Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Современные долота 9
1.2. Исследование взаимосвязей основных параметров вращательного бурения 16
1.3. Исследование износа долот режущего типа 20
1.4. Исследование влияния осевой нагрузки и частоты вращения инструмента на мгновенную скорость проходки 23
1.5. Способы повышения эффективности бурения режущими долотами 28
1.6. Анализ основных видов вращательного бурения скважин 30
ГЛАВА 2. Исследование процесса вращательного бурения скважин долотами режущего типа с алмазно-твердосплавным вооружением 34
2.1. Основные положения методики исследований 34
2.2. Выбор и обоснование методов планирования эксперимента 36
2.3. Выбор и характеристика горных пород 37
2.4. Выбор инструмента для исследований 38
2.5. Экспериментальные стенды и аппаратура 38
2.6. Исследование критической скорости резания при алмазно-твердосплавном бурении 39
2.7. Исследование мгновенной скорости проходки и разработка метода ее расчета 45
2.8. Обоснование метода расчета нагрузок на инструменте режущего типа 51
2.9. Определение затрат мощности долот режущего типа 61
ГЛАВА 3. Разработка и применение двухъярусного долота режущего типа для бурения твердых, крепких и высокоабразивных пород 64
3.1. Исследование особенностей и создание двухъярусного долота режущего типа 64
3.2. Расчет кинематических параметров режущей части инструмента 74
3.3. Разработка режима бурения долотом типа Д-2ВВ 880
3.4. Разработка математической модели системы «горная порода — двухъярусное долото» 83
3.5. Оптимизация математической модели и проверка ее адекватности 92
ГЛАВА 4. Реализация выполненных исследований и их экономическая эффективность 100
4.1. Разработка алгоритма и программы работы двухъярусного долота на забое скважины 100
4.2. Разработка технологического регламента по применению долота типа Д-2ВВ для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология» 104
4.3. Прогнозный расчет экономической эффективности применения двухъярусного долота режущего типа Д-2ВВ 104
Заключение к 108
Литература
Приложения 119
- Исследование взаимосвязей основных параметров вращательного бурения
- Исследование критической скорости резания при алмазно-твердосплавном бурении
- Исследование особенностей и создание двухъярусного долота режущего типа
- Разработка алгоритма и программы работы двухъярусного долота на забое скважины
Введение к работе
Расширение области применения буровых работ и повышение их значимости выражается в ускоренном развитии технологии бурения. Существенный прирост технико-экономических показателей бурения дает совершенствование долот как одно из магистральных направлений развития буровой техники. Повышение стойкости и производительности долот позволяет влиять на эффективность процесса бурения. Проблема увеличения рейсовой скорости бурения при сооружении скважин различного назначения является одной из самых важных. Решать ее можно, внедряя новые конструкции высокоэффективных долот [1].
Пятьдесят лет назад профессор B.C. Владиславлев показал, что процесс резания горных пород, независимо от категории их твердости, во много раз эффективнее процесса вдавливания, так как затрата энергии при резании растет значительно медленнее, чем увеличение объема отделяемой породы [2].
Накопленный с конца 70-х годов XX века зарубежный (пластинки «Stra-tapax», а позднее - PDC) и отечественный опыт применения долот, оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), показал, что такие материалы обладают износостойкостью, в десятки раз, и термостойкостью, в 2 раза превышающей аналогичные характеристики вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов. Долота с АТП — это высокоэффективный инструмент для бурения мягких и средних пород, при разрушении которых резцы сохраняют острые кромки длительное время. При роторном бурении и бурении винтовыми забойными двигателями долота этого типа обеспечивают увеличение механической скорости проходки в 2 раза по сравнению с шарошечными долотами, проходки на долото в 3-7 раз при осевой нагрузке в 2-2,5 раза меньшей и при сопоставимом крутящем моменте. [3].
