Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса выбора и отработки буровых долот шарошечного типа 10
1.1. Вопросы выбора и отработки буровых долот в пром словых условиях 11
1.2. Анализ литературных источников в области изучения процесса бурения 15
1.3. Анализ экспресс-методов выбора и отработки буровых долот 22
1.4. Краткий анализ аналитической модели работы шарошечных долот на деформируемом забоескважины 30
2. Задачи и методика исследований 39
2.1. Задачи исследований 39
2.2. Методика исследований 44
3. Теоретические исследования механизма взаимодействия шарошек с поверхностью забоя скважины 59
3.1. Исследования кинематики зубчатого венца чистого качения 61
3.2. Исследования механизма взаимодействия зубьев периферийных калибрующих венцов долота со смещенными осями вращения шарошек 77
4. Исследование возможностей и путей использования аналитической модели работы бурового долота 88
4.1. Теоретические основы совершенствования геометрии бурового долота 92
4.2. Решение оптимизационной задачи применительно к одношарошечным долотам 103
4.3. Решение оптимизационной задачи применительно к трехшарошечным долотам 130
5. Основы методики выбора и отработки буровых долот 149
5.1. Аналогия решения конструкторских и технологических задач 149
5.2. Основы экспресс-метода выбора и отработки буровых долот 157
5.2.1. Общие положения 159
5.2.2. Методическая схема выбора и отработки бурового долота 162
5.3. Апробация основных положений экспресс-метода выбора и отработки долот в промысловых условиях 172
5.4. Вопросы организации и функционирования служб контроля качества и отбраковки буровых долот 179
Основные выводы и рекомендации 184
Литература 186
Приложения 200
- Анализ литературных источников в области изучения процесса бурения
- Методика исследований
- Исследования механизма взаимодействия зубьев периферийных калибрующих венцов долота со смещенными осями вращения шарошек
- Решение оптимизационной задачи применительно к одношарошечным долотам
Введение к работе
Актуальность проблемы. В материалах ХХУІ съезда КПСС сказано: "Улучшить технико-экономические показатели буровых работ за счет ускоренного перевооружения, дальнейшего совершенствования технологии и организации их ...". Одной из важнейших задач при решении этих вопросов является рациональная эксплуатация породоразрушающих инструментов, в частности, буровых долот шарошечного типа, на которые приходится более 90 % объемов бурения нефтяных и газовых скважин.
Решение оптимизационной задачи - рациональная эксплуа -тация породоразрушающего инструмента состоит из вопросов правильного выбора буровых долот для заданных геолого-технических условий и назначения соответствующих параметров режима бурения.
Отечественные и зарубежные исследования показывают, что ошибка при выборе бурового долота в смежных типах уменьшает его проходку до 20 %. При настоящих объемах бурения нефтяных и газовых скважин это приводит к значительному удорожанию буровых работ. С увеличением глубин нефтяных и газовых скважин, с повышением стоимости породоразрушающих инструментов, в ближайшее время, вопросы рационального выбора отработки буровых долот будут стоять еще острее.
До настоящего времени вопросы выбора и отработки буровых долот в определенных геолого-технических условиях базирова -лись на стохастических моделях с использованием промысловой информации что, как показал опыт и теоретические исследования последних десятилетий, связано с большими трудностями при сборе объективной и в достаточном объеме информации и, следовательно, ведет к значительным погрешностям при решении оптимизационной задачи рациональной эксплуатации породораз -рушащих инструментов.
Поэтому разработка новой методологической основы для рационального выбора и отработки буровых долот остается ак -туальной.
Проведение таких исследований предусматривалось координационными планами НИОКР в области породоразрушающего инструмента, HTG Мингазпрома, решением отдела минеральных ресурсов ГКНТ при Совете Министров СССР, заданием Мингазпрома М-4.
Цель работы заключается в повышении эффективности работы буровых долот на основе их математической модели.
Основные задачи исследований.
1. Исследование кинематических параметров зубчатого венца на аналитической модели.
