image

Территория Нефтегаз № 5 2016

Бурение

01.05.2016 10:00 Разрушение горной породы единичным резцом PDC
Областью конкурирования долот PDC и шарошечных долот являются горные породы средней твердости и твердые. В статье приведены результаты стендового изучения разрушения горной породы средней твердости (мрамора Коелга) единичным резцом при воспроизводстве участка профиля забоя скважины. Для проведения испытаний был сконструирован стенд, оснащенный исполнительным узлом с установленными на нем тремя резцами PDC, имитирующими работу трех лопастей долота. При этом внутренний резец имитировал работу впереди идущей лопасти долота, а периферийный – сзади идущей лопасти. Такое размещение резцов обеспечивало постоянство сечения «стружки» горной породы для среднего резца при его винтовом движении. Средний резец установлен в тензометрической державке, позволяющей измерять усилие на резце в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. Были испытаны резец с острой режущей кромкой и резец с кромкой, притупленной фаской. По результатам испытаний был проведен анализ силовой и энергетической загрузки резцов. Приведены графики зависимостей вертикальной и окружной нагрузок от времени, максимальных значений этих нагрузок от проходки за один оборот, а также зависимости энергоемкости разрушения мрамора от проходки за оборот. Результаты анализа сравнивались с результатами ранее проведенных испытаний долот PDC. Исследования показали, что разрушение пластично-хрупкой горной породы резанием единичным резцом носит скачкообразный характер. Резцы с фаской изменяют соотношение окружной и вертикальной нагрузок на резец в сторону увеличения вертикальной нагрузки. По мере увеличения интенсивности разрушения горной породы начиная со второй области наблюдается снижение энергоемкости ее разрушения и сближение энергоемкостей разрушения острыми резцами и резцами, притупленными фаской. При оснащении долот PDC резцами с фаской целесообразно уменьшать угол резания на 5–10° по сравнению с долотами, оснащенными резцами с острой режущей кромкой.
Ключевые слова: PDC, долото, породы средней твердости, резец, фаска, лопасть, окружная нагрузка, вертикальная нагрузка, энергоемкость.
Ссылка для цитирования: Трушкин О.Б. Разрушение горной породы единичным резцом PDC // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 5. С. 16–20.
Открыть PDF


16-40_r1.pngДолота, оснащенные алмазно-твердосплавными резцами (долота PDC), находят все более широкое применение при бурении скважин на нефть и газ.

Областью конкурирования долот PDC и шарошечных долот являются горные породы средней твердости и твердые. Долота PDC разрушают горную породу резанием-скалыванием, а шарошечные долота – дроблением скалыванием. Это является основной отличительной особенностью работы долот PDC [1].

Несмотря на широкое применение долот PDC, взаимодействие резцов с горной породой изучено недостаточно. Поэтому было выполнено стендовое изучение разрушения горной породы средней твердости единичным резцом при воспроизводстве участка профиля забоя скважины. Для проведения испытаний был сконструирован стенд, основу которого составил напольный сверлильный станок, снабженный электронным цифровым регистрирующим блоком и исполнительным узлом с установленными на нем тремя резцами PDC (рис. 1). Три резца исполнительного узла стенда имитировали работу трех лопастей долота. Используемый сверлильный станок позволял задавать проходку за один оборот исполнительного узла в широком диапазоне. Частота вращения исполнительного узла задавалась равной 90 об./мин. Зона взаимодействия резцов с породой промывалась технической водой. В качестве испытуемой горной породы использовался мрамор Коелга, в качестве независимой переменной была выбрана проходка за один оборот инструмента (интенсивность разрушения горной породы).16-40_r2.png

На рисунке 2 показана схема установки трех резцов, приведенная к одному радиусу. При этом внутренний резец имитировал работу впереди идущей лопасти долота, а периферийный – сзади идущей лопасти. Такое выполнение исполнительного узла обеспечивает постоянство сечения «стружки» горной породы для среднего резца при его винтовом движении. Средний резец установлен в тензометрической державке, позволяющей измерять усилие на резце в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Принципиальные вопросы измерения и регистрации силовых параметров изложены в [2]. Отличием являлась более высокая частота дискретизации – 4485 Гц.

