Выбор рациональной частоты вращения

Выбор осевой нагрузки на коронку.

Для непосредственного управления процессом алмазного бурения в обеих методиках управления и по осевой нагрузке и по углубке за оборот начальные конкретные значения параметра выбираются для пары коронка-порода по рекомендациям в справочной литературе

Осевую нагрузку рекомендуется выбирать по выражению Сос = q·Sк, где q удельная нагрузка в Н на 1 см кв. рабочей площади (площадь кольца минус площадь промывочных ка- налов) торца матрицы коронки - Sк. Рекомендуемые значения q в зависимости от категории буримых пород приведены в табл. № 16

Таблица № 16

Категория пород	V – V1	V11 – V111	1Х	Х	Х1	Х11
Однослойные	q	0,4 - 0,6	0,6 - 0,8	0,8 – 0,9
Импрегнированные				1,0 – 1,1	1,2 – 1,3	1,4 – 1,5

При бурении однослойными коронками по мере износа режущей части резцов и увеличения площади контакта рекомендуется увеличивать осевую нагрузку для сохранения постоянной скорости углубки, т.е. для сохранения оптимальной глубины внедрения резцов – глубины резанья. При управлении режимом бурения максимальное значение осевой нагрузки, независимо от того задается ли она как параметр режима или получается как результат при управлении по углубке за оборот, необходимо учитывать не только забойные процессы (оптимальная глубина резанья) по и внешние факторы: прочность бурильных труб, возможность нежелательного искривления скважины при слишком больших нагрузках, возможность разрушения керна. Осевую нагрузку следует ограничивать (снижать на 30 – 50 %) при бурении в трещиноватых породах. Окончательный выбор и поддержание оптимальной или рациональной осевой нагрузки или углубки за оборот осуществляется с учетом всех этих факторов.

В отличие от твердого сплава алмаз обладает хорошей теплопроводностью и поэтому алмазные резцы в коронке успевают охлаждаться потоком очистного агента (жидкость или пена) даже при весьма высоких скоростях вращения. Известны примеры, когда бурение в гранитном блоке успешно проводилось алмазной коронкой при частоте вращения 12.000 об/мин. и экспериментальное бурение (на токарном станке) с частотой 40.000 об/мин.

Из выражения Vм = hоб ·n следует, что при неизменной величине hоб. механическая скорость бурения прямо пропорциональна частоте вращения – отсюда общий вывод – чем больше частота вращения, тем больше скорость бурения. Однако в реальных условиях бурения необходимо учитывать влияние и на забойные процессы и на работу бурового снаряда различных дополнительных обстоятельств. На забойные процессы т.е. на характер разрушения резцами породы оказывает влияние скорость движения резцов, в результате чего величина углубки за оборот и следовательно, скорость бурения при больших скоростях вращения может уменьшаться. Существуют две гипотезы, объясняющие эту зависимость:

Лыжный эффект - при движении резца со стороны сдвигаемой породы действует сила реакции под углом к горизонтали, которая раскладывается на горизонтальную и на вертикальную составляющие. (Рис 41а). При увеличении скорости движения вертикальная составляющая возрастает и резец как бы наезжает на породу, напоминая движение на водных лыжах, чем быстрее движется резец, тем больше поднимающая сила и тем меньше глубина внедрения резца в породу (такая зависимость была подтверждена опытным путем). Зная это явление, можно сохранить оптимальную скорость углубки, если по мере увеличения частоты вращения соответственно увеличивать осевую нагрузку, компенсируя выталкивающую силу.

Скорость деформации. Под действием осевой нагрузки резец не только внедряется в породу, но сжимает слой породы под резцом, в результате сжатия под действием тангенциальных деформаций в породе под резцом образуются трещины ослабляющие слой породы и облегчающие последующим резцам разрушать породу, т.е. происходит предразрушение породы на забое. Однако для того, чтобы образовались трещины предразрушения надо время, а если коронка вращается слишком быстро, трещины могут не успевать возникать, предразрушения не будет и следующему резцу будет труднее внедряться в породу, уменьшится глубина резанья и, следовательно, углубка за оборот (рис. 41б).

а. б.

Рис. 41

В некоторых случаях при бурении с большими скоростями в слабых породах при слишком больших частотах вращения очистной агент может не успевать очищать забой от частиц разрушенной породы и это тоже может послужить причиной уменьшения углубки за оборот.