2. Исследование работоспособности буровых шарошечных долот по их кинетическим характеристикам.
3. Установление аналогии при решении обратных конструкторских и технологических задач в области бурового долота.
4. Разработка основ экспресс-метода и отработки буровых долот на основе их кинетических паспортов.
5. Исследование вопросов организации и функционирования служб входного контроля качества и отбраковки долот на буровых предприятиях.
Научная новизна. В работе установлены новые аналитические зависимости для определения скоростей соударения и дви -женил в контакте с забоем элементов вооружения зубчатого венца шарошки и впервые получена нелинейная аналитическая зависимость между углами поворота венца вокруг своей оси и вокруг оси долота, что позволило впервые объективно оценить допущение аналитической модели работы долота на деформируемом забоев скважины.
На основе исследований работоспособности различных модификаций одно- и трехшарошечных буровых долот по их кинетическим характеристикам впервые определена единая основа решения обратных конструкторских и технологических задач в области поро-доразрушающего инструмента.
Разработан принципиально новый экспресс-метод выбора и отработки буровых долот с использованием новой формы их паспорта, содержащего информацию по кинетике шарошек долота и схему использования этой информации при решении оптимизационных задач.
Обоснованы необходимые условия при решении оптимизационной технологической задачи, наличие кинетической информации в паспорте бурового долота и обеспечение стабильного качества используемых породоразрушающих инструментов, шарошечного типа. На уровне изобретения ( а.с. В 989302) предложен способ контроля наружного диаметра шарошечного долота и устройства для его осуществления.
Практическая ценность. Получены аналитические выражения для максимальных скоростей соударения и движения в контакте зубьев шарошек для общего случая, вычисления по которым дают наглядную картину взаимодействия с забоем зубчатых венцов шарошечных долот различных модификаций при их проектировании и совершенствовании.
Построена зависимость стойкости вооружения одношарошечных долот, в различных по абразивности горных породах, от их диаметра, которая позволяет определять относительную стойкость долота на забое и степень рационального использования твердосплавного вооружения.
Завершен комплекс работ для широкого внедрении технологии выбора и отработки шарошечных долот на детерминированной основе при решении оптимизационных задач в бурении - разработаны основы методики выбора и отработки буровых долот различных модификаций в заданных геолого-технических условиях;
- разработан паспорт бурового долота шарошечного типа с включением кинетических характеристик;
- переданы в СКВ по долоту ПО "Куйбышевбурмаш" методики и программы для расчета кинетических характеристик всех выпускаемых шарошечных долот;
- проведены работы по организации служб входного контроля качества долот в ряде производственных объединений.
Разработаны и переданы в ГосФАП алгоритмы и программа "Вычисление кинетических характеристик долот со смещенными осями вращения шарошек в плане" инв. №11006056, а также в ОФАПгазпром "Программа вычисления и анализа кинетических характеристик долот с несмещенными осягли вращения шарошек в плане" инв. № 267; "Вычисление и анализ кинетических характеристик долот со смещенными осями вращения гарошек в плане", инв.] 282.
Реализация работы в промышленности. Разработаны и внедрены в СКВ по долоту ПО "Куйбышевбурмаш" и на Дрогобычском долотном заводе методики вычисления и анализа кинетических характеристик буровых шарошечных долот с несмещенными осями вращения шарошек в плане; со смещенными осями вращения шарошек в плане; со сферической формой шарошек (одношарошечных); которые используются при разработке новых и совершенствовании серийных конструкций долот.
Трехшарошечное долото Ш 215,9 МСЗ-ГН, разработанное с использованием методики СредазБШгаза принято к серийному производству с 1981 года на ПО "Куйбышевбурмаш". Экономический эффект на долото составил 430,98 рублей.
Одношарошечные долота диаметром 190,5 мм и 215,9 мм со ступенчатым размещением вооружения усовершенствованные с использованием методики СредазНИИгаза приняты к серийному производству с 1983 года на ПО "Куйбышевбурмаш".
