image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 10 2017

Бурение

01.10.2017 10:00 Согласование типа, диаметра и числа лопастей долот PDC с прочностью горных пород в кодах Международной ассоциации буровых подрядчиков
Классификационные коды буровых долот по системе Международной ассоциации буровых подрядчиков (МАБП; code IADC) существенно упростили идентификацию инструментов, изготавливаемых различными фирмами. Основу кода составляют три цифры. Первая цифра кода долот с алмазно-твердосплавным вооружением (долот PDC) соответствует максимальной прочности горных пород при одноосном сжатии (UCS), для которых предназначено долото. Для шарошечных долот это первые две цифры кода. Для выбора буровых долот нужен единый обобщенный показатель, характеризующий прочностные свойства горной породы и область применения долот. В статье предложено характеризовать прочность горной породы в кодах МАБП, соответствующих буровым долотам, приведены зависимости прочности горных пород в кодах от прочности при одноосном сжатии и соответствующая номограмма выбора типов долот PDC. Известно, что число лопастей долота PDC зависит не только от прочности горной породы, но и от диаметра долота. Получены уравнения регрессии, связывающие число лопастей долота с верхним значением прочности в кодах горной породы рассматриваемого интервала бурения при уровне значимости 2,5 % и с диаметром долота. Последовательность выбора: по среднему и верхнему значениям прочности в кодах горной породы с использованием номограммы установить код типа долота, соответствующего горной породе, затем рассчитать число лопастей для выбранного долота в соответствии с диаметром долота и верхним значением прочности горной породы в кодах по уравнениям регрессии.
Ключевые слова: долота PDC, прочность горной породы, коды МАБП, диаметр долота, число лопастей долота.
Ссылка для цитирования: Попов А.Н., Трушкин О.Б. Согласование типа, диаметра и числа лопастей долот PDC с прочностью горных пород в кодах Международной ассоциации буровых подрядчиков // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 10. С. 20–23.
Открыть PDF


Предложенная Международной ассоциацией буровых подрядчиков (МАБП) единая система кодирования буровых долот существенно упростила идентификацию инструментов, изготавливаемых различными фирмами. Основу кода составляют три цифры. Первая цифра кода долот с алмазно-твердосплавным вооружением (долот PDC) соответствует максимальной прочности горных пород при одноосном сжатии, для которых предназначено долото. Для шарошечных долот это первые две цифры кода.
В отечественной практике основное применение получило определение твердости горных пород методом статического вдавливания штампа. Оба показателя – и прочность при одноосном сжатии, и твердость по штампу – являются прочностными, но определяются они при разном напряженном состоянии горной породы. В первом случае напряженное состояние простое, а во втором случае – сложное. Кроме того, на корреляцию между этими показателями влияют пористость и коэффициент Пуассона горной породы, а также масштабный эффект [1, 2].

Повышение точности принятия технических решений требует использования соответствующих характеристикам долот методов измерения показателей механических свойств горных пород. Для выбора буровых долот нужен единый обобщенный показатель, характеризующий прочностные свойства горной породы и область применения долот. Таким показателем может быть прочность горной породы, выраженная в кодах МАБП. В табл. 1 приведена одна из прочностных классификаций горных пород по системе МАБП.

1.png

Границы прочностных групп горных пород при одноосном сжатии соответствуют верхним границам областей применимости буровых долот. Но единого обозначения групп горных пород и разных по конструкции долот нет. Преобразуем табл. 1 так, чтобы группы горных пород соответствовали обозначениям буровых долот по системе МАБП. Результаты преобразования представлены в табл. 2, из которой становится очевидным, что обозначения разных долот для горных пород одинаковой прочности разные, а для горных пород нужна единая система. В качестве такой системы предлагается использовать порядковый номер кода с шагом, равным шагу кодов шарошечных долот, как это показано в четвертой колонке таблицы. Особенностью долот PDC является то, что в пределах группы с одним кодом по мере увеличения прочности горных пород и диаметра долота увеличивается число лопастей долота.

