книги из ГПНТБ / Фоменко, Ф. Н. Бурение скважин электробуром

Для определения G0nT и п необходимо учитывать как началь­ ную механическую скорость, так и ее изменение с течением вре­ мени в результате износа вооружения долота и находить такое их сочетание, при котором достигается максимальная рейсовая ско­ рость или минимальная стоимость 1 м проходки скважины.

Определим оптимальное значение осевой нагрузки для задан­ ной скорости вращения долота. Средняя за рейс механическая ско­ рость

Так как время пребывания долота на забое в зависимости от осевой нагрузки t = t0— ab, получим

(126)

Значения декремента а, зависящего от свойств металла зубьев долота, формы зубьев, конструкции долота, абразивности проходи­ мых горных пород, величины осевой нагрузки и скорости вращения долота необходимо определять опытным путем для намечаемых ти­ пов долот в конкретных условиях бурения, в том числе при наме­ чаемых G и п. В связи с тем, что величина а зависит как от свойств долота, так и от свойств породы, целесообразно предвари­ тельно оценить абразивность горных пород, слагающих разрез ме­ сторождения, пробурить специальную скважину долотами одного типа, принятыми за эталон для оценки абразивности.

Из опытных и теоретических работ следует, что при линейной зависимости начальной механической скорости v0 = kG зависимость пСр= / (G) имеет нелинейный характер, причем с увеличением G отношение Ѵсѵ/ѵ0 снижается [11]. Зная vcp=f (G) и t= f (G), из вы­ ражения пСрt = h можно определить значение осевой нагрузки, при которой достигается максимальная величина проходки

240

Оптимальную осевую нагрузку, соответствующую максимальной рейсовой скорости, можно определить, продифференцировав выра­ жение

Величины коэффициентов, входящих в формулу для ряда кон­ кретных условий, приведены ниже. При изменении условий они всегда могут быть определены опытным путем.

Экспериментальные работы по определению режимов бурения

Экспериментальными работами, выполненными лабораторией технологии электробурения на основе результатов проходки опор­ но-технологических скважин, было показано, что при постоянной осевой нагрузке изменение ско­

скорости вращения 224 об/мин редукторные электробуры обеспе­ чили режим бурения с высокими значениями осевых нагрузок (12— 17 тс). Это позволило улучшить показатели работы долот.

На рис. 123 приведена зависимость проходки на долото от ско­ рости вращения долота при одновременном повышении осевой на­ грузки. При бурении долотом 6ДИР-214 было получено аналогич­ ное изменение проходки. Переход с высокооборотного режима при низких осевых нагрузках на низкооборотный режим с высокими осевыми нагрузками позволил увеличить проходку на долото при

большей механической скорости. Применение долот ДИР-214 в сабунчинской свите позволило увеличить проходку на долото более чем в 2,5 раза при той же механической скорости, что и у шаро­ шечных долот Б-214МГЛ и Б-269С. Бурение долотами 6ДИР-214 в балаханской свите оказалось менее эффективным. Некоторое по­ вышение проходки на долото (на 40%) этими долотами было до­ стигнуто при снижении механической скорости в 2 раза; при этом рейсовые скорости были практически одинаковые.

Режим бурения, при котором осевая нагрузка повышается с по­ нижением скорости вращения, обусловливает практически постоян­ ную мощность на валу забойной машины. В связи с этим целесо­

V, м !ч

образно рассмотреть вопрос о рациональной реализации мощности двигателя при различной скорости враще­ ния.

Такая же разница в механической скорости при одинаковом уров­ не мощности наблюдается и на рис. 111, в, где механическая ско­ рость при 225 об/мин (кривые 1, 2) в 1,5 раза выше, чем при ско­ рости вращения 505 и 655 об/мин (кривые 3, 4).

На рис. 124 на основе показателей бурения при различных ско­ ростях вращения долота Б-269С приведена группа кривых изме­ нения механической скорости от скорости вращения при одинако­ вых уровнях мощности, реализуемых на долоте. Подобное семей­ ство кривых v=f (п), построенное по результатам стендовых работ, составлено В. В. Симоновым и Ф. Н. Потаповым [66].

Как видно из рис. 124, в диапазоне изменения скоростей вра­ щения долота от 300 до 700 об/мин и мощностей на долоте от 15 до 125 кВт при одинаковом уровне мощностей механическая ско­ рость возрастает с уменьшением скорости вращения долота.

Приведенные на рис. 111 зависимости изменения механической скорости бурения от мощности на долоте и на рис. 124 от скорости

242

вращения долота согласуются с зависимостями изменения механи­ ческой скорости от осевой нагрузки (см. рис. 106—ПО) скорости

нии скорости вращения ѵ возрастает пропорционально степенной

зависимости нт , где у всегда меньше единицы, т. е. уменьшение ѵ с ростом скорости вращения при JV = const объясняется влиянием п. При уменьшении скорости вращения постоянство мощности дости­ гается пропорциональным повышением вращающего момента.

