CC BY
17
УДК 622.243.272
СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРА ЗАКРЕПЛЕНИЯ НА ЗАБОЕ НИЖНЕЙ ЧАСТИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ПРИ АЛМАЗНОМ БУРЕНИИ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
1 2 3
Н.А.Буглов , А.В.Карпиков , П.С.Гриб
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены результаты экспериментально-теоретических исследований условий закрепления нижней части колонкового набора. Получены зависимости величины деформации колонковых наборов от типа алмазного инструмента, частоты вращения и осевой нагрузки в статических и динамических условиях.
Ил. 9. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: скважина; искривление; анизотропия; алмазное бурение.
THE RESULTS OF EXPERIMENTAL-THEORETICAL STUDIES ON ESTABLISHING CONDITIONS FOR FASTENING BOTTOM SECTION OF STRING WHEN USING SERIES DIAMOND BITS.
N.A.Buglov, A.V.Karpikov, P.S.Grib
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St, Irkutsk, 664074.
As results of experiment, authors were obtained the dependence deformation value of the sets on diamond bits, frequency of rotation and axial loading under static and dynamic conditions.
9 figures. 12 sources.
Key words: borehole; curve; anisotropy; diamond drilling.
Результаты наших производственных исследований по устойчивости колонковых наборов, приведенные в [7], позволяют сделать вывод о том, что их нижняя часть при эксплуатации стандартных алмазных коронок не имеет жесткого закрепления на забое скважины в процессе бурения. Основывается этот вывод на следующем. Если бы колонковая компоновка при плоской форме упругого равновесия имела указанную заделку по обоим концам, то, согласно основным положениям теории
деформируемых систем [2,3,4,5,6,7,8,9, 10,11], пики максимального износа ее поверхности или краски располагались бы у резьбовых соединений и по середине длины. А так как данный факт отсутствует, то, значит, и нет жесткого защемления нижней части колонкового набора на забое выработки.
Таким образом, из классических схем опор применительно к указанной выше части колонкового набора осталось рассмотреть только две - шарнирную и упругую.
:Буглов Николай Александрович - кандидат технических наук, проректор по учебной работе, тел.: (3952) 405090, e-mail: [email protected]
Buglov Nikolai - Сandidate of technical sciences, Vice Rector for Academic Affairs, tel.: (3952) 405090, e-mail: burenie @istu.edu
2Карпиков Александр Владимирович - кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952) 405090, e-mail: [email protected]
Karpikov Alexander - Candidate of technical sciences, Associate Professor, tel.: (3952) 405090, e-mail: [email protected]
3Гриб Петр Сергеевич - старший преподаватель, тел.: (3952) 405090, e-mail: [email protected] Grib Petr - Senior Lecturer, tel.: (3952) 405090, e-mail: [email protected]
При этом сразу необходимо отметить, что первая из них в процессе бурения вряд ли может иметь место при применении серийно выпускаемых алмазных коронок, так как для ее реализации необходимо, чтобы:
- торец породоразрушающего инструмента был выполнен в виде идеальной сферы;
- между рабочей поверхностью матрицы, армированной различными по форме алмазами, и забоем скважины, должны отсутствовать какие -либо силы сопротивления повороту оси коронки относительно оси скважины в вертикальной плоскости.
Итак, из всех известных из курса сопротивления материалов случаев закрепления концов стержней осталось проанализировать на возможность существования последний - упругой опоры.
При его наличии на отклонившуюся от прямолинейного положения нижнюю часть колонковой компоновки со стороны пары «алмазная коронка - горная порода» будет действовать забойный изгибающий (реактивный) момент, стремящийся вернуть её в первоначальное состояние [2], величина которого вычисляется из классического выражения [2,3,5,6,8,9,10,11]:
Мзаб. =ау,
(1)
где у - угол поворота оси нижней части компоновки относительно оси приза-бойного участка ствола скважины, град; а - коэффициент заделки пары «алмазная коронка - горная порода», даН* см*
(град)-1 .
В целях подтверждения гипотезы об упругом закреплении нижней части колонкового набора на забое скважины, а также качественной проверки формулы (1), в лабораторных условиях были проведены эксперименты по установлению влияния конструктивных параметров алмазных коронок на величину реализуемого ими забойного момента.
Данные работы выполнялись в буровом комплексе кафедры технологии и техники разведки МПИ Иркутского государственного технического университета на вертикальном стенде (рис.1), включающем в себя станок СКБ-4, бурильную трубу СБТ-33 длиной 1,5 м с наклеенными тензодатчиками типа ПКБ-100, колонковую трубу К-57 длиной 0,4 м и комплект измерительной и регистрирующей аппаратуры.
