БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

Характеризуются вибрации амплитудой колебания А (перемещением массы), частотой Ψ и величиной энергии E. Возникновение их обычно связывают с конструкцией породоразрушающего инструмента, механизмом разрушения породы и ее твердостью, неровностью поверхности забоя и, наконец, с характером работы бурильного вала.

Влияние вибраций на процессы бурения проявляются по-разному, а конечный результат может носить как положительный, так и отрицательный характер, в зависимости от условий и параметров возникающих колебаний, а также конструкции породоразрушающего инструмента.

Прежде всего возникновение колебательных процессов или вибраций в буровом инструменте приводит к формированию импульсных динамических нагрузок, продольных и поперечных, действующих как на саму вибрирующую систему, так и на породоразрушающий инструмент и буровое оборудование, расположенное на поверхности. В этом случае вибрации сказываются, главным образом, отрицательно. Особенно страдают от действия вибраций алмазные коронки, срок службы которых по этой причине существенно сокращается, в частности при повышении частоты оборотов бурового снаряда.

С другой стороны, как было показано ранее, действие импульсных ударных нагрузок в определенных условиях повышает эффективность разрушения твердых пород при одновременном вращении снаряда.

Исследования и практика показывают, что действие не только собственных, но

исоздание дополнительных наложенных или вынужденных колебаний (вибраций) для определенных типов породоразрушающих инструментов сказывается положительно с точки зрения повышения эффективности процесса разрушения породы. Это имеет место, например, при бурении твердосплавными коронками и шарошечными долотами, дробью и даже алмазным ПРИ в случае благоприятного характера вибраций, в частности частоты и амплитуды колебаний.

Вотличие от рассмотренного ранее ударно-вращательного способа разрушения пород, которое происходит при нанесении ударов по прижатому к забою инструменту, виброударный процесс разрушения может протекать под действием возмущающих сил, возникающих вследствие колебаний массы всего или части бурового снаряда. При этом возмущающая сила в равной степени действует вниз (в сторону забоя) и вверх (от забоя). Вследствие этого процесс виброударно-вращательного разрушения пород может протекать в двух режимах.

Режим, при котором породоразрушающий инструмент находится в постоянном контакте с породой забоя, а импульсная нагрузка меняется по гармоническому закону

иее максимальное значение не превышает усилия, прижимающего инструмент к забою. Такой режим создается при использовании в качестве источников колебаний механических центробежных вибраторов, действующих на весь буровой снаряд.

И второй режим, при котором породоразрушающий инструмент периодически отрывается от забоя и при падении наносит удары по породе, разрушая ее. Это возможно в том случае, если возмущающая сила превышает статическое усилие прижатия вращающегося инструмента и величину его упругой деформации. Условия работы в таком режиме сказываются неблагоприятно, так как вызывают быстрый износ бурового инструмента и механизмов и могут привести к снижению эффективности разрушения породы за счет перерывов при отрыве породоразрушающего инструмента в моменты подъема и падения бурового снаряда. Поэтому с

201

вибрациями такого характера, имеющими низкую частоту, рекомендуется вести борьбу известными средствами (смазкой, виброгасителями, применением инерционных масс и т. д.).

Рис. 3.83. Графики зависимости механической скорости бурения vм от частоты вибраций ψ (а) и осевой нагрузки Go (б):

1, 2 – по известняку; 3, 4 – по граниту; (1, 3 – с вибрацией; 2, 4 – без вибраций)

Однако эффект вращательного способа разрушения твердых пород может быть увеличен за счет наложения вынужденных гармонических колебаний в благоприятном режиме. При этом собственные и вынужденные колебания могут накладываться и суммироваться или, наоборот, вычитаться, что приводит по данным исследований к экстремальной зависимости скорости бурения от действия вибраций

(рис. 3.83).

Максимумы значений этой зависимости очевидно соответствуют моментам резонансного колебания бурового инструмента (колонны) первого, второго, третьего и др. порядков, что свидетельствует о сложной картине процесса работы колонны бурильных труб в скважине. Очевидно, изменяя режим работы колонны, в частности скорость ее вращения, можно добиваться и наиболее выгодных условий работы породоразрушающего инструмента с получением максимального эффекта при определенной длине колонны.

