Лекция 6. ПРИНЦИПЫ КОНТРОЛЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ

Осевая нагрузка является важнейшим параметром режима бурения, т.-к. она обеспечивает внедрение резца породоразрушающего элемента в породу забоя скважины. При поверхностном контроле осевую нагрузку можно определить, только зная вес бурового инструмента, с участием которого она создается. Осевая нагрузка равна

, (6.1)

где – вес бурового инструмента, а – усилие подачи. При наиболее широко распространенном способе бурения с разгрузкой имеетвформуле (6.1) знак минус. Бурение с разгрузкой применяется, когда вес больше требуемой осевой разгрузки. Наоборот, если для создания необходимой осевой нагрузки веса бурового инструмента недостаточно (при забурке, или при небольшой глубине бурения), справедлив вариант формулы со знаком плюс. В этом случае ведется бурение с догрузкой,когда усилие подачи добавляется к весу. Бурение с разгрузкой характерно при использовании роторного вращателя, при котором бурение с догрузкой невозможно. При использовании шпиндельных вращателей (на твердые полезные ископаемые) применяются оба способа создания осевой нагрузки.

Осевая нагрузка на долото при вращательном бурении зависит главным образом от двух факторов. Это диаметр породоразрушающего инструмента и буримость (категория) пород. Таким образом осевая нагрузка , (6.2)

где – диаметр долота или коронки, а объединенный показатель буримости

Таблица 6.1 Исходные нормативы по параметрам режима бурения

Показатель буримости,	Группа пород по буримости	Удельная осевая нагрузка, , кН/м	Окружная скорость, , м/с	Скорость восходящего потока, , м/с
До 4.5	М	50 – 300	2.4 – 2.8	0.2 – 0.4
4.6 – 10.1	С	300 – 500	2.0 – 2.4	0.15 – 0.2
10.2 – 22.7	Т	500 – 800	1.6 – 2.0	0.1 – 0.15
22.8 – 51.2	К	800 – 2000	1.0 – 1.6	0.05 – 0.1

Примечание: В пределах одной и той же группы твердости с ростом категории буримости пропорционально увеличивают, и – уменьшают.

породы – критерий для определения ее категории. Для бурения шарошечными долотами данные по расчету осевой нагрузки (а также двух других режимных параметров) приведены в таблице 6.1. Реально-возможная нагрузка зависит еще от требования недопущения искривления скважины, а также от мощности привода вращателя.

Вес бурового инструмента в скважине определяется по формуле

, (6.3)

где – коэффициент, учитывающий соединения бурильных труб, – массы одного метра бурильных и утяжеленных труб, – длины скважины и УБТ, – плотности промывочной жидкости, материала бурильных труб (сталь или дюраль) и стали (материала УБТ), – соответственно зенитный угол (средняя величина по скважине) и коэффициент трения (также усредненный) бурового инструмента о стенки скважины.

В этой формуле массы одного метра можно получить из соответствующих таблиц, либо рассчитать, также, как и . Этот коэффициент находится в интервале 1.02 – 1.1 , тем больше, чем меньше диаметр бурильных труб. При том же диаметре он примерно в 2 раза выше для дюралевых бурильных труб, поскольку они всегда соединяются стальными замками без использования муфт. Среднее значение зенитного угла можно вычислить по данным инклинометрии.

Коэффициент трения можно определить экспериментальным путем. Член имеет знак минус, когда инструмент опускают на забой и плюс при взвешивании, откуда , (6.4)

где значения веса инструмента при взвешивании (когда сила трения направлена вниз), при опускании (когда она направлена вверх) и без учета трения (в неподвижном состоянии). Можно допустить, что . (6.5)

Подставив это значение в формулу (6.4) получим экспериментально найденное значение коэффициента трения (6.6)

Чтобы получить экспериментальным путем значение веса бурового инструмента без влияния трения, используют процедуру взвешивания. После завершения спуска и установки долота на забой, инструмент следует оторвать от забоя на 2 – 3 м и осуществить тщательную промывку скважины. Далее, включив вращение, осторожно опускают инструмент вниз и, не доходя до забоя, плавно затормаживают спуск до полной остановки. В этот момент измеритель веса покажет его наиболее близкое к истинному значение. (В формулах (6.4 ) – (6.6), в отличие от описанной процедуры, принято, что найдено путем отрыва вращающегося инструмента от забоя, а соответствует бурению).