Разработана "Временная методика выбора буровых долот и режимов их отработки", утверждена Мингазпромом и апробирована при бурении опорно-технологических и эксплуатационных скважин в объединениях "Узбекбургаз" и "Укрбургаз". Использование методики при проводке двух скважин на месторождении Шуртан Муба-рекского УБР ПО "Узбекбургаз" позволило получить экономический эффект в сумме 45970 рублей.
Применение при бурении разведочных скважин на площадях ПО "Узбекнефтегазгеология" опытных одношарошечыых долот 1-190,5 C3-H-I3 со ступенчатым размещением вооружения, созданных и отработанных по методикам СредазНИИгаза дало экономический эффект в сумме II5030 рублей.
Автор принимал непосредственное участие при организации служб входного контроля качества и отбраковки буровых долот в производственных объединениях: "Узбекбургаз", "Туркменюжбур-газ", "Укрбургаз", "Ставропольгазпром", "Узбекнефтегазгеология". Разработаны, изготовлены и проходят опытную эксплуатацию устройства для контроля наружного диаметра шарошечных долот.
Апробация -работы. Вопросы, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на: научно-техническом семинаре "Породоразрушающий инструмент на основе сверхтвердых композиционных материалов в бурении разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ", г.Киев, май 1979 г., расширенном заседании лаборатории одношарошечного долота СевКавНИПИ-нефть, г.Грозный, май 1981 г., Ш Ухтинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г.Ухта, апрель 1982 г., Ш Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г.Ташкент, декабрь, 1982 г., научно-техническом совещании "Вопросы совершенствования выбора и отработки буровых долот с целью повышения ТЭП бурения в условиях Средней Азии", г.Ташкент, май 1983 г.
Публикации. Основное содержание диссертации освещено в 14 опубликованных работах (16 статей и I изобретение).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 133 наименований, изложена на 217 страницах машинописного текста содержащих 26 рисунков и 23 таблицы.
Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Мамаджанову Ульмасу Джураевичу и научному консультанту кандидату технических наук, старшему научному сотруднику Стеклянову Борису Леонтьевичу.
Анализ литературных источников в области изучения процесса бурения
Основу оптимизации процесса разрушения горных пород при бурении подавляющее большинство исследователей видит на пути максимального отделения породы на забое скважины в единицу времени при минимальной затрате энергии. В конечном счете, это определяет механическую скорость проходки, проходку на долото, стойкость долота на забое скважины. Очевидным для всех исследователей является и факт зависимости этих крите -риев от параметров режима бурения, геометрии и долговечности бурового долота, физико-механических свойств горных пород. Разница же исследований состоит в подходах к изучению рас -сматриваемого процесса, в методиках проведения исследований.
Одни исследователи видят пути поиска решения оптимиза -ционных задач в области работы породоразрутпающего инструмента, приняв за первооснову параметры режима бурения, другие-геометрию бурового долота, третьи - физико-механические свойства породы. Так, начиная с В.С.Федорова / ИЗ / более чем за три десятилетия проведено огромное количество исследований, посвященных определению зависимостей влияния параметров режимов бурения на механическую скорость и проходку на долото / 11,20,25,39,62,65,69,72,83,89,127 /.
Основные выводы, которые можно сделать на основе анализа такого рода исследования, эта прямая зависимость механической скорости проходки и проходки на долото от параметров режима бурения, как от осевого усилия на долото, так и от частоты его вращения. В то же время, во многих работах указывается на наличие в определенных условиях рациональных значений, т.е. таких значений осевого усилия и частоты вращения долота, при которых,например,существуют максимальные значения механической скорости или проходки на долото. Установить же эти закономерности удавалось лишь для частных случаев.
