Методика отработки породоразрушающего инструмента

Исследования и большой опыт в области вращательного бурения скважин показывают, что эффективность работы ПРИ зависит не только от режима бурения, но и от методики их отработки.

Действительно, при работе острым инструментом и при достаточно большом усилии подачи происходит объемное разрушение породы. Ho по мере затупления породоразрушающих элементов площадь контакта их с породой увеличивается и контактные напряжения в породе становятся меньше ее твердости на вдавливание. Объемное разрушение перейдет в усталостное, а затем в поверхностное. Поэтому при бурении ПРИ затупляющимся в результате износа, скорость бурения уменьшается, что требует замены инструмента и, следовательно, перерывов в работе, снижающих эффективность процесса в целом. Избежать этого в значительной степени можно повышением усилия подачи по мере затупления режущих кромок резцов или приданием им такой формы, при которой по мере износа площадь контакта рабочих элементов коронки с породой оставалась бы постоянной. К такому типу ПРИ относятся самозатачивающиеся коронки с резцами из твердых сплавов с очень малой площадью поперечного сечения, не меняющейся по мере их износа, или многослойные микрорезцовые коронки, у которых резцы очень малого размера (зерна алмазов или твердых сплавов) размещаются по всему объему матрицы коронки и по мере их износа в одном слое обнажаются зерна второго, третьего и т. д.

Износ ПРИ режущего типа зависит от абразивности породы, геометрии рабочей части инструмента и режима работы: частоты вращения, усилия подачи и интенсивности удаления продуктов разрушения. Поэтому, чтобы повысить эффективность разрушения пород необходимо, прежде всего, подбирать соответственно характеру разрушаемых пород форму рабочих элементов — резцов, технологический режим бурения и соблюдать определенный порядок отработки ПРИ.

Методика или режим отработки ПРИ включает в себя: время приработки ПРИ; рациональное сочетание и изменение параметров режима бурения в зависимости от свойств пород и по мере износа резцов, общая продолжительность работы ПРИ в рейсе. От этих факторов зависят механическая скорость бурения, величина углубки за рейс и в целом на один породоразрушающий инструмент, т. е, его работоспособность во времени, и стоимость 1 м пробуренного ствола скважины. Для определения рациональной продолжительности рейса или точнее времени работы ПРИ без подъема его на поверхность пользуются различными критериями. Это максимальная рейсовая скорость бурения, условно допустимое минимальное значение механической скорости бурения, минимальная стоимость метра углубки скважины, уровень затрачиваемой на бурение мощности или максимальное значение произведения мгновенной механической скорости бурения и времени бурения с начала рейса, величины углубки на ПРИ и средней механической скорости бурения.

Все способы определения рациональной продолжительности рейса основаны на непрерывной регистрации некоторых показателей и необходимости периодических подсчетов и сравнений, но при этом практически не учитывается изменение условий бурения.

Уровень отработки ПРИ оценивается с помощью технико-экономических показателей, к которым относятся: механическая скорость бурения (м/ч); величина углубки за рейс и на один ПРИ (м); расход породоразрушающих элементов (вооружения) на 1 м пробуренного ствола скважины (г, кар) и, наконец, стоимость 1 м пробуренной скважины.

Время приработки и режимы работы ПРИ зависят от их типоразмера и состояния призабойной части скважины (изменение диаметра, наличие на забое керна и шлама от предыдущего рейса и др.).

Значительное уменьшение диаметра скважины за счет бокового износа ПРИ в предыдущем рейсе приводит к необходимости начинать новый рейс с разбуривания ствола скважины в призабойной части. При этом должен быть разбурен оставшийся от предыдущего рейса керн. Если этот процесс выполняется слишком быстро и неосторожно, у нового ПРИ могут быть выкрошены или преждевременно изношены резцы, что снизит эффективность его работы (механическую скорость и углубку за рейс). Главным в этом процессе является время, в течение которого усилие подачи на ПРИ будет доведено до рационального значения. За критерий влияния этого фактора для твердосплавного ПРИ принято считать отношение количества коронок с резцами, не получившими сколов, к общему количеству отработанных коронок, названное В. Г. Квитка коэффициентом рабочей устойчивости коронок Kр.у. Он наглядно показал, что этот коэффициент зависит от времени приработки коронок, как это видно из табл. 7.4 (для пород VIII—IX категорий по буримости).

Коэффициент рабочей устойчивости является достаточно высоким только при продолжительности времени приработки коронок малого диаметра не менее 6 мин.

Рациональное сочетание и изменение параметров режима работы ПРИ в тех или иных условиях является не менее важным фактором в получении высоких показателей. Ранее было отмечено, что значительный эффект разрушения пород, обладающих разными свойствами, может быть получен при тех или иных значениях параметров режима работы ПРИ. Так, для пород более мягких и менее абразивных большее значение имеет частота вращения инструмента, а для более твердых и абразивных — усилие подачи.

