image

Территория Нефтегаз № 7-8 2016

Бурение

01.7-8.2016 10:00 Исследование проскальзывания вооружения шарошечных буровых долот

Проведено исследование процесса проскальзывания зубчатого вооружения шарошечных долот при бурении мягких и средних пород. Осуществлен анализ кинематики шарошки бурового долота, работающего с проскальзыванием вооружения по забою. Определены основные факторы, влияющие на величину и направления проскальзывания зубьев вооружения по забою скважины. Выявлены недостатки прямозубого вооружения шарошечных буровых долот и обоснованы преимущества использования косозубого вооружения.

Установлено, что максимальная площадь поражения забоя, а следовательно, и производительность бурового инструмента, достигается при ориентации зубьев вооружения таким образом, чтобы большие стороны их площадок притупления располагались под определенным углом к образующей конуса шарошки, обеспечивающим расположение основных боковых поверхностей зубьев перпендикулярно направлению их проскальзывания.

При этом возможность достижения максимальной площади поражения забоя в горизонтальной плоскости является не единственным преимуществом косозубого вооружения над прямозубым. Несмотря на то что у прямозубого вооружения зубья ориентированы параллельно образующим конусам шарошки, кинематика движения инструмента обуславливает их движение относительно забоя скважины с возникновением осевых составляющих от усилия разрушения породы. Вследствие их неуравновешенности это обстоятельство приводит к возникновению отклоняющего усилия на долоте, уводящего его от заданного направления бурения. Возможность создавать вооружение косозубым позволяет уже на этапе проектирования инструмента взаимно уравновесить эти силы за счет различной ориентации зубьев и их геометрии в рамках как одной шарошки, так и долота в целом.

Также на основе проведенных исследований было установлено, что оснащение шарошек буровых долот, предназначенных для бурения мягких и средних пород, косозубым вооружением позволит повысить эффективность удаления шлама как непосредственно из зоны разрушения породы, так и из межзубного пространства вооружения, а также повысит качество обработки забойной зоны за счет фрезерующего эффекта косозубого вооружения, что, в свою очередь, скажется на процессе выравнивания поверхности забоя, а следовательно, приведет к повышению эффективности очистки за счет поперечных потоков бурового раствора.

Ключевые слова: шарошечное буровое долото, мгновенная ось вращения, относительная и переносная скорость, косозубое вооружение, геометрия вооружения.
Ссылка для цитирования: Сериков Д.Ю., Гринев А.М. Исследование проскальзывания вооружения шарошечных буровых долот // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 7–8. С. 20–27.
Открыть PDF


В настоящее время несмотря на превалирующее использование алмазного породоразрушающего инструмента при бурении нефтяных и газовых скважин все еще широко используются шарошечные буровые долота как со стальным поверхностно-армированным, так и с твердосплавным зубчатым вооружением.

Как известно, в зависимости от свойств разбуриваемых горных пород шарошечные долота по кинематическим характеристикам делятся на две основные группы – ударно-дробящего и ударно-режущего действия, – которые обуславливают характер взаимодействия зубьев вооружения с породой.

Характерной особенностью долот ударно-дробящего действия является отсутствие или минимальное скольжение зубьев при перекатывании шарошек по забою, при этом оси вращения шарошек этих долот пересекаются с осью долота [1].

Долота ударно-режущего действия предназначены для бурения мягких и средних пород, характеризуются наличием скольжения зубьев вооружения при перекатывании шарошек по забою, а также при калибровании стенки скважины. Они оснащаются многоконусными шарошками, оси которых, как правило, не пересекаются с осью вращения долота [2].

С точки зрения механики разрушения горных пород долота этой группы предназначены для разрушения пластичных и упруго-пластичных пород и должны обеспечивать режущее воздействие на породу при ее разрушении зубьями шарошек. При этом вооружение шарошек выполняется самоочищающимся с большим вылетом вершин шарошек за центр долота и со смещенными в плане осями вращения шарошек.

В результате смещения при вращении долота осей шарошек контактирующие с забоем зубья получают относительно него дополнительное продольное скольжение, которое вместе с другими факторами увеличивает общую величину скольжения. Эта составляющая скорости скольжения зубьев тем больше, чем больше величина смещения. Увеличение величины скольжения вооружения приводит к соответствующему росту скорости разрушения пластичных пород и повышению эффективности бурения [3].

Знание и понимание основных законов этого процесса позволит повысить качество проектирования бурового инструмента за счет создания на теоретической основе более эффективной геометрии вооружения шарошек и, как следствие, увеличить одну из важнейших характеристик процесса разрушения породы – механическую скорость бурения.

С целью создания более эффективной геометрии зубчатого вооружения шарошечных буровых долот необходимо определить направления и величины проскальзывания всех зубьев вооружения в момент их соприкосновения с забоем.