По методике исследований такие работы однотипны. В большинстве своем они базируются на экспериментальных данных. И какими бы тонкими и точными не были проведенные эксперименты, эмпирические зависимости все-таки не давали общих закономер -ностей. Оптимальные параметры режима бурения для определенного сочетания геометрии бурового долота и условий на забое сква -жины, как правило, не являлись оптимальными для других соче -таний. Тем не менее с помощью таких исследований получен целый ряд важных результатов. Так, данные / 126 / исследований, проведенных фирмой "Хьюз Тул Компани" в США, показали закономерность: общее количество оборотов, которое в состоя -нии выдержать опоры, т.е. их моторесурс не зависит от частоты вращения долота. В другом диапазоне частот вращения / 19 / получена зависимость моторесурса опоры долота от частоты его вращения, которая имеет ясно выраженный максимум.
Таким образом, несмотря на полезность проведения экспе -риментальных исследований на пути построения зависимостей эффективности работы бурового долота от параметров режима бурения, результаты их не позволяют сделать выводов для общего случая, т.е. для любого сочетания параметров режимов бурения, геометрии породоразрушающего инструмента, физико-механических свойств горной породы.
Другим, наиболее характерным направлением исследований, является поиск наиболее рациональной модификации бурового долота, включая геометрию и свойства используемых при его изготовлении материалов / 1,27,31,32,35,48,68,78,121,122,123, 124 /. Этот вопрос является наиболее сложным в технических аспектах, наиболее интересным с теоретической точки зрения. Поэтому данному вопросу посвящено множество научно-исследовательских работ. Здесь и получены наиболее значительные результаты как теоретического, так и практического значения.
Как показали теоретические исследования / 24,33,46,93, 94 и др./ кинетику долота в некотором приближении можно исследовать, опираясь на классические положения математики, теоретической механики и физики. Очевидным является и то,что прочность и абразивная стойкость материалов, используемых при изготовлении буровых долот, прямо влияет на их эффективность. Легко в первом приближении оценить как влияет геометрия бурового долота на формирование поверхности забоя скважины, что позволяет решать практически важные задачи на основе поиска равномерного распределения удельной энергоемкости разрушения горной породы во всех областях забойной зоны.
Поэтому в настоящее время огромное внимание уделяется использованию дорогостоящих композиционных материалов на основе редких и благородных металлов, естественных и искусст -венных алмазов / 34,60,74,91 /. Высокостойкие материалы используются в основном при изготовлении вооружения и опорных поверхностей шарошек. Естественно, при этом и другие элементы долота изготавливаются из наиболее качественных сталей.
Вышесказанным, в частности, объясняется огромное разнообразие буровых долот шарошечного типа. Только отечественное долотостроение имеет более трехсот модификаций буровых долот / 85 /, а зарубежные фирмы / 60,64 / таких модификаций имеют более тысячи. Заметим при этом, что за рубежом в настоящее время наметилась тенденция сокращения типажа буровых долот. Это связано с тем, что в распоряжении долотостроителей имеются высокостойкие материалы, используя которые можно изгото -вить долото одинаково эффективное для разбуривания нескольких смежных пачек одинаковой буримости.
В настоящее время существует мнение о том, что шарошечные долота в геометрическом отношении исчерпали свои возможности. Нам представляется, что это ошибочная точка зрения. Действительно, к настоящему времени решены основные задачи на пути значительного повышения производительности буровых долот. Так, найдены пути максимального использования объема ограниченного диаметром скважины,вскрыты возможности многоконусных шарошек, наличия обратного конуса и смещения осей вращения шарошек в плане. Но из этого не следует вывода об ограничен
Методика исследований
Теоретические и экспериментальные исследования породо -разрушающего инструмента в данной работе в той или иной степени отражают основные аспекты совершенствования бурового долота и технологии его выбора и отработки. Задачи, сформулированные в работе, охватывают достаточно широкий диапазон. Решение этих задач подчинено одной цели - поиску путей научно-обоснованного повышения эффективности работы долот и увеличения за счет этого технико-экономических показателей бурения.
