Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Одной из ряда функций, выполняемых промывочным агентом в процессе бурения скважины, является охлаждение породоразру­шающего инструмента. Работоспособность и износостойкость ин­струмента в значительной степени зависят от интенсивности ох* лаждения его в процессе работы на забое.

Установлено, что алмазы теряют свою твердость и износостой­кость при температуре нагрева 600 °С и выше. Так, микротвердость алмаза при температуре 600°С снижается примерно на 30%. То же самое наблюдается при нагреве твердого сплава, но в меньшей степени. Так, твердость твердого сплава марки ВК-6 при темпе­ратуре 600 °С снижается примерно на 11 %.

Охлаждение^ породоразрушающего инструмента при бурении скважин происходит в основном за счет конвективного теплообме­на, представляющего сложный процесс, зависящий от многих фак­торов, основными из которых являются режим движения потока, теплофизические свойства потока, форма и размеры охлаждаемой поверхности.

В результате исследований, выполненных в ЛГИ под руковод­ством Б. Б. Кудряшова [17], были получены аналитические зави­симости для расчета температуры нагрева торца, работающего на забое породоразрушающего инструмента. Температура торца ко-

и =———— к*Ы +^+oH + tо, (VII. 25)

у (оснОн + авнОвн) Як — ^вн)

ронки где /о — условная температура пород у поверхности, °С (обычно принимается равной среднегодовой температуре воздуха на дневной поверхности данного района); ан> аВи — коэффициенты теплоотдачи соответственно между коронкой и стенкой скважины и между внутренней поверхностью коронки и керном, Вт/(м2Х Хградус); рассчитываются по формулам (УП.9), (УНЛО) и (VIIЛ2) в зависимости от свойств промывочного агента; Дь £)пн — наружный и внутренний диаметры коронки, м; &н — безразмерный коэффициент нагрева коронки, характеризующий распределение теплового потока, генерируемого на забое, в буримую породу и тело коронки; рассчитывается по формуле (УП.26) или может быть принят в пределах &п=0,87-ь0,93; КК — коэффициент тепло­проводности материала коронки, Вт/(м-°С); для сталей

Ст. 35, Ст. 45 А, к = 45-^50 Вт/(м-°С); ак — коэффициент темпе­ратуропроводности материала коронки, м2/с; для указанных ста­лей может быть принят в пределах ак = 1,14-10~5—1,3-10-5 м2/с.

к = —К " °к___ . (VII. 26)

у ак

В то же время значительный интерес представляет расчет тем­пературы нагрева режущих граней объемных алмазов при работе

алмазной коронки на забое. Задавшись максимально допустимой температурой нагрева объемных алмазов, можно рассчитать режим бурения алмазной коронкой, обеспечивающий оптимальные условия ее работы на забое.

Расчет температуры нагрева режущих граней алмаза при ра­боте алмазной коронки можно произвести по формуле, предложен­ной Л. К. Горшковым,

‘а = (УП’27)

о

где &0—коэффициент интенсивности теплообмена алмазной ко­ронки с очистным агентом, Вт/градус; N — мощность, затрачивае­мая на забое, Вт; I — температура очистного агента, °С.

Исследование тепловых условий работы алмазной коронки, вы­полненное Л. К. Горшковым, позволило получить выражение для расчета коэффициента интенсивности теплообмена алмазной ко­ронки с очистным агентом

к0 ———————————— —— ЪЫ*————- . (Ш1.28)

2Р ТТ" + 2п*пН — п Аа) + е П(Н *а)]

1 —

/а ______ ^м/м___________________________________

Л’М/М

Для практических расчетов формула (VII.28) может быть уп­рощена и представлена в виде

к0 = .-V*™- (VII. 29)

1-Мм

где Ха, Ьм, Кк — теплопроводность соответственно алмазов, мате­риала матрицы и корпуса коронки, Вт/(м-°С); Ха= 146,5 Вт/(м*°С); Ям= 120-г-141 Вт/(м*°С) (по данным ЦНИГРИ); А, к = 47,7-т-