Установлено, что наложение вынужденных колебаний повышает механическую скорость бурения шарошечными долотами более чем в 2 раза, но вместе с этим интенсивнее разрушаются зубья и опоры шарошек. Однако углубка на долото оказывается достаточно большой, так как при бурении с вибрацией долото разрушает породу даже при полном износе зубьев.

Исследованиями, проведенными на кафедре техники разведки Томского политехнического института [2], было установлено, что наложение вынужденных колебаний (высокочастотных динамических импульсов) при разрушении пород породоразрушающими инструментами, применяемыми в колонковом бурении (коронками с твердыми сплавами, алмазами, дробью), механическая скорость углубки возрастает в 2–3 раза (рис. 3.84). При бурении твердосплавными коронками и стальной сечкой возрастает не только механическая скорость, но и углубка за рейс.

202

Рис. 3.84. Графики изменения скорости углубки V и величины проходки скважины l за время t при бурении твёрдосплавной коронкой (а)

и стальной дробью-сечкой (б):

V1, l1 – без вибраций; V2, l2 – с наложением вибрации

При разрушении пород алмазными коронками с наложением вынужденных колебаний скорость бурения также увеличивается, как это видно из приведенных графиков (рис. 3.85).

Рис. 3.85. Графики зависимости механической скорости бурения Vм от частоты оборотов n и осевой нагрузки Go алмазными коронками:

1 – при вращательном бурении; 2– при вибрационно-вращательном бурении

Таким образом, рациональное использование вибраций при вращательном способе бурения позволяет повысить его эффективность.

203

3.7.4. Мощность, расходуемая на процесс разрушения пород при ударно-вращательном способе бурения

При ударно-вращательном способе разрушения горных пород, также как и при вращательном, энергия затрачивается на преодоление сил трения и сопротивление породы разрушению. Затрачиваемая при этом мощность может быть определена по формуле [27]

где WЗАБ − затрачиваемая мощность, кВт; G0 − осевая нагрузка, кН; n − частота оборотов, мин–1; DН, DВ − наружный и внутренний диаметр коронки, мм; f − коэффициент трения; A − коэффициент, учитывающий свойства горных пород и характер процесса ее разрушения; ∆h − величина углубки забоя за один оборот коронки, мм; PД − сила ударной нагрузки, кН. Значения коэффициентов f, A и ∆h приведены в приложении 3.

При вибрационно-вращательном (высокочастотном) способе бурения мощность на разрушение породы может быть определена и по другим формулам.

3.8. Разрушение горных пород при специальных способах бурения скважин

3.8.1.Общие сведения

Кспециальным относятся нетрадиционные способы бурения скважин, заключающиеся в погружении снаряда с породоразрушающим инструментом в мягкую (рыхлую) породу без его вращения. Породоразрушающий инструмент при этом имеет форму стакана режущего действия или вид пикобура с торцом конусной фор-

мы (рис 3.86).

При использовании ПРИ режущего действия кольцевой формы разрушение породы происходит по кольцевой площади забоя (бурение с получением керна), а пикобуром порода разрушается по всей площади дна скважины (бескерновое бурение).

Погружение бурового снаряда осуществляется либо забиванием, либо задавливанием. В первом случае используются динамические ударные или виброударные нагрузки, а во втором − усилие подачи (осевая нагрузка).

Динамические нагрузки могут создаваться нанесением ударов (ударнозабивной способ) или сбрасыванием утяжеленного бурового снаряда с некоторой высоты (ударный способ бурения), а также, с помощью вибраторов обычно механического действия, или вибромолотов. Такой вид бурения получил название вибрационного, или виброударного.

Погружение бурового снаряда под действием медленно нарастающей нагрузки осуществляется с помощью механизмов подачи гидравлического или механического действия. Такой процесс получил название «бурение скважин задавливанием ин-

струмента».