Большое внимание уделено исследованию механизма взаимодействия рабочих выступов зубчатого венца шарошки. Для решения этой задачи была построена аналитическая модель его перекатывания по гладкому забою. При построении этой модели были использованы основные положения физики, механики и математики. Строилась геометрическая модель зубчатого венца, задавалось некоторое перемещение, обусловленное его перекатыванием за счет вращения вокруг двух осей (оси долота и оси шарошки) и находилось перемещение двух его зубьев. Одно для зуба нахо -дящегося в контакте, другое для зуба стремящегося в контакт. Таким образом,были построены две системы двупараметрических уравнений траекторий их движения. За переменные параметры аналогично / 122 / были приняты угол поворота долота и угол поворота венца шарошки. Все остальные параметры, точные геометрические величины венца или величины характеризующие и определяющие положение и ориентацию венца на забое скважины. Вывод таких уравнений позволил достаточно точно в аналити -ческой форме выразить скорости движения контактирующего венца, величину радиуса окружности, по которой перекатывается данный венец, а также скорость соударения с гладкой поверх -ностью зуба стремящегося в контакт или иначе зуба смежного с контактирующим. Несмотря на громоздкость аналитических выражений, определяющих эти скорости, вычисления пока производились вручную на микрокалькуляторах. Исследования такого рода пока только начаты и, поэтому необходимость перевода этих вычислений на ЭВМ отсутствует.
В ходе исследований была решена по необходимости еще одна задача аналитического характера, а именно, была найдена функциональная связь переменных параглетров долота и шарошки. Был проведен и всесторонний анализ этой зависимости. На реально малом промежутке изменения этих параглетров эта связь близка к линейной и, поэтому мало отличается от функциональной связи их принятой в работах / 24, 112, 122 /. Но, тем не менее при вычислениях мы ее использовали, т.к. важно было вычислить скорости исследуемых зубьев с большей точностью. Все допущения при вьюоде уравнений траекторий движения исследуемых зубьев сводились к жесткости положения оси долота и гладкому забою скважины. Это делалось для того, чтобы определить ту составляющую скоростей, которая зависит только от геометрических параметров венца и скорости вращения его вокруг оси долота. Естественно, что полученные величины, например, скорое ти соударения зуба могут отличаться от его скоростей соударения на реальном забое скважины.Необходимо отметить, что эти исследования проводились только с целью более точного изучения влияния механизма взаимодействия с забоем зубчатых венцов шарошек.
Если сказать больше, то это была еще одна попытка наряду с выводами работы / 64 / доказать, что скорости соударения зубьев шарошек за счет их зубчатой поверхности малы.
По данным, полученным в этой работе, такая гипотеза еще раз подтверждается. В конечном счете, получены теоретические результаты, которые вносят ясность в понимание процесса разрушения горной породы при бурении. Это, конечно, послужит дальнейшему совершенствованию аналитической модели работы бурового долота на деформированном забое скважины, научно-обоснованно позволит решать на ее основе более важные для практики задачи.Аналитическая модель работы бурового долота на деформируемом забое скважины, разработанная в СредазВЖгазе, в качестве допущений исключает влияние вертикальных колебаний за счет зубчатой поверхности шарошек. Проведенные исследования подтвердили предположение, что это допущение слабое, а тем самым доказали еще большую объективность вычисляемых на ее основе критериев оценки работоспособности шарошечных долот. Поэтому в данной работе аналитическая модель долота была использована при решении целого ряда вопросов. Наряду с этим совершенствовались и сами методы анализа работоспособности буровых долот как в части построения алгоритмов вычисления критериев для некоторых классов шарошечных долот, так и в части отработки общих, единых подходов к оценке и интерпре -талии тех или иных технологических эффектов. Это позволило найти общие оценки при решении конструкторских и технологи ческих задач.