На рисунке 1 представлена принципиальная схема шарошки бурового долота со смещенной в плане осью вращения, где:

ω1 – угловая скорость вращения долота, с-1;

ω2 – угловая скорость вращения шарошки, с-1.

Из рисунка видно, что переносная скорость вместе с вращением долота V.png точек E, M, N, H на контактирующей с забоем образующей будет направлена по направлению вращения перпендикулярно радиусу вращения этой точки вокруг центра O, то есть оси вращения долота. При этом относительная скорость в этих точках V2.png направлена по направлению вращения шарошки перпендикулярно к ее оси вращения или к образующей.

При пересекающихся осях вращения долота и шарошки абсолютная скорость каждой из этих точек, лежащих на контактирующей с забоем образующей, составляет разность их скоростей в относительном движении (вращении шарошки) и переносном (вращении с долотом) и направлена перпендикулярно к ней (образующей).

Если разложить переносную скорость  V.png  на две составляющие – CodeCogsEqn.png (по направлению относительной скорости) и CodeCogsEqn (1).png (по направлению образующей) – и произвести сложение относительной скорости V2.png и поперечной составляющей переносной скорости CodeCogsEqn (2).png, то получим направление и значение так называемой поперечной составляющей скорости скольжения в каждой из этих точек CodeCogsEqn (5).png.B нашем случае (рис. 1) для точек Е, М скорость  V2.png всегда будет больше, чем , поскольку поперечные скорости скольжения точек Е, М, представляющих собой окружные скорости вращения вокруг мгновенной оси вращения (условно ON), направлены в противоположную движению сторону, т.е. происходит пробуксовывание. Все точки образующей, находящейся вправо от точки N, наоборот, притормаживаются. Вектор CodeCogsEqn (6).png, полученный в результате сложения поперечной CodeCogsEqn (5).png  и продольной CodeCogsEqn (1).png=CodeCogsEqn (5).png составляющих скоростей скольжения, показывает истинную скорость скольжения в любой из этих точек.

1_8.pngИз рисунка 1 видно, что относительная величина продольной составляющей скорости скольжения CodeCogsEqn (3).png при данной скорости вращения долота зависит только от величины смещения осей шарошек, постоянна для всех точек шарошки и равна:

 CodeCogsEqn (4).png     (1). 

Поперечная составляющая скорости скольжения точек E, M, N, H:

2.png      (2). 

Суммарная скорость скольжения по забою в точках E, M, N, H составит:

 3.png     (3).

При смещении осей шарошек в плане в направлении вращения долота продольная составляющая скольжения направлена к вершине шарошки, а суммарная скорость скольжения отклоняется в сторону центра скважины.

Угол в плане  между суммарной скоростью скольжения и образующей шарошки для каждой из рассматриваемых точек определяется как [2]:

 1_1.png          (4).

Таким образом, передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота

 1_2.png

не зависит от величины смещения. Следовательно, при изучении кинематики шарошек со смещенными в плане осями их можно рассматривать как шарошки с пересекающимися осями, накладывая дополнительно продольные скольжения как функцию смещения [3].

Определив величины и направления проскальзывания зубьев по забою, можно приближенно геометрически определить площадь поражения забоя зубчатыми элементами вооружения в момент их соприкосновения с породой. На рисунке 2 показана принципиальная схема проскальзывания зубчатых элементов вооружения шарошки с прямозубым (стандартным) вооружением. В точках E, M и H следы зубьев представляют (условно) собой параллелограммы, а в точке N – прямоугольник. Чтобы увеличить площадь поражения забоя зубьями вооружения, не меняя при этом ширину и количество венцов, необходимо развернуть зубья таким образом, чтобы их основные рабочие поверхности были перпендикулярны направлению проскальзывания.

Чтобы оценить прирост площади поражения забоя в горизонтальной плоскости при использовании косозубого вооружения по отношению к прямозубому, достаточно определить разницу площадей параллелограмма и прямоугольника (рис. 2).1_7.png

Таким образом, чем меньше угол наклона направления результирующей скорости скольжения к оси вращения шарошки, тем больше увеличение площади поражения забоя косозубым вооружением по отношению к прямозубому. В точке N преимущество косозубого вооружения становится наиболее очевидным, поскольку поражение забоя прямозубым вооружением осуществляется не одной из основных граней, а только узкой торцевой поверхностью зуба. Наибольшее увеличение площади поражения забоя косозубым вооружением по отношению к прямозубому в этой точке будет достигаться при перпендикулярном расположении зуба к оси вращения шарошки [6].

У стандартного прямозубого вооружения шарошек площадки притупления зубьев ориентированы таким образом, что их большая сторона, т.е. длина, направлена вдоль образующих конусов шарошек (рис. 2.1). В результате такой ориентации зубьев при работе долота не достигается максимального использования эффекта проскальзывания вооружения шарошек относительно поверхности забоя. Это значительно снижает эффективность фрезерующего воздействия зубьев вооружения и уменьшает площадь поражения забоя в горизонтальной плоскости.