Исследованиями И.И. Любимова и В.И. Морозова доказано влияние механических свойств горных пород на интенсивность приращения механической скорости бурения в зависимости от частоты вращения ПРИ (коэффициент K1) и усилия подачи (коэффициент K2). Из полученных данных следует, что с увеличением прочности пород на скалывание влияние частоты вращения на прирост скорости бурения уменьшается, а влияние усилия подачи — несколько возрастает, и значения коэффициента K2 имеют по сравнению с коэффициентом K1 тем большую величину, чем прочнее порода. Это связано с механизмом разрушения породы.

Если при увеличении частоты вращения бурового инструмента могут быть созданы условия объемного разрушения породы, то это повысит эффективность процесса. Если при этом наблюдается усталостно-объемное разрушение породы, то увеличение частоты вращения может привести к снижению эффективности работы коронки. Наконец, при разрушении породы путем поверхностного износа или микрорезания, в случае каких-то ограничений величины усилия подачи, увеличение частоты вращения будет безусловно полезным.

Таким образом, влияние каждого из указанных параметров носит коррелятивный характер, т. е. с изменением одного из них меняется оптимальное значение другого. При этом отмечается, что бурение с небольшим усилием подачи и при большой частоте вращения приводит к быстрому износу породоразрушающего инструмента. Отсюда следует важный в практическом отношении вывод — при бурении в мягких породах форсирование режима бурения следует вести за счет увеличения частоты вращения ПРИ, а в твердых породах в основном за счет увеличения осевой нагрузки.

Учитывая большое разнообразие конструкций применяемых в настоящее время ПРИ и еще большее разнообразие пород с различными механическими свойствами, можно представить себе сложность определения рациональных параметров режима бурения в конкретном случае. Поэтому обычно даются общие зависимости и рекомендуются некоторые пределы изменения отдельных параметров, часто отличающихся в 1,5—2 раза, применительно к определенным типам коронок и пород. Иногда эти параметры привязывают к диаметрам коронок, что еще в большей степени затрудняет широкое использование рекомендаций в практике бурения скважин.

Действительно, осевая нагрузка определяется либо исходя из допустимых значений нагрузки на резец, либо из примерных средних значений усилий, допускаемых прочностью бурового инструмента. При определении частоты вращения коронки обычно исходят из значений окружной скорости 0,6-2,5 м/с либо при этом рекомендуют пределы значений частоты вращения. Например, для твердосплавных коронок n = 150-260 об/мин, а для алмазных коронок предлагается предел изменения n от 250-300 до 750-1500 об/мин. Недостатки таких рекомендаций совершенно очевидны. Если руководствоваться только окружной скоростью, то с увеличением диаметра коронки следует снижать частоту вращения ПРИ согласно выражению (7.14), что заведомо приведет к снижению механической скорости бурения, как это видно из выражения (7.13). Если исходить из рекомендуемой частоты вращения без учета диаметра ПРИ, то это может привести к нежелательному изменению скорости резания, при которой vм может оказаться ниже возможной при рациональном значении n.

Одним из возможных путей определения выбора рациональных режимов бурения на конкретных объектах может быть использование установленных при научных исследованиях общих зависимостей, уточняемых на этих объектах экспериментально. Методически это делается так. Для каждого типа рекомендуемых коронок в тех или иных породах при разной частоте вращения ПРИ в определенных интервалах скважин (по глубине) определяют рациональные значения усилия подачи, интенсивности промывки или продувки и величины углубки за рейс. Причем, критерием рациональности устанавливаемого параметра являются максимальные значения механической скорости бурения и углубки за рейс с учетом требований, предъявляемых к качеству работ и экономическим показателям.

Для удобства использования получаемых результатов значения параметров режима бурения следует давать в удельных величинах: усилие подачи в H на 1 резец; окружная скорость в м/с; интенсивность промывки в л/мин, а интенсивность продувки в м3/ч на 1 см диаметра коронки; скорость бурения в м/ч.

Общая продолжительность работы ПРИ за рейс влияет на производительность труда, которая в данном случае зависит от затраты времени на спускоподъемные и вспомогательные операции и собственно углубку, отнесенного к одному метру пройденной скважины. Производительность труда выражается формулой

где Пт — производительность труда, ч/м; tСПВо — время на спускоподъемные и вспомогательные операции, ч; tч.б — время чистого бурения в рейсе, ч; lp — углубка за рейс, м.

Чем меньше времени затрачивается на 1 метр углубки, тем выше производительность труда. Время на СПО можно сокращать, уменьшая количество рейсов и увеличивая углубку за рейс. Последнее возможно при максимальном уровне механической скорости только увеличением чистого времени бурения. Однако, если механическая скорость бурения будет низкой, то увеличение этого времени приведет к снижению производительности труда, так как tч.б будет расти, а приращение Alp будет слишком малым. Отсюда возникает необходимость определять оптимальную продолжительность рейса при проектировании буровых работ.