Методика вычисления кинетических характеристик на базе аналитической модели условно можно разделить на следующие этапы:1. Определение по рабочим чертежам класса бурового долота.2. Снятие геометрических параметров с рабочих чертежей.3. Подготовка исходных данных для вычисления критериев.Все шарошечные долота нами разделены на пять классов/ 55 /. Это сделано с той целью, чтобы легче было ориентироваться при подготовке исходных данных для вычисления на ЭВМ, Естественно, для каждого класса составлена и отлажена соответствующая программа. Часть этих программ к настоящему времени переданы в Государственный фонд алгоритмов и программ (ГосФАП) и отраслевой -Мингазпрома (ОФАПгазпром) / 37,38,88 /. Для снятия геометрических параметров была разработана специальная методика. Целью разработки такой методики явилось то, что для расчета кинетических характеристик по геометрическим параметрам бурового долота, необходима достаточно высокая точность. И еще одно обстоятельство было причиной разработки такой ме -тодики - передача алгоритмов и программ на долотные заводы.
Что касается подготовки исходных данных, то для этого тоже был составлен специальный бланк, после заполнения он передается для набивки перфокарт, а затем на ЭВМ.
Блок-схема вычисления кинетических характеристик условно делится на несколько функционально связанных блоков: (рис.2.1.)- блок подготовки исходных данных ;- блок настройки программы ;- блок вычисления путей контакта зубьев венцов ;- блок поиска передаточных отношений шарошек ;
Исследования механизма взаимодействия зубьев периферийных калибрующих венцов долота со смещенными осями вращения шарошек
Причины выхода долота из строя, характер износа его элементов в процессе бурения будут понятны только в том случае, если мы хорошо будем представлять в целом механизм взаимодействия его вооружения (зубьев) с поверхностью забоя скважины. В этом случае сравнительно легко можно найти кон -структивное решение, позволяющее повышать долговечность бурового долота, заменить его в реальных промысловых условиях модификацией более долговечной.
Для достижения этой цели необходимо провести целый комплекс аналитических исследований. Одним из направлений таких исследований является описание или нахождение параметров поверхности забоя скважины, определяющихся геометрией бурового долота. Опыт конструирования и отработки буровых долот различных модификаций показывает, что нередки случаи, когда спроектированное долото работает сравнительно плохо без видимых на то причин. Однако, более тщательное исследование показывает, что причиной тому является игнорирование формы забоя скважины, образуемой данным долотом. Надо отметить, что такие случаи сейчас довольно редки. Это просходит оттого, что вопрос качественно изучен к настоящему времени во многих аспектах. Количественные же оценки этих вопросов до сих пор отсутствовали. А без аналитического решения данных вопросов невозможно построить аналитическую модель работы бурового долота и, следовательно, нельзя судить об относительной работоспособности разных модификаций без изготовления, стендовых и промысловых испытаний.
Ниже рассмотрим механизм калибровки скважины самого распространенного класса буровых долот, использованный в ра -боте / 100 /.
Большое внимание при исследовании работы буровых долот шарошечного типа на аналитической модели уделяется механике долот со смещенными осями вращения шарошек в плане, и в частности, взаимодействию рабочих выступов калибрутащих венцов шарошек с забоем скважины.
Характер взаимодействия калибрующих венцов шарошек долота без смещения осей вращения с забоем скважины, где калибровка осуществлялась венцами по одному и тому же сферическому поясу независимо от их положения относительно диаметраль -ного сечения скважины, изучен в работе / 122 /. Однако для долот со смещенными осями вращения в плане не установлено, работают ли калибрующие венцы на одной поверхности или существует зона, в которой породу разрушают один или несколько венцов. Аналитически исследуем характер взаимодействия вен -цов долота с образованной ими поверхностью скважины (рис,3.7.) ; при этом рассмотрим:- смещение осей вращения шарошек в плане hf , мм ;- угол наклона осей шарошек относительно оси долота oL, град ;- радиус скважины RCt ъм \- радиус П-го венца шарошки 1п » мм ;- расстояние R -го венца до диаметрального счения скважины /?#, мм ;- глубину погружения венцов в забое скважины тб, мм .Здесь а и и - расстояния между смежными венцами и смежными горизонтальными сечениями поверхности забоя скважины,мм
Радиус /7-го венца шарошки Чп выразим через известные величины Re, К » net:Определим радиус на забое скважины Rн. о., обусловленный /? -м венцом шарошки радиусом 7„ на глубине тб \
Подставив в (3.21.) выражение (3.20.), найдемТаким образом, все венцы работают на одном и том же сферическом поясе, определяющем поверхность забоя скважины. Характер взаимодействия калибрующих венцов долот со смещенными осями вращения шарошек в плане описывает выражение
Рассмотрим /7 -е количество вертикальных калибрующих венцов, размещенных в поперечном сечении скважины радиуса Re с шагом (X , приняв за нулевой венец, находящийся в диаметральном сечении. Калибруемую поверхность забоя скважины разобьем на /7? уровней с шагом О , считая начальным верхнее сечение забоя. Определим радиусы на скважине Rн.с. каждого венца на всех уровнях. Сравнение RH.C. различных венцов на разных уровнях позволит проследить изменения образуемых ими параметров поверхностей.
