Способ регулирования процесса вращательного бурения горных пород

 

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД , включающий контроль мощности, затраченной на бурение, регистрацию ее возрастающих пиковых отклонений и уменьшение одновременно с этим осевой нагрузки и скорости вращения до стабилизации уровня мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ререгулирования путем оперативного прекращения зависания бурового снаряда, вызываемого возбуждением его качения по стенкам скважины, определяют механическую скорость бурения,, регистрируют ее отклонение от первоначально заданного уровня,соответствующего стабилизации уровня мощности, и в случае возникновения релаксационных колебаний механической скорости бус рения при снижении ее среднего уров-; /3 ня с одновременным пиковым возрастанием мощности осевую нагрузку увеличис вают до получения первоначально заданного уровня механической скорости ; бурения.,- О5 to 0 01 Од

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) E 21 В 45 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3681193/22-03 (22) 27.12.83 (46) 23.06.85. Бюл. Р 23 (72) В.Н.Алексеев, Н.Н.Михеев, О.И.Шерстюк и А.В.Чигирин (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки Всесоюзного промьппленного объепинения "Союзгеотехника" (53) 622.243(088.8) (56) Автоматизаций процессов глубокого бурения. М., Гостоптехиздат, 1961, с. 3-27.

Авторское свидетельство СССР у 947405, кл. E 21 В 45/00, 1974. (54) (57) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, включающий контроль мощности, затраченной на бурение, регистрацию ее возрастающих пиковых отклонений

„„SU„„1162953 A и уменьшение одновременно с этим осевой нагрузки и скорости вращения до стабилизации уровня мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности ререгулирования путем оперативного прекращения зависания бурового снаряда, вызываемого возбуждением его качения по стенкам скважины, определяют механическую скорость бурения, регистрируют ее отклонение от первоначально заданного уровня, соответствующего стабилизации уровня мощности, и в случае возникновения релаксационных колебаний механической скорости бурения при снижении ее среднего уров-ня с одновременным пиковым возрастанием мощности осевую нагрузку увеличивают до получения первоначально заданного уровня механической скорости бурения, 11á2953 а вектор силы трения (Р) при скольжении элемента по стенке скважины

30 направлен противоположно вектору абсолютной скорости скольжения

Ч

à =- pf sign—

U2. Vé где ш — масса элемента (единицы длины) снаряда;

Ф вЂ” угловая скорость вращения инструмента;

D и Й- диаметры скважины-и элемен-40 та снаряда;

Р коэффициент трения снаряда о стенки скважины, Ч вЂ” окружная скорость элемента о снаряда; 45

Ч вЂ” механическая скорость буЮ рения.

При этом осевая составляющая сил трений F элемента снаряда о стен- ки скважины составляет 50 (2)

35 у =jP(@ Ч . (3),: е

Однако поскольку при вращательном бурении скорость вращения инструмента во много раз превосходит механическую55 скорость, то осевая составляющая сил трения (Р ) при обращении снаряда ничтожно мала, и поэтому осевая нагИзобретение относится к вращательному бурению скважин, а именно к способам оптимального управления и регулирования процесса вращательного бурения с применением бурильных труб.

Цель изобретения — повышение эффективности регулирования путем оперативного прекращения зависания бурового снаряда, вызываемого возбуждением его качения по стенкам скважи- 10 ны.

В процессе бурения скважины при нормальном движении бурового снаряда -обращении — его ось вращается вокруг. оси скважины или вокруг не- 15 которой оси,- несовпадающей с осью симметрии скважины. При этом буровой снаряд скользит по стенкам скважины или не касается их. Максимальная удельная сила (f ) прижатия элемен- 20 та снаряда к стенке скважины опреде1