51,2 Вт/(м-°С). /а, /м, /к — площади поперечных сечений соответ­ственно контактов алмазов с забоем, матрицы и корпуса, м2; к — высота матрицы, м, для всех типов алмазных коронок принима­ется равной 15±0,5 мм; Ла— выпуск объемных алмазов над тор­цом матрицы, м, зависит от типа коронки и зернистости объемных* алмазов. Для коронок типов 01 АЗ, 01А4, 02ИЗ, 02И4, 03И5 и дру­
гих выпуск алмазов составляет 5—10% от линейного размера объемных алмазов, для коронок типов 04АЗ, 05АЗ, 06АЗ, 07АЗ — до 20—30% от линейного размера объемных алмазов. Линейные размеры алмазов в зависимости от их зернистости приведены в табл. 28. Выпуск алмазов из матрицы приведен в табл. 29. <р —

Таблица 28

Зернистость алыаэов, шт/кар	Средний условный диаметр, мы
Линейные размеры» ею

Алмазные зерна 3.80— 3,50 3.50— 3,30 3,30—3,00 3.0— 2,80 2.80— 2,50 2.50— 2,00 2.0— 1,60 1.60— 1,50 1.60— 1,25 1.25—1,00 1,00—0,80 0,80—0,63 Алмазные порошки 0,63—0,50 0,50—0,40 0.40—0.32
2 2—3 4—3 10—5 20—10 30—20 40—30 60—40 60—90 120—90 150—120 200—150 300—200 400—300 800—400	3.65 3,40 3,15 2,90 2.65 2.25 1,80 1,55 1,43 1,13 0,90 0,72 0,57 0,45 0,36
1200—800 2000—1200 4500—2000

Таблица 29 Горные породы Допусти­мый выпуск алмазов в зависи­мости от диа­метра, % Зернистость алмазов, шт/кар 2-1 5-2 10-5 20—10 Мягкие налипающие, слабосце- 25 0,8 0,6 0,5 0,4 ментированные крупнозерни­ стые Плотные монолитные, средней 15 — — 0.4 0,3 твердости Твердые монолитные 10 — — —— Твердые разрушенные и трещи­ Менее 10 — — —* — новатые

	Допусти­ мый выпуск		Зернистость алмазов, шт/кар
Горные породы	алмазов в зависи­мости от диа­метра. %	30—20	40-30	60-40	90—60	120—90
Мягкие налипающие, слабосце — ментированные крупнозерни­стые	25	0,3	—	——	—
Плотные монолитные, средней твердости	15	0,25	0,25	0,25	0,2
Твердые монолитные	10	—	0,2	0,2	0,15		0,1
Твердые разрушенные и трещи­новатые	Менее 10			0,15	0,1		0,8

отношение температуры нагрева верхней части матрицы (на гра­нице с корпусом) и торца; <р = 0,8 — для сжатого воздуха, <р = = 0,1—0,2 — для воды и <р = 0,4—0,5 — для пен; т, п, р — коэффи­циенты, зависящие от геометрических размеров коронки и свойств и расхода очистного агента, м-1;

где Яа, Я„, Як — периметры соответственно алмазных зерен на уровне контакта их с забоем, матрицы й корпуса, м; а — коэффи­циент теплоотдачи на поверхности коронки, Вт/(м2*°С).

Площадь поперечного сечения контактов алмазов с забоем рассчитывается по формулам: начальная площадь контактов

/; = л£>аДгт, (VII. 30)

Средняя площадь контакта алмазов с забоем

/а = л^(д + -^-)гт, (У11.31)

где £а— средний условный диаметр зерен объемных алмазов, м (см. табл. 28); Д— глубина внедрения объемных алмазов в поро­ду, м, зависит от размеров алмаза и их выпуска из матрицы, а также от твердости породы; для пород от VI категории буримости до XI—XII категорий Д= (0,02+0,002) £а. Для практических рас­четов можно принять Д = 0,01 /)а; гт — число одновременно кон­тактирующих с забоем объемных алмазов, шт.; для однослойных коронок принимается гт = 2/3 от общего числа объемных алмазов в слое, для импрегнированных коронок — гт^!/з от общего числа алмазов в условном слое. Число условных слоев в импрегнирован- ной коронке определяется отношением высоты алмазосодержащей

116

части матрицы (обычно 4—4,5 мм) к величине среднего условного диаметра алмазов.

Площадь поперечного сечения матрицы

/„ = 0,785 {&н-1?т)-Ык, (VII.32)

где / — длина промывочного канала, м; Ь — ширина промывочного канала, м; к — число промывочных каналов в коронке, шт.; £>Вц — наружный и внутренний диаметры коронки, м.