Опускание верхнего конца бурильной колонны называется подачей бурового инструмента. В процессе бурения подача должна производиться с той же скоростью, с какой производится углубка забоя. Выполнение этого требования контролируется по постоянству положения стрелки на измерителе осевой нагрузки. Действительно, если верхний конец бурильной колонны опускается быстрее, чем углубляется забой, то прибор покажет непрерывный рост осевой нагрузки. Это может закончиться разрушением бурового инструмента. Наоборот, если верхний конец бурильной колонны опускается медленней, чем углубляется забой, то прибор покажет непрерывное падение осевой нагрузки, пока она не станет равной нулю. Наиболее распространены два способа подачи: подача с лебедки (“свободная” подача); и шпиндельная (чаще всего гидравлическая) подача.

Подача бурового инструмента с лебедки показана на рис. 6.1. Ведущий конец каната 4 закреплен на барабане лебедки 1. С барабана он поднимается на один из шкивов расположенного на вершине копра 15 кронблока 5, оттуда опускается на один из шкивов талевого блока 6 потом снова поднимается на кронблочный шкив, опять опускается и поднимается и, в конце концов заканчивается мертвым концом 8, закрепленным за балку основания буровой установки. Участки 7 каната, расположенные между кронблочными шкивами и шкивами талевого блока, называются подвижными струнами талевой оснастки, так как их длина может возрастать и сокращаться в зависимости от положения верхнего конца бурового инструмента (бурильных труб 12, УБТ 13 и долота 14). Чем больше число подвижных струн, тем меньшую часть от веса бурового инструмента (или усилия на крюке) составляет натяжение каната. (Во столько же раз скорость подъема крюка меньше скорости навивки ведущего конца на барабан).

Рис. 6.1. Подача бурового инструмента с лебедки

1 – лебедка; 2 – тормоз; 3 – рукоять; 4 – ведущий конец; 5 – кронблок; 6 – талевый блок; 7 – подвижные струны оснастки; 8 – мертвый конец каната; 9 – датчик (трансформатор давления прибора ГИВ); 10 – показывающий прибор; 11– ротор; 12 – бурильные трубы; 13 – УБТ; 14 – долото; 15 – копер; – усилие на крюке; – натяжение мертвого конца; – давление рабочей жидкости; – вес инструмента; – осевая нагрузка; - угол отклонения каната

Во время бурения вращаемый ротором 11 буровой инструмент подвешен на крюке, соединенном с талевым блоком. Осевая нагрузка зависит от силы прижатия тормозной ленты 2 к барабану лебедки 1, регулируемой бурильщиком с помощью рычага 3. Если тормоз зажать полностью, буровой инструмент всем своим весом повиснет на лебедке, и бурение прекратится. Если тормоз совсем отпустить, то буровой инструмент всем весом опустится на забой, и тогда возможна авария. Следовательно, подача инструмента с поддержанием заданной осевой нагрузки зависит от степени натяжения тормозов лебедки. Регулируя натяжение тормозной ленты, бурильщик поддерживает заданную осевую нагрузку. Он делает это, ориентируясь на измеритель осевой нагрузки и веса бурового инструмента 10.

В рассматриваемой схеме подачи возможно только бурение с разгрузкой. При взвешивании стрелка прибора 10, показывает значение веса (на схеме это 55-е деление). Когда долото ставят на забой и ведут бурение, стрелка возвращается назад, и показывает усилие на крюке при бурении (37-е деление) разница этих двух отсчетов и дает осевую нагрузку (18 делений). Зная верхний предел измерения прибора и то, что он составляет 100 делений (100% – так называемая процентная шкала), можно определить значение любого отсчета, сделанного в процентных делениях.

При определении соотношения натяжения мертвого конца 8 (которое, по сути дела, и измеряет установленный на мертвом конце датчик 9) и усилия на крюке следует пользоваться выражением , (6.7)

где – число подвижных струн талевой оснастки, а – КПД талевой оснастки.

, (6.8)

где – КПД одного шкива (кронблочного либо талевого) – обычно 0.95 – 0.98.

