книги из ГПНТБ / Булнаев И.Б. Техника и технология отбора проб при разведочном бурении

Поэтому для эффективной отбонки бороздовых проб со сте­ нок скважин, особенно по крепким породам и рудам, необходимопредельно увеличивать осевую нагрузку на подвижную муфту вибратора, но с учетом устойчивости резцов и прочности буриль­

Рис. 33. Кривые зависимости энергии удара вибратора от осевой нагрузки и амплитуды колебания.

Влияние амплитуды продольного колебания подвижной муфты на энергию удара, развиваемого вибратором

При вращении подвижной муфты вибратора свободныешарики перескакивают через закрепленные и при этом возни­ кают удары, передающиеся на резцы.

При увеличении амплитуды колебания подвижной муфты вибратора (/а=2б) энергия удара Еу растет также линейно, ноинтенсивность роста несколько выше, чем в зависимости от осе­ вой нагрузки (см. рис. 33).

Следовательно, для повышения эффективности отбойки пробсо стенок скважин, особенно по рудам высокой крепости, необ­ ходимо в первую очередь повышать амплитуду колебания по­ движной муфты вибратора путем большего выставления закрепленных шариков. Но при одновременном увеличении осе­ вой нагрузки и амплитуды колебания резко возрастает мощ­ ность, затрачиваемая на привод вибратора,

90

Практические наблюдения показывают, что при С>800 кгс и /а>15 мм, особенно при отборе проб на большой глубине, мощность на привод вибратора и холостое вращение колонны бурильных труб растет настолько, что в последних возникают ■опасные для их целостности напряжения. Опасность разруше­ ния груб еще более возрастает при возникновении в них инер­ ционных напряжений в момент встречи свободных шариков с закрепленными. При этом кинетическая энергия вращающейся колонны быстро трансформируется в потенциальную, и в резуль­ тате происходит крутильный удар, вызывающий инерционные напряжения в трубах, величины которых могут быть опреде­ лены по формуле

где л — число оборотов подвижной муфты; d — диаметр буриль­ ных труб.

Кроме того, с увеличением амплитуды колебания вибратора /а сильно возрастают напряжения в бурильных трубах, возни­ кающие в момент удара верхней муфты по нижней. Величину максимального напряжения молено определить для случая, когда вся энергия удара расходуется на упругую деформацию бурильных труб. Это происходит при отборе проб из крепких руд, когда при одиночных ударах резцы внедряются незначи­ тельно и не вызывают заметного разрушения, т. е.

где vL— скорость свободного падения снаряда; Ру — сила удара подвижной муфты; Л — поперечное сечение бурильных труб; Е — модуль упругости; у — удельный вес материала труб.

Из уравнения (97)

Н о

/ЕУ_ _ 4 кг.с/смз_

V 8

91

Тогда напряжения, возникающие в трубах при ударе, опреде­ лятся по формуле

изменяются в основном в зависимости от амплитуды колебания подвижной муфты вибратора /а.

Следовательно, рациональную величину /а необходимо под­ бирать так, чтобы получить максимальную энергию удара, но

параметром режима работы шарикового вибратора, оказываю­ щим большое влияние не только на величину энергии удара Еу, но и на продолжительность работы бурильных труб и выдвиж­ ных резцов пробоотборника.

Исследования, проведенные в лабораторных условиях, пока­ зывают, что с увеличением частоты ударов вибратора т соот­ ветственно растет эффективность отбойки материала со стенок скважины.

Частоту ударов вибратора можно регулировать изменением числа оборотов подвижной муфты с помощью коробки передач бурового станка и числа шариков в вибраторе.

Первый способ является более предпочтительным, так как частота ударов вибратора изменяется в больших пределах п весьма просто. Некоторое снижение интенсивности роста час­ тоты ударов т с увеличением числа оборотов подвижной муф­ ты п (рис. 34) вызвано, как будет показано ниже, необходи­ мостью уменьшения числа шариков в вибраторе. Таким образом, оба параметра т и п взаимно связаны между собой, и измене­ ние одного из них вызывает соответственно изменение другого.

Регулирование частоты ударов вибратора путем изменения числа закрепленных шариков в муфтах (а также свободных)

92

возможно только в ограниченных пределах, так как количество шариков должно быть строго увязано с числом оборотов по­ движной муфты п и амплитудой ее колебания /а.

