CC BY
19БУРЕНИЕ
УДК 622. 24. 04. 67
в.д. Буткин, д. т. н., профессор; А.в. Минеев, д. т. н., профессор, Сибирский Федеральный Университет
Опыт выбора и оценки стойкости шарошечных долот при эксплуатации
При обосновании рациональных типов шарошечных долот (ШД) для тех или иных условий эксплуатации одним из основных является показатель их стойкости. Его определение посредством проведения сравнительных промышленных испытаний ШД требует больших затрат времени и средств, так как для непосредственно самих испытаний необходимо значительное число долот, как это видно из приведенных данных таблицы 1, где а - доверительная вероятность; Е"х - требуемая точность среднего показателя; Кь - коэффициент вариации.
Основным фактором, определяющим объём испытаний, является изменчивость свойств горных пород, оцениваемая коэффициентом вариации (Кь).
В качестве интегрального показателя свойств горных пород в глубоком бурении используют обобщенный показатель буримости [1]:
D=3Afl0's.
(1)
является простой, удобный и универсальный коэффициент крепости, / предложенный профессором М. М. Про-тодьяконовым, который определяется по формуле
f = 5сж/10,
(2)
где 5сж - предел прочности породы на сжатие. МПа;
значение 8сж=10 МПа принять за /=1. Величина / имеет тесные коррекцион-ные связи с показателями производственных процессов:
(3)
где Ад - динамическая прочность пород, определяемая методом толчения; ас - показатель абразивности, определяемый методом истирания свинцовой дроби.
В горнодобывающей промышленности одним из наиболее распространённых интегральных показателей сопротивляемости горных пород разрушению в процессе проведения буровых работ
где Ар - удельная работа разрушения; V - скорость бурения; Zn - удельный расход режущих инструментов;
К1, К2, К3 - коэффициенты. В этом случае задача выбора рациональных типов ШД значительно упрощается при выявлении зависимости стойкости долот £д от коэффициента крепости /.
Зависимость данной функции -Еа(/) достаточно исследована в работе [2]. В результате обработки методом корреляции обширного количества опытных данных установлена зависимость стойкости ШД от коэффициента крепости пород, которая удовлетворительно описывается уравнением
«a=R//2,
(4)
где R - коэффициент, интегральный отражающий ресурс стойкости (уровень качества) ШД;
/ - коэффициент крепости пород по М. М. Протодьяконову.
Выборкой было охвачено 1433 показателя стойкости ШД в различных породах, коэффициент крепости которых изменялся от 3 до 20. Петрографический состав и физико-механические свойства пород и руд, в которых бурились скважины,были разнообразны. Причём в большинстве случаев свойства пород одного петрографического состава в пределах какого-либо месторождения непостоянны.
Параметры режима бурения ввиду конструктивных особенностей буровых установок также изменялись в широких пределах. Не оставались постоянными и степень отработки долот, характер их изнашивания и причины выхода из строя. Особенно резко на стойкость долот влияли неоднородность пород - кремнистые включения в известняках, жилы кварца, диабаза и других крепких и абразивных пород в сланцах, глинистые включения в известняках и доломитах, а также несоответствие ШД и пород (например, использование ШД типа Т и ТС для бурения в породах крепостью 12-16).
Несмотря на сложное взаимодействие и влияние многочисленных посторонних искажающих факторов, которые нельзя было учесть и устранить, кор-
Таблица 1. Потребное число долот для проведения испытаний
a
2 КОЭФФИЦИЕНТ ВАРИАЦИИ Kb
15 5-10 10-15 15-20 20-24 24-28 28-32
0,9 10 5 7 12 16 20 28
5 10 20 35 55 75 100
0,95 5 15 30 35 80 110 145
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 2 \\ февраль \ 2010
реляционные отношения Т1{// и ц для зависимости 4 приближаются к единице и составили соответственно 0,82 и 0,7. Это свидетельствует о том, что стойкость ШД на 70-80% зависит от крепости породы и только на 20-30% от прочих факторов, в том числе от конструктивного типа ШД и параметров режима бурения.
Л. И. Бароном и Л. Б. Глетманом на основании испытаний долот типа 243 - ОК в условиях Коунрадского и Оленегорско-го месторождений предложена зависимость износостойкости вооружения ШД от контактной прочности.
Ч:р р п ' к
(5)
где Lср - стойкость зубков ШД, м; Кр - коэффициент, учитывающий параметры режима разрушения; А,п - постоянные, величина которых зависит от конструкции и материала зубков;
Рк - контактная прочность породы; для оптимальных режимов рекомендуется принимать Кр=1.
При этом ими установлена чёткая корреляционная связь показателей контактной прочности с осредненными коэффициентами крепости /ср, выраженная уравнением.
Рк=6/с,
(6)
м
200
160
120
80
40
\о
. 1
____о ---
60
120
180
240
300
/2
рис. 1. Зависимость вида = R//l:р2 для Баженовского месторождения: 0 - опытные точки; 1 - кривая по уравнению = б793//ср2
Для формулы (5) при соответствии ШД типа ОК прочности породы авторы получили значения 11 = 0,56-0,66. Учиты-
вая это обстоятельство и сопоставляя формулы (5) и (6), можно прийти (при Кр=1) к формуле (4). В работе [3] приведены данные промышленного бурения на Баженовском асбестовом месторождении (Урал), полученные А. В. Кузнецовым. Была установлена фактическая стойкость 610 шарошечных долот диаме-
тром 216 мм с общей проходкой 59310 м скважин диаметром 220 мм. Выполненная нами обработка этих данных для долот типов Т, СТ и ТК, приблизительно соответствующих условиям применения, показана на рис. 1. Параметр R рассчитывается методом наименьших квадратов по выражению
0
СИБИРСКОЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ БУРОВОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ ООО НПО «СибБурМаш»
СФЕРА НАШЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ: исследование, разработка, изготовление и поставка бурового, нефтегазопромыслового и противовыбросового оборудования; научно-технические услуги и авторский надзор за вводом изделий в эксплуатацию, ремонт и обеспечение запчастями в течение гарантийного срока;
изготовление и поставка рукавов высокого давления; сервис по отбору и анализу изолированного и герметизированного керна;
технико-технологическое сопровождение работ по креплению вторых стволов, в том числе и горизонтальных.