Однако область их применения ограничена малоабразивными породами средней крепости. С 1984 г. в США изготовляются долота Балласет (фирма-изготовитель «Нортон Кристенсен»), пригодные для разбуривания более твердых горных пород. С этой целью кроме пластин Stratapax, размещенных на режущих лопастях, калибрующая поверхность оснащена природными алмазами, что значительно увеличивает стоимость долот.
Главной причиной невозможности использования долот с АТП в породах VI-VIII категорий по буримости является увеличивающийся износ режущих элементов от центра к периферии или потеря диаметра, что приводит к выходу таких долот из строя. Поэтому актуальной является проблема совершенствования технологии бурения скважин долотами режущего типа за счет изменения' их конструкции, направленная на расширение области применения долот данного типа. Для решения данной проблемы предназначена новая разработка — двухъярусное долото режущего типа со встречным вращением ярусов, имеющее алмазно-твердосплавное вооружение.
Исходя из этого, целью работы является повышение эффективности процесса бурения скважин за счет применения новой конструкции долота режущего типа в породах VI-VIII и частично IX категорий по буримости.
Методы исследования имеют комплексный характер и включают анализ и обобщение имеющихся теоретических, лабораторных и промысловых материалов по данной проблеме, а также результатов собственных аналитических и лабораторных исследований с использованием современных приборов, установок и вычислительной техники.
Новизна научных положений состоит в следующем:
Установлено, что при бурении твердых, крепких и абразивных пород долотами режущего типа мгновенная скорость проходки является величиной постоянной при постоянном значении осевой нагрузки, независимо от частоты вращения (патент на изобретение «Способ бурения направленных скважин»).
Установлено, что осевая нагрузка необходимая для достижения равных величин интенсивности разрушения, зависит от частоты вращения долота режущего типа.
Предложена зависимость для расчета мгновенной скорости проходки и определены величины входящих в нее эмпирических параметров.
На уровне изобретения разработана конструкция долота режущего типа с алмазно-твердосплавным вооружением, расположенным на соосных яру- сах, с возможностью вращения ярусов с различными скоростями вокруг оси породоразрушающего инструмента. На защиту выносятся:
Методика расчета мгновенной скорости проходки долота режущего типа.
Конструкция двухъярусного долота режущего типа диаметром 215 мм, вооруженного алмазно-твердосплавными пластинами (АТП или PDC).
Расчет кинематических параметров режущей части предлагаемого долота.
Компоновка наддолотной части бурильной колонны и двухъярусного долота режущего типа.
Параметры рационального режима бурения новым инструментом.
Практическая ценность заключается: в разработке принципа создания нового вида буровых долот, на одной оси которых ярусы с режущими элементами имеют различные частоты вращения; в разработке конструкции двухъярусного долота режущего типа диаметром 215 мм, рабочие поверхности которого оснащены АТП; в разработке теоретических основ расчета режимных параметров отработки долот данной разновидности для проведения стендовых и полевых испытаний; в создании математической модели системы «горная порода - двухъярусное долото»; в создании алгоритма и программы работы долота режущего типа на забое; в разработке технологического регламента для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология», г. Ростов-на-Дону (приложение П.1); в использовании разработки «Двухъярусное долото режущего типа» в учебном процессе кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ) при изучении дисциплин «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация бурения нефтяных и газовых месторождений» (приложение П.2).
Достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием теоретически обоснованных и проверенных методов исследования, сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов, а также предста-
7 вительным объемом экспериментов, позволяющим с вероятностью 0,95 утверждать, что ошибка полученных результатов не превышает 10-14%.
Основные положения диссертации доложены и одобрены на V и VI Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поиске, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» (РГГРУ, г. Москва, 2006 и 2007 г.г.); на V Международной конференции «Проблемы геологии, геоэкологии и минерагении Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2006 г.); на Международной конференции «Проблемы геологии и освоения недр юга России» (ЮНЦ РАН, г. Ростов-на-Дону, 2006 г.).
Научные положения и результаты диссертационной работы отражены в 13 печатных работах, в том числе в 8 статьях (2 из которых - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ), 3 тезисах докладов и 2 патентах на изобретение, ссылки на которые даны по тексту.