Площадь поперечного сечения корпуса коронки

/к = 0,785 (1йк-£>в. к), (Л1.33)

где £)„.к, £)в, к — наружный и внутренний диаметры корпуса, м. Периметр алмазных зерен на уровне их контакта с забоем

Па = я 2 У°*-С) +-°а-гг. (VII.34)

1 1

Периметр матрицы и корпуса

ПК = я (йв + Явн) + 2 к (/н + /в), (У11.35)

ПК = л(0я. К + 0В’Н), (VII.36)

где /н> /в — глубина продольных каналов соответственно на на­ружной и внутренней поверхностях коронки, м, определяется как разность между значениями радиусов матрицы и корпуса.

Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене меж­ду коронкой и очистным агентом зависит от режима течения пото­ка, который характеризуется параметром Рейнольдса. При значе­ниях 7200<Ие<2-105 коэффициент теплоотдачи а может быть рассчитан по формуле (УП.9), при расчете эквивалентный диаметр промывочных каналов для серийных алмазнкх коронок принима­ется следующим: для диаметра 59 мм <4=2,6-10-3 м, для диамет­ра 76 мм *4 = 2,7 • 1 (Н м.

При значениях Ие<7200 коэффициент теплоотдачи рассчиты­вается по формуле

а = 1,55 (Ре ^.у/ш (-^)~1Л ^ . №37)

где Ре — критерий Пекле; Ре = Уй? э/а; ^ — *•

При расчете критерия Рейнольдса следует учитывать скорость движения потока в промывочных каналах, которая может быть рассчитана по формуле

V = , (Ш.38)

* Ьккк

где Нк — глубина промывочного канала, м (обычно равная 4 мм).

Пример 3. Рассчитать температуру режущих граней объемных алмазов ко­ронки 07АЗ диаметром 76 мм при бурении с промывкой водой при следующих

режимных параметрах: осевая нагрузка на коронку 1000 даН, частота вращения 600 об/мин, расход жидкости 40 л/мин. Бурение производится в породах VIII—IX категорий по бурнмости. Средняя температура промывочной жидкости 15 °С.

Решение.

Техническая характеристика коронки типа 07АЗ — О« = 0,07-6 м; £>вн = = 0,059 м; />„* = 0,073 м; £»*=0,060 М; 6=6 каналов; &-0.008 м; /=0,0085 м: Л = 0,015 м; по данным прил. И, 17 находим — зернистость алмазов 20— 30 шт/кар, содержание —8 кар. = />„/2—к/2=0,038—0,0365=0>0015 м, = = Ов к/2—/>в „/2=0,030—0,0295 « 0,0005 м.

Рассчитаем величины, входящие в формулы ^11.27). (VII.28).

К Ла = 0,25-2,25-10"3=5>625* 10~4 м — по данным табл. 28 и 29.

2. гт=2/3х25х8=г 133 шт.

3. А=0,01 Х2,25-10"3 = 2,25* 10”5 м.

4. Средняя площадь контакта алмазов по формуле (VII.31)

/а = 3,14 х 2,25-10 3/2 (2,25* 10“* + 2,25* 10—3/4) X 133 = 274,8-10—• м2*

5. Площадь поперечного сечения матрицы

и = 0,785 (0,076» — 0.0592) — 0,008 X 0,0085 X 6 = 1,39-10“3 м2.

6. Площадь поперечного сечения корпуса коронки

/к = 0.785 (0,073 — 0,060) = 1,36* 10“3 н*.

7. Расчет периметров

, л 2 V 2,25. Ю-з X 2,25′ 10“» +2.25-10“*

Яа = 3,14 ——:—————————- §———- -3—1————— 133 = 0,564 м;

Ли = 3,14 (0,076 + 0.059) + 2 x 6 (0,0015 + 0,0005) = 0,448 м;

Як = 3,14 (0,073 +0,060) = 0,417 м

8. Расчет коэффициента теплоотдачи

40*10-®

60 X 0,008 X 6 X 0,004 ~3>47м/с-

3.47Х2.7-10-®

МО“« -9369.

По формуле 0^11.9) находим

а =0,021 X 9369°-8 X 9,530-43 = 17431,6;

2,7-10 9

значения X и Рг взяты из прил. 17.

