ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

Исследование влияния параметров режима бурения на затраты мощности при вращательно-ударном способе бурения

Цель работы: экспериментальное исследование влияния частоты вращения и осевой нагрузки на затраты мощности при вращательно-ударном способе бурения различными типами породоразрушающего инструмента.

Объем лабораторной работы – 4 часа.

Оборудование и материалы:

1. Буровой стенд на базе станка СКБ-4.

2. Регистрирующая аппаратура: амперметр, индикатор давления.

3. Буровой насос НБ3-120/40.

4. Гидроударник высокочастотный ГВ-6.

5. Комплект породоразрушающего инструмента: твердосплавная буровая коронка СМ-4; долото шарошечное типа К; алмазная буровая коронка 01А3.

Краткие теоретические сведения

Вращательно-ударное бурение алмазными коронками и шарошечными долотами целесообразно использовать в твердых горных породах, поэтому при этом способе бурения применяют техническую воду или воду с добавками ПАВ.

Практика гидроударно-алмазного бурения подтверждает чрезвычайно редкие случаи заполирования алмазов, что позволяет рекомендовать вращательно-ударное бурение алмазным инструментом горных пород склонных вызывать заполирование алмазов.

Наложение высокочастотной вибрации на колонковый набор и бурильную колонну способствует снижению заклинивания керна в колонковой трубе.

Немаловажным обстоятельством, определяющим повышение эффективности бурения при наложении высокочастотной вибрации на буровую компоновку, является снижение коэффициента трения между колонной и стенкой скважины, что приводит к значительному улучшению условий работы деформированной бурильной колонны.

При алмазном вращательно-ударном бурении на забой необходимо подавать пониженное количество промывочной жидкости, соответствующее требованиям бурения алмазным инструментом. В то же время для работы гидроударника требуется значительное количество промывочной жидкости, существенно превышающее нужное количество по условию эффективного разрушения породы алмазным инструментом.

Для осуществления вращательно-ударного бурения применяют высокочастотные гидроударники (энергия ударов до 20 Дж, частота ударов до 2500 ударов в минуту) типа ГВ-5, ГВ-6 и универсальные гидроударные машины типа Г76 и Г59, работающие как в ударном, так и в высокочастотном режимах за счет изменения параметров расхода промывочной жидкости.

Максимальный эффект от применения вращательно-ударного алмазного бурения в различных производственных организациях получен при бурении твердых, хрупких и малоабразивных горных пород, при разрушении которых алмазными коронками имеет место заполирование алмазов: механическая скорость возрастает на 30-40%, углубка за рейс увеличивается на 15-25%, ресурс коронок повышается на 35-50%, выход керна возрастает с 70% до 80-90%, снижается интенсивность естественного искривления скважин.

Применение вращательно-ударного способа бурения может быть эффективно и при бурении ССК. Снаряд со встроенным съемным гидроударником ССК-59СГ конструкции СКБ «Союзгеотехника» показал рост механической скорости бурения до 1,6 раза, проходки на коронку в 1,3 раза, снижение заклинивания керна.

Опыт применения гидроударных забойных машин при бурении шарошечными долотами показал, что вследствие роста удельных контактных напряжений в породе, при бурении горных пород VII-XII категорий по буримости при осевой нагрузке 15-20 кН и частоте вращения 280-430 мин^-1 средний ресурс двухшарошечных долот диаметром 76 мм возрос, вследствие применении высокочастотных гидроударников, с 11 до 19 м, а скорость бурения увеличилась с 3,4 м/ч до 4,8 м/ч.

При этом достигнут более значительный рост показателей при бурении трехшарошечными долотами в сравнении с двухшарошечными, что подтверждает вывод о влиянии на эффективность разрушения породы, прежде всего, контактного напряжения, которое существенно возрастает при наложении ударного импульса. У трехшарошечных долот, как известно, площадь контакта вставок с породой забоя несколько выше, чем у двухшарошечных, а значит, роль дополнительной нагрузки оказалась более значительной.

Применение гидроударников при бурении шарошечными долотами позволяет бурить на пониженных осевых нагрузках, но с более высокой механической скоростью, что в результате и сказывается на ресурсе долот.

В зависимости от диаметра долот рекомендуются для использования гидроударники с различной энергией удара: для бурения долотами диаметром 59 мм подходят высокочастотные ударные машины с энергией удара 15 Дж, для долот диаметром 76 мм гидроударники со средней частотой удара и энергией удара 60-80 Дж, а при бурении долотами диаметром 93 мм целесообразно использование гидроударников с высокой энергией и малой частотой ударного импульса.

Классификация горных пород по буримости для механического вращательного бурения, не всегда соот­ветствует классификации, принятой для вращательно-ударного способа. Механические скорости бурения пород, относящихся к одной категории по буримости, могут быть раз­личными, и в то же время породы различных категорий могут проходиться с одинаковой скоростью углубки. При этом способе на горную породу воздействуют совместно два усилия: вертикальная ударная нагрузка и окружное усилие от вращения бурового наконечника. Кроме хрупкости (или пластичности) горных пород, на пока­затели бурения погружными пневмоударниками влияют абразивность и различные физико-механические свой­ства горных пород.

Для эффективной реализации вращательно-ударного алмазного бурения на высоких частотах вращения бурового инструмента следует применять забойные ударные машины, реализующие максимально возможные частоты ударов. Резерв повышения эффективности определяется также повышением глубины внедрения резцов в породу. Поэтому лучшие результаты бурения могут быть получены при использовании алмазного инструмента с заданным увеличенным выпуском резцов (в частности, импрегнированными коронками).

Режим бурения высокочастотными гидроударниками ГВ-5 и ГВ-6 с использованием серийных твердосплавных и алмазных коронок прак­тически не отличается от режима вращательного бурения. Исключение составляет расход жидкости, который увеличивается в 2-3 раза для обеспечения нормальной работы гидроударника. При гидроударном алмазном бурении рекомендуется не очень большая длина колонкового набора: для пород VIII категории – 6-10 м; для пород IX-X категории – 3-6 м и для пород XI-XII категории – 3-4 м.

При алмазном вращательно-ударном бурении на забой необходимо подавать пониженное количество промывочной жидкости, соответствующее требованиям бурения алмазным инструментом. Для уменьшения количества поступающей на забой промывочной жидкости применяют специальные делители потока промывочной жидкости.

Методика выполнения лабораторной работы

Работы выполняются в соответствии с планом полного факторного эксперимента. Общее количество опытов для реализации возможных комбинаций уровней факторов равно N=2^k, где k – число факторов. В качестве факторов принимаются: 1 – осевая нагрузка – Р; 2 – частота вращения – n.

Для проведения работы необходимо выбрать уровни факторов – минимальное (-) и максимальное (+) значения. Значения факторов могут быть различны, но находиться в диапазоне реальных рабочих значений и возможностей стендовой установки. В качестве откликов на изменение параметров режима вращательно-ударного бурения будет определяться мощность N.

Для проведения работы составляется план эксперимента (табл.). Матрица планирования составляется для каждого типа породоразрушающего инструмента отдельно.

Таблица