image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 4 2016

Бурение

01.04.2016 10:00 Шестишарошечное долото большого диаметра с твердосплавным вооружением для реактивно-турбинного бурения
Рассмотрены особенности кинематики многошарошечных долот большого диаметра в условиях реактивно-турбинного бурения. Проанализирована кинематика шарошек бурового долота увеличенного диаметра при его вращении только вокруг собственной оси, работающего без проскальзывания зубчатого вооружения по забою. Определены факторы, влияющие на величину и направления проскальзывания зубьев вооружения по забою скважины в условиях реактивно-турбинного бурения. Выявлены недостатки геометрии вооружения шарошечных долот, предназначенных для сплошного бурения, при использовании их в агрегатах реактивно-турбинного бурения. Проведенное в данной статье исследование позволило сделать вывод о том, что изготовление долот увеличенного диаметра с использованием секций от стандартных корпусных долот для сплошного бурения является нерациональным, поскольку геометрия вооружения обычных долот не учитывает особенностей взаимодействия зубьев вооружения с поверхностью забоя в условиях реактивно-турбинного бурения. На основе проведенных исследований была разработана принципиальная схема шестишарошечного долота для реактивно-турбинного бурения, оснащенного твердосплавным зубчатым вооружением новой конструкции. Главной особенностью этой конструкции является наличие специально ориентированного разнонаправленного твердосплавного зубчатого вооружения, позволяющего не только увеличить площадь поражения забоя, но и повысить интенсивность его разрушения.
Применение предложенного долота, оснащенного разнонаправленным твердосплавным зубчатым вооружением новой конструкции, позволит повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что в конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и снизить стоимость сооружения стволов и скважин большого диаметра способом реактивно-турбинного бурения.
Ключевые слова: реактивно-турбинное бурение, шарошечное долото, мгновенная ось вращения, зубчатое вооружение, твердосплавной зубок.
Ссылка для цитирования: Сериков Д.Ю. Шестишарошечное долото большого диаметра с твердосплавным вооружением для реактивно-турбинного бурения // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 4. С. 20–25.
Открыть PDF


