Динамика и энергетика разрушения горных пород шарошечными долотами
В подразделе 5.7.3 шарошечное долото было рассмотрено как источник вынужденных колебаний породоразрушающего и бурильного инструментов. Рассмотрим динамичность работы дробяще-скалывающих инструментов на примере шарошечных долот 1-го класса 190,5С-ГВ и 2-го класса 190,5СЗ-ГАУ R27M. Долото 190,5С-ГВ – с равномерным распределением зубьев в венцах, а долото 190,5СЗ-ГАУ R27M – с групповым размещением зубков в венцах. В качестве основного аргумента принимаем, как и в случае испытания долот PDC, проходку за один оборот долота ho (интенсивность разрушения горной породы). Изменение проходки за оборот долота осуществлялось за счет ступенчатого изменения осевой нагрузки. На рисунке 5.58 а приведены результаты стендовых испытаний названных долот при бурении мрамора с частотой вращения 60 об/мин.
Из рисунка 5.58 а видно , что при низкой интенсивности разрушения горной породы наблюдались весьма высокие значения коэффициента динамичности, величины которых быстро снизились по мере развития разрушения горной породы, а затем стабилизировались в широком диапазоне изменения проходки за один оборот долота. При h o < 1 мм/об коэффициент динамичности долота типа С ниже, чем долота типа СЗ, что связано с рейкообразованием на забое (долото типа С прирабатывалось к забою, а долото типа СЗ за счет группового размещения зубков активно противостояло приработке, разрушая рейку). При дальнейшем увеличении проходки за оборот зависимости k д от h o пересеклись, и коэффициент динамичности долота типа СЗ стал ниже, чем коэффициент динамичности долота типа С.
|
|
|
Из сопоставления графиков зависимости k д от h o для шарошечных долот с аналогичными зависимостями для долот PDC (см. рис. 5.20 б) следует, что коэффициент динамичности долот PDC существенно выше, чем шарошечных, во всем изученном диапазоне изменения проходки за оборот долота. При этом при h o < 1 мм/об коэффициент динамичности долота PDC неприемлемо высок, а у шарошечных долот даже в этом диапазоне практически не выходит за допустимые пределы (по данным П. В. Балицкого принят [k д] = 1,3).
На рисунке 5.58 б приведены зависимости относительной энергоемкости А о разрушения горной породы от проходки за один оборот шарошечных долот. Здесь, как и в случае долот PDC,
Ао = 
, (5.33)
где Ауд – удельная работа разрушения горной породы долотом; AV – энергоемкость разрушения горной породы при вдавливании штампа.
Из рис. 5.58 б видно, что графики зависимости А о от h o отражают скачкообразность разрушения горной породы. Максимумы на графиках соответствовали переходу от второй области разрушения горной породы к третьей. Далее А о сначала быстро, а затем медленно понижалась по мере увеличения h o, т.е. процесс разрушения горной породы стабилизировался. Причем стабилизировался на более низком уровне энергоемкости, чем долот у PDC (см. рис. 5.21 б). Это значит, что процесс разрушения шарошечными долотами пластично-хрупких пород менее энергоемкий, чем процесс разрушения резанием-скалыванием пород долотами PDC.
|
|
|
Рис. 5.58. Зависимости коэффициента динамичности (а ) и энергоемкости (б) разрушения горной породы от проходки за один оборот долота
При проектировании режима бурения и расчете бурильного инструмента необходимо определить величины мощности и крутящего момента для вращения долота, которые зависят от конструкции долота, от механических свойств разбуриваемых горных пород, от соответствия типа вооружения долота горной породе и от характера ее разрушения. Многообразие факторов не позволяет получить аналитическое решение задачи. Поэтому в расчетах используются эмпирические формулы, полученные при стендовых и промысловых испытаниях долот с замером мощности или крутящего момента в процессе бурения. Наиболее точные результаты обеспечивают прямые измерения крутящего момента на долоте, т.к. они исключают необходимость вводить поправки на внутренние потери мощности в приводе долота.
|
|
|
Широкое применение при расчетах мощности N и крутящего момента М для вращения долота получили следующие формулы:
| N = 0,00514cD0,4G1,3n,Вт; | (5.34) |
| М = 9,545N/n,Нм, | (5.35) |
где с –параметр,зависящий от твердости горной породы(с = 7,8 –длямягких, с = 6,9 – для средних, с = 5,5 – для твердых горных пород); D
– диаметр долота, мм; G – осевая нагрузка на долото, кН; n – частота вращения долота, об/мин. Приведенные выше значения параметра с будем считатьнормативными,так как они используются в руководящих документах по бурению скважин.
