Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород

Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к бурению скважин и позволяет повысить эффективность бурения за счет уменьшения износа породоразрушающего инструмента. Для этого в процессе бурения скважины осуществляют регулирование параметров режима бурения. В зависимости от проходимых пород изменяют осевую нагрузку, скорость вращения и подачи промывочной жидкости. Осуществляют контроль мощности и механической скорости бурения. Одновременно производят регистрацию крутильных колебаний породоразрушающего инструмента. При их возникновении увеличивают скорость подачи промывочной жидкости, что приводит к уменьшению осевой нагрузки. Одновременно увеличивают скорость вращения породоразрушающего инструмента. Указанные операции переводят породоразрушающий инструмент в режим равномерного вращения. 4 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Е 21 В 44/00

ГОСУДАР СТ В Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4435221/31-03 (22) 03.06.88 (46) 15,12.90. Бюл. № 46 (71) Московский геологоразведочный институт им. Серго Орджоникидзе (72) Г,А.Воробьев, С.А.Вареца, Б,А.Новожилов, Г.С,Садыков. М.А.Пуховская и С,B.Ëàïтев (53) 622.29 (088.8) (56) Суманеев Н,Н. и др, Способы снижения вибрации при алмазном бурении. — Разведка и охрана недр, 1965, ¹ 12, с. 23- 25.

Авторское свидетельство СССР № 1245688, кл. Е 21 В 44/00, 1985. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ГОРНЫХ

ПОРОД (57) Изобретение относится к бурению скважин и позволяет повысить эффективность

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при регулировании процесса бурения скважин алмазным породоразрушающим инструментом.

Цель изобретения — повышение эффективности бурения за счет уменьшения износа породораэрушающего инструмента.

На фиг. 1 представлен график обобщенного вида областей существования различных режимов работы алмазной коронки в пространстве параметров осевой нагрузки и частоты вращения; на фиг. 2 — экспериментально полученная характерная непрерывная кривая изменения скорости бурения и 1 з кривая изменения отношения и граУ мех. ницы режимов Rig от осевой нагрузки: на фиг. 3 — устройство датчика крутильных колебаний; на фиг. 4 — разрез А-А на фиг, 3.

„„Я „„1613592 А1 бурения за счет уменьшения износа породоразрушающего инструмента. Для этого в пдоцессе бурения скважины осуществляют регулирование параметров режима бурения, В зависимости от проходимых пород изменяют осевую нагрузку, скорость вращения и подачи промывочной жидкости. Осуществляют контроль мощности и механической скорости бурения. Одновременно производят регистрацию крутильных колебаний породоразрушающего инструмента. При их возникновении увеличивают скорость подачи промывочной жидкости, что приводит к уменьшению осевой нагрузки. Одновременно увеличивают скорость вращения породоразрушающего инструмента. Указанные операции переводят породоразрушающий инструмент в режим равномерного вращения. 1 ил., 1 табл.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В процессе бурения скважины рабочий торец инструмента путем микрорезания разрушает породу. При этом исследования, проведенные с помощью скоростной киносьемки, работы алмазного инструмента при. бурении специального блока из оптического стекла, близкого по своим свойствам к горным породам Ч!1! — IX категории по буримости, показали, что в зависимости от параметров режима бурения могут быть выделены три режима вращения алмазного породоразрушающего инструмента, которые характеризуются зависимостью 0 б — =f(t), or c где м б — угловая скорость вращения коронки;

1613592

m с — задаваемая вращателем угловая скорость, 1, Режим равномерного вращения (И г ): щб 1

Шс

2. Режим крутильных автоколебаний 2го рода (Rtz ):

0 б >О с

3. Режим крутильных автоколебаний 1ro родэ (Мг ): — >О.

®с

Полученные результаты приведены в таблице, Они позволяют дать предварительную классификацию режимов работы алмазной коронки на забое скважины.

Можно выделить два принципиально отличных режима бурильных колонн: Ф г— множество форм движения сечений бурильной колонны со скольжением по стенкам скважины (режим скольжения), и Фз — режим, характеризующийся качением части сечений или всей колонны по стенкам скважины (режим качения).

Работа алмазной коронки при движении бурильной колонны в режиме качения (Фз) определяется режимом работы колонны и характеризуется разработкой ствола скважины; динамическим (ударным) нагружением подрезных алмазов, динамическим нагружением (вплоть до отрыва коронки от забоя) объемных алмазов, что связано с автоколебательным характером движения снаряда к забою; равномерным вращением коронки вокруг собственной оси, При работе алмазной коронки, on ределяемой качением снаряда, забой покрывается сетью трещин, интенсивно развиваются трещины в столбике керна, уменьшается его диаметр, что через малый (несколько секунд) промежуток времени с момента начала возбуждения качения приводит к заклиниванию и срыву керна, т.е. к необратимому нарушению технологического процесса бурения.

Полученный материал с учетом ранних результатов позволяет характеризовать данный режим работы алмазной коронки на забое скважины как недопустимый для нормального хода процесса бурения.

