Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния техники и технологии отбора кернов из стенок скважин и обоснование технических и методических требований к дисковому призматическому керноотборнику
1.1. Способы отбора кернов из стенок скважин боковыми керноотборниками на кабеле 16
1.2. Современное состояние разработки аппаратуры для отбора призматических кернов 26
1.3. Анализ возможности применения призматических керноотборников в различных геолого-техничеких условиях 35
1.4. Основные требования к аппаратуре дискового призматического керноотборника и задачи, под лежащие решению при её разработке 40
2. Исследование процессов вырезания призматических кернов и обоснование оптимальных технологических параметров решимов резания горных пород
2.1. Изучение кинетики процесса вырезания призматического керна алмазным дисковым инструментом 45
2.2. Методика проведения экспериментальных исследований и экспериментальная установка 54
2.3. Выбор и обоснование размеров керна 60
2.4. Обоснование конструкций экспериментальных алмазных режущих дисков керноотборника 64
2.5. Исследование влияния характеристик алмазного слоя на работоспособность режущего диска керноотборника 69
2.6. Исследование износостойкости режущего диска 73
2.7. Исследование зависимостей механической скорости проходки режущих дисков в породе и энергетических затрат на резание от параметров режимов резания 78
2.8. Исследование энергетических затрат при вращении режущих дисков керноотборника в буровом растворе. 85
2.9. Выбор и обоснование технологических параметров режимов отбора керна 89
3. Исследование и выбор параметров основных узлов и систем дискового призматического керноотборника
3.1. Определение структурной схемы керноотборника 95
3.2. Выбор типа силового электропривода и системы его питания 96
3.3. Выбор и обоснование кинематической схемы керно отборника 101
3.4. Разработка автоматического регулятора режимов отбора кернов 106
3.5. Исследование и разработка противоаварийной системы керноотборника 109
3.6. Выбор и обоснование блока привязки кернов к разрезу скважины 115
4. Разработка дискового призматического керноотборника ДПК-140 и методики отбора образцов из стенок скважин
4.1. Устройство дискового призматического керноот-борника 121
4.2. Принципиальная схема работы керноотборника 127
4.3. Организация работ с керноотборником ДПК-І40 130
4.4. Разработка методики исследования геологоразведочных скважин аппаратурой ДПК-140 132
5. Результаты прошшленного применения дискового призматического керноотборника ДПК -І40
5.1. Анализ работоспособности аппаратуры ДПК-І40 и результатов отбора кернов 137
5.2. Использование призматического керна для решения геологических задач при исследовании разреза скважин 143
5.3. Методические возможности способа отбора призматических.кернов 151
5.4. Технико-экономическая эффективность применения дискового призматического керноотборника ДПК-І40 153
Заключение 158
Литература 162
- Анализ возможности применения призматических керноотборников в различных геолого-техничеких условиях
- Обоснование конструкций экспериментальных алмазных режущих дисков керноотборника
- Выбор и обоснование кинематической схемы керно отборника
- Разработка методики исследования геологоразведочных скважин аппаратурой ДПК-140
Введение к работе
Актуальность проблемы; Высокие темпы развития нефтяной и газовой промышленности, определенные директивными документами ХХУІ съезда КПСС, требуют дальнейшего повышения эффективности геологоразведочных работ с целью ускорения ввода в эксплуатацию .новых месторождений нефти и газа;
Эффективность разведочного и поискового бурения, выбор оптимальных режимов эксплуатации нефтяных и газовых скважин во многом определяются результатами исследования кернового материала. Керн является основным и наиболее надежным источником информации об основных параметрах и свойствах горных пород, вскрываемых скважиной'; По результатам исследования керна, кроме определения литологии и стратиграфии пород, можно получить ценные сведения о петрофизических свойствах пробуренных отложений, о содержании нефти, газа и воды в тех или иных горизонтах, об углах падения и о направлении простирания пластов, а также о целом ряде других параметров, без которых невозможно оценить перспективность данной площади; Особенно велика роль керна при подсчете запасов полезных ископаемых / 1,2 Д
Поскольку информация, получаемая по керну, непосредственно влияет на результаты геологоразведочных работ и подсчет запасов месторождений, то необходима быстрая и полная выдача этой информации геологической службе. Эта задача стала особенно актуальной в последние годы, когда значительно возросли требования к скорости бурения и качеству исследования разреза. Решением проблемы плучения качественного керна при колонковом бурении заняты работники многих институтов, конструкторских организаций и производства. Разработаны и выпускаются ряд типов высокоэффективных кер-ноотборных устройств: "Недра", "Кембрий", "Силлур" и других с
широким комплектом шарошечных и алмазных бурильных головок, создана методика их применения в различных геолого-технических условиях /3,4 / Достигнутые успехи в создании технических средств и методических приемов колонкового бурения позволили существенно увеличить процент выноса керна при разведке нефтяных и газовых месторождений.