Из формул (5.17) и (5.18) видно, что влияние перечисленных факторов сведено к учету только группы твердости горных пород. Для уточнения расчетов N и М в УГНТУ проведены дополнительные стендовые исследования работы долот, а также привлечены результаты измерений, проведенные в МИНХ и ГП и БашНИПИнефть. По результатам измерений мощности на долоте рассчитывался параметр с по формулам:
| или | с = N /(0,00514D0,4G1,3n) | (5.36) |
| с = М/(0,0491D0,4G1,3), | (5.37) | |
| которые получены непосредственно из формул (5.17) и (5.18). | ||
Дополнительно в качестве переменных величин (аргументов) были использованы твердость горных пород в категориях блоков, на которых проводилось стендовое бурение, относительное смещение осей шарошек в плане и частота вращения испытанных долот. В результате корреляционного анализа данных стендового бурения было получено следующее уравнение регрессии:
|
|
|
| c = 7,73 – 0,487H + 48,08ko– 0,0024n, | (5.38) |
где Н –твердость горных пород в категориях; ko–относительное смещение осей шарошек в плане (характеристика типа долота); п – частота вращения долота, об/мин. Коэффициент детерминации R2 = 0,96.
На рисунке 5.59 приведены результаты вычислений параметра с по формуле (5.21) для основных типов долот в зависимости от твердости горных пород при частоте вращения долот 60 об/мин. Мягким горным породам соответствует область М, которая находится в пределах от 0 до 3,5 кат., породам средней твердости – область С от 3,5 до 5,5 кат. и твердым область Т и К – от 5,5 кат. и более. Твердость осадочных пород обычно не превышает 10 кат. Прямые 1, 2 и 3 соответствуют параметру с в случаях применения долот по назначению, а тонкие пунктирные линии характеризуют параметр с в случае применения соответствующих долот не по назначению.Горизонтальные пунктирные прямые 1', 2' и 3' соответствуют нормативным величинам параметра с для соответствующих групп горных пород.
Из рисунка 5.59 видно, что в случае применения долота одного типа величина параметра с монотонно уменьшается по мере увеличения твердости горных пород. В случае применения долот, соответствующих твердости горных пород, при переходе от одного типа долота к другому величина параметра с изменяется скачком. Нормативная величина параметра с в случае твердых пород и долот типа Т и К (прямая 3') соответствует началу области применения этих долот, а по мере увеличения твердости горных пород становится все более завышенной. Нормативная величина параметра с в случае пород средней твердости и долот типа С (прямая 2') соответствует концу области применения долот типа С, а далее по мере уменьшения твердости горных пород становится все более заниженной. Нормативная величина параметра с для мягких пород и долот типа М(прямая1')соответствует началу областиприменения долот типа С, а по отношению к долотам типа М существенно занижена.
Рис. 5.59. Зависимость величины параметра с от твердости горной породы в категориях для соответствующих типов долот
Из конструктивных параметров наибольшее влияние на момент M сопротивления вращению долота оказывает смещение k осей шарошек в плане. Это подтверждается прямыми измерениями момента, выполненными во ВНИИ БТ, при бурении горной породы средней твердости лабораторными долотами с одинаковым вооружением (типа С), но с разным смещением. Обобщенные результаты приведены на рисунке 5.60.
Из рисунка 5.60 видно, что зависимость М от k имеет четко выраженный минимум при небольшом положительном значении k э. В области отрицательных значений смещения k при его увеличении по модулю наблюдается быстрый рост момента и самозаклинивание долота в скважине. Последнее обусловлено тем, что в процессе взаимодействия с забоем в случае отрицательного смещения k радиальное скольжение вооружением направлено от центра к стенке скважины и сопровождается защемлением разрушаемой породы между обратным конусом шарошки и стенкой скважины. И лишь при некотором значении k > 0 эффект защемления полностью устраняется . Для современных долот k0э ≈ 0,01 и соответствует минимуму момента. Далее момент с увеличением k монотонно возрастает.
k э
Рис. 5.60. Зависимость крутящего момента на долоте от смещения осей шарошек в плане
На рисунке 5.60 нанесены положения моментов для соответствующих долот Т, С и М при применении их по назначению. Точка для долота типа С лежит на графике зависимости М от k, так как тип вооружения и горная порода соответствовали этому типу.
Положение точки для долота типа Т ниже графика обусловлено совместным влиянием несоответствия твердости породы и меньшего шага, а для долота типа М – несоответствия твердости породы и большего шага по сравнению с лабораторными условиями получения зависимости М от k.
Работа взаимодействия элемента вооружения с горной породой может быть представлена в виде суммы: АB = Аz + Ахy, где АB – работа взаимодействия; Аz – работа силы, нормальной к плоскости забоя (работа вдавливания); Аxy – работа сил, действующих в плоскости забоя.
Обозначим
, (5.39)
Здесь h o ' = h о / b0 – относительная интенсивность разрушения горной породы (h o – проходка за один оборот долота, b0 – начальное притупление зубьев долота). Из рисунка 5.61 видно, что доля работы скольжения растет от долот с низкой скалывающей способностью к долотам с высокой скалывающей способностью, но снижается с увеличением интенсивности разрушения всеми типами долот.
Гидравлическую мощность, расходуемую в системе промывки долота, можно рассчитать по формуле
| Nг = рдQ, | (5.40) |
рд – перепад давления в системе промывки долота(перепад давления надолоте); Q – расход бурового раствора.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 710; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!