При сооружении стволов и скважин диаметрами более 4 м способом реактивно-турбинного бурения (РТБ) существует необходимость создания долот увеличенного диаметра (750 мм и более) с целью обеспечения полного перекрытия забоя большого поперечного сечения четырехтурбинными агрегатами.
Поскольку способ РТБ относится к планетарному типу бурения, нет необходимости в использовании долот для сплошного бурения [1]. В связи с этим наименее затратным способом создания многошарошечных долот увеличенного диаметра для РТБ является простое увеличение диаметров их корпусов, т.е. разнесение секций на большое удаление от оси вращения долота. Это конструкторское решение позволяет использовать секции от стандартных шарошечных долот корпусного типа. На этом принципе была создана целая серия шарошечных долот диаметром 750 мм и более. Однако ни одна из этих конструкций не позволила в полной мере реализовать весь потенциал реактивно-турбинного бурения.
Как известно, шарошечные долота при РТБ разрушают породу с образованием плоского горизонтального забоя.
В связи с этим все шарошки, геометрия вооружения которых не отвечает этому основному условию, заведомо неэффективны [2].
Чтобы определить основные пути совершенствования геометрии вооружения многошарошечных долот увеличенного диаметра, рассмотрим кинематику шарошек долота, полученного только за счет увеличения диаметра корпуса, вращающегося исключительно вокруг собственной оси.
На рисунке 1 представлена кинематическая схема работы инструмента, где \omega_D – угловая скорость вращения долота; \omega_1 – угловая скорость вращения первой шарошки; \omega_4 – угловая скорость вращения четвертой шарошки; \Omega_1 и \Omega_4 – величины мгновенных угловых скоростей вращения первой и четвертой шарошек соответственно. На данной схеме шарошки долота увеличенного диаметра представляют собой конусы чистого качения, при этом оси вращения всех шарошек пересекаются с осью вращения долота на поверхности плоского горизонтального забоя.
В этом случае векторное сложение угловых скоростей любой из шарошек с угловой скоростью долота дает вектор результирующей мгновенной скорости, направленный вдоль поверхности забоя и, соответственно, образующей шарошки, в сторону от центра вращения долота. Таким образом, все зубья шарошек с данной геометрией вооружения будут разрушать забой без существенного (связанного лишь с перекатыванием зубьев) скольжения [3].
Однако при использовании этого долота в условиях РТБ его вооружение будет проскальзывать по забою вследствие вращения агрегата.
В связи с этим данная геометрия шарошек рекомендуется для оснащения долот, предназначенных для бурения твердых и крепких пород способом РТБ.
Таким образом, проведенный анализ кинематики долот увеличенного диаметра свидетельствует о том, что шарошки (даже имеющие форму конуса чистого качения) инструмента данного типа всегда работают со скольжением. Изготовление долот увеличенного диаметра с использованием секций от стандартных корпусных долот для сплошного бурения является нерациональным, поскольку геометрия вооружения обычных долот не учитывает особенностей взаимодействия зубьев вооружения с поверхностью забоя в условиях РТБ, главное из которых – обеспечение плоского горизонтального забоя.
На рисунке 2 представлена принципиальная схема шестишарошечного долота диаметром 750 мм с твердосплавным зубчатым вооружением, предназначенного для бурения средних и твердых пород. Данная конструкция состоит из стального корпуса, переводника и лап с шарошками.
Корпус долота представляет собой стальную отливку, снабженную шестью пазами под лапы, центральным отверстием под переводник и радиальными ребрами для создания дополнительного сопротивления вращению долота в среде буровой жидкости с целью увеличения реактивного момента забойного агрегата.
Корпус в плане имеет шестигранную форму, предотвращающую его соприкосновение со стенкой ствола при вращении.
Из-за сложности нарезки муфтовой резьбы З-171 в массивном стальном корпусе диаметром 730 мм предусмотрен центральный переводник, приваренный к корпусу. Промывочная жидкость поступает через боковые каналы непосредственно на шарошки. Конструкция посадочных пазов под лапы предусматривает многократное использование корпуса.
Отличительной конструктивной особенностью данного долота является его оснащение шарошками с новой геометрией зубчатого вооружения (рис. 2),
которая заключается в следующем. Долото для реактивно-турбинного бурения содержит корпус с лапами, на цапфах которых установлены шарошки с основными и смещенными относительно них в сторону оси цапфы периферийными венцами, армированными твердосплавными вставками с клиновидной рабочей головкой, боковые поверхности которых ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки и образующей конусы ее основного венца. Отличие состоит в том, что каждая шарошка долота представляет собой одноконусную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата. Кроме того, каждая шарошка долота выполнена с вершинным венцом, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами и одинаковую с ними высоту вылета зубков, установленных под острым углом к оси вращения долота. При этом:
  • вершины зубьев периферийного и вершинного венцов смещены друг относительно друга на расстояние h_k, определяемое соотношением h_k=(0,5\div1,1)h, где h – вылет зубьев основных венцов;
  • угол наклона оси зубьев периферийного венца к оси вращения долота \beta_k связан с углом наклона оси зубьев вершинного венца \beta_B по отношению к оси вращения долота соотношением \beta_B=(0,16\div1,83)\beta_K;
  • соотношение величин передних углов резания вершинного \phi_B и калибрующего \phi_K венцов должно удовлетворять условию \phi_B\geqslant\phi_K, при этом \phi_B=(0\div25^o);
  • зубья вершинного венца зафиксированы в теле шарошки таким образом, что их площадка притупления наклонена к касательной к окружности, описанной по вершинам этих зубьев, на угол \psi, находящийся в диапазоне от –5 до +50^o.
Такое выполнение геометрии вооружения долота позволяет существенно повысить площадь поражения забоя в горизонтальной плоскости и одновременно снизить неравномерность распределения осевой нагрузки между передней по отношению к направлению максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения, и задней шарошками бурового долота [4].
На рисунках 2 и 3 представлена принципиальная схема шестишарошечного долота с разнонаправленным вооружением новой конструкции.