Диаметры резцов d равны 13,5 мм. Радиус забоя R переменный и в опытах задавался на трех уровнях по отношению к среднему резцу: 25, 50 и 85 мм.
Угол резания  по отношению к горизонтальной поверхности составлял 110°. Забой представлял собой винтовую поверхность с углом подъема , зависящим от проходки за один оборот и от радиуса забоя. Резец движется относительно горной породы с окружной скоростью vt.

Изучалась работа резцов двух видов: с острой режущей кромкой и с кромкой, притупленной фаской величиной 0,3 мм под углом 45°, выполненной для предупреждения выкрашивания острой кромки. Ниже приведены результаты сравнительного испытания резцов обоих видов.

На рисунке 3 представлен вид записи вертикальной G и окружной T сил в процессе испытания. Из рисунка видно, что изменение силы G во времени имеет вид кривой с максимумами и минимумами, отражающими сколы горной породы перед резцом. Изменение силы T во времени также представляет собой кривую с максимумами и минимумами, но более устойчивую по амплитуде. В то же время высота максимумов и глубина минимумов на обоих графиках изменяются значительно, что может быть отнесено к влиянию неоднородности горной породы. Минимумы и максимумы на кривых осевой и окружной сил совпадают по фазе, т.е. максимумы и минимумы окружной и осевой сил имеют место в одно и то же время, что подтверждает их связь с особенностями разрушения горной породы.16-40_r3.png

Обработка результатов испытаний проводилась с помощью средств статистического анализа данных (пакет анализа) Microsoft Excel. Программа выдает необходимую статистическую информацию, в т.ч. величины асимметрии и эксцесса, позволяющие провести оценку вида распределения значений действующих на резец сил [3]. Оценка показала, что распределение этих данных не противоречит нормальному закону. Кроме того, размах варьирования сил практически не выходит за пределы интервала с вероятностью 0,90.

С точки зрения сопротивления резцов разрушению наибольший интерес представляют максимальные вертикальная сила, окружная сила, их равнодействующая и ее ориентация (рис. 2):

   (1)

 

   (2)

 

где G – вертикальная нагрузка на резец; Т – окружная нагрузка на резец; F – равнодействующая сила; γ – угол между вектором максимальной равнодействующей силы и вертикалью.

На рисунке 4а приведена зависимость максимальной вертикальной нагрузки Gmax=G0,90 на резец с острой кромкой от проходки за один оборот h. Из рисунка видно, что зависимость G0,90 от h отражает скачкообразность разрушения горной породы. В первой области разрушения (I) по мере роста проходки за оборот нагрузка на резец быстро возрастает, но с развитием второй области разрушения (II) темп роста сначала резко снижается, но затем снова начинает расти. С началом развития третьей области (III) разрушения нагрузка вновь стабилизируется.16-40_r4.png

На рисунке 4б приведена зависимость максимальной вертикальной нагрузки G0,90 на резец с фаской от проходки за один оборот h. Из сопоставления с рисунком 4а видно, что для обеспечения одинаковой проходки за оборот требуется существенно большая вертикальная нагрузка на резец. Влияние скачкообразности разрушения горной породы на вид зависимости G0,90 от h существенно меньше. На графике можно выделить только границу между первой и второй областями разрушения горной породы.

На рисунке 5а приведена зависимость максимальной окружной силы от проходки за один оборот долота для резца с острой кромкой. Из рисунка видно, что на зависимости Т0,90 от h проявление скачкообразности разрушения существенно меньше, чем для вертикальной силы. В целом наблюдается тенденция снижения интенсивности роста силы с увеличением проходки за оборот. Аналогичная зависимость Т0,90 от h для резца с фаской приведена на рисунке 5б. Из сопоставления рисунков 5а и 5б видно, что резец с фаской требует большей окружной силы, но увеличение не столь значительно, как для вертикальной силы, и по мере роста проходки за оборот различие становится статистически не значимым.

16-40_r5.pngИз рисунков 4 и 5 видно, что при малом радиусе бурения (R=25 мм) наблюдались пониженные нагрузки на резец. По-видимому, это связано с уменьшением угла резания α за счет угла подъема  γ винтовой линии. Известно, что тангенс угла подъема винтовой линии при постоянном шаге обратно пропорционален радиусу окружности винтовой линии. При малых радиусах R уменьшение угла резания становится существенным.