Из приведенных данных следует, что при бурении шарошечными долотами с пониженной скоростью вращения и соответствующим повышением вращающего мо­ мента (осевой нагрузки) под­ веденная энергия используется более рационально, чем при повышенных скоростях враще­ ния и соответствующем сниже­ нии вращающего момента (осевой нагрузки). Так как при пониженных скоростях вра­ щения с повышенными осевыми нагрузками достигается также увеличение проходки, приве­ денные выше зависимости ме­

ханической скорости от G и п позволяют рекомендовать для одного и того же уровня мощ­ ности на долоте режим буре­ ния с повышенными осевыми

нагрузками при меньшей скорости вращения. Естественно, что рекомендация должна согласовываться с целесообразным уровнем мощности на долоте, а также с возможностью создания забойных двигателей с необходимой величиной вращающего момента.

При проведении аналогичных экспериментов с долотами 6ДИР-214 (рис. 125) отмечено прекращение увеличения ѵ в зоне п 150 об/мин при jV=const. При этом наметилась тенденция к сни­ жению V при дальнейшем снижении скорости вращения долота.

Наличие максимума на кривой v —f (п) при, N = const свиде­ тельствует о наиболее эффективном использовании при этих обо­ ротах мощности, подведенной к долоту, т. е. о наименьшей за­ трате энергии на трение и наиболее выгодном режиме разрушения породы. В этом режиме, помимо максимальной механической ско­ рости, должна быть и максимальная проходка на долото, посколь­ ку долото работает с наименьшим трением и тепловыделением в процессе взаимодействия с забоем.

Эти вопросы проработаны А. У. Яфаровым и В. С. Владислав­ левым на основе экспериментальных работ [15].

Отыскание максимумов на кривых v= f (п) для различных уровней мощности дает возможность выявить оптимальные ре­ жимы бурения как по скорости вращения, так и по осевой на­ грузке.

На основе данных бурения опорно-технологических скважин, а также обширного статистического материала по бурению других скважин были проведены исследования режимов бурения при из­ менении скорости вращения долота в диапазоне 70—680 об/мин. Породы пройденных горизонтов представлены в основном извест­ няками и доломитами с прослоями аргиллитов, обладающих вы­ сокой твердостью. Бурение велось долотами В190К с промывкой технической водой при расходе 20 л/с.

Ограниченная мощностью пройденных интервалов (турнейский ярус, 1800—2100 м) и относительно большие проходки на долото обусловили ограниченное число рейсов. В связи с этим эксперимен­ тальное бурение было проведено в относительно узком диапазоне высоких значений осевых нагрузок, что позволило выявить потен­ циальные возможности как забойных двигателей, так и долот. Так как эксперимент проводили при высоких значениях G, в том числе при предельных, выявлены не только зависимости t= f (G) и ѵ= —f (G} для разных п, но и предельные значения механических ско­ ростей для конкретных условий бурения.

Из рис. 126 видно, что в связи с увеличением осевых нагрузок механические скорости при п = 70 и и = 680 и 220 об/мин незначи­ тельно отличаются соответственно у= 5,8 м и 6,5 м/ч. Но так как стойкость долот В-190К при скоростях вращения п = 70 об/мин на­ много больше, чем при п = 680 об/мин, то проходка оказалась наи­ большей при /г= 70 об/мин (рис. 127).

Для технико-экономической оценки полученных показателей при различных скоростях вращения долота были вычислены рейсовые скорости и стоимость проходки (рис. 128). Как видно из кривых, при низких скоростях вращения долота на глубинах 1800—2100 м достигнуты лучшие показатели рейсовой скорости и стоимости 1 м проходки, причем с увеличением глубины скважины большие про­ ходки при п —70 об/мин приводят еще к большему повышению рей­ совой скорости и снижению стоимости 1 м проходки.

Наряду с технико-экономической оценкой показателей бурения проведена энергетическая оценка процесса бурения, что дало воз­ можность определить эффективность использования подводимой к долоту энергии при различных скоростях его вращения и устано­ вить основные энергетические параметры привода долота.

На основании записи регистрирующими приборами энергети­ ческих параметров процесса бурения и вычислений потерь в си­ стеме токоподвод—электробур построена зависимость средних за рейс значений мощности на долоте и удельного вращающего мо­ мента от скорости вращения долота.

244

Следует иметь в виду, что в конце рейса максимальное значе­ ние мощности, как правило, превышает среднее в 2 раза. Из кри­

Обозначения те же, что и на рис. 126.

245

где

N — N —N •

Ыяол— мощность на долоте в квт; Nxx— мощность на холостое вра­ щение в квт; V— механическая скорость проходки в м/ч; D — диа­ метр долота в м.

График зависимости Ay—f (п) приведем на рис. 129. Как видно из рисунка, лучшее использование энергии при п = 70 об/мин.

При бурении нижних интервалов скважин на Сергеевской пло­ щади при низких скоростях вращения долота В-190К получены вы­ сокие технические показатели Н, ѵ и ѵр, а также лучшие показа­ тели по себестоимости 1 м проходки при лучшем использовании энергии, подведенной к долоту. Для осуществления такого режима бурения целесообразно создать двигатели электробуров соответ­ ствующей мощности, поскольку мощность двигателей ЭД170-8М с редукторами-вставками используется не до конца.