Однако отбор керна колонковым бурением является трудоемкой и дорогостоящей операцией, что снижает основные показатели буровых работ, особенно в эксплуатационных скважинах; Следует отметить, что в разведочных скважинах по ряду геологических и технических причин значительное число объектов приходится исследовать и после завершения бурения. Колонковым бурением исключена возможность возмещения недостающего керна после проходки интервала, где ранее его отбор не был предусмотрен* Поскольку керн отбирается до проведения геофизических работ, часты случаи колонкового бурения в интервалах, не представляющих практический интерес.
Серьезным резервом в ускорении бурения и снижении затрат на геологоразведочные работы являются разработка и совершенствование оперативных способов и средств отбора глубинных образцов горных пород приборами на кабеле. Актуальность проблемы создания новых типов боковых керноотборников отмечена в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года", где записано: "Повысить техническую оснащенность геологоразведочных работ, создать и внедрить в производство новое высокопроизводительное оборудование, автоматизированные буровые установки, аппаратуру, приборы;"
В последние годы в практике геологоразведочных работ широкое применение получили боковые керноотборники на кабеле стреляющего и сверлящего типов, обеспечивающие за один рейс в скважину вынос нескольких цилиндрических кернов из разных интервалов / 5,6 /.
Для работы с ними используются оборудование и кабель, применяемые для промыслово-геофизических работ; Отбор кернов боковыми керно-отборниками проводится после выполнения комплекса геофизических исследований, что позволяет более обоснованно выбрать интервалы отбора и тесно увязать полученные результаты с данными других геофизических методов; Боковой отбор кернов приборами на кабеле стал важной составной частью комплекса геолого-геофизических исследований скважин;
Принцип отбора кернов стреляющими и сверлящими керноотбор-никами основан на точечном методе, что является существенным ограничением этих технических средств; По отобранным кернам невозможно оценить характер изменения структуры и свойств горных пород непрерывно по всему разрезу пласта, Дисскретность исследования разреза снижает эффективность применения этих керноотборнжов при изучении сложнопостроенных тонкослоистых коллекторов; Зачастую размеры и объем керна недостаточны для проведения полного комплекса лабораторного'анализа.
В этой связи наиболее эффективным и перспективным направлением в развитии техники и технологии отбора кернов приборами на кабеле является создание аппаратуры для отбора вертикальных призматических образцов пород непрерывно вдоль стенки скважины; Сочетая оперативность и непрерывность отбора, точность привязки керна к глубинам с информативностью прямого определения свойств пород, данная аппаратура позволяет эффективно исследовать неосвещенные колонковым бурением интервалы, повысить изученность разреза. Значительная экономия времени и средств, достигаемая при этом по сравнению с колонковым способом отбора кернов, делает решение этой задачи особенно актуальной.
Состояние вопроса. Первые работы по созданию приборов для отбора призматических кернов проводились за рубежом американ-
скими фирмами "Шлюмберже", "Дрессер Атлас", "Халибуртон Велекс", "Амоко продакшн". Этими фирмами в 60-е годы патентовались и разрабатывались различные конструкции таких приборов, получившие название "Дисковые призматические керноотборники ДНК" / 7-9 /. В качестве породоразрушащего инструмента в них использовались два диагонально расположенные алмазные диски. В процессе работы керноотборника режущие диски внедряются в стенку скважины и, перемещаясь вдоль её вертикальной оси, вырезают образец горной породы в виде трехгранной призмы.
Многие конструкции зарубежных призматических керноотборников из-за недостаточно высокого технического уровня исполнения не были доведены до промышленного применения. Некоторые модификации опробовались при разведке нефтяных месторождений США непродолжительное время, а затем, ввиду высокой стоимости в эксплуатации, были исключены из комплекса промыслового оборудования. Следует заметить, что в условиях конкуренции между зарубежными фирмами наиболее интенсивное развитие, как правило, получают направления работ, имеющие конъюнктурный спрос; Призматические керноотборники, по-видимому, не относятся к числу последних; Отсутствие интереса ведущих фирм США к этой аппаратуре обусловливался тем, что несмотря на высокий процент выноса керна (70-80$), они были сложны в обслуживании и требовали частой наладки и настройки / 10 /; В настоящий период времени аппаратура ДПК за рубежом не применяется.
Несмотря на то, что схемы призматических керноотборников предлагались давно и по ним проводились ряд работ, до настоящей работы разработка аналогичной аппаратуры в Советском Союзе не велась; С целью создания отечественной аппаратуры ДПК, расчитанной на работу с промыслово-геофизическим оборудованием, во Всесоюзном научно-исследовательском институте нефтепромысловой геофизики (ВНИИнефтепромгеофизика) начиная с 1973 года проводятся поисковые,
научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по тематике, утвержденной Министерством нефтяной промышленности; Это темы 39-73, 132-76, 201-78, 247-80, 369-83 "Разработка дискового призматического керноотборника", 279-80, 279-81 "Опытно-методические работы по эффективному применению дискового призматического керноотборника". Во всех темах автор принимал и принимает непосредственное участие, являясь ответственным исполнителем тем;
Разработка техники и технологии отбора призматических кернов приборами на кабеле потребовала решения ряда исследовательских задач теоретического, экспериментального, аппаратурного и методического характера, явившихся предметом настоящей диссертации,
Цеяь работы; Создание аппаратуры и технологии отбора призматических кернов из стенок скважин приборами на кабеле для решения геологических задач по оперативной оценке петрофизических свойств горных пород в комплексе с другими геофизическими методами";
Основные задачи исследования";
К Анализ способов отбора кернов из стенок скважин приборами на кабеле и геолого-технических условий применения призматических керноотборников, формулирование основных методических и технических требований к аппаратуре.