Рис. 35. Номограмма для определения рацио­ нального числа шариков в вибраторе в зави­ симости от амплитуды колебания и числа обо­ ротов.

Тогда путь, проходимый подвижной муфтой до удара 5,, определится

93

Из формулы (102) видно, что с увеличением скорости враще­ ния подвижной муфты со и амплитуды ее колебания /а число шариков в вибраторе должно уменьшаться.

Если при определенных значениях со и /а число шариков в вибраторе будет больше расчетного, то снижается энергия удара, быстро разрушаются шарики, закрепленные на торцах муфт, нарушается равномерность работы вибратора и т. д. Поэтому очень важно с учетом п и /а правильно подобрать число шариков, что можно осуществить с помощью номограммы, при­ веденной на рис. 35. Так, например, при /а=1 см число шариков не должно превышать четырех, а число оборотов подвижной муфты вибратора 200 в мин.

Рациональная форма резца, обеспечивающая эффективную отбойку бороздовых проб

со стенок скважин

При ударно-вращательном или ударно-поворотном способах бурения для разрушения пород применяют обычно симметрично заточенные, клинообразные резцы из твердого сплава с углом

Исследования, проведенные в лабораторных и производст­ венных условиях, показали, что резцы долотчатой формы с пря­ мым лезвием недостаточно эффективны, особенно при отборе проб по крепким рудам, так как при цилиндрической форме сте­ нок скважин они приходят в контакт наиболее слабыми, с точки зрения механической прочности, углами лезвия, которые при одновременной передаче статической и динамической нагрузок

•94

повышению эффективности скалывания руды со стенок сква­ жины.

На практике резцы с закругленными лезвиям!! показали

•более высокие результаты, чем прямоугольные, как по величине проходки, так и по качеству отбираемой пробы. Кроме того,

хорошо выдержанными размерами, что связано с цилиндриче­ ской формой поверхности стенок скважины.

Ранее отмечалось, что при вдавливании клинообразного резца в уступ под лезвием возникают напряжения растяжения, в результате чего происходит скалывание элемента abc. Подоб­ ное же напряженное состояние возникает и с боковых сторон от резца. При внедрении его на некоторую глубину напряжения растяжения достигают предельных величин по дугам ab и алЬ\

вательно, ширина борозды ЬЬ\ будет намного превышать ширину резца сс(.

96

В нашем же случае, когда борозда отбивается с цилиндри­ ческой поверхности стенок скважины, разрушение породы рез­ цом носит несколько иной характер: дуги ab и алЬ\, в плоскости которых величины ор достигают предельных значений, распола­ гаются параллельно, а иногда, при малом диаметре скважины, под некоторым углом к стенкам скважины, из-за чего скол ку­ сочков руды не может произойти по ним. Отделение кусочков,

О

Рис. 40. Схема скалывания породы клиновидным резцом с плоской и цилиндрической поверхностей.

как правило, происходит по линиям наименьшего сопротивления (наикратчайшим линиям ас и ауСу). В связи с этим при отборе проб со стенок скважин борозды получаются правильной формы

ивыдержанных размеров независимо от механических свойств

иструктурно-текстурных особенностей опробуемых пород или руд. И чем меньше диаметр скважины и больше глубина борозды, тем выдержаннее форма и размеры борозд, что хорошо подтверждается данными практики.

Р Е ЗУ Л Ь Т А Т Ы Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Х И С С Л Е Д О В А Н И И ПО О ТБО РУ Б О Р О З Д О В Ы Х П Р О Б

СО СТ ЕН О К С К В А Ж И Н В И Б Р А Ц И О Н Н Ы М И П Р О Б О О Т Б О Р Н И К А М И

Лабораторные исследования по отбору бороздовых проб со стенок скважин проводились в буровой лаборатории Иркутского политехнического института и экспериментальной буровой лабо­ ратории Балейской геологоразведочной экспедиции.

Основными задачами лабораторных исследований являлись: 1 ) проверка работоспособности отдельных узлов пробоотбор­

ника; 2 ) изучение влияния геометрии резцов на их устойчивость

при отборе проб по породам и рудам с различными физи- ко-мехаиическими свойств ами;

3) изучение форм и размеров борозд, образуемых на стенках

скважины при применении резцов различных конфигу­ раций;

4)изучение фракционного состава материала, получаемого со стенок скважин;

5)исследование достоверности проб, отбираемых со стенок, скважин.