В качестве породоразрушающего инструмента использовались алмазные коронки диаметром 59 мм для обычного снаряда (02ИЗ,А4ДП) и комплекса ССК-59 (БС16, К-08 и К-09). Горная порода
Рис. 1. Схема вертикального тен-зометрического стенда
была представлена гранитом и мрамором соответственно IX и V категории по буримости.
Датчики ПКБ-100 соединялись в измерительной цепи по мостовой схеме, позволяющей снижать влияние температурной нестабильности на погрешность измерений. Два рабочих тензоре-зистора наклеивались в средней части бурильной трубы с диаметрально противоположных сторон плоскости изги-
ба. При этом один датчик работал на сжатие, а второй на растяжение, что приводило к удвоению сигнала её деформации.
К тензометрической станции ТО-ПАЗ-03 датчики подключались при помощи кольцевого многоканального то-косъёмного устройства. Компенсационные и масштабный резисторы располагались в разъёмной колодке тензостан-ции, питание которой осуществлялось при помощи лабораторного источника стабильного напряжения ТЕС-20.
Для регистрации исследуемого параметра использовался высокочастотный шлейфовый самописец Н-338-6П.
С целью повышения точности измерений бурильной трубе СБТ-33, имеющей жёсткое закрепление в ведущей штанге станка СКБ-4, обеспечиваемое специальным резьбовым соединением, была придана в месте расположения тензодатчиков первоначально малая остаточная деформация (7 мм), позволяющая ей изгибаться под действием внешних сил в одной плоскости при эксплуатации стандартных алмазных коронок. Данное мероприятие обеспечивало в процессе экспериментов адекватность условий взаимодействия реального колонкового набора и его модели с вышерасположенной бурильной колонной и забоем скважины.
Регистрация сигнала стрелы прогиба компоновки производилась в условных единицах, в связи с чем перед его рабочей записью осуществлялось масштабирование самописца при помощи тензометрической станции.
При анализе результатов измерений была принята рабочая гипотеза о том, что чем выше значение забойного изгибающего момента или коэффициента защемления, реализуемого конкретной алмазной коронкой, при равенстве прочих организованных факторов, тем
меньше величина деформации бурильной трубы СБТ-33.
Для повышения точности исследований, а именно исключения влияния на передачу осевого усилия на породораз-рушающий инструмент неравномерности движения шпинделя бурового станка, обусловленной рядом причин (кривизна штоков гидроцилиндров и др.), автороми с помощью ИСБ была построена на ленте самописца Н-338-6П кривая зависимости скорости его свободного хода при разных нагрузках (рис.2) от крайнего верхнего положения (А) до крайнего нижнего (Б).
Анализ графика позволил установить длину интервала постоянной скорости движения шпинделя (граб.), в пределах которого в дальнейшем и проводились эксперименты. После этого с использованием динамометра системы Токаря (предел измерений 0-3000 даН)
I I
Ход шпинделя
Рис.2. Кривая изменения скорости движения шпинделя станка при переходе из крайнего верхнего положения (А) в крайнее нижнее (Б)
на участке постоянной скорости перемещения была получена тарировочная кривая (рис.3), иллюстрирующая связь между фактическим осевым усилием на забой и показателями индикатора нагрузки станка СКБ-4.
Рис. 3. Тарировочная кривая зависимости осевого усилия на забой от показания индикатора нагрузки
На первом этапе исследований, реализованном на специальных забойных устройствах, были построены зависимости величины условной деформации компоновки от осевого усилия при шарнирном и жёстком закреплении её нижней части.
Анализ графического материала, представленного на рис. 4, показывает, что:
- при адекватности осевых усилий, поперечная деформация компоновки при шарнирном закреплении на забое всегда больше, чем при жёстком;
- в диапазоне продольных нагрузок 100-500 даН характер заделки нижней половины бурильной трубы СБТ-33 практически не влияет на значение стрелы прогиба;
- существенное различие в величинах условной деформации компоновки при шарнирном и жёстком закреплении её на забое имеет место при осевых усилиях свыше 500 даН.
На втором этапе исследований в статических условиях изучалось влияние конструктивных параметров алмазных коронок на значение стрелы прогиба бурильной трубы СБТ-33. Во всех случаях осевая нагрузка изменялась ступенчато с шагом 100 от 500 даН до
-1 Область существования
упругого закрепления нижнего конца компоновки на забое
Рис. 4. Зависимость величины условной деформации компоновки от вида закрепления ее нижней части
1100 даН. Каждый опыт повторялся непоследовательно пять раз с измерением требуемого показателя. Затем определялись средние величины деформации компоновки.