По теме диссертации получены патенты на изобретение RU 2306399 U1 МІЖ Е21В 7/06 «Способ бурения направленных скважин» от 26.02.2006, опубл. 20.09.2007, бюл. №26 и RU 2310732 Ul Е21В 10/00 «Многоярусное долото режущего типа», заявка №2006100564/22 от 16.01.2006, опубл. 20.11.2007, бюл. №32.
Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 118 страницах текста в редакторе MS Word, содержит 43 иллюстрации, 15 таблиц, список использованных источников из 100 наименований и 6 приложений.
Во введении поставлена цель исследования. В первой главе представлен анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследований. Во второй главе выбраны методика и техника исследований, а также приведены результаты исследований процесса вращательного бурения скважин долотами режущего типа с алмазно-твердосплавным вооружением, в результате которого сделан вывод о возможности создания двухъярусных долот. Третья глава посвящена созданию конструкции двухъярусного долота режущего типа со встречным вращением ярусов, разработке режимов бурения скважин новым инструментом, в ней произведен расчет кинематических параметров режущей части долота, разработана математическая модель пары «горная порода — двухъярусное доло-
8 то» и выполнена ее оптимизация и проверка на адекватность. В четвертой главе отражена практическая реализация проведенных исследований: разработка алгоритма и программы расчета параметров бурения долотами режущего типа; технологический регламент по применению двухъярусного долота режущего типа для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология»; прогнозный расчет экономической эффективности применения нового инструмента. В заключении сформулированы общие выводы и рекомендации по применению новой разновидности породоразрушающего инструмента для вращательного бурения горных пород VI-VIII и частично IX категорий по буримости.
Работа выполнена на кафедре «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ).
Автор выражает благодарность своему главному научному руководителю, академику РАЕН, доктору технических наук, профессору А.Я. Третьяку, а также второму научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Ю.Ф. Литкевичу. Автор считает своим долгом выразить признательность докторам технических наук Д.Н. Башкатову, Н.В. Соловьеву, Н.И. Сысоеву, кандидатам технических наук Н.Н. Буренкову, С.Г. Мирному, А.Д. Вейсману, И.И. Сендецкому, Ю.А. Воропаеву, В.Е. Дубенко за советы и ценные замечания, а также сотрудникам кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку и рекомендации при выполнении диссертационной работы.
Исследование взаимосвязей основных параметров вращательного бурения
Авторы [4] отмечают, что 90% объема бурения на нефть и газ осуществляется в настоящее время шарошечными долотами. Однако, существенным недостатком шарошечных долот является выход из строя опор шарошек при еще работоспособном их вооружении.
Как сказано выше, при резании, по сравнению с вдавливанием, затраты энергии растут значительно медленнее, чем увеличение объема отделяемой породы. «Следовательно, наиболее эффективным методом разрушения породы является метод резания, несмотря на кажущуюся парадоксальность этого вывода, так как известно, что инструменты режущего типа в настоящее время имеют ограниченную область применения. В основном все дело заключается в том, что износ инструмента при разрушении породы методом резания значительно интенсивнее, чем при дробящем методе разрушения. Если бы каким-либо способом удалось увеличить стойкость резцов ..., совершенно несомненно, что режущий инструмент был бы самым производительным» - указывает B.C. Вла-диславлев [2].
Через полвека после того, как B.C. Владиславлев сделал этот вывод, кардинального изменения существующего положения не произошло. Поэтому наибольший интерес для данного исследования представляют лопастные долота, работающие по принципу резания.
Опыт их применения исследован и представлен в работах Дверия В.П., Арцимовича Г.В. [5, 6, 7], Спивака А.И. и Попова А.Н. [14], Сулакшина С.С. [30], X. Рабиа [40], а также других авторов.