Исследование влияния различных факторов на производительность и энергоемкость процесса вырезания призматических кернов с целью оптимизации технологических параметров режимов резания;
Исследование и выбор параметров принципиальной схемы и основных узлов аппаратуры.:
4;; Создание промышленных образцов аппаратуры дискового призматического керноотборника, способной работать в комплексе со стандартна! промыслово-геофизическим оборудованием и кабелем.
5. Опробование разработанной аппаратуры в производственных условиях, выяснение её геологической и экономической эффективности.
Научная новизна,
Впервые на уровне изобретений предложена и исследована принципиальная схема дискового призматического керноотборника с автоматическим регулятором скорости вырезания кернов и с противо-аварийной системой на основе использования энергии гидростатического давления столба скважинной жидкости.
На основе экспериментальных исследований проведен выбор оптимальных параметров нового типа породоразрушающего инструмента--режущего диска керноотборника с алмазоносным слоем, определена его износостойкость и обоснована конструкция.
Впервые на основе аналитических и экспериментальных исследований получены закономерности изменения производительности и энергоемкости процесса вырезания призматических кернов алмазным дисковым инструментом, определены оптимальные технологические параметры режимов резания в реальных горных отложениях при условии ограниченной мощности, подводимой к породоразрушающему инструменту
по геофизическому кабелю. Обоснована необходимость автоматического регулирования скорости вырезания призматического керна с сохранением постоянства мощности на резание горных пород.
Практическая ценность. Впервые разработана аппаратура дискового призматического керноотборника, применительно к геолого-техническим условиям бурения в основных нефтедобывающих районах нашей страны, обеспечивающая непрерывный отбор кернов по разрезу скважины в виде треугольной призмы. Результатами промышленного применения показано, что разработанная аппаратура и методика её применения позволяют повысить эффективность и качество работ по исследованию геологоразведочных скважин, документировать разрез и обеспечить оперативное определение литолого-стратиграфических и петрофизических свойств горных пород и их нефтегазосодержания.
Экономический эффект от внедрения и использования аппаратуры
- II -
составляет 44,6 тыс. рублей в год на один комплект.
Реализация работы. Аппаратура дискового призматического керноотборника апробирована в различных геолого-технических условиях и прошла государственные приемочные испытания. Серийное производство её организовано на опытном производстве ВНИИнефте-промгеофнзики с 1980 г. Алмазные диски керноотборника выпускаются Рославльским заводом алмазного инструмента Минстанкоинстру-ментпрома. Промышленное внедрение аппаратуры ДПК осуществляется в промыслово-геофизических организациях Упрнефтегеофизики Министерства нефтяной промышленности. Производится поставка на экспорт в страны СЭВ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на семинарах Всесоюзных школ передового опыта "Опыт применения сверлящих керноотборников для отбора образцов горных пород из стенок скважин" (г. Октябрьский, БАССР), "Промыслово-геофизическая аппаратура и оборудование для исследования скважин в процессе бурения" на базе экспозиции павильона "Нефтяная промышленность" ВДНХ СССР (г. Москва, г. Уфа) в 1979, 1981, 1982 годах, на кафедре бурения Уфимского нефтяного института (г. Уфа) в 1981 году, в лаборатории колонкового бурения и инструмента ВНИИБТ (г. Москва) в 1982 году, а также на научно-технических советах объединений "Башнефть", "Грузнефть", "Уд-муртнефтъ" и трестов Упрнефтегеофизики ЙНП.
Аппаратура дискового призматического керноотборника экспонировалась на Всемирной выставке в Мексике (1981 г.), на ВДНХ СССР (1981, 1982 г.г.), отмечена медалями ВДНХ.
По теме "Разработка дискового призматического керноотборника", содержащей основные вопросы, рассматриваемые в диссертации, защищены 6 научных отчетов на заседаниях Ученого совета ВННИнеф-тепрогеофизики (г. Уфа, 1975,1977,1979,1980,1981,1982 г.г.).
Публикации; Основное содержание диссертационной работы опубликована в 5-ти печатных работах и в 6-ти авторских свидетельствах на изобретения*
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 171 страниц машинописного текста, в том числе 33 рисунков; Список литературы включает 107 наименований.
