Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

I

Исследованию затрат мощности при бурении разведочных скважин вращательным способом посвящено множество работ. В числе i исследователей, занимавшихся этим вопросом, следует назвать Г. К. Дладинскую, М. М. Александрова, В. В. Алексеева, В. Н. Алек­сеева, А. С. Белякова, Ф. А. Бобылева, К. А. Боголюбского, А. К. Бо — [ гомолова, Ю. А. Бурмистрова, А. И. Варецу, Г. Е. Варшавского, М. Г. Васильева. Б. И. Воздвиженского, О. С. Головина, Н. А. Горо — ; хова, В. В. Григорьева, В. П. Зиненко, И. С. Калинина, В. Н. Калини — чева, А. С. Карадева, В. Г. Кардыша, А. Н. Кирсанова, Н. И. Кор­нилова, В. И. Мацейчик, Н. А. Минина, Б. А. Новожилова, М. К. Но­’ моконова, А. С. Окмянского, И. А. Остроушко, И. П. Петрова, Д. Н. Плавского, А. П. Полежаева, JI. Е. Симонянца, Б. 3. Султанова, С. Н. Тараканова, В. Г. Фоминых, В. В. Царицина, Ф. А. Шамшева, И. Е. Шевченко, П. П. Шумилова, Е. Ф. Эпштейна.

Существуют разнообразные точки зрения на количество и характер составляющих мощности, расходуемой на бурение, предложены мно-: гочисленные методики и формулы для их определения. Отметим,’ что подавляющее большинство формул являются эмпирическими, т. е. получены на основе экспериментальных данных. Обобщающий анализ методик и формул дл^ определения затрат мощности содер­жится в работах [11, 19].

Естественно, в справочном пособии невозможно привести все методики и расчетные, формулы. Да в этом нет и необходимости. Остановимся только на тех, которые имеют достаточно завершенный характер, прошли широкую апробацию, подтверждены опытными данными и достаточно просты для использования. Разумеется, в пособии содержатся все необходимые исходные данные и коэф­фициенты для применения приводимых методик и формул на практике. При этом автор отдает предпочтение методике, разработанной им при участии А. П. Полежаева.

Сущность подхода состоит в том, что суммарные затраты мощности на любом участке ее потребления подразделяются на составляющие, каждая из которых пропорциональна частоте п враще­ния снаряда в целочисленной степени.

Первая составляющая, для которой п находится в нулевой степени, характеризует постоянные потери мощности, не зависящие от п. Очевидно, эта составляющая может реализовываться только в станке, т. е. в тех элементах трансмиссии, где частота вращения всегда постоянна. Вторая составляющая, характеризующая потери мощности на преодоле­ние сил сопротивления, не зависящих от скорости (т. е. постоянных сил сухого трения, пластических сил сопротивления, сил разрушения породы и т. д.) пропорциональна п в первой степени. Третья составляющая мощности расходуется на преодоление сил, пропорциональных скорости, т. е. главным образом диссипативных сил, и, очевидно, пропорциональна частоте в квадрате. Четвертая составляющая идет на преодоление сопротивлений, пропорциональных скорости в квадрате, т. е. различных гидравлических сопротивлений, а также некоторых других динамических сил (например, боковых сил трения, обусловленных наличием центробеж­ных сил, прижимающих снаряд к стенкам скважины), и пропорциональна и3. Наконец, пятая составляющая, которая расходуется на преодоление сопротивлений, пропорциональных скорости в кубе, т. е. частоте вращения снаряда в четвертой степени (сил сопротивления, возникающих при ударных взаимодействиях снаряда со стенками скважины), становится заметной только при больших частотах вращения снаряда или других вращающихся элементов. Составляющих мощности, пропорциональных и в пятой или более высокой степени не существует. Во всяком случае, составить правдоподобную расчетную модель появления таких составля­ющих не удается.

Несмотря на то, что в основе предлагаемой методики лежат определенные теоретические предпосылки, она имеет эмпирический характер. Исключение — расчет затрат мощности в зоне работы 172

Рис. 8.1. Схема вращательного бурения скважин (к расчету баланса мощности): / иородоразрушакиций инструмент: 2 ко­лонковая ipyoa; j— оурильные труоы; 4—бу­ровой станок; 5 — вертлюг-салышк; 6 — нагне­тательный рукав; О — нейтральная точка (зона растяжения колонны бурильных труб переходит в зону сжатия) 1

породоразрушающего инструмента. Четыре из пяти составляющих здесь рассчитываются по теоретическим формулам. Методика раз­работана на базе обобщения и тщательного анализа большого фактического материала, полученного различными методами. Она применима для любых условий бурения. Результат расчета по данной методике, естественно, приближенный. Ошибка по данным сопостав­ления с опытными наблюдениями составляет от 10 до 30%.