Методом регрессии нетрудно показать, что прочность горной породы Н в кодах МАБП линейно зависит от ее прочности на одноосное сжатие. При измерении прочности породы в kpsi зависимость Н от σсж имеет вид: 

Н = 0,384 σсж,                                       (1) 

а при измерении в МПа: 

Н = 0,0556 σсж,                                    (2) 

при этом коэффициент детерминации R2 > 0,99.

Рассмотрим особенности выбора на примере долот PDC с использованием показателя прочности горной породы в кодах МАБП. Долота PDC, первая цифра кода которых 1, применяются в горных породах с прочностью до 4 кодов включительно. Долота PDC, первая цифра кода которых 2, применяются в горных породах с прочностью до 8 кодов включительно. Долота PDC, первая цифра кода которых 3, применяются в горных породах с прочностью до 12 кодов включительно. Долота PDC, первая цифра кода которых 4, применяются в горных породах с прочностью до 16 кодов включительно.

При построении номограммы для определения первой цифры кода долота PDC величины Hвmax горной породы взяты по верхним границам групп, т.е. равными 

Hвmax = 4Нд,                                      (3) 

где Нд – первая цифра кода долота. Верхняя граница диапазона прочности горной породы рассматриваемого интервала бурения рассчитывается по формуле 

Нв = Нср + ts,                                      (4) 

где Нср – среднее арифметическое, а s – среднеквадратическое отклонение прочности горной породы; t – параметр распределения Стьюдента с вероятностью 0,95. В приближенных расчетах можно принять t = 2.

1_1.png

В технической литературе только для долот PDC НПП «БУРИНТЕХ» имеются данные о границах областей применимости долот в категориях. При этом отношения Нвср составляют:

  • для долот с первой цифрой кода 1 – 0,62;

  • для долот с первой цифрой кода 2 – 0,63;

  • для долот с первой цифрой кода 3 – 0,75;

  • для долот с первой цифрой кода 4 – 0,81.

Используем эти данные для расчета средних значений прочности горных пород в кодах для построения номограммы выбора долота PDC. Методика построения таких номограмм подробно изложена в [3]. Вид номограммы приведен на рис. 1. Ключ к номограмме прорисован пунктиром. Например, средняя прочность породы Нср = 5,8 кода, а для верхнего значения прочности породы имеем два случая: 1) Hв1 = 7,5 кода: 2) Hв2 = 10 кодов. Из рис. 1 видно, что в первом случае следует выбрать и долото с кодом 2, а во втором – с кодом 3. Кроме того, из рис. 1 видно, что области применимости долот перекрываются незначительно, что делает расчет среднего значения прочности не обязательным, можно использовать только верхнее значение прочности породы.

Этот выбор не является окончательным. Ранее нами было отмечено, что число лопастей долота PDC зависит не только от прочности горной породы, но и от диаметра долота. На рис. 2 представлены данные, соответствующие «Номенклатуре алмазных долот НПП «БУРИНТЕХ» [4, 5], в соответствии с которыми чем больше прочность горной породы, тем большее число лопастей должно иметь долото. Кроме того, чем больше диаметр долота, тем больше число лопастей (на рис. 2 это обусловило разброс точек).
В [3] было показано, что в одном и том же интервале бурения долота с меньшим числом лопастей показывают более высокую механическую скорость бурения, но несколько уступают по проходке на долото долотам с большим числом лопастей.

В соответствии с данными о долотах соответствующих изготовителей [5–8] был выполнен регрессионный анализ и получены следующие зависимости числа лопастей z от диаметра долота D в мм и от прочности Hвmax горной породы в кодах МАБП, определяемой по формуле (3). Для долот ОАО «Волгабурмаш» эта зависимость имеет вид: 

z = 0,0120D + 0,395 Hвmax ;                            (5) 

для долот фирмы Hughes Christensen: 

z = 0,455 Hвmax + 2,588.                  (6) 

Формула (6) получена при осредненном диаметре долот в диапазоне 171,5–311,1 мм.