В первой главе диссертации дан обзор современного состояния развития способов и средств отбора кернов из стенок скважин приборами на геофизическом кабеле. Показана необходимость создания аппаратуры для отбора призматических кернов. На основе анализа конструктивных особенностей зарубежных дисковых призматических керноотборников и возможности применения их в различных геолого-технических условиях сформулированы основные технические и методические требования к аппаратуре ДНК и задачи, подлежащие решению при её разработке.
Вторая глава посвящена исследованию влияния различных факторов на производительность и энергоемкость процесса вырезания призматических кернов алмазным дисковым инструментом и определению оптимальных технологических параметров режимов резания при условии ограниченной мощности, подводимой к породоразрушающему инструменту по геофизическому кабелю. Обоснована необходимость автоматического регулирования скорости вырезания призматических кернов с сохранением постоянства мощности на резание горных пород. В этой же главе, на основе результатов экспериментальных исследований, проведен выбор основных характеристик алмазоносного слоя режущего диска керноотборника и его конструкции!
В третьей главе описываются исследования, посвященные выбору принципиальных решений отдельных узлов и систем керноотборника и их оптимальных параметров, обеспечивающих выполнение
- ІЗ -
необходимых операций по отбору керна в сочетании с возможной простотой устройства прибора. Предложена принципиальная схема дискового призматического керноотборника с автоматическим регулятором скорости вырезания керна и с противоаварийной системой на основе использования энергии гидростатического давления столба скважинной жидкости,
В четвертой главе даются результаты разработки конструкциии дискового призматического керноотборника, В соответствии с выбранными принципиальными решениями автором разработана аппаратура ДПК-І40, В главе описываются устройство и принцип действия прибора. Здесь же приведены результаты освоения серийного производства аппаратуры и методика работы с ней на скважинах.
В пятой главе приводятся результаты промышленного применения разработанной аппаратуры ДПК-І40 и оценка её геологической и экономической эффективности. Показано, что выводы этой главы, сделанные в основном по результатам работ в Башкирии, имеют общее значение для всей Волго-Уральской нефтеносной области и других районов с аналогичными условиями,
В заключении даны основные выводы по результатам исследований, указаны основные пути дальнейшего совершенствования аппаратуры и способа отбора призматических кернов в целом.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Исследованием возможностей нового класса боковых керно-отборников на геофизическом кабеле, позволяющих производить непрерывный по разрезу отбор кернов из стенок скважин, названного "Дисковые призматические керноотборники ДЖ" показано, что аппаратура ДПК позволяет повысить изученность геологического разреза и оперативность разведочных работ на нефть и газ,
Определены основные характеристики и параметры нового типа породоразрушающего инструмента для вырезания образцов горных
пород из стенок скважин - режущего диска с алмазоносным слоем для призматического керноотборника, обоснована конструкция инструмента.
Выявлены зависимости производительности и энергоемкости процесса вырезания призматических кернов от технологических параметров режимов резания различных горных пород, в результате чего определены оптимальные технологические параметры режимов вырезания керна при условии ограниченной мощности, подводимой к породо-разрушающему инструменту по геофизическому кабелю.
Предложена принципиальная структурная схема дискового призматического керноотборника с автоматическим регулятором скорости вырезания кернов и с противоаварийной системой на основе использования энергии гидростатического давления столба скважин-ной жидкости, показано, что предложенная схема обеспечивает полную автоматизацию процесса вырезания керна, надежную и безаварийную работу керноотборника. Новизна положения защищена авторскими свидетельствами СССР Ш 47I43I, 471432, 541028, 675177.
Диссертационная работа выполнена под научным руководством директора ВНШнефтепромгеофизики к.т.н., с.н.с. И.Г.Вувагина.
В процессе работы над диссертацией автором были получены ценные советы от заведующего лабораторией колонкового бурения и инструмента ВНИИБТ к.т.н., с.н.с. Я.А.Эдельмана.
В разработке технической документации для заводского выпуска аппаратуры, её испытаниях и опытно-методических работах на скважинах принимали участие сотрудники лаборатории техники и методики отбора образцов из стенок скважин ВНИИнефтепромгеофизики: Л.Н.Тюменев, В.А.Исякаев, А.И.Пашали, М.М.Аглиуллин, Л.А.Федотова, И.И.Золотарь и другие.
В разработке технологии изготовления режущих алмазных дисков принимали участие сотрудники ИСМ АН УССР и ВНИИАлмаз: к.т.н..
Б. Л.Прудников, к.т.н. В.В.Нуравлев, В.Г.Махлинец, Е.Д.Хренкова.
Испытание и внедрение аппаратуры ДПК-І40 осуществлялось при активной помощи и творческом участии работников геологической, геофизической служб Башкирии: B.C.Афанасьева, Р.Б.Булгакова, Г.С.Саитова, А.Ю.Закирова, В.Т.Катериныча, А.М.Антонова и других.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю и всем товарищам, содействовавшим выполнению данной работы.