Некоторые буровые долота имеют на отдельных венцах зубья, ориентированные под углом вправо или влево к образующей конуса, однако такие конструкции также не обеспечивают максимального объема разрушения породы.

Так, например, у долот, оснащенных косозубым вооружением с незначительным разворотом зубьев в правую сторону от образующей конусов, площадь поражения забоя в горизонтальной плоскости даже уменьшается по отношению к долотам с прямозубым вооружением.

Из рисунка 1 видно, что направление проскальзывания на каждом из венцов шарошек различно, поэтому с целью обеспечения максимальной площади поражения забоя в горизонтальной плоскости зубья по венцам должны быть ориентированы под различными углами. При вращении долота и шарошек происходит внедрение зубьев вооружения в породу. При этом зубья проскальзывают относительно поверхности забоя и производят работу, напоминающую процесс фрезерования, которая помимо увеличения производительности разрушения породы обеспечивает эффект выравнивания забоя [1].

Эта работа тем больше, чем больше площадь поражения забоя, что достигается за счет ориентации зубьев вооружения под определенным углом  к образующей конуса шарошки. Максимальная площадь поражения забоя, а следовательно, и производительность бурового инструмента, достигается при ориентации зубьев вооружения таким образом, чтобы большие стороны их площадок притупления располагались под углом  к образующей конуса шарошки, обеспечивающим расположение основных боковых поверхностей зубьев перпендикулярно направлению их проскальзывания.

Однако возможность достижения максимальной площади поражения забоя является не единственным преимуществом косозубого вооружения над прямозубым. Как видно из рисунка 1, несмотря на то что у прямозубого вооружения зубья ориентированы параллельно образующим конусам шарошки, кинематика движения инструмента обуславливает их движение относительно забоя скважины с возникновением осевых составляющих от усилия разрушения породы. Вследствие их неуравновешенности это обстоятельство приводит к возникновению отклоняющего усилия на долоте, уводящего его от заданного направления бурения. Возможность создавать вооружение косозубым позволяет уже на этапе проектирования инструмента взаимно уравновесить эти силы за счет различной ориентации зубьев и их геометрии в рамках как одной шарошки, так и долота в целом [4, 5].

Рассмотрим случай, когда долото для бурения средних пород оснащено многоконусными шарошками, однако при этом смещение осей шарошек минимально или вовсе отсутствует.

1_8.pngНа рисунке 3 представлена принципиальная схема шарошки долота данного типа, где:

ω1 – угловая скорость вращения долота, с-1;

ω2 – угловая скорость вращения шарошки, с-1.

Рассмотрим движение по гладкому забою гладкой шарошки с многоконусным контуром. Мгновенная ось вращения проходит через точку O пересечения осей складываемых вращений бурового долота и шарошки. Вторая точка мгновенной оси вращения шарошки находится на контактирующей с забоем образующей. Предположим, что это точка N. Зная положение этой точки на образующей шарошки, можно легко определить скорости скольжения на любом участке контура. Графически определив передаточное отношение

 1_3.png 

и найдя по известной угловой скорости вращения долота ω1 угловую скорость вращения шарошки ω2=iω1, можно определить величину мгновенной угловой скорости вращения шарошки [2]:

1_4.png                       (5),

а с учетом направления мгновенной оси вращения шарошки скорость поперечного скольжения любой точки M определяется выражением:

1_5.png                                              (6).

Отсюда следует, что скорость поперечного скольжения контактирующих с забоем основных рабочих поверхностей зубьев тем больше, чем больше расстояние от них до мгновенной оси вращения шарошки. При этом если на участке образующей, расположенной влево от нескользящей точки N (рис. 3), скольжение будет направлено против направления движения, то на участке, расположенном вправо от точки N, – в противоположную сторону.

Также из рисунка 3 видно, что переносная скорость вместе с вращением долота V.png точек E, M, N и H на контактирующей с забоем образующей будет направлена по направлению вращения перпендикулярно радиусу вращения этой точки вокруг центра O, т.е. оси вращения долота. С другой стороны, относительная скорость в этих точках  V2.png направлена по направлению вращения шарошки перпендикулярно к ее оси вращения или к образующей.

Абсолютная скорость каждой из этих точек, лежащих на контактирующей с забоем образующей, составляет разность их скоростей в относительном движении V2.png (вращении шарошки) и переносном V.png (вращении с долотом) и направлена перпендикулярно к ней (образующей).

B данном случае для точек E, M скорость  V2.png  всегда будет больше, чем V.png, так как поперечные скорости скольжения точек E, M, представляющих собой окружные скорости вращения вокруг мгновенной оси вращения, направлены в противоположную движению сторону, т.е. происходит пробуксовывание. Все точки образующей, находящейся вправо от точки N, напротив, притормаживаются.