НПП «БУРИНТЕХ» выпускает два вида инструментов: базовую конструкцию и конструкцию с опциями «Т» и «У», оснащенную резцами повышенной прочности и износостойкости. Соответственно, зависимости z от D и Hвmax разные:

  • для базовой конструкции: 

z = 0,00632D + 0,412 Hвmax ;                          (7) 

  • для конструкций с опциями «Т» и «У»: 

z = 0,0443D + 0,320 Hвmax .                            (8) 

Во всех случаях коэффициент детерминации R2 > 0,97.

При определении числа лопастей долот для конкретных условий бурения в формулы (5)–(8) следует подставлять не предельное верхнее значение прочности горной породы Hвmax , а Нв, рассчитанное по формуле (4).

В приведенном примере было выбрано долото, у которого первая цифра кода 3. 

Полный код МАБП долота, например, S322. Пусть диаметр долота составляет 200 мм. Верхнее значение прочности горной породы составляло 10 кодов (рис. 1). Тогда долото НПП «БУРИНТЕХ» должно в соответствии с (7) иметь

z = 0,00632.200 + 0,412.10 = 5,38 ≈ 6 лопастей.

Долото ОАО «Волгабурмаш» должно в соответствии с (5) иметь

z = 0,0120.200 + 0,395.10 = 6,35 ≈ 7 лопастей.

Долото Hughes Christensen должно в соответствии с (6) иметь

z = 2,588 + 0,455.10 = 7,14 ≈ 8 лопастей.

Из расчета видно, что различные фирмы для одних и тех же пород могут рекомендовать долота с разным, хотя и близким, числом лопастей. Это может быть обусловлено как использованием различных по прочности и износостойкости резцов, так и целями, которые преследует изготовитель для обеспечения конкурентоспособности инструмента. Например, НПП «БУРИНТЕХ» преследует цель обеспечить высокую механическую скорость проходки при достаточной стойкости долот и, соответственно, проходки на долото, а фирма Hughes Christensen – высокую стойкость и, соответственно, высокую проходку на долото, но при пониженной механической скорости бурения.

 

ВЫВОДЫ

1. Предложен обобщенный показатель прочности горной породы для выбора вооружения буровых долот в кодах МАБП.

2. Обоснован метод выбора типа вооружения и числа лопастей долот PDC в соответствии с величиной их диаметра и прочностью горных пород в кодах МАБП.

Таблица 1. Классификация горных пород по системе Международной ассоциации буровых подрядчиков

Table 1. Classification of rocks according to the International Association of Drilling Contractors

Группа горных пород 

Group of rocks

σсж, kpsi 

σсж, kpsi

σсж, МПа 

σсж, MPa

Очень слабые 

Very soft

До 10 

Up to 10

До 69 

Up to 69

Слабые 

Soft

>10...24

>69...165

Средние 

Medium

>24...32

>165...220

Прочные 

Hard

>32...42

>220...290

Очень прочные 

Very hard

>42...50

>290...345

Суперпрочные 

Super hard

>50

>345

Таблица 2. Прочность горных пород в кодах Международной ассоциации буровых подрядчиков и при одноосном сжатии и соответствующие коды вооружения долот

Table 2. Strength of rocks in the codes of the International Association of Drilling Contractors under uniaxial compression and the corresponding bit cutting structure codes

Коды шарошечных долот 

Сode IADC

Коды долот PDC 

PDC bit codes

Прочность горной породы Н, коды 

Strength of the rock H, codes

Прочность горной породы σсж, МПа 

Strength of the rock σсж, MPa

       

1-го класса 

1st class

2-го класса 

2nd class

0

0

11

1

1

12

1

2

13

1

3

14

1

4

69

21

41

2

5

22

42

2

6

23

43

2

7

24

44

2

8

165

31

51

3

9

32

52

3

10

33

53

3

11

34

54

3

12

220

61

4

13

62

4

14

63

4

15

64

4

16

290

71

17

72

18

73

19

74

20

345

81

21

82

22

83

23

84

24

 




← Назад к списку


im - научные статьи.