Оценка технико-экономической эффективности бурового долота

5. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРОВОГО ДОЛОТА

5. 1. Буровое долото,   как основной  функциональный элемент бурового станка  и его значение в технологии бурения

             Буровое долото производит основной процесс  при бурении скважины – разрушение горной породы. Поэтому его работоспособность и совершенство конструкции, как показывает практика, оказывает определяющее влияние на эффективность технологии бурения в целом.

             Под технологией бурения принято понимать известную совокупность процессов, операций и средств бурения, а также факторов, определяющих эффективность  бурения скважин и влияющих на показатели работы породоразрушающего инструмента на забое. Составной частью технологии бурения служит режим бурения, включающий в себя параметры, которые могут быть изменены оператором непосредственно в процессе бурения. К последним относятся, как было отмечено, осевая нагрузка на долото, скорость его вращения, а также параметры системы эвакуации разрушенной породы из скважины, к которым на применяемых буровых станках относятся расход и давление сжатого воздуха, подводимого к долоту.  

             В широком смысле понятие технологии охватывает не только технические действия, направленные на обеспечение оптимального функционирования средств бурения (долота и станка), но и проектирование моделей объектов с оптимизацией процессов их работы по обоснованным  критериям. Такое понимание технологии отражает системный подход и соответствует современным  методологическим концепциям.

             Принципиально важной качественной стороной технологии бурения является способ бурения (вращательный резанием, ударно-вращательный, шарошечный  и др.), который определяется типом бурового инструмента в соответствии со свойствами горных пород.

             Основная часть мощности приводов вращения и подачи от бурового станка передается буровому долоту, которое испытывает большие крутящие моменты и контактные давления, высокие тепловые нагрузки вследствие трения о породу, абразивные воздействия  породных частиц и динамические воздействия со стороны забоя скважины. Поэтому долото является самым высоконагружаемым  и ответственным элементом бурового станка, работающим в весьма тяжелых условиях.

             Конструкция и диаметр долота определяют также величины забойной и компрессорной мощностей, скорости и усилия подачи, непосредственно влияющих на построение вращательно-падающих механизмов и пневмотранспортных систем бурового станка, его энерговооруженность, массу, а значит, и стоимость станка. Более того, величина основного режимного параметра – осевой нагрузки на долото – в настоящее время ограничивается прочностью бурового долота (опоры и вооружения). Наконец, скоростные качества долота, его износостойкость  (ресурс) и стоимость формируют критерии эффективности бурения (производительность, удельные затраты, удельную энергоемкость процесса). Затраты на буровой инструмент за срок службы бурового станка (7 – 10 лет) сопоставимы с капитальными затратами на приобретение станка.

             Таким образом, буровое долото является  не только основной функциональной частью бурового станка (без которой невозможен процесс бурения), но и важнейшим элементом технологии буровых работ.

             Для выбора критериев эффективности и построения аналитических моделей процесса бурения необходимо систематизировать факторы, влияющие на работу долота и бурового станка.

5. 2. Систематизация  факторов и выбор критериев оценки

работоспособности и эффективности бурового долота и станка

             С позиций системного анализа буровое долото (БД) и буровой станок (БС) являются составной частью – подсистемами - общей многофакторной технологической системы бурения скважины (рис.5.1), в которой центральной значение имеет забойный процесс взаимодействия долота с горной породой при ее разрушении.                                            

Рис. 5.1. Общая структура технологической  системы бурения взрывных скважин

             Каждая подсистема характеризуется множеством воздействующих на нее переменных факторов.

             Схема комплекса факторов, определяющих эффективность  работы долота, может быть представлена в виде, приведенном на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Комплекс факторов, влияющих на эффективность работы бурового долота: f  - крепость горной породы; Р_к - контактная прочность породы; а – абразивность породы; S_п – плотность породы;  - обводненность горного массива;  var – характер изменения свойств горных пород; С_у – стоимость долота;  - ресурс стойкости долота; - аэродинамическая характеристика долота; - конструктивный тип (особенности) долота (ШД, ДЗДШ, РД и т.д.); d – диаметр долота; R – режимные параметры (Р – осевая нагрузка,  - скорость вращения, Q – расход сжатого воздуха); V_п – скорость подачи; N_в – мощность вращателя;  - глубина скважины; L_d –  износостойкость (проходка на долото); V_б – скорость бурения; Е_р – удельная энергоемкость разрушения породы ()

         Основными входными переменными факторами, влияющими на эффективность работы бурового инструмента, являются: со стороны забоя  скважины – свойства массива горных пород, а со стороны бурового станка – режимные параметры (P,Q, ).

Буровое долото является непосредственным передатчиком  мощности ( = N) от бурового станка, которая тратится на процесс разрушения горной породы (создание скорости бурения V) и одновременно на процесс износа долота, ограничивая его стойкость . Одновременно происходит процесс эвакуации разрушенной породы из забоя скважины на поверхность энергией сжатого воздуха. При этом параметры пневмосистемы станка (расход сжатого воздуха Q и его давление)влияют на скорость и энергоемкость бурения, работоспособность долота (охлаждение вооружения). С другой стороны, эффективность очистки скважины (скорость удаления шлама, исключение повторного перемалывания разрушенной породы) существенно зависит от конструкивных параметров долота, его аэродинамической характеристики F_аэ (конфигурация корпуса, диаметр и ориентация пневмоканалов в долоте, площадь сечения пространства между корпусом, вооружением и стенками скважины и др.).

Конструкция и тип долота К_d  (шарошечное, режущее и др.), его ресурс  и стоимость С_d должны соответствовать условиям бурения: крепости f, контактной прочности Р_к,  абразивности а, плотности  буримых пород, степени обводненности массива и характера изменчивости свойств горных пород.