image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 3 2016

Бурение

01.03.2016 10:00 Повышение эффективности шарошечных буровых долот для реактивно-турбинного бурения
В статье представлены результаты работы, направленной на повышение эффективности шарошечных буровых долот для реактивно-турбинного бурения (РТБ). Проведен анализ конструктивных особенностей и принципов работы агрегатов реактивно-турбинного бурения. Описаны основные преимущества данного способа бурения стволов и скважин большого диаметра. Рассмотрены условия взаимодействия вооружения породоразрушающего бурильного инструмента с забоем скважины при бурении агрегатом РТБ. Так, участие инструмента в относительном вращении вокруг своей оси и в переносном движении вокруг оси вращения агрегата приводит к тому, что помимо обычного проскальзывания вооружения по забою, возникающего при перекатывании шарошки, появляется проскальзывание, связанное с переносным движением долота вокруг оси вращения агрегата.
На основе анализа износа отработанных шарошечных буровых долот были выявлены основные конструктивные недостатки существующего бурового инструмента, используемого при реактивно-турбинном бурении. Изучена кинематика шарошечного бурового долота в условиях реактивно-турбинного бурения. Установлено, что: каждая шарошка бурового долота обрабатывает забой по удлиненной гипоциклоиде; в разрушении породы большее участие принимают зубья периферийных венцов шарошек; зубья вооружения шарошек совершают значительные проскальзывания по забою с постоянно меняющимся направлением и величиной скольжения; для обеспечения плавного вращения агрегатов реактивно-турбинного бурения и уменьшения раскачки их в процессе бурения необходимо использовать долота с равномерно распределенными по окружности рабочими элементами и располагать их симметрично относительно оси агрегата.
Осуществлено моделирование движения зубчатых элементов косозубого вооружения шарошки бурового долота, работающего в агрегате реактивно-турбинного бурения, позволившее определить основные геометрические характеристики вооружения, оказывающие наибольшее влияние на эффективность разрушения породы забоя.
На основе проведенных исследований была разработана конструктивная схема шарошечного бурового долота с разноориентированным зубчатым вооружением для бурения мягких пород способом реактивно-турбинного бурения, позволяющая значительно повысить эффективность работы инструмента за счет обеспечения равномерного износа зубьев всех венцов вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы. Применение предложенной конструктивной схемы позволит повысить механическую скорость бурения и снизить стоимость бурения скважин большого диаметра способом реактивно-турбинного бурения.
Ключевые слова:

Шарошечное буровое долото, мгновенная ось вращения, проскальзывание вооружения, реактивно-турбинное бурение.


Ссылка для цитирования:

Сериков Д.Ю. Повышение эффективности шарошечных буровых долот для реактивно-турбинного бурения // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № С. 40–47.

Открыть PDF


10-1.jpgРеактивно-турбинное бурение осуществляется с помощью специального забойного агрегата, состоящего из двух, трех или четырех параллельно работающих и жестко связанных между собой турбобуров с долотами (рис. 1). Нагнетаемая по трубам рабочая жидкость приводит во вращение валы турбобуров забойного агрегата с прикрепленными к ним буровыми долотами. Агрегат вращается самостоятельно под действием сил реакции забоя, в результате чего долота ограниченного диаметра обрабатывают всю площадь забоя большого диаметра [1, 2].

Основным рабочим элементом агрегатов РТБ, непосредственно контактирующим с забоем скважины так же, как и при обычных способах бурения, является шарошечное буровое долото.

К качеству буровых долот, используемых в агрегатах РТБ, предъявляются особо жесткие требования, связанные со спецификой данного способа бурения, т.е. одновременной работой 2–4 долот. Преждевременный выход из строя хотя бы одного из общего числа долот агрегата РТБ делает невозможным продолжение процесса бурения, требуя выполнения спуско-подьемных операций с целью замены инструмента. Это негативно сказывается как на скорости, так и времени бурения, и в конечном итоге приводит к значительному увеличению стоимости буровых работ.