Долото для реактивно-турбинного бурения включает корпус 1 с промывочными каналами 4 и лапами 2 на цапфах, в которых установлены шарошки 3 с вершинными 7, основными 6 и смещенными относительно них в сторону торца корпуса долота 1 периферийными венцами 5, армированными твердосплавными вставками 5 с клиновидной рабочей головкой. Боковые поверхности рабочих головок периферийных венцов 5 ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки 3 и образующей конуса ее основного венца 6. Каждая шарошка 3 долота представляет собой одноконусную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата, при этом каждая шарошка долота выполнена с вершинным венцом 7, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами 6 и одинаковую с ними высоту вылета зубков, установленных под острым углом \beta_B к оси вращения долота.
Принцип работы долота заключается в следующем. Агрегат реактивно-турбинного бурения, включающий несколько параллельно работающих турбобуров с долотами, спускают в скважину и начинают процесс бурения. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого турбобурами на каждое долото агрегата, твердосплавные зубки внедряются в породу и разрушают ее. При этом вооружение долота совершает относительное вращение вокруг оси вращения долота 9 с угловой скоростью \omega_D (рис. 4) и переносное движение вокруг оси вращения (8) агрегата реактивно-турбинного бурения.
Последнее сопровождается значительным проскальзыванием вооружения шарошек 3 по забою скважины, причем как вдоль оси шарошек, так и в перпендикулярном направлении.
На рисунке 4 представлена схема перемещения вооружения шарошки в точках A и B в момент ее перекатывания по забою. Здесь движение долота вокруг оси вращения агрегата (8) реактивно-турбинного бурения с угловой скоростью \omega_A не может быть компенсировано дополнительным увеличением или уменьшением скорости вращения шарошки \omega_I_I_I, так как ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата (\vec {V}_A – вектор линейной скорости агрегата в точках А и В). При этом зубья вооружения в случае прямозубого вооружения шарошек (рис. 3.1), находящиеся в соприкосновении с забоем, расположены таким образом, что их площадки притупления (11) также направлены вдоль направления вращения агрегата. Поэтому при перекатывании шарошки долота по забою в точках А и В происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения в направлении вращения агрегата реактивно-турбинного бурения. 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. Таким образом, в точках А и В основное разрушение породы забоя, связанное с проскальзыванием вооружения, осуществляется либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к основанию шарошки, и ее тыльным конусом, либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к вершине шарошки.
На рисунке 3.1 представлена схема поражения забоя прямозубым вооружением передней (3^1) по отношению к направлению максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения, и задней (3^2) шарошек долота большого диаметра.
В данном случае общая площадь поражения забоя прямозубым вооружением обеих шарошек в горизонтальной плоскости будет определяться как сумма площадей прямоугольников, образованных шириной торцевой части зубьев a и величиной скольжения \Delta (смещением точки А в точку А’, рис. 4). Как видно на схеме, эффективность работы вооружения в этом направлении минимальна. Значительно увеличить площадь поражения забоя и тем самым повысить эффективность бурения можно путем оснащения шарошек разнонаправленным вооружением (рис. 3.2).
Оценить прирост площади поражения забоя при использовании разнонаправленного вооружения в сравнении с прямозубым можно путем определения разницы площадей соответствующих фигур: S_1 = \alpha\Delta, S_2 = b\Delta и S_3 = S_1+b\Delta \operatorname{tg}\alpha, где b – ширина зуба (рис. 3).
Таким образом, оснащение шарошек разнонаправленным вооружением позволяет существенно увеличить площадь поражения забоя зубьями шарошек.
Однако для того, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы разнонаправленного твердосплавного вооружения в условиях реактивно-турбинного бурения, необходимо при проектировании вооружения обеспечить определенную ориентацию зубьев различных венцов вооружения (рис. 2)
и их расположение относительно поверхности забоя (рис. 5).
Это связано с тем, что в момент максимального проскальзывания твердосплавного вооружения, связанного с вращением агрегата, большая часть работы по разрушению плоского забоя осуществляется тыльным конусом передней (3^1) шарошки, на вооружение которого действует сила реакции разрушаемой породы P_K, что при больших диаметрах долота вызывает его незначительное перекашивание, приводящее, в свою очередь, к частичному отжатию задней (3^2) шарошки от забоя. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки на шарошки долота большого диаметра и, как следствие, к снижению эффективности его работы. Чтобы предотвратить это негативное явление, предлагается зубья (7) вершинного венца преднамеренно заглублять на бльшую глубину и с меньшим углом \phi_B резания, нежели зубья (5) периферийного венца \phi_K. В этом случае специально ориентированные под углом \beta_B зубья вершинного венца (7) задней шарошки (3^2), под действием силы реакции разрушаемой породы P_B заглубляясь на большую глубину и под более острым углом, помимо увеличения площади поражения забоя в горизонтальной плоскости будут играть роль стабилизатора, препятствующего «отжиму» шарошки (3^2) от забоя.
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 шарошек, связанном с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения.
Вооружение основных венцов (6) может быть как в прямозубом, так и в косозубом исполнении [2].
Поскольку зубья (7) вершинного ряда шарошки (3^2) в месте их максимального проскальзывания по забою, связанного с вращением агрегата, одновременно совершают и вращательное движение вокруг оси шарошки, то они встречаются с забоем, двигаясь по винтообразной траектории, направление вращения которой зависит от того, вращается ли агрегат за счет реактивного момента (против часовой стрелки) или же принудительно ротором буровой установки (по часовой стрелке). В связи с этим зубки (7) необходимо фиксировать в теле шарошки таким образом, чтобы их площадки притупления были наклонены к касательной к окружности, описанной по вершинам этих зубьев на угол \psi, находящийся в диапазоне от –5 до +5^0. Зубки (7) могут иметь как плоские основные рабочие поверхности, так и имеющие определенную кривизну r (12), зависящую от физико-механических характеристик разбуриваемых пород (рис. 5).
Таким образом, применение предложенного долота позволит повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что в конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и тем самым снизить стоимость проведения буровых работ.

20-25-r_1.png

20-25-r_2.png

20-25-r_3.png

20-25-r_4.png

20-25-r_5.png


← Назад к списку


im - научные статьи.