Приведённый выше план экспериментов выполнялся в следующей последовательности:
1. На жёсткой трубе прирабатывался весь перечисленный спектр породо-разрушающего инструмента на интервале 15 см при следующих параметрах режимов бурения: п= 280 об/мин; Р=1500 даН; р=19 л/мин, где п - количество оборотов снаряда, Р -осевое усилие на забой, Q - количество промывочной жидкости.
2. В забойном устройстве закреплялся блок гранита.
3. Выбирался тип алмазной коронки.
4. На жёсткой трубе отобранной коронкой производилось бурение новой скважины в блоке породы на глубину 7 см.
5. Между коронкой и ведущей штангой станка СКБ-4 устанавливалась бурильная труба СБТ-33 с токосъёмным
устройством и наклеенными тензо-датчиками.
6. Регистрировались показания условной деформации компоновки при варьировании осевого усилия.
7. Производилась замена породоразру-шающего инструмента.
8. Пункты 4-7 повторялись кратно числу типов алмазных коронок.
9. В забойном устройстве закреплялся блок мрамора.
10. Пункты 3-7 реализовывались кратно числу типов породоразрушающего инструмента.
На рис.5 и 6 представлены зависимости стрелы прогиба бурильной трубой СБТ -33 от типа алмазных коронок и осевого усилия соответственно в граните и мраморе, из которых видно, что: - нижняя часть колонкового набора имеет упругое закрепление на забое скважины; - конструктивные параметры породо-
f /
У/
500 600 700 800 900 1000 1100 Осевое усилие даН.
->н1 -жесткоезакрепление ь 1 - шарнирная опора -О-02ИЗ —^К-ОЭ
—I—К-08 — БС-16
—А4ДП
Рис. 5. Зависимость величины деформации компоновки в статических условиях от типа алмазных коронок и осевого усилия в граните
1 в 14
0
1 10
СП ^ 8
1. в
СП в
СП J
■=1 4
о
500 600 700 300 300 1000-1-100 О се Бое yen л и е. д а Н.
-к-1 - жесткое закрепление
-й-2- шарнирная опора
-Ö-32M3
-0-Ш
—I—К-08
нк-БС-13
Рис. 6. Зависимость величины деформации компоновки в статических условиях от типа алмазных коронок и осевого усилия в мраморе
разрушающего инструмента оказывают влияние на величину забойного реактивного момента (коэффициента заделки); - числовое значение забойного реактивного момента при одном и том же типе породоразрушающего инструмента определяется физико-механическими свойствами горных пород.
Анализ графиков также показывает, что один и тот же породоразрушаю-щий инструмент обеспечивает меньшую деформацию компоновки в мраморе, чем в граните. При этом её величина в обоих случаях возрастает, если алмазные коронки используются в следующем порядке: 02ИЗ, К-09, К-08, БС - 16 и А4ДП.
На последнем этапе исследований изучалось влияние конструктивных параметров породоразрушающего инструмента на значение стрелы прогиба компоновки непосредственно в процессе бурения гранита.
Их основной целью было выявление качественного отличия, если тако-
вое имеет место, в картинах величины деформации бурильной трубы СБТ-33 при её статическом нагружении и в процессе углубки скважины при эксплуатации одних и тех же алмазных коронок.
Перед началом данных работ была выявлена техническая возможность стенда как колебательной системы по реализации предполагаемых сочетаний независимых параметров (Р и п), функционирующей без резонанса. Проведённая оценка позволила исключить их опасные значения и составить конечный план экспериментов, который сводился к следующему:
1. Частота вращения всех коронок равнялась 435 мин-1 и 640 мин-1 , а осевое усилие изменялось ступенчато с шагом 100 даН от 500 до 1100 даН.
2. Расход промывочной жидкости оставался постоянным и равным 19 л/с.
3. Реализация каждого сочетания независимых параметров повторялась трижды и непоследовательно с целью снижения влияния неоднородности свойств породы в пределах блока с одновременным измерением механической скорости бурения и стрелы прогиба компоновки. Затем определялись средние величины этих показателей, по которым и строились необходимые графики.
4. Длина интервала проходки в каждом опыте составляла не менее 5 см и зависела в свою очередь от получения стабильной по высоте площадки механической скорости бурения на ленте самопишущего вольтметра Н-338-6П.