Работы проводили на горизонтальном стенде, представляющем собой натурную модель скважины протяженностью 50 м. Киносъемку проводили со стороны забоя, что при просмотре киноматериалов позволило наблюдать работу алмазов, процессы образования и удаления шлама, формирование

55 поверхности забоя и дать кинематику движения алмазной коронки, Влияние массы бурильных труб на результаты экспериментов незначительно, так как эксперименты проводили при частоте вращения свыше 400 об/мин, а при этих частотах увеличиваются силы инерции, Обнаруженные в процессе исследований режимы вращения алмазного инструмента проверяли на вертикальном стенде с помощью специальных снарядов, позволяющих работать коронке в равномерном режиме и в режиме крутильных автоколебаний, На основании полученных результатов исследований построена диаграмма областей устойчивости различных режимов вращения алмазного инструмента в координатах n-P (фиг, 1), где n — частота вращения бурового снаряда, об/мин; P— осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, даН.

Область существования режима вращения Я1г характеризуется равномерным вращением алмазного инструмента вокруг оси скважины беэ остановок и ударов. Обеспечение равномерности вращения позволяет при неизменных параметрах режима бурения увеличить механическую скорость бурения. В этом режиме величины вб им.шб равны, поэгому — = 1, . шс

Область режима вращения R>g является весьма узкой и характеризуется высокочастотными крутильными колебаниями, падением механической скорости бурения и повышеннь;м износом матрицы породоразрушающего инструмента. B этом режиме угловая скорость вращения инструмента ниже угловой скорости, задаваемой вращаreneM станка. Происходит некоторое торможение вращения инструмента и его ускорение. Это ведет к образованию вибрации nа инструменте, но остановки в этом шб режиме отсутствуют, поэтому ) О, . > с

Область режима вращения Р4 характеризуется крутильными колебаниями с остановками и ударами инструмента о забой, повышенным износом инструмента и увеличением механической скорости бурения, В этом режиме наблюдаются ударные нагрузки на инструмент иэ-за его остановок на забое. Остановки алмазного инструмента обусловлены скоплением спрессованного шлама под торцом матрицы и увеличением за счет этого тормозного момента. В момент остановки инструмента угловая скорость соб равна О, а угловая скорость а, — задан1613592 ной скорости вращателя. После остановки алмазный инстурмент вращается с ускорением до определенного момента и снова останавливается. Практически время остановок и время вращения алмазного инстру- 5 мента приблизительно равны, поэтому

Шб величина отношения — О, Ид

Исследование влияния параметров режима бурения на возникновение того или 10 иного режима работы алмазной коронки (R12 ) Для фиксирования пары порода ко1 ронка различных компоновок бурового снаряда показали: увеличение осевой нагрузки (п = const, 15

Q = const) приводит к изменению режима работы алмазной коронки по цепочке

R 12 Р 12 + В 12

1 2 3, рост частоты вращения (P = const, 0 = const) ведет к изменению режима работы алмазной коронки по цепочке R 12 R;z - R 12

3 2 1

В проЦессе исследований изучено влияние расхода промывочной жидкости на изменение режима работы алмазной коронки, которое обусловлено механизмом "потери" осевой нагрузки вследствие "гидроподпора". Увеличение скорости подачи промывочной жидкости снижает осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент. Таким способом можно снизить осевую нагрузку до нуля, Этот процесс также наблюдался с помощью скоростной киносьемки во время экспериментальных исследований при бурении оптического стекла. 35

Осевую нагрузку снижают таким способом потому, что гидравлический канал (промывочная жидкость) является наиболее чувствительным и быстродействующим по сравнению с гидравлическим регулятором, который передает осевую нагрузку через гибкий бурильный вал, причем гидравлические регуля горы, устанавливаемые на буровых станках, имеют большую инерционность, что может прирести к осложнениям при бурении 45 (например к прижогу коронки).

На фиг. 2 приведена экспериментально полученная характерная кривая изменения скорости бурения (V), кривая изменения отношения мощнссти и MexaHM÷åcêoé скоросги бурения и границы режимов вращения алмазного инструмента от осевой нагрузки (P). Граница ql определяет переход режима

R;z к режиму Rlz при изменении осевои

1 2 нагрузки Р, а границы qz — переход от режима R12 к режиму R12, 2, „3

Кривая — — кривая изменения критерия (/ минимально ти износа породоразрушающего инструмента при изменении осевой нагрузки P. Минимум критерия совпадает с

3 границей возбуждения В12 .

Границы q на практике определяются с помощью датчика крутильных колебаний, устанавливаемого в колонковом наборе (фиг, 3), Датчик состоит из цилиндрического корпуса 1, жестко закрепленного внутри колонковой трубы 2. Внутри корпуса 1 размещен цилиндрический стакан 3, который подвешен на пружине 4. В зазоре между внутренней частью корпуса 1 и наружной поверхностью стакана 3 установлены уплотнительные элементы 5, В месте крепления корпуса 1 с колонковой трубой 2 выполнены отверстия б, а сам корпус 1 и стакан 3 имеют продольные щелеобразные соосные отверстия 7 и 8.