9. Рассчитаем значения сокращающих коэффициентов т, пир

1/ 17 431,6 X 0,564 1/17 431,6 X 0,448

т~ 274,8 X 146,5-10-« ~ 494,17, п — у 1 ^9. ю-а * 130 ~ 207,88,

IГ 17 431,6 X 0,417 _

р— у 1,36-10-» X 50 — 326*95-

10. Подставив полученные значения величии в формулу (УП.28), получим

значение коэффициента интенсивности теплообмена алмазной коронки с водой

*о= 24,75.

11. Рассчитаем значение мощности, затрачиваемой на забое при работе ко­ронки, по формуле (1Х. З);

0, 076 + 0,059

# = 2* 10”4 х 1000 Х 600Х ——————- — ———- =8,1 кВт.

12. Тогда по формуле (УП.27) находим значение температуры режущих гра­ней объемных алмазов при работе коронки

8100 X 0,9 /а = 24~ 75———- + 15————- °С =————- 309>5 °С

Таким образом, коронка работает при температуре режущих граней объ­емных алмазов, не превосходящей допустимой.

Пример 4. Для тех же условий, что и в примере 3, определить допустимые режимные параметры в начальный период работы алмазной коронкн при ее при­работке.

Решение. По формуле (УП. ЗО) рассчитаем начальную площадь контактов алмазов с забоем

/а = 3,14 X 2,25*10-3 X 0,01 Х2,25-10“3Х 13321,14* Ю“* м2.

По формуле (УП.29) получаем коэффициент интенсивности теплообмена

!/ 17 431,6 x 0,564

т — У 21,14*IO“6 х 146.5“ 1782:

146,5 X 21,14*IO“«.х 1782 kn — = 5,6.

0 21,14*10—6

“ 1,39* 10-3

Задаваясь допустимой температурой нагрева режущих граней объемных ал­мазов ґа = 550°С, находим по формуле (VII.27) значение допустимой мощности, которую можно расходовать на забое, 9

N = — (550 + 15) = 3515 Вт.

0,9

Подставив в формулу (VII.3) значение допустимой мощности, получим зна­чения режимных параметров, при которых следует работать при приработке ал­мазной коронки,

3,515= 1,35* 10~5 Р-п.

Задаваясь одним из параметров, например значением осевой нагрузки — 650 даН, получим допустимую частоту вращения — 400об/мин.

Пример 5. Рассчитать температуру нагрева торца твердосплавной коронки СМ-6 диаметром 76 мм. Бурение производится иа глубине 500 м с нагрузкой 1000 даН, частота вращения 340 об/мин и расход технической воды 90 л/мин < 1,5 * 10“3 м3/с). Температура пород у поверхности /0—3°С.

Решение. По прил. 15 находим для порфирита Хп = 0,73 Вт/(м*°С); ап = =0,68-10“6 м2/с; с=0,03 °С/м. По прил. 12, 17 находим для воды, с= =4,19* 103 Дж/(кг*°С); >.=0,573 Вт/(м.°С); Рг=9,53; а=0.0137* 10"5 м2/с; v= = 1,306-10-6 м2/с.

1. По формуле (1Х.2) рассчитываем мощность, расходуемую на забое

= 5,3-10—* х 900 X 340 X °-076 + °’°_5-1 (0,137 + 0,2) = 3,7 кВт.

£

2. По формуле (VII.27) рассчитываем коэффициент нагрева

50 ,/ 1,3-10-*

= 0,73 К 0,68- 1Q—6————— = 0>96

ГЛ ‘ — — * 1—5

50 / 1,3-10-*

1 0,73 у 0,68-10-е

3. Массовый расход воды составит 1,5-10"3 кг/с.

4. По формуле (VI 1.9) рассчитаем коэффициенты теплоотдачи

___________ 1,5-10-»____________

1’н_ 0,785 (0,0762 — 0.0732) -4, М/с;

Квн = Уз^о-«’ = 9819: «н =0.021 X 9819°•8 9,53°-43^= 2700.

________ 1,5-10~3

0,785(0,0602 — 0,057®) — ’ 4 м/с;

Иевн = 5,’4^ ,°:!°63 = 12 496; авн= 0,021 X 12 496°-8 9,53°’43 х 1,30о*10е

0,573 Х7“= 20055.

0,003

5. Подставив все данные в формулу (УН.25), получим температуру нагрева торца коронки *т = 183+282-Н5+3=.483°С. Для лучшего охлаждения коронки можно увеличить расход воды.

Комментарии запрещены.