Анализ возможности применения призматических керноотборников в различных геолого-техничеких условиях
Разведка на нефть и газ в СССР ведется на огромных территориях в садах разнообразных геолого-т ехнических условиях. Месторождения встречаются на глубине от нескольких сотен::метрбв до 5-6 км; Возраст продуктивных отложений - от четвертичных до кембрийских. По условиям применения призматических керноотборников могут быть выделены (условно) три группы основных разведочных районов: 1) глубина скважин 2-3 км, температура в скважинах до 373К, давление до 40-50 МПа (Волго-Уральская провинция, Западная Сибирь, Якутия, Сахалин); 2) глубина скважин 3,0-4,5 км, температура в скважинах до 393К - 423К, давление до 70-80 МПа (Нижнее Поволжье, Казахстан, Средняя Азия, Украина, Азербайджан); 3) глубина скважин 4,5-6,0 км, температура в скважинах до 473К, давление до 100 МПа (Северный Кавказ). Эффективность применения призматических керноотборников будет определяться влиянием на его работоспособность в условиях скважины двух групп основных факторов: геологических и технических. К геологическим факторам относятся физико-механические характеристики горных пород, горное и пластовое давление и температура в отложениях. Технические факторы определяются конструкцией скважины, её диаметром и глубиной и свойствами промывочной жид- . кости, заполняющей ствол скважины.
Физико-механические характеристики горных пород колеблются в широких пределах и определяются в основном минералогическим составом и структурой, характером связей между зернами пород, свойствами насыщающих жидкостей и газов и термодинамическими факторами: температурой и давлением в условиях залегания / 44-46/, При проводке нефтяных и газовых скважин вскрывается осадочная толща пород, представленная преимущественно карбонатными (известняками, доломитами), сульфатными (ангидритами, гипсами) и терри-генными (глинами, аргиллитами, алевролитами, песчаниками) отложениями. При бурении опорных и глубоких разведочных скважин.вскрываются изверженные и метаморфические породы. Осадочным породам обычно присуща анизотропия в механических свойствах, обусловленная типом цементации и пористостью породы. Обычно во всех направлениях наблюдается неоднородность структуры, состава, строения и физические свойства пород. Даже в пределах одной петрографической группы проявляется широкий диапазон изменения наиболее важных, с точки зрения буримости, механических свойств горных пород: упругости, прочности, твердости и пластичности. Более стабильные свойства имеют метаморфические породы / 47,48 /.
В условиях залегания горные породы испытывают всестороннее сжатие под действием горного давления. Величина горного давления, обусловливаемого весом вышележащих пород, на глубинах 2000-3000 м достигает 40-65 Мн/м / 49 /. В поровом пространстве нефтеносных, газоносных и водоносных пластов действует пластовое давление. В большинстве месторождений пластовое давление близко к условному гидростатическому. Встречается немало месторождений с аномальными пластовыми давлениями, вызванными тектоническими процессами.
Физико-механические свойства горных пород в пластовых условиях существенно отличаются от их свойств на поверхности. С ростом давления увеличивается прочность, модуль упругости и предел текучести. Характерно, что всестороннее сжатие значительно влияет на изменение величины твердости у тех пород, у которых твердость в атмосферных условиях меньше. Так, твердость известковой глины с увеличением давления от атмосферного до 100 Мн/м увеличивается в 3,6 раза, а доломита - всего в 1,3 раза, ростом глубины залегания пород увеличивается и коэффициент пластичности / 50 /.
Так же, как и давление в скважинах, ростом глубин возрастает температура. В Советском Союзе на изученных глубинах г&иент температуры в зависимости от геотермических условий колеблется в пределах 1-Ю К/Ю0м / 51 /. В породах осадочной толщи наблюдается более быстрое повышение температуры с глубиной, чем в изверженных и метаморфических породах. Средняя величина геотермического градиента для осадочной толщи принимается равным 3 К/Ю0 м. Наибольшие геотермические градиенты наблюдаются в районах Северного Кавказа, Закавказья, Крыма, Средней Азии, Камчатки, а наименьшие - в некоторых районах Волго-Уральской провинции. Под влиянием температуры наиболее значительные изменения претерпевают прочность и пластичность. Повышение температуры в большинстве случаев снижает сопротивляемость горных пород-коллекторов разрушению.
Сложный характер изменения физико-механических свойств горных пород в условиях залегания обусловливает различие энергетических затрат при разрушении их тем или иным породоразрушающим инструментом. Поэтому большое значение для глубинных приборов, предназначенных для отбора кернов, имеет вопрос энергоснабжения; Для керноотборников режущего класса характерна ограниченная мощность, подводимая к породоразрушающему инструменту, определенная возможностями геофизического кабеля. Серийные геофизические кабели не позволяют передавать мощность более 1,5 кВт / 52,53 /. Поэтому при разработке аппаратуры для отбора призматических кернов следует особое значение придавать вопросам отбора кернов независимо от твердости и прочности горных пород, от глубины их залегания и соответствия выбранных параметров режимов резания ограниченным энергетическим возможностям скважинной аппаратуры.