Последняя, по мнению авторов, являлась индикатором установившегося
процесса разрушения горной породы под торцом алмазной коронки.
Приведённый выше план исследований выполнялся в следующем порядке:
1. В забойном устройстве закреплялся блок гранита.
2. Выбирался тип алмазной коронки из числа тех, которые использовались
о -I------
500 600 700 800 900 1000 1100
Осевое усилие, дal I
- жесткое закреплен ие-в-2-шарнирная опора -о-02 ИЗ -г-К-09 -*-К-08 нк-БС-16 ---А4ДП
Рис. 7. Зависимость величины деформации компоновки в стендовых условиях бурения гранита от типа алмазных коронок и осевого усилия при n=640 об./мин
ранее при проведении второго этапа работ.
3. На жёсткой трубе, отобранной коронкой, забуривался ствол новой скважины на глубину 5 см.
4. Между породоразрушающим инструментом и ведущей штангой станка СКБ -4 устанавливалась бурильная труба СБТ - 33 с токосъёмным устройством и тензодатчиками.
5. Реализовывался план экспериментов.
6. В забойном устройстве заменялся блок гранита, если в этом была необходимость.
7. Производилась ротация алмазной коронки.
8. Пункты 2-7 повторялись кратно числу типов породоразрушающего инструмента.
На рис. 7-9 представлены зависимости стрелы прогиба бурильной трубы СБТ -33 от реализуемых в процессе экспериментов факторов, из которых видно, что:
- при алмазном бурении нижняя часть колонкового набора имеет упругое закрепление на забое скважины;
Шарнирная опоп^_——" дадп^^—--' ~~~ --'---" К-08 --.--
_.--- 0---'--"
Жесткое закрепление
Частота вращения , об/мин
Рис. 8. Зависимость величины деформации компоновки в стендовых условиях бурения гранита от типа алмазных коронок и частоты вращения при осевом усилии 1000 даН
о -I------
500 G00 700 800 90010001100
Осевое усилие. даН
-ч-1-жесткоезакрепление-я-2- шарнирная опора -О-02ИЗ -^К-09
—-К-08 -¡к-БС-16
—А4ДП
Рис. 9. Зависимость величины деформации компоновки в условиях бурения гранита от типа алмазных коронок и осевого усилия при n=450 об/мин
- независимо от частоты вращения и типа алмазной коронки, во всех случаях увеличение осевого усилия
приводит к росту стрелы прогиба компоновки;
- конструктивные параметры породо-разрушающего инструмента оказывают влияние на величину коэффициента их заделки на забое скважины в процессе её углубки;
- в стендовых условиях снижение частоты вращения компоновки способствует уменьшению стрелы её прогиба.
Следует также отметить, что реализованные на данном этапе исследования показали полную адекватность картины расположения кривых деформации компоновки при её статическом нагру-жении и в процессе бурения при использовании одних и тех же алмазных коронок.
Библиографический список
1. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Гостехиздат, 1953. 922с.
2. Буглов Н.А., Карпиков А.В., Скрип-ченко И. А. Исследование влияния технико-технологических факторов на распределение осевого усилия под торцом алмазной коронки // Труды ежегодной научно-технической конференции геологоразведочного факультета. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1993. С.71-76.
3. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. М.: Гостехиздат, 1959. 312 с.
4. Вольмар А.С. Устойчивость деформируемых систем. М.: Наука, 1972. 800 с.
5. Киселев В.А. Строительная механика. М.: Стройиздат, 1980. 615с.
6. Лейтес С.Ю. Устойчивость сжатых стальных стержней. М.: Гостехиз-дат, 1954. 286 с.
7. Новиков Г.П., Буглов Н А., Новожилов Б. А. и др. Основные принципы оптимизации параметров компоновок нижней части бурильной колонны при алмазном бурении геологоразведочных скважин в анизотропных породах // Техника и тех-
нология геологоразведочных работ; организация производства. Обзор / ВИЭМС. М.: Наука, 1990. 72 с.
8. Пановко Я.Г. Механика деформируемого твёрдого тела. М.: Наука, 1985. 287 с.
9. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твёрдого тела. М.: Наука, 1979. 744 с.
10. Ржаницин А.Р. Устойчивость равновесия упругих систем. М.: Госте-хиздат, 1955. 475 с.
11. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем. М.: Гостехиздат, 1955. 475 с.
12. Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. М.: Наука, 1973. 400 с.
Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, доцент Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета Г.В.Зверев