1 ляется в этом случае главным образом величиной центробежной силы

D — d ш „2

2 рузка практически полностью переда-! ется на забой скважины, что обеспечивает стабильность уровня механической скорости при неизменных параметрах режима бурения. Стабильный характер имеет и мощность, затрачиваемая на вращение бурового снаряда при его устойчивом обращении. Поэтому при обращении снаряда процесс вращательного бурения регулируют по уровню мощности, так как изменения уровня мощности в этом случае отражают главным образом забойные процессы.При этом в процессе бурения на выбранной скорости вращения инструмента плавно увеличивают осевую нагрузку до тех пор, пока не появляется возрастание мощности в виде пиковых отклонений от стабильного уровня, что отражает переход от мокрого трения к сухому между породоразрушающнм инструментом и горной породой. При появлении указанных пиковых отклонейий осевую нагрузку и (или) скорость вращения уменьшают до стабилизации уровня мощности н на этом режиме осуществляют бурение.

При качении снаряда удельная сила прижатия его элемента к стенке сква4 жины существенно возрастает (обычно более, чем на два порядка) и вычисляется по формуле

20 - d г, ()

d где Я= и

-угловая скорость

D - d качения снаряда.

Кроме того,при качении снаряда без скольжения вектор силы трения его элемента о стенки скважины направлен противоположно осевому перемещению снаряда; поэтому осевая составляющая сил трения (F ) при качении снаряда достаточно велика и вычисляется по формуле Г = ц.Х . (5)

Наличие силы F< направленной противоположно осевой нагрузке, предопределяет зависание снаряда, прн котором осевая нагрузка передается на забой скважины лишь частично. В свою очередь, зависание снаряда является причиной уменьшения механической скорости бурения из-за снижения осевой нагрузки на забой и заполирования алмазных коронок. Обычно вследствие осевых колебаний бурового снаряда зависание снаряда выражается в периодическом дискретном сползании" его к

3 1162953 4 эа ою скважины, что вызывает релакса- лирования п б по уровням мощности и меционные колебания механической скорос- ническон ско корости, основанные на ти бурения с частотой порядка 0,05- разных физических я . х явлениях, воэникац. Ри этом среднее значение ющих при вращательном б урении, не механической скорости обычно снижа- 5 обладают и ф ормальным сходством: ется по сравнению с тем уровнем при регулирован ии по мощности с который наблюдается до возбуждения увеличением м моЩности в виде пиковых качения снаряда. Последнее, кроме отклонений осевую нагруэ:".у уменьшатого, приводит к увеличению среднего ют, а при регулировании по механиуровня мощности с увеличением ампли- 1О ческой скорост ти с уменьшением скотуды колебаний ее мгновенных зна- рости и одновременн ом возрастанием чений, что вызывается главным об- мощности (при воз ужденин качания б разом колебаниями осевой нагрузки снаряда) осевую нагрузку, наоборот, на забое скважины. Таким образом, увеличивают. возбуждение качения снаряда опреде- 15 На фиг 1 приведена структурная ляют по возникновению релаксацион- схема устройства,анализирукнцего п е— ных колебаний механической скорости ующ р д бурения со снижением ее среднего лагаемый способ в случае чного г ру регулирования процесса бурения; на фиг.2 уровня и повышению уровня мощности

Э и3-ди — диаграммы затрат мощности, затрачиваемой на бурение с увеличе- 20 иллюстрирую щие соответственно регунием амплитуды колебаний ее мгновен- лирование процесса б ени ных значений. роцесса урения по уровню мощности при обращении снаряда и по

По предлагаемому способу в этом поддержанию пост остоянным уровня мехаслучае процесс бурения Регулируют . нической с б кой скорости бурения при качана фиг. — фрагмент по поддержанию исходного заданного 25 нии снаряда ф 4— (до возбуждения качения снаряда) диаграммы зат сти отражауровня механической скорости бу- ющей нерег е нерегулируемый по уровню мехарения. При этом с уменьшением скорос- нической с ти б кой скорости процесс бурения. ти урения осевую нагрузку увели- При ручном ег ли о чивают чтобы ри ручном регулировании процесосевой составл чивают, что ы преодолеть действие 30 сом бурения после вк осле включения буроосево составляющей сил трения, выз- вого агрегата 1 (ф 1) .иг. ) бурильщик 2 вавшеи зависание снаряда, и восста- с помощью Рукояток приводов вращеновить исходный уровень механической ния 3 ния и подачи 4 устанавливает раскорости. Указанные операции в про- циональные значения п ения параметров рецессе бурения периодически повторя- 35 НМу бУРения — скорости-вращения ют в соответствии с частотой колеба- и осевой нагрузки (н например, на ний механической скорости бурения.. основании предшествую твующего опыта