Определив величины и направления проскальзывания зубьев по забою, можно геометрически определить площадь поражения забоя зубчатыми элементами вооружения в момент их соприкосновения с породой. На рисунке 4.1 показана принципиальная схема проскальзывания зубьев шарошки с прямозубым (стандартным) вооружением.

1_10.png

В точках E, M и H следы зубьев вследствие их проскальзывания по забою представляют собой прямоугольники, а в точке N проскальзывание отсутствует. Если заменить прямозубое вооружение шарошек на косозубое, не меняя при этом ширину и количество венцов, то площадь поражения забоя останется прежней, при этом следы зубьев представляют собой параллелограммы (рис. 4.2). 

У стандартного прямозубого вооружения шарошек площадки притупления зубьев ориентированы таким образом, что их большая сторона (длина) направлена вдоль образующих конусов шарошек (рис. 4.1). В результате такой ориентации зубьев при работе долота не возникают условия, обеспечивающие механическую эвакуацию шлама из зоны разрушения породы и межзубного пространства в процессе бурения, что приводит к многочисленному повторному измельчению шлама и повышенному износу вооружения породоразрушающего инструмента и, как следствие, к снижению проходки на долото.

Рассмотрим процесс разрушения породы при проскальзывании зубчатого вооружения шарошек по забою.

Во время работы шарошка бурового долота находится под воздействием двух основных сил: осевой нагрузки на долото и крутящего момента, создаваемого буровым приводом [1].
В процессе разрушения породы зубьями вооружения осевая нагрузка обеспечивает внедрение зубьев в породу, а крутящий момент – разрушение породы при перемещении зубчатых элементов по сложной траектории движения.

При работе прямозубого вооружения, когда основные рабочие поверхности зубьев ориентированы перпендикулярно или с минимальными отклонениями к направлению усилия, возникающего от действия крутящего момента, все усилие F расходуется на давление, разрушающее слой породы по ходу движения инструмента, и не имеет тангенциальной составляющей (рис. 4.1).

Если же рабочая поверхность зубчатого элемента образует с силой F и соответственно с направлением движения угол, отличающийся от 90°, то действие силы F распределяется по закону параллелограмма на нормальную Fn и касательную F составляющие (рис. 4.2). При малых углах отклонения от перпендикуляра величина Fn отличается от F незначительно, однако величина тангенциальной составляющей F уже имеет существенное значение.

В случае использования косозубого вооружения шарошек при вращении долота также происходит внедрение зубьев вооружения в породу. Одновременно зубья проскальзывают относительно поверхности забоя и производят работу, напоминающую процесс фрезерования, которая помимо увеличения производительности разрушения породы обеспечивает эффект выравнивания забоя [7]. При воздействии косозубого вооружения на разбуриваемую породу в отличие от прямозубого возникает тангенциальная составляющая F усилия F, механически эвакуирующая шлам в сторону от направления движения зуба вооружения. Таким образом, каждый наклонный зуб бурового инструмента, выполненный в виде сегмента винта, работает как миниатюрный шнек.

Как известно, при разрушении горной породы шарошечными долотами забой представляет собой шероховатую поверхность с большим числом выступов. Исследования модели забоя скважины с коническими проточками показали, что с увеличением шероховатости поверхности влияние поперечных потоков на очистку забоя от шлама резко снижается [7]. Одним из путей повышения работоспособности как системы очистки, так и самого долота является выравнивание поверхности забоя, т.е. повышение фрезерующей способности вооружения шарошечных долот за счет ориентации зубьев вооружения на поверхности шарошек.

В связи с этим винтовая поверхность зубчатого вооружения по аналогии с косозубыми фрезами за счет все той же тангенциальной составляющей значительно чище обрабатывает поверхность забоя, что способствует значительному улучшению очистки забоя от шлама, предотвращая его повторное измельчение, и тем самым способствует увеличению механической скорости бурения.

Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать вывод, что оснащение шарошек буровых долот, предназначенных для бурения мягких и средних пород косозубым вооружением (рис. 5), позволит повысить эффективность удаления шлама как непосредственно из зоны разрушения породы, так и из межзубного пространства вооружения.

При этом одновременно улучшится качество обработки забойной зоны за счет фрезерующего эффекта косозубого вооружения, что, в свою очередь, скажется на процессе выравнивания поверхности забоя, а следовательно, и на повышении эффективности очистки за счет поперечных потоков бурового раствора.

Все это в комплексе позволит повысить основные показатели бурения, такие как проходка и механическая скорость бурения, и тем самым снизить время и стоимость бурения нефтяных и газовых скважин шарошечными долотами в мягких и средних породах.



← Назад к списку


im - научные статьи.