книги из ГПНТБ / Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин

Формула (119) выведена для случая абсолютно жесткого бурильного стержня. Однако по мере увеличения глубины сква­ жины длина бурильных труб Н будет возрастать и ее влияние

энергии на упругие деформации колонны бурильных труб при увеличении глубины скважины. Очевидно, этот коэффициент бу­ дет прямо пропорционален максимальному усилию, возникаю­ щему между ударником и буровым инструментом в момент удара. Несложный расчет показывает, что при весьма нежест­ ких ограничениях Ртах, а следовательно, и максимальная де­ формация грунта под нижним торцом бурового снаряда обрат­

но пропорциональны ]/ Н. Таким образом, уменьшение вели­ чины погружения наконечника за удар будет обратно пропор­

ционально Iх Н. Поскольку диаметр 'бурильных труб в про­ цессе бурения не изменяется, его влияние не рассматривается..

Коэффициент /Си введен с целью упрощения расчетных фор­ мул. Строго говоря, в данном случае пользоваться классиче­ ской теорией удара и понятием коэффициента восстановления скорости нельзя. Более правомерен подход с использованием представлений волновой теории и рассмотрением системы бу­ рильных труб как имеющей бесконечно много степеней свободы, т. е. системы с распределенными параметрами. В то же время следует отметить, что при длине бурильной колонны 10—15 м влияние волновых эффектов будет ничтожно, и нм без риска допустить грубую ошибку можно пренебречь.

60

ному II внутреннему диаметрам башмака.

Формулы (122) и (123) позволяют установить закономерно­ сти влияния основных параметров вибромолота, бурового ин­ струмента и грунта на величину углубления зондов в грунт за одни удар, т. е. на скорость ударно-вибрационного бурения.

Основные выводы, следующие из формулы (123), как будет показано ниже, не противоречат практике. Скорость ударновибрационного бурения прямо пропорциональна квадрату ско­ рости удара и обратно пропорциональна сопротивлению грун­ та. При большом сопротивлении грунта первый член правой

преодоление упругих сопротивлений и погружение наконечника в грунт происходить не будет.

ОПТИМАЛЬНАЯ ДЛИНА РЕЙСА ПРИ УДАРНО-ВИБРАЦИОННОМ БУРЕНИИ

Модель ударно-вибрационного бурения грунтов и выведен­ ная на ее основе зависимость скорости погружения наконечника от различных факторов могут быть использованы для опреде­ ления оптимальной длины рейса L0„T при различных значениях глубины скважины Н.

Оптимальное значение L будем определять, исходя из усло­

рейса для вращательного бурения впервые была поставлена и

вой скорости бурения процесс углубки следовало прекращать в момент, когда мгновенная механическая скорость станет равной по величине рейсовой скорости. Выявленная закономерность позволила разработать оригинальный механический сигнализа­ тор для определения оптимального времени чистого бурения. Следует, однако, отметить, что общего решения для определе­ ния оптимального времени чистого бурения в зависимости от различных факторов Е. Ф. Эпштейном дано не было. Отчасти это объяснялось отсутствием аналитических выражений для и іс.

61

В отличие от вращательного бурения, для которого время углубления инструмента исчисляется десятками минут и даже часами, при вибрационном бурении углубление наконечника за рейс длится от одной до нескольких минут. Поэтому для вибра­ ционного бурения целесообразно определять не оптимальное ѣремя чистого бурения, а оптимальную величину углубления наконечника в грунт или, как автор условно называл, опти­ мальную длину рейса. Наличие соответствующих аналитических зависимостей позволяет решить поставленную задачу в общем виде.

Время чистого бурения ^ может быть найдено из следующе­ го выражения, полученного на основе равенства (123):

/ Я — безразмерный коэффициент (Я в м). Величина, обратная мгновенной скорости, равна

<62

После подстановки выражений (133) и (134) в (132) найдем

технико-технологических и природных факторов.

Подставив выражения (138) и (139) в (125), получим выра­ жение для рейсовой скорости бурения

63

Представим выражение (140) в виде

(141)

Очевидно, что иѵ будет иметь максимальное значение при минимальном значении знаменателя выражения (141). Взяв производную от знаменателя правой части выражения (141) и приравняв ее нулю, можно найти функцию, из которой опреде­ лить L, соответствующее минимальному значению этой функ­ ции it, следовательно, максимальному значению ор. Рассмотре­ ние физической стороны процесса показывает, что найденное таким образом экстремальное значение функции в данном кон­ кретном случае может соответствовать только ее минимально­ му значению

Выражение (144) однозначно определяет оптимальную длину рейса при заданных значениях коэффициентов А, В, Сь а, Ь и при заданной глубине скважины Н.

Решение выражения (144) может быть произведено графи­ чески (для каждого Н найдено свое значение LonT).

64

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ

УДАРНО-ВИБРАЦИОННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН ОТ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

В задачу экспериментальных и опытно-производственных исследований входила проверка основных выводов теории и изучение наиболее важных закономерностей изменения механи­ ческой и рейсовой скоростей вибробурения в зависимости от глубины и диаметра скважины, длины рейса, свойств грунтов. Опытно-производственные исследования включали в себя хронометражные наблюдения за процессом вибробурения в различ­ ных организациях, экспериментальное бурение в однородном разрезе, определение механической скорости впбробурения с последующей оценкой (на пробуренных участках) физико-ме­ ханических свойств грунтов.

Влияние глубины скважины на механическую скорость бурения

На рис. 20 представлена корреляционная зависимость ме­ ханической скорости бурения от глубины скважины при раз­ личных диаметрах используемых наконечников. Зависимость построена по данным хронометражиых наблюдений за процес­ сом бурения скважин агрегатом АВБ1М в районе г. Ярославля.

