма-квантов алмазных коронок приводит к повышению прочностных характеристик матрицы и качества закрепления алмазов [1]. В этом случае соотношение (6) будет нарушено. Из-за увеличения износостойкости матрицы, при прочих равных условиях, обнажение алмазов будет недостаточным для эффективной работы по разрушению горной породы. Будет нарушен шламовый режим под торцом коронки, что, в свою очередь, приведёт к непроизводительному износу алмазов. Для увеличения интенсивности изнашивания матрицы необходимо, в соответствие с уравнением (5), повысить осевую нагрузку по сравнению с принятыми нормами для данных геолого-технических условий. Повышение осевой нагрузки и некоторое снижение интенсивности промывки позволят компенсировать падение механической скорости бурения и непроизводительный расход алмазов.

В общем случае величина осевой нагрузки на коронку определяется прочностными характеристиками горных пород, величиной суммарной площади контактов объёмных алмазов с забоем, а также прочностными характеристиками самого ПРИ. Выбор рациональной осевой нагрузки на алмазную коронку и частоты её вращения определяется геологическими, техническими и технологическими факторами. Значения указанных параметров при бурении горных пород даже одной категории могут изменяться в достаточно широком диапазоне. Поэтому для конкретных геолого-технических условий необходимо иметь большой объём статистического материала, собранного при хроно-метражных наблюдениях при бурении скважин. На рис. 1, в качестве примера, приведена зависимость механической скорости бурения упрочнёнными при криогенной обработке алмазными коронками 01А3Д40К40 от осевой нагрузки и частоты вращения (усредненная категория горных пород по буримости - 9,2). Аналогичные зависимости получены при бурении горных пород X и XI категорий. Для построения поверхности отклика механи-

ческой скорости бурения была разработана методика, детальное описание которой приведено в работе [10]. Данная методика позволяет решить обратную задачу: по максимальному значению механической скорости бурения определить рациональные значения осевой нагрузки и частоты вращения для конкретной категории горных пород, типа и диаметра ПРИ. Расчётные значения параметров режима бурения корректировались с учётом результатов исследований, выполненных в производственных условиях.

Поиск рациональных значений основных режимных параметров бурения скважин с использованием теоретических расчётов и большого объёма хронометражных наблюдений показал, что повышенные эксплуатационные показатели ПРИ могут

быть реализованы для увеличения производительности и за счёт осевой нагрузки О, и за счёт частоты вращения п. В каждом конкретном случае величина максимальной механической скорости бурения омх является вершиной поверхности, называемой поверхностью отклика, которая строится в трёхмерном пространстве (О, п, омех) при оптимальном значении двух параметров О и п. Для удобства пользования поверхность отклика представляется в виде топографического плана. В системе координат О и п отмечают точки с известными значениями омех (среднее значение механической скорости бурения для каждой конкретной пары технологических параметров О, п). Точки равных механических скоростей соединяются изолиниями. В результате построения изолиний получа-

О,

даН

1200

1000

800

600

400

200

300

400

500

600

700 п, об/мин

Рис. 1. Зависимость механической скорости бурения ииех от осевой нагрузки в и частоты вращения бурового снаряда п: алмазные коронки 01А3Д60К40, диаметр - 76 мм; усреднённая категория горных пород - 9,2; интенсивность промывки -60...80л/мин

100 200 300 400 500 600 n, об/мин

Рис. 2. Зависимость механической скорости бурения от частоты вращения коронки: коронка 01А3Д40К40, 76 мм; горная порода - порфирит, усреднённая категория - 9,2; О - упрочнённые коронки; • - контрольные коронки

Выводы

1. Выявлены оптимальные значения режимных параметров бурения скважин породоразрушаю-щим инструментом с повышенными эксплуатационными показателями. Определены методические подходы количественной оценки рационального сочетания осевой нагрузки и частоты вращения бурового снаряда для получения мак-

симальной скорости бурения с использованием метода построения поверхности отклика в трехмерном пространстве.

2. Определены значения поправочных коэффициентов для оценки максимальной механической скорости бурения упрочненным алмазным по-родоразрушающим инструментом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рябчиков С.Я., Мамонтов А.П., Власюк В.И. Повышение работоспособности породоразрушающего инструмента методами криогенной обработки и радиационного облучения. - М.: Геоинформмарк, 2001. - 92 с.

2. Рябчиков С.Я., Власюк В.И., Спирин В.И. Объёмное упрочнение породоразрушающего и металлорежущего инструмента. -М.: Геоинформмарк, 2001. - 52 с.

3. Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Рябчиков С.Я. Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента. - М.: Геоинформмарк, 2006. - 140 с.

4. Сулакшин С.С. Разрушение горных пород при бурении скважин. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - 129 с.

5. Бурение разведочных скважин / под ред. Н.В. Соловьёва. - М.: Высшая школа, 2007. - 904 с.

6. Козловский Е.А. Оптимизация процесса разведочного бурения. - М.: Недра, 1990. - 304 с.

7. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Окмянский А.С. Техника и технология бурения геологоразведочных скважин. - М.: Недра, 1989. - 256 с.

8. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела: В 5-и т. - Томск: Поли-графиздат, 1963. - Т. 4. - 341 с.

9. Цыпин Н.В. Износостойкость композиционных алмазосодержащих материалов для бурового инструмента. - Киев: Науко-ва думка, 1990. - 191 с.

10. Рябчиков С.Я. Повышение износостойкости породоразрушающего инструмента различными физическими способами. - М.: МГП «Геоинформмарк», 1993. - 36 с.

11. Корнилов Н.И., Головин С.С. Современные тенденции в создании породоразрушающего инструмента // Новые технические средства для бурения геологоразведочных скважин: Сб. научн. трудов / под ред. Н.И. Исаева. - Л.: ВИТР, 1989. -С. 6-9.

12. Егоров И.С. Использование прогнозных формул механической скорости бурения в экспериментальных исследованиях // Разработка и совершенствование технологии алмазного бурения в сложных горно-геологических условиях: Сб. научн. трудов / под ред. В.С. Литвиненко. - М.: ВПО «Союзгеотехника», 1990. - С. 50-56.

Поступила 04.10.2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.