-у'- кз ш/
— 1 ■ г — IИРт1 Е&г
я
БУРЕНИЕ
Таблица 2. Результаты обработки данных о стойкости ШД при промышленном бурении на Кия-Шалтырском карьере
№ п/п Тип долота Горная порода Коэффициент крепости /сР /2 1 /2 Средняя фактическая стойкость долота С^м расчетная стойкость долота, м «Эр Отклонение, %
1 244,5 - К Роговики, уртиты 8 - 12 Лр=10 100 0,01 952 896 5,8
2 244,5 - К Скарны, роговики, габбро 12 - 14 Лр=13 169 0,006 545 530 2,8
3 244,5 ОК Габбро 14 - 15 /ср=14,5 210 0,005 385 426 10,6
Е 0,021 1882
Примечание: средняя фактическая величина £е определена при числе испытанных долот от 7 до 66 шт.; расчетная стойкость определена по уравнению £э =89620/р.
(6)
Для использованных долот на Баженов-ском месторождении 1К=6793. Отклонения расчётных значений от фактических составили 10, 18,9 и 2,3%. Аналогичные по точности результаты получены при обработке данных шарошечного бурения на Кия-Шалтырском месторождении (таблица 2) при условии группировки пород по типам ШД, ориентировочно соответствующих горно-геологическим условиям проходки скважин.
Таким образом, уравнение £0=К//2 применительно к конкретному месторождению при соответствии типов ЩД условиям применения дает результаты, соответствующие I и II классам стабильности (точности) горнотехнических показателей и расчетов (коэффициент вариации 10-20 % и < 10%), считающихся в горном деле «практически точными» [4]. Применительно к различным регионам (при не вполне известных типах долот и режимах бурения) расчеты по формуле (4) соответствуют II и III классам стабильности (коэффициент вариации 30%), т. е. расчеты пригодны для укрупненных проектных расчетов, в
частности для определения количества долот для выполнения больших объемов буровых работ.
Полученные результаты позволяют выдвинуть гипотезу о том, что математическая зависимость (4) соответствует условиям эффективного (объемного) разрушения пород шарошечным долотом той или иной конструкции. Иными словами, позволяет определить соответствие типомодели ШД крепости различных пород.Теоретическую кривую ^К//2 для конкретного месторождения можно построить, определив параметр К по данным проходки скважин в легких или средней крепости породах долотом, показавшим наилучшие результаты. Для пород другой крепости, имеющихся на месторождении, рациональными будут те модели ШД, стойкость которых соответствует теоретической кривой. Абсцисса точки отрыва фактической кривой стойкости от теоретической дает ту предельную крепость пород, для которых механические условия разрушения будут рациональны. Значительное отклонение от теоретической кривой определяет необходимость использования ШД другого типа. Для конкретного месторождения усло-
вия выбора типа ШД по показателю стойкости можно приближенно представить выражением
гдр ■ /2 =
(7)
где -Едр - рациональная стойкость долота;
К - рациональное значение интегрального ресурса долота, соответствующее условию эффективного (объемного) разрушения породы шарошечным долотом той или иной конструкции.
В качестве 1Кр может приниматься его величина для типа ШД, показавшего наилучшие результаты при промышленном бурении горной породы известной, как правило, средней крепости. В условиях конкретного месторождения при накоплении достаточных статистических данных и тщательном учете крепости пород использование уравнения (7) облегчает задачи выбора долота, позволит в несколько раз уменьшить трудоемкость и длительность промышленных испытаний новых ШД, прогнозировать их стойкость и выполнять ускоренные расчеты показателей буровых работ.
Литература:
1. Спивак А. И., Потоп А. Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1986. 208с.
2. Буткин В. Д., Телешов А. С., Брюхов Б. Ф. Зависимость стойкости и расхода шарошечных долот от крепости горных пород // Горный журнал. 1965. №9. С 46 - 48.
3. Кузнецов А. В. Анализ стойкости шарошечных долот различных типов на открытых разработках. Сб. «Разрушение горных пород шарошечным инструментом. М.: Наука, 1966. С. 90 - 93.
4. Борденов П. В. Определение объема экспериментов при исследованиях, связанных с процессами разрушения горных пород. В ст. «Техника и технология разработки полезных ископаемых». Выпуск V. М.: Недра. 1966. С. 143 - 151.
5. Боровиков В. Н. БТАТШША. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. 2 -е издание. Спб.: Питер, 2003. 668 с.
10-й ПЕТЕРБУРГСКИМ МЕЖДУНАРОДНЫЙ
Главное событие отрасли
24-26 марта 2010
ВЫСТАВКИ
КОНФЕРЕНЦИИ
КРУГЛЫЕ СТОЛЫ
Тематика, программа и условия участия на официальном сайте:
www.forumtek.ru
Официальный спонсор
Тел.: (812) 320-9660 Факс: {812) 320-8090 Е-таМ: [email protected]
Выставочное объединение
