image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 12 2016

Бурение

01.12.2016 10:00 Особенности моментоемкости и энергоемкости долот PDC, оснащенных резцами с фаской
Долота, оснащенные резцами с алмазно-твердосплавными пластинами (долота PDC), предназначены для бурения больших интервалов горных пород. Поэтому долото PDC должно быть универсальным. При бурении твердых пород острые кромки резцов выкрашиваются. Бурение интервалов с пропластками твердых пород приводит к такому же результату. Это вызвало необходимость оснащать долота резцами с разнообразными фасками на режущих кромках. В статье приведены результаты изучения работы вооружения долот PDC при разрушении горной породы средней твердости (мрамора). Эксперименты проведены на стендах при бурении единичным резцом и долотами в четырехлопастном исполнении диаметром 120,6 мм и восьмилопастном исполнении диаметром 188,7 мм. Резцы с фаской на режущей кромке при интенсивности разрушения менее 0,2 мм за оборот работают как алмазные зерна по схеме раздавливания и микрорезания поверхности горной породы. При дальнейшем увеличении интенсивности разрушения горной породы наблюдается постепенный переход к разрушению резанием-скалыванием. Установлено, что притупление режущей кромки резцов долот PDC сглаживает проявление скачкообразности разрушения горной породы и делает зависимости крутящего момента от осевой нагрузки на долото практически линейными, а зависимости энергоемкости разрушения горных пород как от осевой нагрузки, так и от интенсивности разрушения – монотонно снижающимися по мере роста этих параметров. Наличие антивибрационных вставок ограничивает снижение энергоемкости разрушения горной породы после достижения некоторой предельной интенсивности разрушения породы. Калибрование стенок скважины повышает энергоемкость разрушения горной породы до двух раз по сравнению с показателем работы единичного резца.
Ключевые слова: долото PDC, фаска на режущей кромке резца PDC, горные породы, моментоемкость и энергоемкость разрушения.
Ссылка для цитирования: Трушкин О.Б., Трушкин Б.Н., Попов А.Н. Особенности моментоемкости и энергоемкости долот PDC, оснащенных резцами с фаской // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 12. С. 26–29.
Открыть PDF


Долота, оснащенные резцами с алмазно-твердосплавными пластинками (долота PDC), предназначены для бурения больших интервалов горных пород. Выбор интервала обусловлен конструкцией скважины. Поэтому интервал чаще всего сложен горными породами, начиная от мягких и заканчивая твердыми, которые долото проходит одним рейсом. Следовательно, долото должно быть универсальным. Опасность выкрашивания режущих кромок резцов в твердых горных породах, а также при встрече с твердыми пропластками заставляет отказываться от долот с острой режущей кромкой и переходить к долотам с фаской на режущей кромке.

1_1.jpg

а) a)                                          б) b)

Рис. 1. Зависимости момента на долоте М от осевой нагрузки G (а) и удельного момента Mуд от проходки за один оборот долота h (б):

1 – долото диаметром 120,6 мм; 2 – долото диаметром 188,7 мм

Fig. 1. The dependences of torque on the bit M by axial load G (а) and specific torque Mud by a bit turnover h (b):

1 – a bit diameter 120.6 mm; 2 – a bit diameter 188.7 mm

Нами экспериментально изучены особенности работы вооружения долот PDC при разрушении горной породы средней твердости (мрамора). Эксперименты проведены на стендах при бурении единичным резцом [1] и долотами в четырехлопастном исполнении диаметром 120,6 мм и восьмилопастном исполнении диаметром 188,7 мм [2]. Все инструменты были оснащены резцами диаметром 13,5 мм с фаской шириной 0,3 мм на режущей кромке. Промывка осуществлялась технической водой.
В качестве основных параметров режима работы инструментов задавались частота вращения (nд = 80 об/мин), осевая нагрузка на инструмент (G, кН), а в качестве измеряемых параметров приняты крутящий момент (М, Н.м) и интенсивность разрушения горной породы (проходка за один оборот долота h мм/об). При этом в разных опытах менялись местами осевая нагрузка и проходка за оборот, т. е. задавалась проходка за оборот и измерялись соответствующие ей осевая нагрузка и крутящий момент. Данные о разрушении горной породы единичными резцами были опубликованы ранее в [1], поэтому в статье они использованы лишь в сопоставлении с показателями работы долот.

Наблюдения показали, что резцы с фаской на режущей кромке при интенсивности разрушения менее 0,2 мм/об работают как алмазные зерна по схеме раздавливания и микрорезания поверхности горной породы [3, 4]. При дальнейшем увеличении интенсивности разрушения горной породы наблюдается постепенный переход к разрушению резанием-скалыванием.

1_1_1.jpg

Рис. 2. Зависимости относительной энергоемкости разрушения горной породы А0 от проходки за один оборот долота h (а) и от осевой нагрузки на долото G (б):

1 – для долота диаметром 120,6 мм; 2 – для долота диаметром 188,7 мм; 3 – для единичного резца

Fig. 2. The dependences of the relative energy intensity of rock failture А0 by the penetration per bit turnover h (а) and axial load G (b):

1 – for the bit diameter 120.6 mm; 2 – for the bit diameter 188.7 mm; 3 – for a single cutter

На рис. 1а приведены зависимости крутящего момента на испытанных долотах от осевой нагрузки на долото. Из рисунка следует, что имеет место зависимость крутящего момента от осевой нагрузки на долото, близкая к линейной, которая описывается уравнениями для долота диаметром 120,6 мм: 

M = 26,7G + 6,20 H•м,                        (1) 

где G – осевая нагрузка в кН. При этом коэффициент детерминации R2 = 0,99, а для долота диаметром 188,7 мм: 

M = 44,2G + 65,20 H•м,                      (2) 

при этом коэффициент детерминации R2 = 0,98.