Вместе с тем керноотборники, как и все геофизические приборы, должны выполнять свою задачу в кратчайшее время, так как при отсутствии промывки в скважине ускоряется процесс салышкообразова-ний, возможны обвалы и другие осложнения. Цциные правила проведения геофизических работ предусматривает время нахождения скважин-ного прибора на одной точке не более 20 минут.
Обоснование конструкций экспериментальных алмазных режущих дисков керноотборника
Алмазный дисковый инструмент характеризуется в первую очередь маркой и формой алмазов, зернистостью и концентрацией алмазного порошка в рабочем слое, методом закрепления и материалом связки, геометрией и формой рабочей поверхности. Все параметры алмазного слоя инструмента взаимосвязаны и в комплексе определяют его работоспособность.
Наиболее важный показатель алмазного инструмента - свойства применяемых алмазов. Для изготовления алмазно-абразивных инструментов используются дробленные природные алмазы размером сортированных зерен до 0,8 мм. Однако объём применения природных алмазов в технике ограничены их дефицитностью из-за малого числа месторождений и низкого содержания алмазов в алмазоносной породе. Только синтезирование искусственных алмазов и освоение их промышленного производства создало необходимые предпосылки для успешного решения проблемы создания надежной сырьевой базы для изготовления инстрзшентов различного назначения. Отечественной промышленностью выпускаются синтетические алмазы марки АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС с широким диапазоном физико-механических и эксплуатационных свойств. Синтетические алмазы почти не отличаются от природных. Прочность алмаза марки АСК находится на уровне природных, а прочность марки АСС превосходит прочность природных в 1,5 - 2 раза / 80 /.
В соответствии с ГОСТ 9206-70 алмазные порошки делятся на две группы: шлифпорошки с размером зерен 40-60 мкм и менее. Зернистость шлифпорошков обозначают дробью, значение числителя которой показывает размер ячеек сита, через которое просеиваются зерна основной фракции, а знаменатель - размер ячеек, на котором они задерживаются. Для изготовления экспериментальной партии режущих дисков кер-ноотборника нами были выбраны марки алмазного порошка АСВ, АСК, АСС с диапазоном зернистости 250/200, 315/250, 400/315, 500/400,800/600.
Наибольшее распространение при изготовлении камнерезного алмазного инструмента получила технология, основанная на методе порошковой металлургии. Суть этого метода заключается в том, что смесь металлических и алмазных порошков подвергают уплотнению и последующей термообработке (спеканию) при температуре ниже температуры плавления хотя бы одного из компонентов. Концентрация алмазного порошка в смеси может быть 25, 50, 75, 100 %. За 100 -ную концентрацию принято содержание алмазов 0,88 г в I см3 или 4,4 карата в I см3 алмазоносного слоя инструмента / 81 /. В качестве связующего материала применяют композиции металлических порошков. В инструментах, предназначенных для обработки камней средней твердости и мягких, рекомендуется применять связку на медно-оловянной основе (Ж) или с добавкой окиси железа (МЗ). Для резания твердых пород применяют связку на кобальтовой основе (ВЮЗ) /82, 83 /. Учитывая, что продуктивные горизонты в разрезе скважины в основном сложены породами средней твердости, для изготовления режущих дисков керноотборника была применена связка МЗ с 50 -ым содержанием алмазного порошка.
Рассмотренная в разделе 2.1 кинематическая схема вырезания призматического керна из стенки скважины показала, что инструмент керноотборника должен иметь режущие элементы как по образующей круга, так и на боковых плоскостях. Учитывая это, были разработаны различные варианты конструкций экспериментальных алмазных дисков, отличающихся по форме и размерам режущих элементов (рис.2.5).
В первом варианте (рис. 2.5.а) рабочие элементы на боковых плоскостях выполнены в виде длинных и коротких прямоугольных площадок, расположенных радиально через 60. Этим достигается увеличение площади режущей части ближе к периферии круга, где объём срезаемой породы наибольший и обеспечиваются более благоприятные условия для охлаждения инструмента. С целью улучшения условия выноса шлама из зоны резания на боковых рабочих площадках выполнены канавки шириной по 2 мм, ориентированные в радиальном направлении.
На участке врезания дисков в породу на них действуют силы, равнодействующая которых не лежит в плоскости вращения круга. Под действием этих сил в корпусе инструмента могут возникнуть, достигая опасного предела, изгибные колебания веерного или зонтичного типа. Это может привести к контактированию дисков между собой по алмазоносному слою в точке наибольшего их сближения. Поэтому была также разработана конструкция с прерывистой режущей поверхностью по образующей круга (рис.2.5.б). В этом варианте к корпусу диска припаяны 9 алмазных сегментов, расположенных равномерно по окружности. Причем расстояние между двумя соседними сегментами больше длины самого сегмента. Диски устанавливаются на шпинделе режущей каретки керноотборника таким образом, что сегменты одного заходят в пазы между сегментами другого, образуя как бы зубчатое зацепление. Благодаря этому не только уменьшается амплитуда изгибных колебаний, но и предотвращается контактирование дисков между собой. Каждая из боковых рабочих поверхностей диска оснащена 27-ми реду .-щими элементами цилиндрической формы, расположенными на пяти концентрических окружностях.