Коэффициент ki уменьшения площади сцепления наконечни­ ка с грунтом для всех размеров зондов принят равным 0,72 (угол выреза 100°). Коэффициент k2 уменьшения силы сцепле­ ния наконечника с грунтом за счет наличия выступов по на­ ружному и внутреннему диаметрам принят равным 0,80.

Для бурения использовались бурильные трубы с наружным

случаев был принят равным 1,2, т. е. Рпр вычислялось по фор­ муле Дцр= 1,2 Р„; коэффициент восстановления скорости уда­ ра R был принят равным 0,5 (для удара закаленной стали по стали). Значения Rn и /„ для соответствующих глубин бурения брались из СНиП II—Б. 5—62, /г0/2 принято равным 0,0013 м [71]. Ошибка в оценке величины Іг0/2 приведет к незначитель­ ному смещению теоретической кривой по оси ординат вверх или вниз.

Формула (123) позволяет вычислить мгновенную скорость бурения. При проведении хронометражных наблюдений замеря­ лась средняя механическая скорость за рейс. Ориентировочно было принято, что это значение скорости соответствует поло­ вине длины рейса.

Рис. 20. Зависимость средней за рейс механической скоро­

,2,80

Рис. 20. свидетельствует об удовлетворительной степени со­ впадения опытных точек с теоретическими кривыми и, следо­ вательно, подтверждает правомерность предложенной модели процесса у'дарно-вибрационного бурения грунтов.

График, представленный на рис. 21, построен по данным хронометражных наблюдений за процессом бурения скважин виброустанов'кой ВБУ-ГАЗ-63 в районе г. Москвы. Для буре­ ния использовались зонды диаметром. 108—168 мм. Проходи­ мые породы представляли собой песчано-глинистые грунты II—

66

Эмпирическая кривая для рис. 21 имеет вид

Рис. 21. Зависимость средней за рейс механической скорости ударно-ви­ брационного бурения глинистых грунтов вибромолотом В-500 от глубины скважины (график построен автором по данным хроиометражиых наблю­ дений В. Г. Кардыша и Е. В. Никитина):

J — линия регрессии, построенная по опытным точкам; 2 — кривая, соответствующая выражению (145).

где ом' в м/мин; Н в м и также подтверждает предположение ■об изменении скорости ударно-вибрационного бурения обратно

3* 67

Учет случайной составляющей при оценке зависимости механической скорости бурения от глубины

Все приведенные выше соотношения имеют детерминирован­ ный характер: определенному заданному значению глубины скважины (или любого другого аргумента) соответствует толь­ ко одно значение скорости бурения. Однако наблюдения пока­ зывают, что изменение скорости содержит в себе не только за­ кономерный, но и случайный элемент. Колебания скорости обусловлены неоднородностью свойств разбуриваемых грунтов, а также воздействием множества других случайных факторов- (температуры и влажности воздуха, индивидуальных особенно­ стей работы буровых мастеров и т. д.). Поэтому крайне жела­ тельно разработать такую методику расчета скорости бурения,, которая позволяла бы вычислять не только среднее ее значение при определенной глубине скважины, но и давала бы представ­ ление о возможных колебаниях этой скорости.

С целью оценки основных закономерностей изменения слу­ чайной составляющей скорости рассмотрим ударно-вибрацион­ ное бурение как случайный процесс. В принципе для этой цели может быть привлечен аппарат регрессионного анализа, но его возможности более ограничены (в частности, на его основе не может быть выявлена внутренняя структура процесса).

В идеальном случае реализацией указанного процесса будет непрерывная кривая мгновенной механической скорости буре­ ния, записанная для каждой отдельно взятой скважины. В ре­ альных условиях произвести запись мгновенной скорости вибро­ бурения затруднительно. Поэтому механическую скорость опре­ деляют для дискретных участков скважины путем деления ве­ личины интервала бурения на время, затраченное на его про­ ходку. В этом случае получают среднее значение скорости бу­ рения ѵм', соответствующее определенному значению глубиныскважины Н, численно равному расстоянию от поверхности: земли до середины интервала. Графики им/= /(Я) будут пред­ ставлять собой в данном случае вычерченные для каждой сква­ жины ломаные линии. Для получения необходимого исходногостатистического материала на одной из площадок в районе г. Ярославля внброагрегатом АВБ1М было пробурено 14 одно­ типных скважин глубиной 15—20 м. Среднеарифметическоезначение длины рейса L соответствовало 1,13 м.

На рис. 23 изображено 14 реализаций случайной функции vM'=f(H). Кружками обозначены точки, соответствующие для определенного значения аргумента среднеарифметическому значению случайной функции. За величину интервала аргумен­ та, через который вычислялись среднеарифметические значения, принят 1 м. Этот интервал примерно соответствует частоте замеров скорости. Жирной линией показана апроксимацня не­ случайной функции для оценки математического ожидания.

68

В предыдущем разделе был установлен вид детерминиро­ ванной зависимости скорости бурения от глубины скважины. Для указанного вида функции методом наименьших квадратов

Ѵ^,м/иш:

значена неслучайная функция вида (147).

искались значения коэффициентов .D и Сь которые оказались равными 2,84 и 0,47 (при этом Я в м, а ѵи' в м/мин). Таким образом, выражение (145) может быть записано в виде

На рис. 24 показана центрированная случайная функция vM'=f(H). Тонкими линиями показаны ее реализации, жирной линией 1 — неслучайная функция для оценок математических ожиданий; жирными линиями 2 — апроксимация, найденная то­ же по методу наименьших квадратов, для среднеквадратичных отклонений а. Аналитическое выражение для кривых 2 соответ­ ствует

69