При бурении станками с гидравлической подачей (широко распространенными при разведке твердых полезных ископаемых) общая схема регулирования показана на рис. 6.2

На схеме представлено бурение с разгрузкой. Привод 3 вращает шпиндель 2 вместе с патронами 4 и 5, которые зажимают бурильную трубу 1. Насос 10 берет масло из бака 11 и подает его через дроссель 12 мимо запорной иглы 13 снова в бак. Хотя пространство над иглой с помощью золотника-переключателя 15 соединено с нижней (под поршнем 7) полостью гидроцилиндров 6, насос не может закачивать масло в это пространство, т. к. при бурении поршень опускается и даже сам вытесняет некоторое количество масла в бак.

Рис. 6.2. Гидравлическая подача бурового инструмента

1 – бурильная труба; 2 – шпиндель; 3 – привод шпинделя; 4 – гидравлический зажимной патрон; 5 – механический зажимной патрон; 6 – гидроцилиндр; 7 – поршень; 8 – шток; 9 – траверса; 10 – маслонасос; 11 – маслобак; 12 – дроссель; 13 – запорная игла; 14 – рукоятка; 15 – переключатель в положении разгрузки; 16 – переключатель в положении догрузки (пунктир); 17 – рукоятка поворота шкалы; 18 – положение стрелки при взвешивании; 19 – положение стрелки при бурении; – давление в системе

Роль дросселя состоит в том, чтобы обеспечить давление , требующееся для создания усилия разгрузки (формула (6.1) , со знаком минус). Само это усилие равно

, (6.9)

где – диаметр поршня, а коэффициент 2 означает число гидроцилиндров . Создаваемое над иглой дросселя давление , передается не только в гидроцилиндры, но и на измеритель веса и осевой нагрузки (пружинно-поршневой манометр – рис 5.5). При ранее проведенном взвешивании стрелка прибора становилась в положение 18. Теперь же она стоит в положении 19, и осевая нагрузка определяется как разность показаний в этих двух положениях. При опускании поршня расположенное над ним пространство увеличивается, давление там падает, и это пространство заполняется маслом из бака.

Вращение рукоятки дросселя влево вызывает поднимание иглы и расширение прохода для масла. Давление падает, и вместе с ним падает разгружающее усилие и растет осевая нагрузка. Вращение в противоположную сторону уменьшает зазор, повышает давление и усилие разгрузки и уменьшает осевую нагрузку на ПРИ. При достаточно малом зазоре между иглой и корпусом это усилие станет больше веса бурового инструмента и тогда поршень 7 вместе со всей бурильной колонной двинется вверх, например с целью проведения расходки. Последняя представляет собой отрыв ПРИ от забоя и может служить средством проверки на отсутствие призабойного прихвата.

Когда поршень опустился в предельное нижнее положение, производят перехват патронов. Вращение останавливают и зажимные патроны 4 и 5 раскрепляют, так, чтобы буровой инструмент остался на забое, и только один шпиндель 2 поднялся бы в крайнее верхнее положение. Тогда патроны закрепляют снова и бурение продолжают на длину следующего хода шпинделя.

При бурении с догрузкой переключатель ставят в положение 16 и пространство над дросселем соединяется с верхней полостью гидроцилиндра, куда и подается создаваемое дросселем давление, создающее усилие догрузки

, (6.10)

где – диаметр штока 8. Это усилие имеет знак плюс (формула 6.1.))

Сравнивая формулы (6.9) и (6.10) можно видеть, что при бурении с догрузкой площадь, на которую действует давление, меньше, чем при бурении с разгрузкой (за счет наличия штоков в верхних полостях гидроцилиндров). Поэтому при том же давлении создаваемое при бурении с догрузкой усилие по абсолютной величине также меньше. В связи с такой особенностью показывающий прибор имеет две концентрически расположенные шкалы – для усилий разгрузки (наружная шкала) и для усилий догрузки (внутренняя). У этих шкал одинаковая цена деления по силе, но так-как фактически показывающий прибор представляет собой манометр (лишь пересчитанный на измерение силы), то угловое расстояние между делениями на шкале разгрузок меньше, чем на шкале догрузок. Соотношение этих расстояний – коэффициент шкал равен

, (6.11)

и если, деление на шкале разгрузок равно , то по шкале догрузок соответствующее угловое расстояние равно . (6.12)

Рекомендуемая литература: 4. с. 76-86

Контрольные вопросы

1. Как определяют необходимую осевую нагрузку и как ее задают?

2. Как осуществляется подача бурового инструмента с лебедки?

3. Как осуществляется подача бурового инструмента с гидроцилиндров?