Методика лабораторных исследований

В буровой лаборатории Иркутского политехнического инсти­ тута исследования по отбору проб со стенок скважин проводи­ лись на специальном стенде, оборудованном буровым станком ЗИФ-300, установленным на эстакаде высотой 1,5 м и оснащен­ ным контрольно-измерительными приборами типа ПКМ. Конт­

Отбор проб производился по следующей методике: агрегатом. ЗИФ-300 с помощью ппкобура большого диаметра (270 мм) была пробурена в грунте скважина глубиной около 3 м. В нее была спущена и закреплена асбоцементная труба (.0 = 255 мм),, внутренняя полость которой по всей длине была заполнена круп­ ными кусками (штуфами) исследуемой породы или руды и за­ цементирована качественным глиноземистым цементом. После затвердения цементного камня по центру трубы бурилась сква­ жина диаметром 92 или 76 мм и производился отбор бороздовых проб резцами различных форм (с прямыми или закругленными лезвиями). В конце опыта труба раскреплялась и извлекалась, на поверхность для изучения формы и размеров, а также харак­ тера расположения борозд на стенках скважины. Затем в сква­ жину спускалась новая труба, заполненная отличными от пре­ дыдущей породами или рудами, и опыты повторялись.

Положительными сторонами данной методики являются: 1 ) производство отбора проб по породам и рудам с раз­ личными физико-механическими свойствами в условиях, близ­

ких к скважинным; 2 ) возможность визуального исследования формы и размеров-

борозд, их положения на стенках скважины после подъема тру­ бы на поверхность.

В условиях Балейской экспедиции лабораторные исследова­ ния проводились в два этапа. Вначале в буровой лаборатории экспедиции были проведены исследования для изучения степени

ихарактера избирательного разрушения керна полосчатых руд

идостоверности бороздовых проб, отбираемых со стенок скважин.

На втором этапе исследований, в условиях, приближенных к скважинным, изучались формы и размеры борозд, а также фрак­ ционный состав материала, отбираемого со стенок скважиш

Работа проводилась по следующей методике.

98

На руднике Южный были отобраны крупные (0,5—0,7 м) блоки наиболее типичной тонкополосчатой кварцевой руды, керн которой при колонковом бурении подвергается сильному изби­ рательному разрушению. Затем эти блоки разбуривались серией скважин с полным улавливанием шлама в специальной замкну­ той циркуляционной системе.

После проходки каждой скважины в блоке производился отбор керна, бороздовых проб со стенок скважин и шлама из циркуляционной системы.

Сравнительное опробование, проведенное по керну, шламу и, бороздам, позволяет с достаточной точностью установить сте­ пень избирательного разрушения керна при бурении и опреде­ лить достоверность бороздовых проб, отбираемых со стенок скважин.

Второй этап лабораторных исследований в Балейской экспе­ диции проводился для дополнения предыдущих работ в усло­ виях, приближенных к производственным. Блоки полосчатых и массивных руд, доставленные с Южного и Северного участков месторождения, помещались в специальную «шахту» глубиной около 3,0 м, разбуривались скважинами при соблюдении рацио­ нальных режимов и производился отбор керна и бороздовых проб для проведения сравнительного опробования.

Борозды отбивались резцами с прямыми и закругленными лезвиями при различных режимах работы шарикового вибра­ тора. Производились точные замеры размеров и фиксация формы борозд, полученных резцами различных конфигураций и при различных режимах работы вибратора.

Материал, полученный со стенок скважин, подвергался гранулометрическому анализу для установления фракционного состава.

Устойчивость резцов различных форм при отборе бороздовых проб

по породам и рудам высокой крепости Отбор проб со стенок скважин производился твердосплав­

ными резцами марки ВК-15 с прямыми и закругленными лез­ виями (0 = 40—47°) по породам и рудам с различными физико­ механическими свойствами.

Условия и режимы отбора проб были близкими.

Резцы снимались с работы при сильном их притуплении или поломке.

Следует отметить, что при отборе проб по породам и рудам малой или средней крепости (асж< Ю 00 кгс/см2) притупление резцов происходило очень медленно и одним резцом, независимо от его формы, отбирались десятки метров бороздовых проб со стенок скважин. На рис. 41 приведены кривые изменения про­ ходки на резец L в зависимости от его формы, крепости пород и руд.

4* 99