Вращающий момент электробура при п = 70 об/мин и наиболее эффективной осевой нагрузке на долото G= 25ч-27 тс.

Ж70= 4 ,8 • 27 + 10=140 кгс • м.

К концу рейса при увеличении удельного момента в 2 раза:

Ж7о= 2 • 4,8 • 27 + 10=270 кгс • м.

Вращающий момент двигателя

М„п= мV

М — вращающий момент электробура в кгс-м; і -—передаточное число редуктора; г) — коэффициент полезного действия редук­ тора.

где п — скорости вращения вала двигателя в об/мин.

246

При принятой в электробурении перегрузочной способности дви­ гателя 2,2Л4Ном максимальный момент двигателя составит

ТИтахэб=132 • 3 • 0,95=376 кгс • м.

Этим требованиям соответствуют электробуры Э170-8 выпуска до 1969 г., имеющие МНОм = 94 кгс-м, Mmax=175 кгс-м.

Таким образом, для одноредукторных электробуров следует ре­ комендовать двигатели выпуска до 1969 г., а для двухредукторных электробуров диаметром 170 мм следует разработать новые двига­ тели уменьшенной мощности (25 кВт). Целесообразна разработка электробуров с п = 70 об/мин и диаметрами 164, 185 и 215 мм.

Уменьшение мощности, передаваемой на забой, позволит повы­ сить надежность токоподвода и электробура путем снижения ве­ личин напряжения и силы тока, а также уменьшить габаритные размеры и соответственно снизить стоимость электробура. При этом вместо двух редукторов-вставок для получения п = 70 об/мин целе­ сообразно разработать двухступенчатый редуктор г = 9.

Таким образом, можно считать доказанным, что нижние интер­ валы скважин следует бурить при небольших скоростях вращения долота и повышенных осевых нагрузках, причем более глубокие ин­ тервалы следует бурить при 70 об/мин.

Бурение электробурами с алмазными долотами

В 1964—1965 гг. Долинской специализированной конторой элек­ тробурения при участии ВНИИБТ было проведено опытное буре­ ние электробурами с алмазными долотами. В результате достиг­ нуто многократное повышение проходки за рейс и кратное повышение межремонтного периода электробуров; снизилось также

247

количество повреждений токоподвода. В менилитовых отложениях проходка алмазными долотами составила 123,5 м вместо 2,3 м, механическая скорость — 0,7 м/ч вместо 1 м/ч при бурении шаро­ шечными долотами.

В связи с этим объем электробурения с алмазными долотами на западе Украины неуклонно повышается и в 1966 г. составил 1692 м; в 1967 г. — 3435 м; в 1968 г. — 5014 м; в 1969 г. — 6238 м. С электробурами Э170 и Э164 используются долота диаметрами 188 и 212 мм. Поляницкие и менилитовые отложения в интервале 2000—3000 м представлены твердыми породами: аргиллитами, алевролитами, песчаниками, сланцами. Осевые нагрузки на долото составляют 5—7 и 7—В тс, скорость вращения — 680 об/мин, удельный вес раствора у= 1,26ч-1,44 гс/см3, расход его 22—25 л/с. Проходка отдельными долотами составляла 240—400 м: механиче­ ские скорости— 1,54—1,33 м/ч.

Средние показатели бурения электробурами с алмазными доло­ тами приведены в табл. 39.

Таблица 39

Средние показатели бурения алмазными долотами с электробурами на западе Украины в 1969 г.

Максимальное межремонтное время работы электробура Э170 за рейс при бурении шарошечными долотами составило 97 ч, а при бурении алмазными долотами 232,25 ч, электробура Э164 при бу­ рении шарошечными долотами 39,75 ч, алмазными долотами 281 ч. Средний межремонтный период электробура Э170 равен 99 ч, а электробура Э164—96,3 ч.

В результате благоприятного сочетания жесткой характеристики электробура с особенностями работы алмазных долот было осво­ ено бурение глубоких скважин до 3000 м и получены хорошие тех­ нико-экономические показатели. При этом проводили исследования режимов бурения, главным образом по выявлению зависимости механической скорости бурения от осевой нагрузки и скорости вра­ щения долота, а также по определению энергетических показате­ лей работы долот [45].

Наличие разнополюсных электробуров Э170 и частотной уста­ новки дало возможность бурить при скоростях 330 и 900 об/мин

248

с осевыми нагрузками до 17 тс. Зависимость v = f (G) снимали при ступенчатом повышении G через каждые 5 мин. Нагрузка повыша-

Рис. 130. Изменение v —f(G) при бурении алмаз­ ными долотами МДИ-212М в различных породах

лась вплоть до опрокидывания двигателя. При выявлении зависи­

от скорости вращения долота при бурении алмазным долотом раз­ личных пропластков менилитовой свиты с осевой нагрузкой 6 тс. Как видно из кривых, механическая скорость возрастает пропорцио­ нально скорости вращения во всем исследованном диапазоне.

На рис. 104 приведены зависимости вращающего момента от осевой нагрузки при бурении долотом МДИ-212М2 в различных

249