В процессе регулирования возможное или расчета) анализир ализируя при этом возрастание уровня мощности ограни- характер изменения мощности и скочивают допУстимым пределом, напри- 4п рости б рости урения соответственно по ремер, с помощью ограничителя кру- гистраторам 5 6 и, и определяет критящего момента типа "ОМ-40". терий (канал) регулирования. Если поВ предлагаемом способе регулиро- каза казакия регистраторов мощности 5 и вания процесса вращательного бурения скорости урения 6 стабильны, то контролируют мощность, затрачивае- 45 бур урильщик приступает к регулированию мую на бурение, например, с помощью процесс б { процесса урения {поиску оптимальсамопишущих киловаттметров типа ного режима) по параметру мощности

Н-395 и механическую скорость бу- первыи канал), для чего продолжает рения, например, с применением се- плавно увеличивать осевую нагрузку и рийной контрольно-измерительной ап- S0 (или) скорость в а ения к паратуры типа "Курс-44 1". или скорость вращения, контролируя свои действия по регистраторам 5

При стабилизации уровней механи- и6 кт и, которые при этом показывают ческой скорости бурения и мощности

Э адекватные приращения мощности и например, после срыва (ликвидации) еханическо скорости. Указанную качения снаряда снова переходят к S5 операцию бур ацию урильщик продолжает до регулированию процесса бурения по тех пор пок пор, пока на регистраторе не поуровню мощности, описанному выше. являются резкие (неадекватные) воэСледует отметить, что операции регу- растания мощи я мощности в виде пиковых

1162953 6 отклонений, после чего он уменьшает осевую нагрузку и (или)скорость вращения до исчезновения этих пиков и на этом оптимальном режиме, обеспечивающем наибольшую механическую 5 скорость и ресурс коронки, продолжает бурение. Если при установившемся процессе бурения бурильщик обнаруживает по регистраторам 5 и 6 самопроизвольное резкое возрастание мощности в виде длительных (или пиковых ) отклонений ее постоянной составляющей с увеличением амплитуды переменной составляющей и при этом релаксационные (негармонические) колебания механической скорости с частотой порядка 0,05-0,5 Гц и снижением ее среднего уровня, то бурильщик приступает к регулированию процесса бурения по механической ско-20 рости (второй канал), для чего при неизменной скорости вращения увеличивают осевую нагрузку до исчезновения релаксационных колебаний механической скорости и стабилизации ее на исходном (до возникновения релаксационных колебаний) уровне и уменьшает осевую . нагрузку при превышении этого уровня.

Естественно, что "исходный уро- 30 вень" механической скорости — величина непостоянная и зависит от степени износа коронки. (в том числе и за время регулирования), смены пород и т,п Поэтому основнои целью регулирования по второму каналу является не достижение в точности исходного уровня механической скорости, а устранение ее релаксационных колебаний и достижение стабилизации ско- 4О рости, что обеспечивает передачу оптимальной нагрузки на забой и в итоге выход на ту величину механической скорости, которая может быть реализована в данных условиях при pery- 15 лировании по первому каналу. В процессе регулирования по мощности и механической скорости скачки мощности могут превзойти допустимый предел и тогда срабатывает ограничительное устройство 7 (фиг.1), отключая вращение бурового снаряда.

Регулирование процесса бурения с участием бурильщика (оператора) в силу ограниченности физических возмож- 55 ностей человека по восприятию и анализу текущей информации не всегда обеспечивает правильность ведения процесса бурения. Поэтому предлагаемый способ особенно целесообразно применять в автоматизированных системах управления процессом бурения.