Общим методологическим принципом в определении числа и харак­тера составляющих мощности при бурении является выделение их по месту потребления. Исходная расчетная схема представлена на рис. 8.1. Общая ‘структурная формула баланса мощности N, потреб­ляемого двигателем станка, соответствующая этой схеме, имеет вид

N=Nt + N„ + АГ„ + N"B + N’C + K,

где /if,—мощность, потребляемая в зоне работы породоразрушающего инструмента (забойная мощность); NK,—мощность, потребляемая

(8.7)

(8.9)

в зоне работы колонковой трубы и утяжеленной бурильной трубы;

N’xb, W"b—мощность, потребляемая в зоне сжатой и растянутой частей бурильных труб; N’c, N1—затрачиваемая в буровом станке и вертлюге-сальнике. При детальном анализе затрат мощности следует изучать ин­тенсивность расхода энергии в каждом из выделенных каналов. Однако на практике такая необходимость возникает редко. Чаще пользуются схемой, при которой выделяется только три канала потребления мощности:

Формула (8.7) отражает общепринятую точку зрения на рас- 9 пределение затрат энергии при бурении. sj 8.3. МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ В ЗОНЕ РАБОТЫ I ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (ЗАБОЙНАЯ МОЩНОСТЬ) 3 Мощность, затрачиваемую в зоне работы породоразрушающего ( инструмента, можно рассчитать по следующей формуле: Л,= /V,, + л,1 + Л’,* + /v, A•( JV„. ‘ (8.8) ; где 7V,] — мощность на разрушение породы в забое; N3l, Л/,3— j мощность на преодоление сил сухого трения соответственно о забой ‘ и стенки скважины; /V,4—мощность на преодоление диссипативных — сопротивлений (главным образом в горной породе, частично в про — ! мывочной жидкости); NlS—мощность на преодоление сил сопротив — / ления породы, связанных с ее вовлечением в движение вместе 1 с инструментом (динамическая составляющая забойной мощности).. Ценность представленного подразделения составляющих забойной мощности состоит в том, что каждую составляющую можно опре­делить теоретически на основе достаточно простой расчетной схемы:

Ar — = п* h сж *

где асж—временное сопротивление породы сжатию (может прини­маться по табл. 2.45); h—углубление породоразрушающего инст­румента за обороту Dc, cfK—диаметры скважины и керна. Углубление породоразрушающего инструмента может быть вычис­лено по формуле

h = 60 гм/и.

(8.10)

где гм—механическая скорость бурения, м/с. Величина гм должна быть задана либо определена по опытным данным. Небольшая ошибка в оценке гм к существенным погреш­ностям в определении забойной мощности не приведет.

N=N,— NXK— 1ЧС, где NXB = NXB+NXB, 7Vc = 7V( + |t

Dc — dK ш Dc+dx

■э JL

Диаметр скважины можно вычислить по формуле ‘ ДС=ЯИ-25Ь (8.11)

а диаметр керна—

</.=</„-28и (812)

где Dm d„—соответственно наружный и внутренний диаметры породоразрушающего инструмента по наружным и внутренним раз­резам; —величина разработки ствола скважины и керна.

Величиной 5, также следует задаваться исходя из имеющихся опытных данных. Для алмазного бурения 5t находится в пределах 10-5 —10~3, для твердосплавного—КГ’4-5• ш — м. Величина 6] условна. Фактически эта разность между радиусами скважины и инструмента на некотором удалении от забоя. На наличие отмеченных зазоров указывается, в частности, Д. Н. Башкатовым и его учениками.

Мощность на преодоление сил трения инструмента о забой можно4 рассчитать по формуле

N*=~r(Vu+d~)-0~fZ(Dc-d’nD„+d„)v„”, (8.13)

120 ч

где Р—осевая нагрузка,/—коэффициент трения породоразрушающего инструмента о забой (может определяться по табл. 2.4).

Мощность N35 на преодоление сил трения породоразрушающего инструмента о стенки скважины может быть вычислена исходя из предположения, что сила трения возникает в результате появления динамической реакции связи (от центробежных сил) при вращении коронки с колонковой трубой вокруг оси скважины. Такое пред­положение является в значительной степени схематизацией реального процесса трения коронки о стенки скважины. Некоторая часть энергии здесь тратится также на профилирование скважины.

Формула для расчета N..z имеет вид

/тг n3{D„ N

*,3=Чзо) f+b’)f6’gJ" (814)

где дк—масса 1 м колонковой трубы; /.—длина колонковой трубы; кс—коэффициент, учитывающий массу собственно коронки, переход­ника, шламовой трубы и части бурильных труб, может приниматься равным от 1 до 1,5.

Мощность на преодоление диссипативных сопротивлений можно рассчитать по эмпирической формуле

N^=C’3n2DK, . (8.15)

где С’3—коэффициент диссипативных сопротивлений,

С3 =0,01ч-0,02 кг — м/с3 -мин2 (большие значения С’3 соответствуют мягким породам, меньшие—крепким).

‘ 175

Из каких-либо теоретических предпосылок коэффициент Сj определить затруднительно. Точное его значение может быть найдено только экспериментально. Важно однако отметить, что учитываемый формулой (8.15) кайал расходования забойной мощности существует в действительности. Это подтверждается многими экс­периментами.

Динамическая составляющая мощности может быть определена по формуле

(8.16)

где р—плотность породы.