Известен ряд конструкций долот истирающе-режущего действия, имеющих несколько лопастей (от двух до шести), на которых по линиям резания размещены режущие элементы, образующие в совокупности вооружение долота. При бурении мягких и вязких пород долото работает как режущий инструмент, срезая породу своими лопастями. Встречая твердые и крепкие прослойки, долото начинает работать как истирающее [10]. К недостаткам следует отнести наличие весьма высокого момента сопротивления вращению долота и усилию подачи. Принятые схемы армирования лопастей не обеспечивают полное перекрытие забоя скважины и сохранение на необходимое время диаметра долота, вызывают быструю изнашиваемость периферийных режущих элементов. Выходящая из насадок долота промывочная жидкость не обладает достаточно высокой турбулентной активностью, что сказывается на качестве очистки забоя от крупного шлама. Несвоевременно поднятый вверх по стволу скважины шлам попадает под лопасти долота и повторно измельчается, все это значительно снижает механическую скорость бурения, увеличивает износ режущих элементов, способствует изменению диаметра и вертикальности ствола скважины [8, 11].
Лопастные долота режуще-скалывающего действия имеют твердосплавное, алмазно-твердосплавное вооружение, а также из материала славутич, разработанного в Институте Сверхтвердых Материалов Национальной Академии Наук (ИСМ НАН) Украины.
Твердосплавные режущие долота просты и по конструкции, и по технологии изготовления. Длительное время их применяли для бурения мягких пластичных глин при роторном способе. В таких породах проходки за рейс достигают нескольких сот метров, а в некоторых случаях даже 1500-2000 м. Но при этом в связи с неизбежной для таких больших интервалов глубин перемежаемостью пород (в том числе твердых и абразивных) часто наблюдается значительное уменьшение диаметра скважин, что приводит к необходимости расширения и проработки скважины перед спуском очередного долота. Кроме того, при бурении необходимо прикладывать к долотам большой крутящий момент [2].
Долота ИСМ [8] отличаются, главным образом, сверхтвердым материалом — Славутичем, которым оснащены их рабочие элементы (вставки). Форму рабочей поверхности вставок, марку славутича и количество вставок выбирают в соответствии с физико-механическими свойствами буримых пород. Долота ИСМ, по сравнению с лопастными, обладают более высокой износостойкостью, а по сравнению с долотами, оснащенными природными алмазами, меньшей стоимостью, лучшей защитой вставок и проходимостью по стволу скважины.
Режущие долота ИСМ предназначены для бурения глубоких скважин в мягких и средних, пластичных породах. Из данных [5] видно, что применение режущих долот ИСМ, выпускаемых опытным заводом ИСМ НАН Украины, ограничено роторным бурением мягких высокопластичных пород, предельная твердость которых по штампу не более 500 МПа. Область применения лопастных долот расширилась в связи с созданием новых форм резцов из износостойких материалов, существенным изменением конструкции торцовой и боковой поверхности лопастей.
При бурении долотами с АТП (PDC) обеспечиваются большие механическая скорость проходки и проходка на долото по сравнению с алмазными и трехшарошечными долотами при меньших энергетических затратах. Это обусловлено тем, что разрушение горных пород осуществляется путем резания (рисунок 1.2 [3, 30]), которое более эффективно, чем вдавливание (шарошечное долото) и истирание (алмазное долото).
Основным режущим элементом долота является диск диаметром 8-13,5 мм, который представляет собой слой подвергнутых спеканию под большим давлением и при высокой температуре поликристаллических алмазов на подложке из карбида вольфрама. Толщина алмазного слоя составляет 0,5-0,8 мм при толщине диска от 0,3 до 0,8 мм. Диски припаивают к державкам цилиндрической формы, которые вмонтированы в корпус долота, или державки впаивают в гнезда, выполненные в матрице долота. Тонкий алмазный слой состоит из многочисленных мелких кристаллов, расположенных хаотично, что обеспечивает высокую ударную прочность и износостойкость диска. Алмазные диски и карбидовольфрамовые подложки к ним за рубежом главным образом производятся фирмой «Дженерал Электрик» (США).