Наряду с методом порошковой металлургии в последние годы при изготовлении алмазных инструментов различного назначения широкое применение получил -метод гальваностегии. Сущность метода заключается в закреплении алмазного порошка на матрице инструмента при помощи осаждаемого из электролита металла / 84 /. В качестве металла-связки используется преимущественно электролитический никель. Данный метод по сравнению с методом порошковой металлургии имеет ряд преимуществ: прост по технологическому процессу и менее трудоемок. В качестве связки применяется более дешевый материал. Особо следует отметить отсутствие при изготовлении инструмента этим способом высокотемпературного и деформирующего воздействия на алмазное зерно.
Учитывая эти достоинства, третья модификация алмазного диска керноотборника (рис.2.5.в) была изготовлена методом гальваностегии. Конструктивные размеры рабочих элементов на боковых плоскостях выполнены аналогично первому варианту. Исключение составляет количество коротких радиальных площадок: 6 штук шириной по 12 мм. Экспериментальная партия этих дисков также оснащались алмазными порошками марки АСВ, АСК, АСС с различной зернистостью.
Разработка технологии изготовления дисков проводилась совместно с Институтом сверхтвердых материалов АН УССР и с ВНИИАлмаз Мин-станкоинструментпрома в соответствии с техническими требованиями, сформулированными автором, при его непосредственном участии и руководстве.
Выбор и обоснование кинематической схемы керно отборника
Целью исследования явился поиск наиболее рационального решения конструкции режущего диска и оптимальных параметров его алмазоносного слоя.
На начальном этапе исследования проводились сравнительные испытания дисков, отличающихся по конструктивному исполнению режущих элементов и по технологии закрепления алмазного порошка на матрице инструмента. Опытные диски всех трех модификаций были оснащены алмазом марки АСК с зернистостью 250/200. Сравнительная оценка работоспособности дисков проводилась по механической скорости проходки их в породе (Vn ). При этом к сравнению принимались показателиVn , полученные при следующих режимах работы инструмента: окружная скорость резания 21 м/с, усилие подачи 30-150 Н, глубина резания 45 мм.
Как видно из графиков (рис.2.6), наибольшую механическую скорость проходки, при равных условиях режимов резания, обеспечивает инструмент с электролитическим способом закрепления алмазных зерен. Скорость проходки его в породе в два раза выше, чем у инструмента, изготовленного методом порошковой металлургии. Наиболее высокие значения Vn были получены у гальванического инструмента и при резаний песчаника и мрамора. Очевидно, это объясняется тем, что гальванический инструмент имеет больший вылет алмазных зерен из связки и, соответственно, обеспечивает большую толщину среза, снимаемого одним зерном. Изменение концентрации алмазов до 1Ъ% в композиции связки МЗ не оказало существенного воздействия на улучшения режущих свойств инструмента, изготовленного методом порошковой металлургии. Неудачной оказалась конструкция сегментного диска. Интенсивный износ режущих граней сегментов после проведения серии опытов привела к резкому снижению его режущих способностей и механической скорости проходки.
Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о целесообразности применения в керноотборнике алмазных дисков, изготовленных методом гальваностегии. Предпочтителен гальванический инструмент и по экономическим показателям. Трудоемкость его изготовления в три раза меньше по сравнению с инструментом на металлической связке МЗ.
Одним из основных параметров алмазоносного слоя инструмента является зернистость применяемых алмазов. При гальваническом способе изготовлении инструмента зернистость алмазов определяет число режущих элементов на его рабочей поверхности и величину превышения зерна над связкой и влияет, при других заданных параметрах, на основные показатели, характеризующие износостойкость и режущие свойства инструмента. В зависимости от зернистости работоспособность инструмента может меняться в широких пределах.
В связи с этим была поставлена серия экспериментов по определению степени влияния зернистости алмазного порошка на производительность резания горных пород режущими дисками керноотборника. Принятые для изучения инструменты оснащались алмазным порошком марки АСЖ зернистостью 250/200, 315/250, 400/315, 630/500, 800/630. Опыты проводились по песчанику, доломиту и граниту. Перед проведениєм контрольных замеров для каждого типа породы и инструмента подбирались определенные режимы резания, обеспечивающие потребную мощность на резание 1,0 кВт.
Исследования показали, что характер изменения производительности резания ( Q. ) от зернистости алмазного порошка ( Хсп.) для , разных типов пород проявляется по разному (рис.2.7). Для принятых условий эксперимента кривая Q jtucn.) для песчаника и доломита имеет явно выраженный максимум. Так, если- при увеличении зернистости в диапазоне 250/200 - 400/315 четко прислеживается тенденция к росту производительности, то в диапазоне 500/400 - 800/630 наблюдается её снижение. Характер полученной зависимости может быть объяснен недостаточной величиной нагрузки на инструмент для эффективного резания данных пород с крупной фракцией шлифпорошков. Например, увеличение усилия подачи на 50 Н при резании доломита с диском АСК 500/400 привело к росту производительности до значений 70 см3/ мин, но при этом энергозатраты на резание составили более 1,5 кВт. Данный факт хорошо согласуется с основными законами механики разрушения горных пород при вдавливании клиновидных иденторов. Чем больше углубляется идентор в породу, тем больше сопротивление породы и общая затрата энергии на разрушение /86-88 /.