Методика расчета забойной мощности в первом приближении учитывает все основные каналы расходования энергии на забое. Каждая из составляющих при определенных параметрах может становиться весьма значительной. Например, при бурении мягких пород инструментом большого диаметра весьма значительны со­ставляющие, определяемые формулами (8.9) и (8.16), и мала состав­ляющая, определяемая формулой (8.14). При бурении разведочных скважин на твердые полезные ископаемые в скальных породах определяющей является составляющая мощности, вычисляемая с по­мощью выражения (8.13)—-без последнего члена.

При ориентировочных расчетах всю забойную мощность можно рассчитать по формуле

где /,=(1,1 -1,2)/.

(8.17)

Меньшие значения /, соответствуют крепким породам и малому диаметру инструмента, большие — большому диаметру (свыше 76 мм) и относительно мягким породам.

В соответствии с- методикой, рекомендуемой в работе [11], формула для расчета мощности на забое (кВт) может быть записана в следующем виде:

Сумма ^р+’Чг^оЛИ-ЛДв),’

где Fр—сила, необходимая для разрушения породы, Н; гср^-средний радиус коронки, м, может быть найден как (£>„ + d„)/4; FTp — сила трения, Н; п — частота вращения снаряда, об/мин.

где Рж—осевая нагрузка, Н; р, А—коэффициенты. 176

Категория пород по буримости Способ бурения и тип коронки V—VI 1 VII —VIII IX —X А А’ м А А’ Р А А’ Вращательный: алмазная однослой­ 0,2 0,4 0,03 0,10 1.81 0,14 0,07 1,94 0,15 ная алмазная импрегни- ____ — — 0,32 0,83 0,06 0.12 3.3 0.4 рованная твердосплавная 0,1 2 0,2 — — — — — — Ударно-вращатель­ный: твердосплавная 0,17 0.4 0.1 стандартная алмазная однослой­ ___ — — 0,03 1,6 0,2 0,03 1.6 0,2 ная твердосплавная спе­ ___ — .— — — — 0,04 0,32 0,01 циальная

При подстановке (8.19) в (8.18) получим ЛГ, = 2.6 ■ 10"8 (ц+ А А»)(©„+</„) Росп.

Таблица 8.2 Углубления инструмента за оборот Породы Категория по бури­мости Способ бурения и тип коронки Значение Дг. мм мини­ мальное макси­ мальное среднее Малой тве­ V —VI Вращательный: рдости алмазные однослойные 0.03 0,17 0.1 твердосплавные 0,1 0,35 0,2 Средней VII VIII Вращательный: твердости алмазные однослойные 0,025 0,18 0,07 импрегнированные 0,02 0.12 0,06 твердосплавные 0.03 0.22 0,125 Ударно-вращательный 0.03 0.2 0,11 высокочастотный, одно­ слойные Твердые IX—X Вращательный: алмазные однослойные 0.01 0,12 0,05 импрегнированные 0.01 0.1 0.05 Ударно-вращательный 0,15 1.1 0,65 < среднечастотный, специ­ альные твердосплавные

С учетом влияния на мощность ширины и формы забоя, промывочной жидкости и роли расширителя формула (8.20) следующим образом:

N=2,6l0’aklk2k3(ii+A'[Av){D1,+dM)POQn,

где N3— мощность, затрачиваемая на забое скважины, к1—коэффициент, учитывающий влияние типа промывочной жидкости! (для воды кх = 1; для эмульсионного раствора кх =0,75): к2—коэффициент, *1 учитывающий наличие алмазного расширителя, к2=У, 2;i

к3—коэффициент, учитывающий влияние ступенчатости в форме забоя,.

*з=(и’+1)/2н’; • (8.22)

1

п’—число ступеней; А’—коэффициент, учитывающий удельные за-; траты мощности на разрушение забоя на единицу длины линии контакта поперечного сечения коронки с забоем; /—длина линии контакта коронки с забоем в поперечном сечении, мм (для плоского и ступенчатого забоя значение / равно его ширине Т, для закруг­ленного /=я7у2); D„, d„—наружный и внутренний диаметры инст­румента, мм; р—безразмерный коэффициент трения.

В отличие от известных в предлагаемой работой [11] методике формула (8.21) количественно учитывает углубление коронки за оборот посредством введения параметра До. Показатель Av является комплексным критерием, характеризующим эффективность разрушения породы. Он может быть определен по формуле Av= 16,7 vjn.

Значения коэффициентов р, А и А’ для различных способов бурения, разных типов коронок и пород V—X категорий по буримости приведены в табл. 8.1.

В табл. 8.2 представлены ориентировочные значения углублений за оборот Av для различных условий бурения.

Методика, предложенная в работе [11], которая описана выше, исходит из того, что забойная мощность пропорциональна частоте вращения снаряда. В то же время многие экспериментальные наблюдения показывают, что линейный характер изменения N3 в за­висимости от п сохраняется только до4 и = 400-4-500 об/мин. При увеличении ■ п линейность нарушается и более точные результаты могут быть получены на основе предыдущей методики.

Комментарии запрещены.