В настоящее время лопастные долота с алмазно-твердосплавным вооружением выпускаются рядом предприятий, как в нашей стране, так и за рубежом.
Так, например, ОАО ЕЛО «Буровая техника» изготавливает лопастные долота, оснащенные АТП, диаметрами от 104,8 до 292,9 мм, область применения которых ограничена твердыми малоабразивными породами.
НГШ «Азимут» производит лопастные долота типов РСА (рисунок 1.3, б), Л-РСА (рисунок 1.3, е), РСГА с алмазно-твердосплавным вооружением, предназначенные для бурения скважин сплошным забоем в мягких и средних малоабразивных породах [6].
Исследование критической скорости резания при алмазно-твердосплавном бурении
Исходя из задач исследования, для их решения был принят экспериментально-аналитический метод. Высокая неоднородность разрушаемой среды и характер процесса вращательного бурения, происходящий от непрерывного вращения и поступательного перемещения (инструмент движется по винтовой линии), вызывают сложную динамику работы системы «инструмент — горная порода». Недостаточная изученность происходящих при этом явлений определяет применение экспериментально-аналитического метода исследования.
Экспериментальный подход основан на адекватности явлений при бурении скважин в лабораторных и производственных условиях. Правомерность такого подхода обоснована сходимостью результатов лабораторных и производственных испытаний и подтверждена многолетним опытом эксплуатации современных ПРИ [6, 17, 22, 36, 45, 67, 97].
Аналитический подход базируется на том, что на основании принципов моделирования в качестве физической модели нового долота принят резец для бурения скважин малого диаметра РБК-42, армированный пластинами АТП, имеющими такую же величину и принцип расположения, как и у разрабатываемого долота 0215 мм. Все аналитические исследования параметров процесса бурения инструментом режущего типа выполнены на основе результатов опытного бурения резцами РБК-42 и их аналогами [72, 73].
Для оценки эффективности работы долот режущего типа принят комплексный критерий, отражающий механическую скорость бурения, проходку на долото и характеристику износа, так как оптимизация именно этих параметров делает долото более предпочтительным по сравнению с аналогами в данных геолого-технических условиях [48, 67, 98].
Задача комплексного исследования взаимосвязей параметров процесса вращательного бурения и принятый метод определили общую методическую схему исследований: - анализ и систематизация исследований современных долот режущего типа, процессов разрушения горных пород и взаимосвязей режимных параметров, износа и способов повышения эффективности работы долот режущего типа, а также основных способов вращательного бурения скважин; - исследование влияния скорости резания, осевой нагрузки и частоты вращения инструмента режущего типа на мгновенную скорость проходки; - разработка метода расчета мгновенной скорости проходки; - разработка методики расчета нагрузок на инструменте режущего типа; - разработка конструкции двухъярусного долота режущего типа диаметром 215 мм с алмазно-твердосплавным вооружением; - расчет кинематических параметров режущей части инструмента; - разработка режимов бурения предлагаемым долотом режущего типа твердых, крепких и высокоабразивных пород; - разработка математической модели системы «горная порода - долото»; - создание алгоритма и программы работы нового долота на забое скважины; - применение статистических методов прогнозирования работы долота; - разработка технологического регламента по применению предлагаемого долота режущего типа для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология»; - прогнозный расчет экономической эффективности применения долота. При анализе и систематизации известных конструкций долот режущего типа был применен системный подход к изучению влияния конструктивных параметров на скорость бурения, критической скорости резания на износ режущих кромок, а также влияния осевой нагрузки и частоты вращения инструмента на мгновенную скорость проходки. При разработке аналитического метода расчета кинематических параметров и нагрузок был применен математический аппарат аналитической геометрии, касающийся преобразования систем координат, с привлечением векторного анализа, дифференциального и матричного исчисления. Экспериментальные исследования с целью получения результатов влияния осевой нагрузки и частоты вращения на мгновенную скорость проходки при минимальном количестве опытов и высокой достоверности результатов основаны на математических методах планирования экспериментов. Правомерность определения конструктивных параметров долота, близких к оптималь 36 ным, но не оптимальных, продиктована не только сокращением затрат на проведение опытов, но и изменением их вследствие износа режущих кромок и невозможностью управления ими в процессе бурения. В соответствии с задачами исследований производился выбор физической модели и пород, на которых были проведены испытания. В экспериментах были использованы серийные резцы малых диаметров БИ-741, РП-42 и РБК-42, что позволило оценить их качественные показатели для разработки теоретических предпосылок создания двухъярусных долот режущего типа. Методический подход к решению частных задач излагается в соответствующих параграфах диссертационной работы. Автором использованы материалы исследований, выполненных в лаборатории бурения горных пород ЮРГТУ (НПИ) и других организациях. Экспериментально-статистический подход применен при обработке экспериментальных данных. Результаты наблюдений оценивались в соответствии с известными положениями математической статистики [65, 66].