Ряд исследований подтверждает убывающую зависимость углубки за оборот при росте частоты вращения. Рис. 42

Vокр

Рис. 42

Обычно в справочной и учебной литературе выбирать частоту вращения рекомендуют для коронок разного диаметра в зависимости от буримости, трещиноватости и абразивности пород от 300 до 2000 об/мин. или по окружной скорости вращения коронки от 0,6 до 3,5 и даже до 5,0 м/с. В трещиноватых породах рекомендуется снижать частоту вращения на 30 – 50% по сравнению с бурением в монолитных породах.

Кроме забойных факторов при выборе частоты вращения приходится учитывать внешние факторы, главными из которых являются возникновение вибрации,недостаточная мощность двигателя бурового станка, возможность обрыва бурильных труб. При бурении по трещиноватым перемежающимся и слабым породам повышенная частота вращения может привести к разрушению керна.

Выбор расхода очистного агента.

В качестве очистного агента для алмазного бурения чаще всего используется промывочная жидкость со смазывающими и понижающими прочность породы свойствами, т.е. эмульсии и полимерные жидкости. В определенных условиях рационально использовать при алмазном бурении пену. Попытки алмазного бурения с продувкой показали, что использование продувки для алмазного бурения в принципе возможно, но для обеспечения достаточного охлаждения алмазов нужно делать специальные коронки поэтому продувка в алмазном бурении не получила применения.

Расход очистного агента подаваемого на забой скважины должен обеспечивать охлаждение алмазов и своевременную очистку забоя. Практика показывает, что при хорошей очистке забоя охлаждение алмазных резцов вполне достаточно. Исследования показали, что существует минимальный расход очистного, после которого увеличение расхода не улучшает показатели бурения для однослойных коронок, а для импрегнированных коронок приведет к снижению скорости бурения, поскольку для процесса самозатачивания импрегнированной коронки надо, чтобы немного шлама оставалось на забое. Слишком большой расход промывочной жидкости может ухудшить показатели бурения за счет создания гидроподпора и увеличения самозаклиниваний керна. Рис. 43.

Рис. 43

Величина расхода очистного агента выбирается кроме обеспечения охлаждения резцов из условия выполнения двух основных задач – своевременная очистка забоя и вынос шлама по стволу скважины. Для алмазного бурения на первом месте стоит задача очистки забоя, поскольку бурение ведется в твердых породах коронками малых диаметров шлама сравнительно немного, он мелкий и площадь кольцевого сечения тоже мала, следовательно, даже при малых расходах скорость восходящего потока будет достаточной для выноса всего шлама. Обычно рекомендуется удельный расход промывочной жидкости в л/мин на 1 см. диаметра коронки, для алмазного бурения он равен от 2,5 л/мин./1 см. в самых твердых монолитных малоабразивных породах до 8 л/мин/см. в слабых зернистых, абразивных породах. Проверить достаточность расхода для выноса породы можно по рекомендуемой скорости восходящего потока Vвп = (0,15 - 0.3) м/сек.

8.5.2.4. Особенности технологии алмазного бурения.

Применение алмазного бурения в наиболее твердых породах, высокая стоимость алмазных резцов, чувствительность алмазов к ударным нагрузкам, малый размер резцов и зазора между матрицей и породой забоя, характер обнажения алмазных резцов по принципу самозатачивания обуславливает ряд особенностей:

1. Выбор коронки. Алмазное бурение особенно чувствительно к правильному выбору коронки. Для каждого вида и состояния пород можно подобрать наиболее подходящую коронку, некоторые зарубежные фирмы даже специально изготавливают коронки по образцам пород, в которых предстоит их использовать. Действительно, имеется десятки разновидностей пород, различающихся по своим свойствами состоянию, и десятки вариантов алмазных коронок, различающихся по типу, конструкции, твердости матрицы, сорту и размерам алмазов. Правильный выбор коронки для данных конкретных условий является важной технологической задачей во многом определяющей эффективность бурения.

