книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

п рейсовой скорости бурения с учетом показателей физико-механи­ ческих свойств горных пород и износа породоразрушагощего ин­ струмента.

§ 2. ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ ВО ВРЕМЕНИ В ТЕЧЕНИЕ РЕЙСА

В процессе разрушения горных пород породоразрушающий ин­ струмент изнашивается. Если в результате износа площадь опорной поверхности зубьев долота или резцов коронки возрастает, то при постоянной осевой нагрузке удельное давление, приходящееся на единицу площади опорной поверхности, уменьшается и, следова­ тельно, уменьшается механическая скорость бурения. При бурении штыревыми шарошечными долотами в течение всего рейса до пол­ ного износа зубьев площадь опорной поверхности долота о забой постоянна, поэтому и скорость бурения почти не изменяется. Незна­ чительное уменьшение скорости наблюдается лишь в конце рейса, но это связано, по-видимому, с недостаточным выступом штырей, в результате чего осевая нагрузка передается на тело шарошки. При полном износе штырей vM —0, так как q стремится к нулю.

Единого мнения о законе изменения механической скорости буре­ ния во времени в течение рейса пока -не существует. При бурении

шечных долот эта зависимость хорошо аппроксимируется другой формулой

При бурении штыревыми шарошечными долотами предлагается пользоваться зависимостью третьего вида, которая показывает

Авторы отмечают, что при бурении штыревыми долотами в не­ абразивных породах можно принять и м г = const, поскольку конечная механическая скорость бурения незначительно меньше начальной. При бурении долотами данного типа опорная площадь все время остается постоянной, поэтому независимо от абразивности породы можно

принять, что vMr = const в течение всего рейса. Это подтверждается экспериментальными исследованиями ВНИИБТ [2].

Экспоненциальный закон изменения vMr во времени был приме­ нен также для условий ударно-вращательного бурения скважин с использованием гидро- и невмоударников. Теоретически этот вид зависимости был показан на основании результатов других иссле­ дователей. В частности, были использованы результаты исследований по износу латуни, цинка, чугуна и висмута по поверхности напиль­ ника с удалением продуктов разрушения, которыми установлена зависимость между силой трения ^ т р и массой сошлифованного слоя металла М:

где а и £ ! — постоянные коэффициенты.

Следует отметить, что материал напильника и изнашиваемый материал при этих исследованиях по своим физико-механическим свойствам отличаются соответственно от твердого сплава, применя­ ющегося, как правило, для армирования породоразрушающего ин­ струмента, и от горной породы.

Кроме того, закономерность износа инструмента зависит от соот­ ношения показателей физико-механических свойств (твердости) из­ нашиваемого и изнашивающего материала [173].

В связи с этим при ударно-вращательном бурении не исключен также другой вид зависимости У М Г = / (t).

Зависимость механической скорости бурения во времени в тече­ ние рейса проверяли экспериментально в лабораторных условиях при бурении коронками гидроударного бурения К26М6 и ГПИ-34 диаметром 115 мм и коронками пневмоударного бурения КП-112 диаметром 112 мм. В обоих случаях применяли пневмоударник при

времени обусловлено характером затупления и износа резцов, зави­ сящим от ряда природных, технических и технологических факто­ ров: формы резца, физико-механических свойств материала резца и породы, скорости перемещения, величины и характера приложен­ ной нагрузки, свойств агента для очистки скважины и т. д. Все это

показывает днскуссионность вопроса и необходимость проведения дальнейших исследований для окончательного установления формул, описывающих зависимость им г от t.

§ 3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ В ФОРМУЛАХ ЗАВИСИМОСТИ

МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ ВО ВРЕМЕНИ

Функция г;ыг от t позволяет определить величину проходки в лю­ бой момент времени бурения t0

В частности, для приведенных в предыдущем параграфе зависи­ мостей vur от t величина проходки может быть определена по следу­ ющим формулам.

ные этих уравнений (vo, а и к„), можно определить величину про­ ходки при бурении в каждый данный момент времени.

Начальная механическая скорость проходки v0 может быть определена расчетным путем или же ее можно определить хрономе­ тражними наблюдениями в процессе нескольких первых минут буре­ ния незатупленным инструментом.'

Для планирования буровых работ на, освоенных нефтяных пло­ щадях величину v0 можно определить по статистическим данным. При разведочных работах этих данных может быть недостаточно или же совсем может не быть, поэтому в таких случаях наиболее правильным путем является расчет v0 с учетом показателей физикомеханических свойств пород.

Более трудной задачей является определение коэффициентов, которые входят в уравнения, описывающие изменение иыг во вре­ мени. В большинство известных уравнений входит один коэффи­ циент, а для случая бурения скважнн штыревыми шарошечными долотами — два. В последнем случае без ощутимой ошибки можно принять, что в течение рейса у м г = const, и тогда для определения h необходимо знать лишь начальную скорость проходки и время бурения.