Для реализации предлагаемого способа при автоматизированном управлении процессом бурения на буровом агрегате 1 функции оператора может выполнять устройство (например, микроЭВИ),которое снабжено соответствующими алгоритмами, построенными на

r основании специфических признаков указанных ситуаций: стабильность уровней мощности и скорости бурения (нормальное бурение), скачкообразное увеличение мощности в сочетании с релаксационными колебаниями скорости бурения (бурение с качением снаряда).

После распознавания ситуации управляющая система через .регулируемые привод 3 и орган 4 подачи приступает к реализации одной из программ: регулированию по мощности или по скорости бурения.

Пример. Реализация предлагаемого способа регулирования процесса вращательного бурения была осуществлена на одном иэ месторождений ВПО

"Союзглавгеологоразведка" при бурении плановых скважин РФ 1637 и 1642 с проектными глубинами 800 и 1200 м.

На обеих скважинах объемы бурения с обращением и качением снаряда распределялись приблизительно поровну.

Качение снаряда определяли по оперативным признакам (возрастание мощности и колебания ее уровня, возникновение релаксационных колебаний механической скорости со снижением ее среднего уровня), а также по вспомогательным признакам (характер кернообразования, износа инструмента и др).

При обращении снаряда регулирование процесса бурения осуществляли по поддержанию заданного уровня мощности, при котором отмечалась наибольшая стойкость алмазных коронок, а уровень механической скорости составлял 3-3,5 м/ч. Фрагмент диаграммы затрат мощности, отражающей указанное регулирование при бурении скважины Ф 1642 в интервале 643,7-649,4 м, показан на фиг, 2. Регулирование сводилось к установлению заданного уровня мощности плавным увеличением осевой нагрузки приблизительно до

7 11629

1300 кг, которая практически не изменялась в течение проходки интервала хода шпинделя станка вледствие стабильности уровня мощности и механической скорости (на диаграмме 5 фиг. 2 временные .интервалы между перекреплениями снаряда одинаковы).

При возбуждении качения снаряда по индикатору аппаратуры "Курс-411" регистрировали колебания механической скорости бурения в диапазоне 3,20,8 м/ч с частотой 0,05-0,5 Гц. Процесс бурения регулирования по исходному уровню механической скорости (м 3 м/ч,) выборочно в различных 15 интервалах бурения скважин ВУ 1637 и

1642 путем плавного увеличения осевой нагрузки при снижении механической скорости и уменьшения нагрузки при увеличении скорости выше 3 м/ч. 2р

На фиг. 3 представлен фрагмент диаграммы затрат мощности, иллюстрирующей регулирование процесса бурения по уровню механической скорости бурения (скважина У 1657, интервал 2> глубин 752,2-758,0 Ом).. Из диаграммы видно, что несмотря на увеличение. и резкие колебания затрат мощности, скорость бурения на заданном уровне (3 м/ч) поддерживалась постоянной 3g (интервалы между перекреплениями снаряда одинаковы).

53 8

Для сравнения на фиг. 4 приведена диаграмма затрат мощности, зарегистрированная в тех же условиях бурения, но без применения регулирования поуровню механической скорости. В дан.ном случае установленна после запуска вращения инструмента осевая нагрузка не изменялась в течение бурения интервала хода шпинделя станка. Это привело, как видно из рассмотрения фрагмента диаграммы фиг. 4, к колебанию механической скорости бурения с умейьшением ее среднего значения при бурении практически каждого интервала хода шпинделя станка (интервалы между перекреплениями неодинаковы и больше в среднем на ЗОХ соответствующих интервалов при регулируемом процессе).

Помимо исключения потерь от снижения механической скорости и, следовательно, производительности бурения предлагаемый способ регулирования способствует уменьшению расхода анализов за счет уменьшения заполирования и износа алмазных коронок, возникающих при зависании, снаряда и отсутствии соответствующего регулирования процесса бурения осевой нагрузкой.

1162953

Составитель И.Назаркина

Редактор E.Ïàïï Техред С.Мигунова Корректор М.Леонтюк

Заказ 5057 Тираж 540 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент ", r Ужгород, ул. Проектная, 4