Обобщающей характеристикой взаимодействия породоразрушающих инструментов с горной породой является энергоемкость ее разрушения [4]. Энергоемкость разрушения удобно представить в безразмерном виде Ао:

 

A_o=A_\text{уд}/A_{v'}   (3)

 

где Ауд – измеренная энергоемкость разрушения горной породы при бурении; Av – энергоемкость разрушения горной породы при вдавливании штампа. Для мрамора Av=110 Дж/см3.

На рисунке 6 представлены зависимости энергоемкости разрушения мрамора от проходки за оборот. В случае бурения горной породы резцом с острой кромкой (рис. 6а) четко просматривается скачкообразность ее разрушения. При низкой интенсивности разрушения горной породы вначале наблюдался рост энергоемкости разрушения, а при увеличении проходки за один оборот более 0,5 мм/об. наблюдалось практически монотонное снижение энергоемкости разрушения породы. При бурении резцом с фаской (рис. 6б) энергоемкость разрушения горной породы при низкой интенсивности ее разрушения почти в два раза выше, чем при бурении острым резцом. Но по мере увеличения интенсивности разрушения горной породы наблюдалось более быстрое монотонное снижение энергоемкости ее разрушения, при проходке за оборот более 1 мм это различие становится незначительным.16-40_r6.png

На рисунке 7 приведены результаты проведенных ранее [5] стендовых испытаний восьмилопастных долот 8Л-188,7РСА производства ОАО «Азимут» (Уфа) при бурении мрамора. Одно долото было оснащено резцами с острой кромкой, а второе – резцами с фаской. Соответственно центральная часть забоя поражалась двумя, средняя – четырьмя, а периферийная – восемью лопастями. (Более подробно процесс стендовых испытаний долот описан в [5].)

Из сопоставления рисунка 7 с рисунками 6а и 6б видно, что они не имеют принципиального различия. Графики на рисунке 7 также отражают скачкообразность разрушения горной породы. По мере увеличения интенсивности разрушения породы, которая задавалась соответствующим увеличением нагрузки на долото, наблюдается снижение энергоемкости разрушения. Энергоемкость разрушения породы долотом с фаской оставалась выше практически во всем диапазоне изменения проходки за оборот, но при высокой интенсивности разрушения породы (h>1,3 мм/об.) влияние фаски становится незначительным, что также совпадает с результатами бурения единичным резцом, однако энергоемкость разрушения долотом остается существенно выше, чем единичным резцом. По-видимому, это связано со значительными затратами энергии на фрезерование стенки скважины, которое при работе единичного резца было исключено.

16-40_r7.pngИз формулы (2) следует, что угол γ между вектором максимальной равнодействующей силы и вертикалью должен отражать соотношения между окружной и вертикальной нагрузками на резец. Для наглядности на рисунке 8 приведены зависимости угла γ от h.

Из рисунка 8 видно, что угол γ  для острого резца существенно больше, чем для резца с фаской. При малой интенсивности разрушения горной породы (h<0,5 мм/об.) для обоих резцов наблюдалось уменьшение угла γ по мере роста проходки за оборот. При дальнейшем увеличении проходки за оборот для острого резца наблюдался значительный рост угла γ, а для резца с фаской – его дальнейшее уменьшение, а затем и стабилизация. Отсюда следует, что для долот, оснащенных резцами с фаской, угол резания должен быть на 5–10° меньше, чем для долот, оснащенных резцами с острой режущей кромкой.

 

Выводы16-40_r8.png

  1. Разрушение пластично-хрупких горных пород резцами PDC носит скачкообразный характер.
  2. Резцы с фаской изменяют соотношение окружной и вертикальной нагрузок на резец в сторону увеличения вертикальной нагрузки.
  3. По мере увеличения интенсивности разрушения горной породы начиная со второй области наблюдается снижение энергоемкости ее разрушения и сближение энергоемкостей разрушения острыми резцами и резцами, притупленными фаской.
  4. При оснащении долот PDC резцами с фаской целесообразно уменьшать угол резания на 5–10° по сравнению с долотами, оснащенными резцами с острой режущей кромкой.


← Назад к списку


im - научные статьи.