Таким образом, анализ изложенных материалов позволяет утверждать, что для регчлирования процесса вращательного бурения необходимо регистрировать крутильные колебания алмазного породораэрушающего инструмента, а при их регистрации переводить алмазный инструмент в равномерный режим вращения за счет увеличения скорости подачи промывочной жидкости и скорости вращения инстурмента.

Способ осуществляют следующим образом.

В процессе бурения скважины осуществляют регулирование параметров режима бурения. В зависимости от проходимых пород изменяют осевую нагрузку, скорость вращения и подачи промывочной жидкости, осуществляют контроль мощности и механической скорости бурен. я. Одновременно регистрируют крутильные автоколебания породоразрушающего инструмента с помощью датчика крутильных колебаний, устройство которого приведено на фиг, 3.

Датчик крутильных колебаний спускается вместе с колонковой трубой 2 в скважину.

На колонковую трубу 2 передают вращающий момент, осевую нагрузку и промывочную жидкость. Промывочная жидкость через отверстия б, 7 и 8 поступает во внутреннюю часть колонковой трубы 2. Когда коронка вращается равномерно (e режиме

R12 ) стакан 3, подвешенный на пружине 4, 1 вращается вместе с корпусом 1 датчика с одинаковой частотой. При увеличении на-рузки под торцом коронки скапливается спрессованный шлам и коронка переходит в режим вращения R12, который характери,3 эуется крутильными автоколебаниями. Стакан 3 датчика под действием крутильных колебаний начинает поворачиваться вокруг оси О. Вместе со стаканом 3 поворачивает1613592 ой K 00 H v. è

Пр л.ечание

v. характеристика рное вращение, ные автоколебан .,я даЯ =20 - 400 Гц ные аатоколебания ода, И= 10-100 Гц качения,Q О

Недопусти ,мый ава рийный реI жил1 шб

П р и м е ч а н и е. — частота поперечных перемещений на забое, Мс

Й вЂ” частота крутильных автоколебаний, ся отверстие 8 относительно отверстия 7 и перекрывает его сечение. Уменьшение сечения отверстий 7 и 8 повышает давление на манометре насоса. Так как стакан 3 поворачивается вокруг оси О вправо и влево от оси 5 отверстия 7, то на манометре насоса регистрируются скачки давления, которые показывают, что коронка перешла в режим R>z . з

Этот режим характеризуется снижением механической скорости бурения, хотя не- 10 большое повышение видно на фиг. 2, но при увеличении нагрузки происходит ее снижение. Если продолжать зависимость V = f(P) (без ступени на графике), то видно, на какую величину механическая скорость уменьши- 15 лась с возрастанием осевого давления из-за крутильных колебаний. Причем этот режим ухудшает состояние алмазной коронки и способствует ее быстрому износу.

Для пеоехода из режима Rig (фиг. 1) в 20 режим R<2 ?????????????? ???????????? ???????????????? ???? ???????? ???????????????????? ???????????????? ???????????? ?????????????????????? ???????????????? ???? ?????????? ????????????????. ???????????????? ?????????????????????? ?????????? ?????????? ???????????????? ?????????????????? (?????? ????????????????????????- 25 ?????? ??????????????) ?????? ?????????????????????????? ???????????????????? ???????????????? ?????????????? ?????????????? ????????????. ?????? ?????????????????? ???????????????????????? ?????? ???????????? ?????????????? ?????? ?????? ???? ???????????????????????????? ?????? ???????????? ???????????????? ?? 30 ?????????????? ??????????. ?????????????? ???????????????????? ???????????????? ?????????? ???????????????? ????????. ?????? ???????????????? ???????????? ???????????????? ???????????????????????? ?????????????? ???????????????? ?????????????????? ????????. ?????? 35 ?????????? ???????????????????????? ???????????????? ???? ???????????? r>g в ре ким Р1г . з 1

Скорость вращения бурильных труб увеличивают до момента прекраи, ния крутильных колебаний. Прекращение режима крутильных колебаний регистрируют на манометре, показания которого стабилиэиоуются. После перехода коронки в режим вращения (R a ) происходит ее равномерное

1 вращение без рывков и ударов. Такой режим характеризуется равномерной отработкой алмазных коронок без заполирования алмазов и позволяет увеличить механи«ескую скорость при и измен í.fi(па аметра . режима бурения.

По мере надобности регулирование параметров режимов бурения повторяют, Форл1ула иэобре гения

Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород, включающий подачу на забой промывочной жидкости, а также изменение осевой нагрузки на породораэрушающий инструмент и скорости его вращения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эффективности бурения за счет уменьшения износа породоразрушающего инструмента, регистр,",руют кругильные колеба ия породораэрушающего инс1румента и при их возникновении одновременно снижают осевую нагрузку путем увеличения скорости подачи промывочной жидкост и уиеличиваю1 скорость вращ ния поподоразрушающего инструмента.

1613592

Й700 nsf/лвн

ЩЮ7

Юи.2

1613592 юг. 4

Составитель В.Шилов

Редактор M.Ïåòðoàà Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Закаэ 3872 Тираж 479 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101