В работе [1] было показано, что некоторые отклонения связаны со скачкообразностью разрушения горной породы, но скачкообразность выражена весьма слабо, и ее можно не учитывать в практических расчетах. Это подтверждается и весьма высокими значениями коэффициентов детерминации. Величины крутящих моментов существенно зависят от диаметра долот. При этом отношение диаметров (D2/D1 = 1,56) весьма близко к отношению угловых коэффициентов уравнений (2) и (1) (44,2/26,7 = 1,65).

На рис. 1б приведены зависимости удельного момента, равного отношению действующего момента к осевой нагрузке на долото от величины проходки за один оборот долота. Из рисунка видно, что имеет место тенденция к снижению удельного момента по мере увеличения проходки за оборот долота, но это снижение несущественно (коэффициенты детерминации составляют 0,26 и 0,31, соответственно). Отношение средних удельных моментов равно 1,71, т. е. также близко к отношению диаметров долот.

На рис. 2а приведена зависимость относительной энергоемкости разрушения горной породы от проходки за один оборот породоразрушающего инструмента. Относительная энергоемкость – это отношение энергоемкости разрушения породы инструментом к энергоемкости породы, определенной методом статического вдавливания штампа (методом Л.А. Шрейнера). Для разбуриваемого мрамора последняя составляла
110 Дж/см3. Из рис. 2а видно, что по мере увеличения интенсивности разрушения горной породы наблюдается практически монотонное снижение энергоемкости, что отличает эти зависимости не только от соответствующих зависимостей для шарошечных инструментов, но и от инструментов PDC, оснащенных резцами с острой режущей кромкой [2].

Наименьшее значение энергоемкости наблюдалось при бурении единичным резцом. Для этого процесса характерно отсутствие калибрования стенки скважины. Наибольшее значение энергоемкости наблюдалось при работе четырехлопастного долота. При этом следует заметить, что в начале наблюдалось сближение энергоемкостей обоих долот, а затем для четырехлопастного долота энергоемкость стабилизировалась, а для восьмилопастного – продолжала снижаться. Отличительной особенностью четырехлопастного долота, кроме числа лопастей, была установка антивибрационных вставок за основным режущим вооружением, тогда как восьмилопастное долото таких вставок не имело. Более высокая энергоемкость разрушения долотами по сравнению с единичным резцом, на наш взгляд, обусловлена дополнительными затратами энергии на калибрование стенки скважины.

На рис. 2б приведены зависимости относительной энергоемкости разрушения горной породы от осевой нагрузки на долото. В целом показанные зависимости напоминают зависимости А0 от h, показанные на рис. 2а. Но и в этом случае наличие антивибрационных вставок на четырехлопастном и их отсутствие на восьмилопастном долоте обусловливают существенное различие энергоемкостей разрушения при повышенных осевых нагрузках на долота.

1_1_3.jpg

Рис. 3. Зависимость параметра В от осевой нагрузки на одну лопасть долота при n = 2,75

Fig. 3. The dependence of the parameter from the axial load on one blade of the bit at n = 2.75

Далее была проверена возможность получения зависимости крутящего момента на долотах от основных их параметров. В качестве таких параметров приняты нагрузка Gл на одну лопасть долота и его диаметр D. Граничным условием для диаметра является равенство момента нулю при нулевом диаметре, т. е. Мл = 0 при D = 0, а зависимость Мл от нагрузки – линейная, что следует из рис. 1а. Таким образом, приходим к следующему виду уравнения регрессии диаметра и нагрузки на одну лопасть на крутящий момент Мл, приходящийся на одну лопасть: 

МЛ = Dn(A1GЛ + A2),                      (3) 

где n, A1 и А2 – параметры уравнения регрессии.

При поиске уравнения регрессии были введены дополнительный показатель В = МЛ/Dn и условие максимума коэффициента детерминации, т. е. решалась система 

1_1_2.jpg

R2→max. 

Задача решалась методом последовательных приближений. При n = 2,75 величина R2 приняла максимальное значение.

Зависимость параметра В от осевой нагрузки на лопасть при R2 = max имеет вид, показанный на рис. 3. Из рисунка видно, что зависимость В от GЛ хорошо согласуется с исходными данными замеров крутящего момента на рассматриваемые долота.

Окончательно уравнение регрессии приняло вид: 

МЛ = D2,75(35714GЛ + 4611),                     (4) 

где D – диаметр долота в м; GЛ – нагрузка на одну лопасть долота в кН.

 

Выводы

  1. Фаска на режущей кромке резцов долот PDC сглаживает проявление скачкообразности разрушения горных пород и делает зависимости крутящего момента практически линейными от осевой нагрузки на долото, а энергоемкости разрушения горных пород как от осевой нагрузки, так и от интенсивности разрушения – монотонно снижающимися по мере роста этих параметров.

  2. Наличие антивибрационных вставок ограничивает снижение энергоемкости разрушения горной породы после достижения некоторой предельной интенсивности разрушения породы.

  3. Калибрование стенок скважины повышает энергоемкость разрушения горной породы до двух раз.

  4. Крутящий момент на долоте увеличивается с ростом диаметра долота в степени более двух с половиной.



← Назад к списку


im - научные статьи.