Как правило, при бурении агрегатами РТБ используются серийные шарошечные долота. Однако, как показала многолетняя практика бурения способом РТБ, существующий бурильный инструмент, успешно работающий при обычных способах бурения, является недостаточно эффективным при использовании его в агрегатах РТБ. Так, стойкость серийного бурильного инструмента, работающего в агрегатах РТБ, находится в пределах 6–36 часов, при этом на твердых и средних породах стойкость бурильного инструмента определяется стойкостью вооружения, а на мягких – стойкостью опорных узлов [1].

Низкая стойкость существующего бурильного инструмента при использовании его в агрегатах РТБ объясняется более сложными условиями бурения: сильным зашламлением забоя вследствие больших диаметров скважин; участием бурильного инструмента как в относительном движении вокруг своей оси, так и в переносном, вокруг оси вращения агрегата, что приводит к увеличению знакопеременных динамических нагрузок, действующих на вооружение бурильного инструмента, а также к значительному увеличению его проскальзывания по забою.

Таким образом, существует необходимость повышения эффективности бурения скважин большого диаметра способом РТБ за счет улучшения качества бурильного инструмента.

10-2.jpgРассмотрим условия взаимодействия вооружения породоразрушающего бурильного инструмента с забоем скважины при бурении агрегатом РТБ. Участие инструмента в относительном вращении вокруг своей оси и в переносном движении вокруг оси вращения агрегата приводит к тому, что помимо обычного проскальзывания вооружения по забою [3], возникающего при перекатывании шарошки, появляется проскальзывание, связанное с переносным движением долота вокруг оси вращения агрегата.
С целью определения величины и направления этого проскальзывания проведем анализ движения одной из шарошек инструмента при «перекатывании» ее от точки A до точки D (рис. 2). Очевидно, что в точках A и D проскальзывание, связанное с вращением агрегата, будет происходить по классическим законам скольжения многоконусной шарошки, геометрия которой отлична от конуса чистого качения [1]. То есть в то время как одна часть шарошки будет подтормаживать, другая будет пробуксовывать. 10-3.jpgЕдинственным значительным отличием от кинематики классического долота будет существенная разница в скорости вращения шарошки в точках A и C (рис. 2.2).

Интерес представляет движение вооружения шарошки в момент «перекатывания» ее в точках B и D. Здесь движение долота вокруг оси вращения агрегата не может быть компенсировано дополнительным увеличением или уменьшением частоты вращения шарошки, так как ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата. При этом зубчатые элементы вооружения, находящиеся в соприкосновении с забоем, расположены таким образом, что их режущая кромка также направлена вдоль направления вращения агрегата. Следовательно, при «перекатывании» шарошки долота по забою в точках B и D происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения по забою в направлении вращения агрегата РТБ [4]. Характерной особенностью этого проскальзывания является то, что зубья вооружения шарошки скользят в направлении не их основных рабочих поверхностей, т.е. набегающей или сбегающей граней зубьев, а в перпендикулярной им плоскости (рис. 3). Таким образом, в точках B и D основное разрушение породы забоя, связанное с проскальзыванием вооружения, осуществляется либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к основанию шарошки и ее тыльным конусом (точка B), либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к вершине шарошки (точка G).

Еще одной отличительной особенностью работы долота в условиях РТБ является вероятность вращения шарошки в направлении вращении долота
(рис. 2.2). Это явление может возникать на внешних долотах агрегатов большого диаметра, когда линейная скорость крайних точек агрегата больше скорости периферийных точек шарошечного долота. В этом случае мгновенная ось вращения двух параллельных вращения проходит вне зоны бурения агрегата, и на участке mCn шарошка вращается в противоположную сторону.

В точках m и n скорость вращения шарошки III равна нулю, а направление и величина скорости зуба вооружения V3, находящегося в этот момент в соприкосновении с забоем, совпадает с его линейной скоростью движения вокруг мгновенной оси вращения Vp. Таким образом, при каждом обороте долота шарошка дважды меняет свое направление вращения. При этом сектор нормального вращения nAm всегда больше сектора mCn, так как в противном случае происходит снижение суммарного реактивного момента, вращающего агрегат, что приводит к замедлению его вращения или полной остановке [1].