Проанализируем указанные соотношения на примере условного долота диаметром 76 мм, смещение осей вращения шарошек которого в плане Л = 2 и 5 мм при Re - 38 мм, (X = 2 мм, б = 2 мм, оС= 90.Значение RH.C. вычислено на ЭВМ EC-I022, для чего составлена программа " Масса" на языке " Фортран".Из таблицы 3.2 , в которую сведены значения RH.C. венцов, отстоящих от диаметрального сечения на расстояниях 2,4,14,20, 26,32 мм и находящихся на уровнях 2,6,10,14,18,22 мм , следует, что величины Rн.о. на каждом уровне различны и разница между ними возрастает с удалением венцов от диаметрального сечения по мере увеличения уровня погружения в забой и смещения осей вращения шарошек в плане.
Следовательно, каждый венец- образует геометрию поверх -ности забоя скважины, отличную от поверхностей, на которых работают другие венцы. По мере удаления венца от диаметраль -ного сечения скважины образуемая им поверхность плавно уменьшается. Причем интенсивность уменьшения растет пропорционально расстоянию от диаметрального сечения. Радиальную поверх -ность забоя определяет венец, ближайший к центру скважины; остальные венцы входят в контакт с реальной поверхностью только в верхнем сечении забоя, т.е. на нулевом уровне.
Аналогичные исследования проведены на условных долотах 0 190,5, 215,9 и 490 мм, для которых верны выводы, сделанные по долоту 0 76 мм .
Можно сделать еще один интересный вывод из проведенных исследовании. В случае, если калибрующий венец реального до -лота будет находиться близко к центру забоя скважины, то его зубья непременно будут плохо дублироваться венцами периферийными и, следовательно, будут перегружены и в определенных условиях их скол будет закономерным.
Таким образом, нами изучен еще один вопрос, который может объяснить преждевременный износ венца,не являющегося периферийным. В этом, вероятно, и заключена причина поломки непериферийной части венцов на обратном конусе серийных долот при бурении в плотных породах.
С целью проверки этой гипотезы были проведены теорети -ческие и экспериментальные исследования на долотах малых диаметров / 56 /. Так как серийные долота проектируются с однозначным и равным по величине смещением осей вращения шарошек в плане, то это обстоятельство должно отрицательно, по крайней мере в некоторых условиях, сказываться на механической скорости бурения, износостойкости и прочности вооружения периферийных венцов.
Исследование кинетики венцов шарошечного долота показало, что наличие в долоте разносмещенных шарошек в плане должно повысить эффективность поражения породы на забое скважины.Эффект следует ожидать от разнонаправленного воздействия вооружений шарошек в областях поверхности забоя скважины. С этой целью было разработано малогабаритное трехшарошечное
Решение оптимизационной задачи применительно к одношарошечным долотам
В данном подразделе нами на конкретных примерах будут продемонстрированы методы и приемы анализа кинетики серийных и опытных модификаций шарошечных долот, раскрыта физическая сущность сравнительного анализа однотипных долот, примеры решения обратных конструкторских задач, вскрыта единая природа решения обратных конструкторских и технологических задач.