В случае, когда механическая скорость бурения yM I . = vo (1 + -+- l)~a, то, если вместо t подставить полное время работы долота to

метров а и к„ необходимо иметь два уравнения. В связи с этим в фор­ мулу при t = to следует подставить vK — av0 и при t = 0,5io vcp =»

=bvo.

После решения полученных уравнений

Аналогичным образом можно поступить при других закоййх" изменения vMr во времени. Так, при У М Г = voe~at и vMr — voe'^ коэффициенты можно подсчитать соответственно по следующим формулам:

дусматривает использование статистических данных результатов бу­ рения в различных по абразивности породах. Если статистические данные имеются, то их нетрудно использовать для прямого подсчета средней величины проходки на долото, т. е. надобность расчета hp по вышеприведенным формулам отпадает.

Значительно большее значение имеют методы расчета коэффи­ циентов кп и а на основании параметров режима бурения и фиэикомеханических свойств пород, поскольку тогда результаты расчета можно использовать на стадии планирования буровых работ при разведке месторождений полезных ископаемых. Несмотря на то что методики этого расчета пока несовершенны, рассмотрение их пред­ ставляет определенный интерес как в научном, так и в практиче­ ском отношении.

при бурении шарошечными долотами

мента, в об/мин; Ро — осевая нагрузка в кгс; М„ — коэффициент

ударов в минуту бурового инструмента о забой; тш — число шаро­ шек; £>ш — диаметр большого основания конуса шарошки в см.

Использование временного сопротивления горных пород одно­ осному сжатию для расчета износа породоразрушающего инстру­ мента с физической точки зрения не обоснованно. Не вызывает сом­ нения, что для этой цели следует, прежде всего, использовать пока­ затель абразивности горных пород.

Для планирования буровых работ очень важно коэффициент а уменьшения механической скорости проходки во времени прогно­ зировать заранее, поэтому расчетные формулы имеют несомненное достоинство перед статистическими методами его определения. При бурении же скважин этот коэффициент всегда можно уточнить из непосредственных наблюдений по небольшому числу экспериментов, определив его из формулы У м г (t).

§\. РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

ВТЕЧЕНИЕ ОДНОГО РЕЙСА

Установить возможную максимальную производительность поро­ доразрушающего инструмента непосредственно ио средней механи­ ческой скорости бурения и по проходке за рейс практически невоз­ можно, поскольку, как уже отмечалось, один из показателей может увеличиваться при изменении какого-либо природного или техни­ ческого фактора, а другой — уменьшается. Показателем максималь­ ной производительности может служить максимально возможная рейсовая скорость проходки vp. m a x , которая может быть достигнута при некотором оптимальном времени механического бурения в рейсе (рис. 68). Рейсовая скорость проходки 1

'І - с в с п

1Большая роль в псследовапнп рейсовой скорости проходки принадлежит

В. С. Федорову и Е. Ф. Эшптейну.

где tacn — суммарное время, затраченное на спуско-подъемные операции, подготовительно-заключительные работы при спускоподъеме, промывку скважин перед подъемом, на смену породоразрушающего инструмента, на заклинку и срыв керна за один рейс.

необходимо знать время, затрачиваемое на смену породоразрушающего инструмента, которое можно взять по справочнику, и коэф­ фициент а, определяемый каким-либо из описанных выше методов для различных условий бурения.

Время на смену породоразрушаюгцего инструмента складывается из времени tnp, зависящего от глубины бурения L (спуско-подъемные операции, промывка скважины заклинка керна), и времени tn, не зависящего от L (подготовительно-заключительные операции, свя­ занные со спуском и подъемом инструмента, замена инструмента).

Время на спуско-подъемные операции и промывку скважины приближенно можно представить в зависимости от глубины как пря­ мую линию (с ростом глубины скорость подъема инструмента может уменьшаться).

где а и Ъ — постоянные, зависящие от типа буровой установки. Взяв по нормативному справочнику время tnp, нетрудно подсчи­

Тогда уравнение оптимального времени бурения можно предста­

ного времени механического бурения на основании декремента за­ тухания а и времени, затрачиваемого на вспомогательные операции (принято, что а при ударно-вращательном бурении колонковых скважин может изменяться от 1 - Ю - 5 до 1 , а время tBCn взято по справочнику ЕНВ 1963 г. МГ СССР). Время tscn можно взять также

величину проходки за рейс расчетным путем. Для облегчения вычис­ лений можно разработать номограммы. В частности, на рис. 70 при­ ведена номограмма для определения проходки за рейс при экспонен­