Для резания высокопрочных пород увеличение зернистости алмазного порошка в инструменте играет положительную роль. При резании гранита наблюдается пропорциональность роста зависимости Q=j-(dcn.) . Таким образом,для резания горных пород средней твердости и мягких рациональное значение зернистости алмазов находится в диапазоне 315/250 - 400/315, а для твердых - 630/500 - 800/630.
Разработка методики исследования геологоразведочных скважин аппаратурой ДПК-140
Поэтому одним из основных вопросов исследования явилось выявление закономерностей изменения скорости проходки режущих дисков керноотборника в различных горных породах и энергозатрат на резание от технологических параметров.
Выбор типов горных пород для исследования проводился из анализа пород, слагающих продуктивные горизонты. На основных нефтяных месторождениях нашей страны продуктивные горизонты представлены твердыми и абразивными породами терригенных и карбонатных отложений. Наибольшей твердостью (Рш 220 кГс/мм ) обладают породы мячковского, подольского, каширского ярусов; Породы уфимского, артинского, бобриковского, пашийского горизонтов имеют наименьшую твердость (Рш 100 кГс/мм ). Карбонатные породы характеризуются равнопрочностью минеральных зерен и скрепляющего их цемента. Для терригенных пород, содержащих значительное количество кварцевых зерен, характерны различия в прочности зерен и цемента и высокие абразивные свойства / 93 -96 /. С точки зрения механизма их разрушения при бурении скважин эти породы существенно отличаются друг от друга. Это обусловливает необходимость проведения экспериментов отдельно, как на том, так и на другом типе пород, учитывая их однородность.
Из карбонатных пород наиболее однородными по механическим свойствам являются мрамор и доломит. Для опытов использовались образцы белого мрамора Коелгинского местрождения Челябинской области и плотного доломита Миньярского месторождения Башкирии. Высокообразивные терригенные породы представлялись образцами песчаников из различных районов Удмуртии. Для моделирования более прочных пород, с целью определения возможности применения керноотборника при бурении глубоких разведочных скважин, исполь-зовался гранит Учалинского местородения (Башкирская АССР). Исходя из задач исследования, выбранные типы горных пород являются представительными и вдостаточной степени будут характеризовать закономерности процесса вырезания призматических кернов в различных отложениях.
Трудность выбора образцов пород для экспериментов связана с присущей горным породам неоднородностью структуры. Для отбраковки неподходящих блоков была предложена и применена методика определения акустических свойств образцов путем их прозвучивания на ультрозвуковом дефектоскопе. Механические свойства пород определяли методом статического вдавливания цилиндрического идентора с плоским основанием на установке УМШ-З по ГОСТ 12288-66 (табл.2.1)
Эксперименты проводились алмазными дисками АСС 315/250 с постоянной глубиной резания 45 мм на блоках с размерами 100х200х х500 мм. Для каждого типа породы был проведен полнофакторный экс-перимент типа 2. Интервалы варьирования входных параметров составил к: усилие подачи Р = 30-200 Н, окружная скорость резания 10 -- 21 м/с. В качестве выходных параметров были приняты: скорость проходки алмазных дисков в породе (Yn ) и энергозатраты на резание (ІМрез.).
Анализ результатов исследований, представленных в виде графиков на рис. 2.12, 2.13, показал следующее. 1. С ростом усилия подачи (Р) механическая скорость проходки (Vn) увеличивается по линейному закону Vn=\4 + PW для всех типов пород. Причем с увеличением прочностных характеристик to -уменьшается. 2. Увеличение окружной скорости резания ( Vo) вызывает пропорциональный рост скорости проходки. Изменение Vo в исследуемом диапазоне, при соблюдении Vn-COnst для всех типов пород, вызывает одинаковое приращении функции Vn - j(Vo) 3. Неоднородность горных пород по-составу и строению, значительные колебания их физико-механических свойств обусловливают различие в энергозатратах (Np?s) при резании алмазными дисками. 4. Начиная с определенных величин усилия подачи, характерных для данной породы, наблюдается общая закономерность линейного увеличения энергозатрат на резание для всех значений окружной скорости в исследуемом диапазоне. 5. С уменьшением прочностных свойств горных пород энергозатраты на резание растут, что объясняется полным внедрением алмазных зерен в породу и дальнейшим котактированием матрицы инструмента с породой. Таким образом, особенности резания горных пород алмазными дисками обусловлены конструкцией рабочих элементов и свойствами алмазов. Зерна выступают из матрицы на незначительную величину и разрушают горную породу микрорезанием и истиранием. Поэтому с увеличением осевой нагрузки внедрение алмазов быстро достигает своего предельного значения.