В большинстве вариантов компоновок агрегатов РТБ мгновенный центр вращени, я точка P, располагается между осью вращения долота O1 и крайней точкой, расположенной на калибрующем конусе шарошки долота, наиболее удаленного от оси вращения агрегата C (рис. 2.2).
В этом случае при вращении долота шарошка не меняет своего направления вращения, однако вращается с постоянно изменяющейся скоростью.

Таким образом, установив направление и величину максимального проскальзывания вооружения инструмента, связанного с вращением агрегата РТБ, можно провести анализ геометрии вооружения серийного бурового инструмента с точки зрения соответствия ее условиям бурения способом РТБ.

Как установлено ранее, вследствие наличия проскальзывания вооружения долота, связанного с вращением агрегата РТБ, торцевые поверхности зубьев шарошек также участвуют в процессе разрушения породы (рис. 3). При этом тыльный конус шарошки участвует не только в формировании диаметра скважины, но и в не меньшей степени в процессе разрушения и выравнивания поверхности забоя.

10-4.jpgПроцесс разрушения породы забоя торцевыми поверхностями зубьев вооружения и тыльным конусом шарошки при РТБ можно сравнить с процессом резания с глубиной k и подачей ∆T (рис. 5).

На рисунке 4 представлена схема поражения забоя прямозубым вооружением шарошки, находящейся в точке B. В данном случае общая площадь поражения забоя вооружением шарошки в горизонтальной плоскости будет определяться как сумма площадей прямоугольников, образованных шириной торцевой части зубьев h и величиной скольжения ∆T. Как видно, эффективность работы вооружения в этом направлении минимальна.

Значительно увеличить площадь поражения забоя и тем самым повысить эффективность бурения можно за счет оснащения шарошек косозубым вооружением (рис. 3.2) и (рис. 3.3).

Оценить прирост площади поражения забоя при использовании косозубого вооружения в сравнении с прямозубым можно путем определения разницы площадей соответствующих фигур:

S1=∆T; S2=∆T; S3=S1+b∆Ttg (рис. 3).

Анализ износа вооружения серийного бурового инструмента после отработки его в агрегатах РТБ позволил сделать еще один важный вывод. При работе инструмента в агрегатах РТБ, где бурение осуществляется с образованием плоского горизонтального забоя, происходит неравномерное изнашивание вооружения, т.е. в начальный период работы интенсивному износу подвержено наиболее выступающее по отношению к горизонтальной плоскости вооружение вершинных венцов шарошек, далее вступает в работу вооружение, расположенное ближе к периферийным венцам (рис. 4). Это приводит к значительному снижению эффективности бурения, так как в первоначальный период работы инструмента происходит интенсивный износ выступающей по отношению к горизонтальной плоскости части вооружения вследствие чрезмерного увеличения контактных напряжений, вызванных недогруженностью вооружения периферийных венцов.

В последующий период работы происходит значительное снижение механической скорости бурения вследствие снижения удельного давления, передаваемого зубчатыми элементами вооружения на забой. Это объясняется тем, что после быстрого износа, выступающего по отношению к горизонтальной плоскости вооружения вершинных венцов, шарошка как бы садится на них и не дает возможности полноценно нагрузить вооружение хорошо сохранившихся периферийных венцов [4].

10-5.jpgНа рисунке 5 изображена схема взаимодействия вооружения серийного шарошечного долота с забоем в месте максимального проскальзывания (точка B) при РТБ в начальный период работы инструмента. В связи с тем что геометрия вооружения серийного инструмента не образует плоского забоя, при проскальзывании инструмента в направлении вращения агрегата на величину ∆T происходит отжатие шарошки от забоя, что приводит к дополнительному перекосу и возникновению вертикальных колебаний долота в процессе работы при РТБ. В результате этого тыльные конусы шарошек в начальный период работы практически не участвуют в разрушении породы забоя, что значительно снижает эффективность бурения способом РТБ.