При построении методики экспериментальных исследований в соответствии с поставленными задачами преследовалась цель при минимуме затрат времени и средств получить максимум необходимой информации. Учитывая наличие достаточного объема априорных сведений, ограниченные размеры блоков пород с большими коэффициентами вариации их прочностных свойств, необходимость нахождения и поддержания экстремальных значений скоростей бурения как целевой функции, определение конструктивных параметров долот, близких к оптимальным, производили методом оптимизации [17]. Из двух принципиально различных подходов для решения поставленных задач наиболее пригодны методы планирования второго порядка, потому что методы поисковой оптимизации вблизи точки оптимума трудно применимы и требуют большого количества опытов. Выбор метода планирования произведен из условий задачи, по которым известно, что вследствие износа конструктивные параметры меняются, изменяя и значение целевой функции. Поэтому нет смысла точно определять координаты оптимальной точки и принимать ее значение в конструкции долота, а целесообразнее найти в пределах точности измерений область вблизи этой точки оптимума, а начальные конструктивные параметры долота принять такими, чтобы их изменение в процессе работы происходило в этой области. Для этого наиболее подходит метод рототабельного центрального композиционного планирования (РЦКП), позволяющий по сравнению с другими (ортогональным и D-оптимальным) предсказывать значения выходной величины с одинаковой точностью во всех направлениях на одинаковом расстоянии от центра плана. Получение математической модели, проверку значимости ее коэффициентов, проверку ее адекватности и исследование модели проведены в соответствии с методикой РЦКП [65].
Исследование особенностей и создание двухъярусного долота режущего типа
Вторая основная задача диссертационной работы — создание инструмента режущего типа, обеспечивающего: 1) наибольшую эффективность бурения; 2) наибольший экономический эффект (наименьшая стоимость + наиболее высокие технико-экономические и эксплуатационные показатели). Алмазно-твердосплавный породоразрущающий инструмент выполняет, как и все инструменты другого назначения, определенный рабочий процесс. Однако он имеет на забое свои специфические условия работы: - наличие длинной гибкой бурильной колонны изменяет параметры, задаваемые на поверхности, при передаче их до забоя; - процесс бурения резко изменяется вследствие изменения состава и структуры горных пород; - место рабочего процесса удалено от оператора (бурильщика) на большие расстояния (сотни метров или даже километры). При этом нет возможности наблюдать за процессом разрушения породы; - заданное протекание процесса определяется многими факторами: физико-механическими свойствами горных пород, типом и состоянием ПРИ в каждое мгновение, параметрами режима бурения и качеством промывочной жидкости. При этом многие параметры изменяются независимо от воли оператора. Перечисленные особенности усложняют выбор исходных параметров долота, оснащенного АТП, с учетом необходимости соблюдения требований надежности [43]. На конструкцию долота с АТП (типа PDC) влияют следующие переменные: материал и профиль долота; форма, число (или концентрация), размещение, величина выступа и ориентация режущих элементов; свойства защитного материала калибрующей поверхности [40]. При создании нового долота режущего типа в качестве аналога приняты резцы как со сплошной, так и с прерывистой режущей кромкой [69, 73, 75], предназначенные для бурения скважин диаметром до 160 мм в породах средней крепости (ЗРД-215, 1РД-224, ДР160Ш, НПИ6-160 и другие). Их основным достоинством является высокая скорость бурения, превышающая в 2-3 раза скорость бурения шарошечными долотами. Недостатком является то, что при бурении абразивных пород происходит быстрый износ периферийных режущих элементов, установленных на удалении от оси вращения, где резко возрастают путь и скорость резания.
