Введение к работе
Актуальность темы.
Буровые шарошечные долота - основной инструмент, с помощью которого осуществляется разрушение породы и ведется строительство скважин в горной промышленности, в геологоразведке, а также при бурении скважин в нефтяной и газовой промышленности.
Процесс углубления скважин в горных породах связан с необходимостью применения эффективных породоразрушающих долот. Усложнение условий бурения определяется повышением глубины залегания природных энергоресурсов (руда, уголь, нефть, газ) и усложнением горно-геологических условий (высокая прочность, неоднородность, слоистость и т.д. горных пород).
Бурение горизонтов, сложенных твердыми породами, является наиболее трудоемким процессом, требующим большого расхода долот и определяющим общий ресурс времени для бурения скважин в целом.
Кроме того, все больше стали применять скважины сложных профилей, в том числе с проводкой наклонно-направленных и горизонтальных участков стволов, поэтому к эффективным конструкциям породоразрушающих элементов в настоящее время интерес существенно возрос.
При бурении в породах от средней прочности до очень крепких абразивных до 70 % отказов долот происходит из-за выхода из строя части породоразрушающих зубков и разрушения корпусов шарошек.
Повышение долговечности вооружения буровых долот зависит от целого комплекса конструктивных и технологических факторов, влияющих на стойкость и надежность работы зубков и шарошек в целом. Улучшение какого-то одного фактора способно лишь частично повысить ресурс работы долота, поэтому повышение эффективности его работы возможно только с одновременным проведением комплекса взаимосвязанных исследований.
Среди опорных долот наиболее часто применяют трехшарошечные долота. Причем чем больше глубина скважины, тем чаще применяются долота опорного типа – обычно, трехшарошечные. Однако с уменьшением диаметров долот трехшарошечные долота все больше становятся проблемными, так как они имеют слабую опору шарошки, и поэтому их ресурс снижается.
Более мощные по опоре одношарошечные долота (ОД) применяются совсем в небольших объемах. Это связано с тем, что механизм бурения этими долотами, с одной стороны не достаточно изучен, а с другой – наблюдается консерватизм в строительстве скважин и в производстве самих долот. Многолетние работы в области конструирования шарошечных долот не привели к созданию принципиально новых моделей, которые вошли бы в серийное производство.
Таким образом, проблема повышения эффективности бурового одношарошечного долота является актуальной для горной, нефтяной и газовой промышленности и геологоразведки.
Цель работы. Повышение эффективности бурового одношарошечного долота за счет выбора рациональных параметров и совершенствования конструкции на основе математической модели рабочего процесса.
Идея работы заключается в обосновании рациональных параметров элементов конструкции одношарошечного долота на основе исследования кинематических и динамических характеристик долота с учетом практического опыта производственной отработки долот для повышения эффективности одношарошечных долот.
Объект исследований: буровое одношарошечное долото.
Задачи исследования:
- аналитическая оценка и обобщение результатов теоретических, экспериментальных исследований и технических разработок в области модернизации конструкторских решений при разработке шарошечных долот;
- анализ износа элементов конструкции опорных поверхностей и вооружения ОД и проблем разрушения ими горных пород;
- исследование кинематики работы долота, расчет движения зубков шарошки долота, определение оптимального размещения зубков на шарошке;
- исследование динамики ОД, характера изменения нагрузки на зубки различных венцов шарошки ОД при взаимодействии их с породой;
- исследование процессов промывки забоя скважины и гидравлических характеристик ОД для определения рациональных способов подачи жидкости на забой;
- разработка и изготовление эффективного ОД.
Научные положения, выносимые на защиту:
- повышение степени использования вооружения долота обеспечивается равномерным разрушением сферического по форме забоя, применением усеченной шарошки и изменением угла наклона цапфы долота;
- исключение преждевременного износа и слома зубков вершинной части шарошки обеспечивается распределением зубков у основания шарошки с меньшей плотностью и их разворотом режущей поверхностью в сторону вращения долота;
- математическая модель кинематики и динамики работы вооружения позволяет оптимизировать энергозатраты на разрушение забоя по критерию совершенной работы;
- выполнение дополнительного промывочного канала способствует улучшению очистки забоя от шлама и снижает гидравлическое давление на стенки скважины во время спускоподъемных операций.
Предмет исследований: обоснование конструкционных и режимных параметров ОД.
Научная новизна результатов исследований.
-
Теоретически обоснован порядок распределения зубков на шарошке и направлений их режущих поверхностей.
-
Предложен способ равномерного перераспределения нагрузки на все зубки шарошки ОД.
-
Разработана математическая модель кинематики и динамики работы вооружения ОД при разрушении горных пород.
Практическая значимость работы: Разработана методика определения кинематических и динамических характеристик одношарошечного долота. Решена задача эффективной очистки забоя от шлама и исключен эффект «поршневания» при спускоподъемных операциях. На основе этой методики разработана и передана на специализированное долотное предприятие ООО «Опытный завод технических средств бурения на газ» (г. Нижние Серги) нормативная документация на изготовление модифицированной конструкции одношарошечного долота с рациональным координированным расположением вооружения по сфере шарошки, снижающая износ вооружения и увеличивающая ресурс работы долота (проходки, рейсовой и механической скорости бурения), а также с усовершенствованной системой промывки долота.
Разработанные методологические решения явились основой совершенствования элементов породоразрушающего инструмента и повышения надёжности работы шарошечного долота по среднему ресурсу на 40 %.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением современных методов численного моделирования, адекватностью математических моделей и подтверждается результатами отработки новых долот в стендовых и промысловых условиях. Погрешность при сравнении результатов экспериментальных исследований долот с новыми конструктивными элементами с соответствующими аналитическими расчетами не превышает 5 % для основных суммарных нагрузочных характеристик всего долота.
Методы научных исследований. Системный анализ и научное обобщение результатов теоретических исследований, применение современных методов численного моделирования, изучение особенностей износа и разрушения зубков по данным бурения скважин.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследований, сборе и обобщении материалов, построении математических и компьютерных моделей, составлении проектной и конструкторской документации, а также организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований использованы при разработке конструкций новых эффективных ОД, подготовке технологии их производства на специализированном долотном предприятии ООО «Опытный завод технических средств бурения на газ» (г. Нижние Серги), при составлении и реализации программ отработки долот в производственных условиях.
Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на XIV Международном научном симпозиуме им. академика М.А.Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2010 г.), на Международной конференции «East meets West 2010. SPE» (г. Краков, Польша, 2010 г.), на IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2010 г.), на научно-технической конференции «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности»: Чтения памяти В.Р. Кубачека (г. Екатеринбург, 2010 г.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 научных статей, в том числе 2 в ведущих рецензируемых научных журналах.
Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 84 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 8 таблиц, библиографический список из 71 наименования.