Таким образом, анализ кинематики бурового долота, а также сил реакций забоя, действующих на забойный агрегат РТБ, позволили сделать следующие выводы:

• каждая шарошка бурового долота обрабатывает забой по удлиненной гипоциклоиде;

• в разрушении породы большее участие принимают зубья периферийного венца шарошек, однако вершинные венцы также участвуют в этом процессе;

• зубья вооружения шарошек совершают значительные проскальзывания по забою с постоянно меняющимся направлением и величиной скольжения;

• при работе агрегата, имеющего долота с равномерно распределенными по окружности рабочими элементами, когда все они загружены одинаково, реакция забоя приводится к паре сил, и величина реактивного момента на агрегате независимо от его диаметра и расположения долот равна сумме моментов, развиваемых приводами долот;

• для обеспечения плавного вращения агрегатов РТБ и уменьшения «раскачки» их в процессе бурения необходимо использовать долота с равномерно распределенными по окружности рабочими элементами и располагать их симметрично относительно оси агрегата.

На основе проведенных исследований и многочисленных данных отработки долот различных типоразмеров при РТБ была разработана новая геометрия косозубого вооружения бурового инструмента, максимально учитывающая особенности условий бурения при РТБ.

Основными особенностями новой геометрии вооружения являются:

• разнонаправленное косозубое вооружение;

• нижняя образующая каждой шарошки расположена перпендикулярно по отношению к оси вращения агрегата, т.е. образует поверхность плоского забоя;

10-6.jpg• на тыльной поверхности периферийного венца выполнена круговая угловая проточка, одна из сторон которой в осевом сечении каждого зуба образует с плоскостью, совмещенной с тыловой поверхностью корпуса, острый угол (рис. 7), вершина которого расположена в точке пересечения этой плоскости с образующей рабочей кромки калибрующего венца [5].

Оснащение шарошек разнонаправленным косозубым вооружением позволяет существенно увеличить площади поражения забоя зубьями шарошек и интенсифицировать процессы удаления выбуренного шлама из зоны разрушения породы.

Однако для того, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы косозубого вооружения в условиях РТБ, необходимо при проектировании вооружения обеспечить определенную ориентацию зубьев различных венцов вооружения (рис. 6), где:

F11 – сила воздействия породы на 1-й зуб периферийного венца шарошки, возникающая вследствие осевого проскальзывания шарошки;

F12 – сила воздействия породы на 1-й зуб 2-го венца шарошки, возникающая вследствие осевого проскальзывания шарошки;

F22 – сила воздействия породы на 2-й зуб 2-го венца шарошки, возникающая вследствие осевого проскальзывания шарошки;

F31 – сила воздействия породы на 1-й зуб 3-го венца шарошки, возникающая вследствие осевого проскальзывания шарошки;

α,β, γ– углы наклона зубьев к оси вращения шарошки соответствующих венцов.

Соответственно R11, R21, R22, R31 – осевые составляющие этих усилий, стремящиеся повернуть шарошку вокруг своей оси.

В связи с этим, чтобы предотвратить дополнительный проворот шарошки от воздействия этих сил и тем самым обеспечить работу набегающей и сбегающей граней зубьев при их продольном перемещении, необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

• для первого варианта расположения зубьев:

M1K1≈M2K1+M2K2;

так как:

M1K1=R11r11=F11r11 cos sin ;
M2K1=R21r21=F21r21 cos sin ;
 M2K2=R22r22=F22r22 cos sin ;

то выражение примет вид:

F11r11=cos sin ≈ F21r21 cos sin + F22r22 cos sin ;

• для второго варианта расположения зубьев:

M1K1≈M2K1+ M3K1;

M1K1=R11r11=F11r11 cos sin ;
M2K1=R21r21=F21r21 cos sin ; M3K1=R32r32=F32r32 cos sin ;

F11r11=cos sin ≈ F21r21 cos sin + F31r31 cos sin ;

где: r11, r12, r22, r31 – кратчайшие расстояния от оси вращения шарошки до точек приложения силы к соответствующим зубьям вооружения.

Следовательно, крутящий момент, действующий на шарошку со стороны одного зуба, находящегося во взаимодействии с породой забоя периферийного венца, был примерно равен сумме крутящих моментов, возникающих либо от двух зубьев вершинного венца, либо от двух зубьев двух- или более вершинных венцов.