Исследованиями профессора Е.Ф. Эпштейна установлено, что Критерием рациональной продолжительности рейса может служить рейсовая скорость бурения — формула (7.2).

Рейсовая скорость при бурении в однородных породах меняется во времени экстремально — в определенный момент достигает максимума, а затем уменьшается. Это связано с уменьшением механической скорости бурения. Анализ многочисленных данных показывает, что продолжать бурение после достижения максимальной рейсовой скорости нецелесообразно, так как при этом сменная производительность труда окажется ниже, чем при своевременной замене притупившегося породоразрушающего инструмента. Рациональная продолжительность рейса при этом определяется следующим образом.

Вычисляют число рейсов, которые можно сделать за смену, прекращая углубку при достижении определенного уровня рейсовой скорости, по формуле

где m — количество рейсов; tc — продолжительность рабочего времени в смене, мин; tp — продолжительность одного рейса, мин.

Определяют возможную величину проходки за смену (в см) по формуле

Определяют суммарное время чистого бурения в смене tч.б.см и время на спускоподъемные и вспомогательные операции tСПВсм в смену (мин):

где tСПВр — время на спускоподъемные и вспомогательные операции в рейсе.

Для определения рациональной продолжительности рейса по рейсовой скорости необходимо своевременно установить момент, когда эта скорость достигнет максимума. Это можно делать, осуществляя периодические расчеты рейсовой скорости, пользуясь приведенной методикой, ведя хронометраж. Бурильщик может записывать показания на доске через равные промежутки времени. После получения максимальных значений рейсовой скорости рейс должен быть прекращен. Для более оперативной оценки этого момента могут быть использованы контрольная аппаратура или буровые автоматы.

Таким способом определения рациональной продолжительности рейса удобно пользоваться при бурении в сравнительно однородных породах при монотонно изменяющейся механичесокй скорости бурения. В случае бурения в породах с неодинаковой категорией по буримости кривая рейсовой скорости может иметь несколько максимумов. Снижение рейсовой скорости может произойти вследствие увеличения твердости пород и снижения механической скорости бурения или по другим причинам. Для правильного решения задачи в этом случае необходимы дополнительные критерии, например сведения о возможной смене пород, их буримости и др.

Для определения оптимального времени работы коронки на забое при бурении в крепких породах В. Г. Квитка предложил использовать критическую или граничную механическую скорость бурения vм.г, после достижения которой следует прекращать рейс и заменять коронку. В противном случае ствол скважины будет сужаться на конус, что приведет в последующем рейсе к необходимости разбуривать его или к преждевременному выходу коронки из строя, или к снижению ее производительности.

Значение граничной механической скорости бурения, после достижения которой в следующем рейсе появляется необходимость в разбуривании ствола скважины, рекомендуется определять, пользуясь выражением

где v0 — начальная механическая скорость бурения, достигаемая в течение первых 10 мин после периода приработки коронки; К — коэффициент, зависящий от диаметра коронки (для коронок диаметром 76 мм К = 1,8; диаметром 59 мм и 46 мм — K=1,6).

Таким образом, с целью повышения производительности труда и снижения стоимости 1 м ствола скважины необходимо добиваться максимальной рейсовой скорости. Это можно сделать, с одной стороны, за счет сокращения времени, затрачиваемого на вспомогательные операции в рейсе путем совершенствования техники и технологии, а также совмещения операций. С другой стороны, за счет повышения механической скорости бурения путем совершенствования техники и технологических режимов бурения. При этом необходимо стремиться к выполнению рационального числа рейсов за смену в зависимости от рассмотренных факторов и, в первую очередь, руководствуясь рейсовой скоростью, а не временем, затрачиваемым на чистое бурение или вспомогательные операции за смену, так как эти показатели не являются определяющими в достижении высоких технико-экономических показателей работы буровой бригады.

Продолжительность рейса при бурении с отбором керна часто ограничивается необходимостью сохранить керн, так как при длительном воздействии на него вращающегося колонкового снаряда керн разрушается и выход его уменьшается. В случае избирательного разрушения керна резко снижается его представительность. В связи с этим углубка за рейс нормируется и обычно величина ее ограничивается. Этим же показателем регламентируется и продолжительность рейса.

Прекращение рейса может быть вынужденным и по ряду других причин: ограниченная длина колонковой трубы (до 70% случаев); преждевременный выход из строя породоразрушающего инструмента (до 25%); самозаклинивание керна в коронке или колонковом снаряде (20—70%); аварийная ситуация (до 6%). Во всех этих случаях, как правило, снижается механическая скорость бурения настолько, что рейс прерывают и снаряд поднимают на поверхность. Поэтому, с целью повышения производительности труда, необходимо принимать меры, устраняющие причины преждевременного прекращения рейса.

Наиболее распространенной из перечисленных причин прекращения рейса является самозаклинивание керна, которое может происходить, прежде всего, при бурении по малопрочным, трещиноватым и неоднородным по твердости породам.