Анализ возникновения зон неустойчивости бурового става и интенсификация процесса бурения при проходке скважин вращательным и вращательно-ударным способами

Нарушение устойчивой работы бурового става обусловливается как конструктивными недора­ботками и необоснованно выбранными режимами бурения, так и специфическими особенностями процесса бурения долотом, закрепленным на длинном гибком ставе с начальными неправильностями. Установлено, что под действием постоянного крутящего момента и продольного усилия подачи буровой став деформируется по винтовой линии. Показано, что источником возникновения динамических состояний вращающегося бурового става является переменное трение между горной породой и инструментом, а также изменения потенциальной энергии податливого бурового става при его закручивании и раскручивании. При закручивании става потенци­альная энергия накапливается, а при раскручивании — высвобождается. В этом случае длина става начинает увеличиваться, на это перемещение накладывается работа усилия подачи и происходит удар инструмента о за­бой. Крутильный колебательный процесс вызывает продольные периодические перемещения конца става, ко­торые приводят к совместным продольным и изгибным колебаниям всей бурильной колонны. Получены систе­мы дифференциальных уравнений, описывающие совместные изгибно-продольные колебания става, вызванные крутильными вибрациями, возникающими при контакте бурового инструмента с забоем. Приведены прибли­женные решения этих систем, которые происходят с основной собственной частотой крутильных колебаний двухмассовой системы инструмент — став — привод вращателя, а амплитуды изгибных колебаний става связаны с изменением характеристики трения между инструментом и породой, а также с угловой частотой вращения става. Выявлены зоны динамической неустойчивости при вращении деформированного става за счет действу­ющих силовых факторов, начальных неправильностей и центробежных сил. Показано, что они возникают при критических скоростях вращения става, которые совпадают с собственными частотами его изгибных  колеба­ний. Для интенсификации процесса бурения разработаны рекомендации по укомплектованию станка враща­тельного бурения дополнительным пневмоударником. Рассмотрена расчетная схема бурового става станка вращательного бурения, снабженного дополнительным пневмоударником. Параметры пневмоударника по частоте и амплитуде согласованы с поступательной скоростью бурения скважины. Суммарные продольные и по­перечные перемещения става могут быть получены по принципу суперпозиции самовозбуждающихся и наведенных перемещений.