Выполнение этого условия позволит максимально использовать работу сбегающих и набегающих граней всех без исключения зубьев, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя, при проскальзывании вооружения шарошки, связанном с вращением агрегата РТБ.

Образование геометрией вооружения поверхности плоского забоя позволяет всем зубьям инструмента в процессе их износа сохранять равномерную по ширине площадку притупления, то есть обеспечивать равномерность изнашивания вооружения по всей длине образующей шарошки.

10-7.jpgСоздание угловой проточки на тыльном конусе шарошки (рис. 7) вызвано необходимостью повышения режущего эффекта тыльным конусом шарошки в процессе бурения. По аналогии с процессом резания пластичных материалов, где инструмент должен иметь положительный передний угол , было предложено создать этот угол и у вооружения бурового долота.

Наличие положительного переднего угла резания на тыльном конусе шарошки должно повысить эффективность разрушения породы на забое при проскальзывании вооружения бурильного инструмента, связанного с вращением агрегата.

Таким образом, в отличие от конструкций вооружения серийных долот (где цельный тыльный конус служит только для калибрования скважины) новая конструкция предусматривает изготовление тыльного конуса, состоящего из двух функциональных частей (рис. 6):

1) режущая часть предназначена для разрушения породы во время переносного движения долота агрегата по забою;

2) калибрующая часть предназначена для калибрования стенки скважины.

Стендовые испытания долот с новой геометрией тыльного конуса шарошек позволили установить диапазон изменения переднего угла резания =50÷200 для бурения мягких и средних пород.

Шарошка долота включает корпус 1 с калибрующим венцом 2, вооруженным фрезерными или литыми наклонными зубьями 3 на основном корпусе с продольной рабочей кромкой 4. Тыльная поверхность 5 калибрующего венца 2 выполнена с круговой угловой проточкой 6, которая в осевом сечении зуба имеет треугольную форму. Образующая 7 этой проточки 6, расположенная со стороны рабочей кромки 4, образует с его тыльной поверхностью 5 острый угол , вершина которого совмещена с точкой пересечения образующей рабочей кромки 4 зубьев 3 с тыльной поверхностью 5 калибрующего венца 2. Величина угла в зависимости от твердости пород составляет до 200 [5].

Принцип работы шарошки заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых на шарошку от агрегата для РТБ, рабочие кромки зубьев 3 внедряются в породу и разрушают ее. При этом зубья 3 шарошки совершают вращение вокруг оси шарошки и переносное движение вокруг оси вращения агрегата для РТБ, сопровождаемое проскальзыванием зубьев по забою скважины. Это проскальзывание наблюдается как вдоль оси шарошки, так и перпендикулярно к ней. Проскальзывание зубьев 3 вдоль оси шарошки связано с вращением шарошки вокруг оси вращения агрегата РТБ и ведет к тому, что тыльная поверхность 5 шарошки участвует не только в калибровке стенок скважины, но и в процессе разрушения породы. Для повышения эффективности этого процесса тыльная поверхность 5 каждой шарошки долота выполнена с круговой угловой проточкой 6, образующая 7 которой со стороны рабочей кромки венца 2 образует с тыльной поверхностью 5 острый угол . Величина этого угла составляет от 5 до 200 в зависимости от твердости разбуриваемых пород. Чем больше твердость породы, тем меньше угол . Благодаря такой форме выполнения шарошки тыльная поверхность 5 калибрующего венца 2 при проскальзывании работает как резец с передним положительным углом резания , что значительно снижает энергоемкость процесса разрушения мягких пород и повышает производительность буровых работ.

Таким образом, оснащение буровых долот шарошками с новой перспективной геометрией разнонаправленного вооружения позволит значительно повысить эффективность работы инструмента за счет обеспечения равномерного износа зубьев всех венцов вооружения, снижения энергоемкости процесса разрушения породы, повышения механической скорости бурения, что в конечном счете снизит стоимость сооружения стволов и скважин большого диаметра способом РТБ.




← Назад к списку


im - научные статьи.