Лабратория породоразрушающего инструмента СредазНИИгаза на протяжениии ряда лет проводит многочисленные исследования в области буровых долот с использованием аналитической модели совместно с СКБД ПО "Куйбышевбурмаш". Эти работы по этапам можно представить следующим образом:- прямые задачи ;- обратная конструкторская ;- обратная технологическая.
На первом этапе ставилась цель - определение сходимости результатов расчета кинетических характеристик с данными эксперимента.
На втором этапе решались обратные конструкторские задачи на конкретных шарошечных долотах. Здесь выяснялась экономическая эффективность решения задач с использованием детерминированной модели, исследовалась кинетика всей гаммы буровых шарошечных долот отечественного производства. И, наконец, отрабатывалась методология решения обратных технологических задач.
Все эти задачи решаются и сегодня. Делается это с той целью, чтобы как можно полнее вскрыть потенциальные возмож -ности построенной в СредазНИИгазе детерминированной модели при решении общей обратной задачи - оптимизации разрушения горной породы при бурении.Ниже приведены конкретные примеры по изложенным выше вопросам.
Несмотря на ограниченное применение одношарошечных долот в практике бурения нефтяных и газовых скважин, многие исследователи постоянно работают в направлении совершенствования его геометрии,изыскивают пути повышения их технико-экономи -ческих показателей / 28,40,42,47,59,80,81,92 /.Наиболее значительные исследования одношарошечных долот ведутся в СевКавНИПИнефть под руководством А.В.Зубарева.
Исследования в области одношарошечных долот проведены и в СредазНИИгазе /2,96,99,102,103,106 /. Некоторые из них положены в основу данных исследований. Для примера возьмем серийное долото I 190,5СЗ-Н. Оно предназначено для бурения в породах средней твердости роторным способом с промывкой забоя технической водой или глинистым раствором.
Долото 1-190,5СЗ-Н разработано на базе долота I0K-I90 C-I. С целью повышения эффективности бурения ось одмметрии венцов проходит через точку пересечения оси долота и оси вращения шарошки и наклонена под углом 10 град, к последней в одной плоскости с вышеуказанными осями. Вооружение долота представлено зубками формы Г23 ГОСТ 880-75 размером 14 х 22.На рис. 4.2. представлен граф кинетического паспорта, серийного,-одношарошечного долота 1-190,5СЗ-Н, построенного по результатам счета (табл.4.2.). График "V( 0 ) j(@i)интересен тем, что точка пересечения кривой с осью абсцисс определяет нахождение венца чистого качения, т.е. положение второй точки мгновенной оси вращения шарошки. По характеру этого графика можно судить об активности шарошки. ГрафикА і = f(Rj) определяет относительный износ вооружения по венцам. Как видно из рисунка, кривая неравномерна, значение Атах- 571,5 соответствует вершинному венцу, а значение Атш- 200,6 периферийному венцу шарошки. Этим объясняется неравномерный износ вооружения одношарошечного долота со сферической формой шарошки. В данном случае вершинные венцы будут изнашиваться почти в 3 раза интенсивнее периферийных. График AK=J"(RJ) является характеристикой относительнойинтенсивности разрушения породы на сферических поясах забоял"скважины. Значение Атіл - 0,36 соответствует участку забояскважины с минимальной интенсивностью разрушения, причем условия разрушения породы на этом участке забоя скважины являются наиболее тяжелыми.
Расчет кинетических характеристик при различных вариантах размещения и количествах вооружения на сферических ша -ропіках показал наличие в каждом случае высоких удельных контактных работ на вершинных венцах. Поэтому представляет большой интерес исследовать экстремальные величины контактных работ разрушения в зависимости от диаметра долота.
Работоспособность серийного одношарошечного долота в первую очередь определяется интенсивностью износа вооружения, т.к. опора его практически не лимитирует стойкость. Одношаро-шечное долото по условию взаимодействия вооружения с забоем относится к режуще-истирающему типу. При данном режиме износ вооружения будет определяться величиной пути контакта рабочих