Известен также резец для вращательного бурения шпуров и скважин РБК-42 [72], армированный АТП, принятый в качестве прототипа. Резец РБК-42 (рисунки 3.1, 3.2) способен пробурить скважину глубиной 200 м в породе с/=8-12 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, что соответствует VI-VIII категориям по буримости, со средней скоростью 0,75-1 м/мин при частоте вращения п= 160-200 об/мин и подаче 5=5 мм/об. Скорость резания режущими элементами, наиболее удаленными от оси вращения, не превышает критических значений, при которых начинается катастрофический износ вооружения.
Резец РБК-42 содержит корпус 1 с количеством перьев 2 и 3 не менее двух, имеющих наклонные передние грани, оснащенные износостойкими режущими элементами, главные и боковые режущие кромки которых смещены относительно основной диаметральной плоскости /-/. Передние грани перьев 2 и 3 состоят из нескольких режущих элементов 4, 4 , 4", которые образуют в проекции на продольную плоскость //-//ломаную линию.
Резец работает следующим образом. При вращении и осевом перемещении резца перья 2 и 3 забуриваются в забой, расширяя по мере продвижения скважину до нужного диаметра, определяемого положением крайних режущих элементов 4, расположенных в нижней части передних граней. Поскольку передние грани состоят из нескольких режущих элементов, расположенных под одними и теми же оптимальными углами по всей длине режущих кромок, которые сохраняются постоянными на всем протяжении процесса резания, то в результате стабилизации геометрических параметров резца в процессе работы разрушение породы осуществляется с минимальной энергоемкостью. диаметральная плоскость; 1I-II— продольная плоскость Это существенно повышает стойкость инструмента и скорость бурения. Недостатком является невозможность бурения в крепких породах с высокой скоростью скважин большого диаметра (более 100 мм).
Большой опыт эксплуатации РБК-42 показал, что при постоянном значении осевой нагрузки с увеличением частоты вращения не происходит пропорционального увеличения механической скорости бурения. Хотя наработка, по сравнению с резцами, оснащенными твердосплавными режущими элементами, увеличилась в 50 и более раз, механическая скорость бурения при увеличении частоты не возрастала.
На основе полученных в рамках данной диссертационной работы теоретических выводов и положений подана заявка на изобретение и получен патент «Многоярусное долото режущего типа» [62]. Многоярусное долото режущего типа включает корпус, состоящий из конусообразных ярусов, количеством не менее двух, выполненных в виде независимых тел вращения. Ярусы расположены соосно, с возможностью вращения в одну или противоположные стороны с частотами вращения, при которых скорости резания режущих элементов, наиболее удаленных от оси вращения, равны или максимально приближены к критическим значениям скоростей, но не превышают их. Режущие перья ярусов, имеющие наклонные передние грани с высокостойкими режущими элементами, образуют в проекции на продольную плоскость ломаные линии.
Задачей разработки является уменьшение износа, повышение наработки и механической скорости бурения по породам выше средней крепости и крепким за счет того, что скорости резания режущих элементов, наиболее удаленных от оси вращения, равны или максимально приближены к критическим значениям скоростей, но не превышают их.