2. Ресурсосберегающий подход. Учитывая высокую стоимость алмазов, расход алмазов на метр бурения составляет значительную часть себестоимости бурения. Следовательно, при разработки рациональной технологии алмазного бурения, особенно в самых твердых, абразивных, трещиноватых породах, наряду с достижением максимальной производительности необходимо стремиться и к минимальному расходу (износу) алмазов

3. Чистота забоя. Нельзя спускать в скважину алмазную коронку, если на забое оказались осколки твердого сплава (например, после бурения твердосплавной коронкой или долотом с твердосплавными зубками или штырями), осколки металла и даже осколки керна твердых пород. Во всех этих случаях забой должен быть тщательно очищен специальным инструментом или коротким рейсом со старой алмазной коронкой с большой промывкой.

4. Приработка коронки в начале бурения. У всех импрегнированных коронок и у однослойных коронок без заданного выпуска алмазов, алмазы не выступают из матрицы, и чтобы началось бурение коронка 10 – 15 минут при минимальных значениях осевой нагрузки и частоты вращения трется о породу забоя пока не износится матрица и алмазы выступят на оптимальную величину, после чего начинается нормальное бурение, и параметры режима доводятся до рабочих величин.

5. Контроль наружного диаметра коронки и поддержание диаметра скважины. Поскольку алмазное бурение ведется в основном в твердых и очень твердых породах, стенки скважины почти не разрушаются и диаметр скважины почти точно равен диаметру коронки. В процессе бурения коронка изнашивается не только по торцу, но и по наружному диаметру, хотя и на десятые доли миллиметра, но в твердых породах это может привести к тому, что следующая коронка с размером большим в несколько десятых мм. может застрять с суженной части скважины и тогда придется долго и осторожно разбуривать подрезными алмазами стенку, а если спускать снаряд неосторожно, то при вхождении коронки в сильно зауженную часть скважины ее матрица может быть сломана (раздавлена). Поэтому на буровых, где ведется алмазное бурение, обязательно имеется штангенциркуль или прибор «индикатор диаметра коронок» Новую коронку спускают в скважину только если ее диаметр не больше диаметра поднятой из скважины коронки. Для предотвращения износа коронки по наружному диаметру и «конушения» скважины над коронкой в колонковый набор включают алмазный расширитель.

6. Поскольку при вращательном бурении для передачи вращения с поверхности от бурового станка на коронку на забое используется колонна бурильных труб, к сожалению, имеющая часто изгибы, несоосность резьбовых соединений, неравномерный износ стенок и другие дефекты, ось бурильной колонны отклоняется от прямой линии, центр тяжести смещяется и при вращении возникают центробежные силы, пропорциональные частоте вращения. При небольшой частоте вращения (до 300 – 500 об/мин.) эти силы не очень велики и колонна либо не прижимается к стенкам скважины, либо прижимается не очень сильно. Но с увеличением частоты вращения прижатие труб к стенкам скважины резко (в квадратичной зависимости, вспомните формулу центробежной силы!) возрастает, за счет чего возникают релаксационные колебания, колонна начинает вращаться рывками, т.е. возникает ВИБРАЦИЯ! Дополнительным источником вибрационных колебаний может быть неравномерность разрушения породы на забое. При вибрации резко возрастают динамические (ударные) нагрузки, как на коронку, так и на бурильную колонну, что приводит к разрушению алмазов, так и самих бурильных труб. Прим возникновении вибрации бурить практически не возможно. Алмазное бурение наиболее эффективно как раз на больших оборотах, поэтому борьба с вибрацией является важной особенностью алмазного бурения. Борьба с вибрацией является важным вопросом в технологии алмазного бурения, в данном курсе приведем лишь главные направления:

1. Применение высококачественных бурильных колонн, постоянный контроль за состоянием труб и их соединений, своевременная отбраковка искривленных и изношенных труб и соединений, селективная сборка колонн на трубных базах.

2. Обязательное использование очистных агентов со смазывающими свойствами.

3. Выбор и поддержание параметров режима бурения (осевая нагрузка, частота вращения), не вызывающих вибрацию,

4. Выбор и применение алмазных коронок, обеспечивающих наиболее равномерное разрушение породы и не имеющих геометрических дефектов, вызывающих генерацию колебаний.

5. Применение механических забойных амортизаторов между бурильными трубами и колонковым набором - в настоящее время практически не применяются.

7. Главная особенность алмазного бурения в том, что именно при алмазном бурении в твердых породах наиболее эффективно применять управление процессом бурения по задаваемой величине углубки за оборот! (что описано выше).

Дата добавления: 2014-01-07