204

Рис. 3.86. Схемы буровых снарядов и ПРИ, применяемых при специальных способах бурения:

а – снаряд и ПРИ кольцевой формы; 1 – ПРИ; 2 – колонковая труба; 3 – керн; 4 – бурильная труба; б – снаряд и ПРИ при бескерновом бурении; 1 – ПРИ (пикобур);

2 – бурильная труба; 3 – стенка скважины; F – сила зажима снаряда породой; TТ, TБН – силы трения, действующие по торцевой и боковой поверхности ПРИ; N1 – сила сопротивления породы разрушению

3.8.2. Разрушение горных пород при вибрационном способе бурения скважин

Сущность вибрационного способа бурения заключается в погружении специального бурового снаряда в рыхлую породу под действием вынужденных колебаний − импульсных нагрузок в диапазоне частот 1200−2500 колебаний в минуту, создаваемых механическим вибратором или вибромолотом. В качестве породоразрушающего инструмента при этом используют обычно башмаки режущего действия с гладким заостренным торцом, имеющим в продольном сечении форму полого клина (рис. 3.87).

Погружению инструмента в этом случае препятствуют сила лобового сопротивления породы N1 и силы трения, действующие на торце коронки TТ и на боковых поверхностях погружаемого снаряда − наружной TБН и внутренней TБВ, находящих-

205

Рис. 3.87. Схема действия сил сопротивления породы внедрению породоразрушающего инструмента в виде стакана с заостренным торцом под действием ударной нагрузки PД

где G0 − осевая нагрузка, создаваемая весом бурового снаряда; PД − динамическая нагрузка, создаваемая вибратором.

Под действием осевого статического усилия и импульсных высокочастотных динамических нагрузок частицы породы под торцом ПРИ и вблизи боковых поверхностей снаряда приходят в колебательные движения, теряют связь между собой, а в забое скважины перемещаются в сторону стенки скважины конической частью ПРИ (рис 3.87). При этом процессе происходит уплотнение породы в стенке ствола скважины, так как продукты разрушения из скважины не удаляются.

Исследованиями Д.Д. Баркана и др. установлено, что эффективность процесса погружения инструмента определяется, с одной стороны, физико-техническими свойствами пород, а с другой − величиной импульсных нагрузок РД, амплитуды А и частотой вынужденных колебаний Ψ, передаваемых частицам разрушаемой породы. Погружение инструмента происходит только тогда, когда амплитуда колебаний приобретает определенное значение, разное для различных пород. Установлено, что для более плотных, вязких пород амплитуда колебаний должна быть не менее 3 мм, а для рыхлых − порядка 2 мм.

Очевидно, при таких амплитудах колебаний частиц связи между ними разрываются, уменьшаются силы сцепления породы с поверхностью погружаемого инструмента и силы внутреннего трения. Последнее зависит в значительной степени и от частоты колебаний, в особенности в песчаных грунтах.

206

Действие вибраций на рыхлые увлажненные или насыщенные водой глинистые породы и суглинки приводит к изменению их консистенции и физических свойств − к переходу в текучее состояние (явление тиксотропии). При этом вода, находящаяся в порах, и физически связанная частицами породы, переходит в свободное состояние, что и придает подвижность грунтовой массе. Это приводит к существенному снижению сил лобового сопротивления породы и, соответственно, быстрому погружению бурового инструмента.

В рыхлых несвязных (сыпучих) мелкозернистых грунтах погружение вибрируемого инструмента происходит, главным образом, за счет снижения сил трения и способности сыпучего материала легко перемещаться.

Эффективность вибрационного способа разрушения пород, таким образом, в первую очередь зависит от лобового сопротивления N, которое определяется прочностью пород и площадью поперечного сечения погружаемого инструмента:

где С − коэффициент сопротивления породы внедрению породоразрушающего инструмента; S − площадь торцевой части породоразрушающего инструмента.

Способность грунтов сопротивляться действию вибраций профессор А.М. Яковлев характеризует коэффициентом, который для глин может изменяться от 0,5 до 1,7; для суглинков − от 1,5 до 2,0 и для песков − в пределах 0,26−0,32.

Сопротивление сил трения при погружении бурового снаряда определяется, как известно, величиной коэффициента трения f и силой прижатия трущихся элементов.