Разработка алгоритма и программы работы двухъярусного долота на забое скважины
Исследование особенностей процесса создания АТПРИ показало его сложность, которая вытекает из целей конструирования (повышение производительности новой конструкции, обеспечение высокого качества бурения и его минимальной стоимости). 2. Предлагаемое двухъярусное долото режущего типа со встречным вращением ярусов обеспечивает реализацию основной идеи диссертационной работы, заключающейся в разработке долота, у которого при бурении скважин износ периферийных режущих элементов приближается по величине к износу режущих элементов у оси инструмента. 3. Расчет кинематических параметров режущей части долота типа Д-2ВВ показал, что боковые грани лопастей долота типа Д-2ВВ должны быть вооружены резцами, расположенными по винтовой линии по высоте лопасти и смещенными друг относительно друга на величину их диаметра. 4. Так как известны значения конструктивных и кинематических параметров двухъярусного долота, математическая модель позволяет определить нормальные и касательные силы, приложенные к режущим элементам ярусов, и моменты этих сил. 5. Проверка значимости коэффициентов математической модели и исследование модели, проведенные в соответствии с методикой РЦКП, позволили определить зоны оптимума факторов, обеспечивающих максимальную скорость проходки в пределах точности эксперимента. Проверка математической модели на адекватность по критерию Фишера показала, что с вероятностью не менее 95% можно считать полученную модель адекватно описывающей рассматриваемое явление. Схема процесса вращательного бурения горной породы конкретным инструментом режущего типа, разработанная по рекомендациям [44, 85], изображена в виде «черного ящика» на рисунке На основании этой схемы составлен алгоритм работы режущего долота при проводке скважины (рисунок 4.1). Программа «Бурение», реализующая данный алгоритм, написана на языке Delphi Список идентификаторов программы приведен в таблице П.4 приложений, текст - в приложении П.5. Программа «Бурение» позволяет проводить исследование динамических процессов, происходящих как на долоте, так и на забое, при приработке долота и в установившемся режиме. Принцип работы программы основывается на имитации рабочего процесса проводки скважины в разрезе, сложенном горными породами, толщина слоев и физико-механические свойства которых могут быть заданы и изменены пользователем во время работы. Программа «Бурение» также позволяет задавать режимные параметры и изменять неуправляемые параметры процесса: выбирать тип ПРИ, состав бурового оборудования, систему промывки, номинальную мощность двигателя.
Задание режимных параметров (количества промывочной жидкости, осевой нагрузки, частоты вращения) осуществляется на некоторый период времени работы долота, рассчитываются выходные параметры (мощность, потребляемая двигателем, механическая скорость бурения, наработка, проходка). По истечении заданного периода времени осуществляется контроль параметров-ограничителей (критической скорости резания, проекции площадки затупления). Затем происходит приращение временного интервала, соответственно выбор режимных и расчет выходных и ограничивающих параметров повторяются. Вид диалогового окна программы «Бурение» показан на рисунке 4.2. Полученные результаты расчетов по породе с контактной прочностью 960 МПа и абразивностью 15 мг представлены в графическом виде для резца РБК-42, армированного АТП, на рисунке 4.3; применительно к долоту типа Д-2ВВ, оснащенному АТП, полученные результаты расчетов по породе VII категории по буримости (контактная прочность Рк=960 МПа, абразивность а=15 мг) представлены на рисунке 4.4 [47].
Результаты работы программы проверены по данным экспериментальных исследований. Величина ошибки составила от 10 до 15% по осевой нагрузке в зависимости от степени затупления и от 12 до 17% по наработке долота.
Для разработки рационального режима бурения с использованием забойного двигателя необходимо знать: геологические условия бурения; модель применяемых долот; диаметры скважины и инструмента (внутренний диаметр бурильных труб, замков, диаметр промывочных отверстий в долотах); характеристику насосов, устанавливаемых на буровой, в частности, их максимальное рабочее давление; диаметры проходных отверстий в мани-фольде, шлангах и вертлюге [60].
Технологический регламент по применению двухъярусного долота режущего типа со встречным вращением ярусов Д-2ВВ для бурения скважин в условиях Олеговской площади Херн-Худукского лицензионного участка Республики Калмыкия ОАО «Южгеология» представлен в приложении П.2.