Очевидно,

Все силы сопротивления погружению бурового снаряда обычно определяются экспериментально, а полученные их значения кладутся в основу характеристик вибраторов, главным образом, при определении их возмущающей силы РД или энергии одиночного удара qД. Обычно величина РД = 1000…8000 даН, а энергия одиночного импульса q = 100…1800 даН см и более при частоте оборотов дебалансов

1200−3000 мин–1.

Рассмотренными условиями и определяется область применения вибрационного способа бурения скважин.

207

Рис. 3.88. Схема погружения бурового снаряда (пикобура) при задавливании и действия сил сопротивления породы его продвижению:

1– породоразрушающий инструмент (пикобур); 2 – бурильные трубы; 3 – стенка скважины

3.8.3.Разрушение горных пород при бурении скважин задавливанием породоразрушающего инструмента

Процесс бурения скважин в этом случае заключается в задавливании заостренного по торцу породоразрушающего инструмента в виде стакана (башмака) или пикобура в достаточно мягкие (рыхлые) породы (рис. 3.88).

Разрушение породы при этом происходит за счет пластических деформаций, разрыва связей и перемещения породы заостренным торцом ПРИ с уплотнением ее в стенке скважины.

Также как и при вибрационном способе, внедрению ПРИ будет препятствовать лобовое сопротивление породы N и силы трения, действующие на торце внедряемого инструмента TТ и вдоль его боковой наружной поверхности TБН (рис. 3.88).

Очевидно, условием продвижения бурового снаряда и формирования ствола скважины будет преодоление сил, оказывающих сопротивление этому продвижению:

где G0 − осевое усилие задавливания инструмента; N – сила лобового сопротивления разрушению породы; TТ, TБН – силы трения на торцевой и боковой поверхностях инструмента.

208

Общее сопротивление породы внедрению инструмента при сплошном забое можно определить, пользуясь формулой вида

где R − радиус скважины, см; σCЖ − удельное сопротивление породы уплотнению (сжатию), даН/см2; П0 − естественная пористость грунта до внедрения инструмента; КФ − коэффициент, учитывающий форму торцевой части внедряемого инструмента (для инструмента конической формы при угле приострения α = 45° КФ = 1).

Исследованиями установлено, что величина усилия задавливания существенно зависит от формы торцевой части внедряемого инструмента, в частности угла α при вершине конуса. Минимальная величина этого усилия имеет место при 45° < α < 90°, в зависимости от характера пород.

209

Раздел 4 СПОСОБЫ УДАЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ РАЗРУШЕНИЯ

ИЗ СКВАЖИН ПРИ БУРЕНИИ И ИХ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Основная задача данного раздела дисциплины – привить будущим специалистам знания, умения и навыки, позволяющие в конкретных геологотехнических условиях бурения самостоятельно и творчески решать все вопросы, связанные с удалением продуктов разрушения из скважин, добиваясь выполнения проектных задач с максимальной эффективностью (быстрее, лучше, дешевле), не нанося при этом ущерба окружающей природной среде.

4.1.Общие сведения о способах удаления продуктов разрушения

иочистных агентах

Удаление продуктов разрушения (УПР) при бурении скважин может осуществляться несколькими способами, основными из которых являются следующие:

• комбинированный (гидропневматический или пневмогидравлический).

Механический способ удаления продук-

тов разрушения – самый древний способ. Применяется при бурении неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах. Удаление осуществляют специальными забойными инструментами: буровыми ложками, змеевиками, шнеком, желонкой. Проходка на рейс в этом случае ограничена емкостью инструмента и составляет всего 0,2…0,6 м. Весь выбуренный объем породы поднимается на поверхность вместе с забойным инструментом, что существенно снижает производительность бурения.

Наиболее производительным из механических способов является транспортирование продуктов разрушения с помощью шнеков – винтовых транспортеров (рис. 4.1, а). Рыхлая масса разрушенной породы в этом случае перемещается за счет действия силы, возникающей на винтовой поверхности вращающегося шнека. Порода поднимается на поверхность одновременно с бурением колонной шнеков, длина которых соответствует глубине скважин.

210