image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 11 2016

Бурение

01.11.2016 10:00 Совершенствование вооружения ведущих венцов шарошек буровых долот
Представлены результаты работы, направленной на совершенствование конструкций зубчатого вооружения ведущих венцов шарошечных буровых долот в целях минимизации эффекта рейкообразования. Определены основные причины возникновения эффекта рейкообразования в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Разработана принципиальная схема косозубого вооружения шарошечного бурового инструмента, позволяющая исключить возможность рейкообразования за счет использования: разнонаправленного вооружения ведущих венцов на всех трех шарошках (первая шарошка имеет прямозубое или косозубое вооружение с минимальным углом наклона в ту или иную сторону, вторая шарошка – косозубое вооружение с правым углом подъема винтовой линии, и третья шарошка – косозубое вооружение с левым углом подъема винтовой линии); асимметричных зубьев, имеющих на всех шарошках разную степень и направление асимметрии; различных шагов зубчатого вооружения ведущих венцов на каждой из трех шарошек, обеспечивающих условие, что шаг зубьев каждой последующей шарошки должен быть больше шага предыдущей примерно на 1/3 шага зубьев первой шарошки; кинематических характеристик ведущих венцов шарошек, обеспечивающих минимальную вероятность проявления эффекта рейкообразования. Оснащение шарошечных буровых долот зубчатым вооружением предложенной конструкции позволит повысить эффективность разрушения породы инструментом за счет более качественного выравнивания поверхности забоя и сведения к минимуму возможности появления эффекта рейкообразования в течение всего процесса работы инструмента. Все это в конечном счете позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото при одновременном снижении стоимости буровых работ.
Ключевые слова: шарошечное буровое долото, рейкообразование, ведущий венец, передаточное отношение.
Ссылка для цитирования: Сериков Д.Ю. Совершенствование вооружения ведущих венцов шарошек буровых долот // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 11. С. 34–40.
Открыть PDF


Одной из проблем, возникающей при работе шарошечного бурового инструмента, отрицательно влияющей на основные показатели бурения, такие как механическая скорость и проходка на долото, является образование зубчатой рейки на поверхности забоя скважины. Суть проблемы заключается в следующем. Спустя какое-то время после начала работы инструмента зубья вооружения, разрушая породу поверхности забоя, образуют в ней поверхность, обратную собственной геометрии. 

1_1_1.png
В результате вместо дальнейшего успешного разрушения породы вооружением бурового инструмента шарошки перекатываются по ответной рейке поверхности забоя подобно шестерням зубчатых механических передач. При этом, как правило, имеет место износ набегающих или сбегающих граней зубьев вооружения, а также происходит износ тела шарошки между зубьями. Эффект рейкообразования может появляться как на стадии приработки инструмента, так и по прошествии достаточно продолжительного времени бурения и связан с множеством различных факторов. Зачастую эффект рейкообразования приводит не только к существенному уменьшению механической скорости бурения, но и к отсутствию проходки как таковой. В некоторых случаях удается избежать рейкообразования, применяя на проблемных участках долота для бурения более мягких пород и (или) снижая по возможности гидростатическое давление на забой [2]. Причинами рейкообразования, как правило, являются: резкий переход разбуриваемых пород от хрупких к пластичным; значительное превышение гидростатического давления горной породы; несовершенство геометрии вооружения бурового инструмента и т. д.

Основным признаком, свидетельствующим об образовании забойной рейки, как правило, является резкое снижение механической скорости проходки без каких-либо существенных изменений в режимах бурения. Как правило, это приводит к незапланированной замене зачастую вполне работоспособного бурового долота на другое, имеющее значительные отличия в геометрии вооружения. Все это требует проведения спускоподъемных операций, значительно увеличивающих суммарное время бурения и стоимость буровых работ.

1_1.png

В связи с этим актуальны работы, связанные с созданием новых конструкций вооружения бурового шарошечного инструмента, не склонного к рейкообразованию.

Для того чтобы успешно противостоять эффекту рейкообразования, необходимо по возможности четко представлять картину взаимодействия вооружения бурового долота с поверхностью забоя в целях выявления условий, способствующих возникновению этого нежелательного явления. Многочисленными авторами путем теоретических исследований кинематики шарошек, а также на основе анализа износа вооружения бурового инструмента, отработанного в реальных условиях бурения, установлены основные закономерности рейкообразования и пути его преодоления. Так, установлено, что при бурении средних и особенно твердых пород, как правило, вооружение ведущих или периферийных венцов шарошек долота формирует устойчивую рейку на поверхности забоя скважины. При этом венцы всех трех шарошек, как правило, работают по общей рейке. Забойная рейка существенно меняет кинематику шарошки долота и условия взаимодействия вооружения с горной породой, так как ведущие или периферийные венцы в основном и определяют закон движения шарошки. Это связано с тем, что опорными поверхностями вооружения становятся не вершины зубьев, а их боковые грани и впадины. В таких условиях удельное давление на породу, создаваемое вооружением этих венцов, по мере приработки к рейке быстро снижается, а эффект разрушения горных пород уменьшается. Долото как бы зависает на выступах рейки. Это и приводит к значительному снижению механической скорости проходки.

В связи с этим при создании шарошечного бурового инструмента с косозубым вооружением возникла необходимость исключить возможность рейкообразования при его работе.

На первом этапе предложено одновременно использовать разнонаправленное вооружение ведущих венцов на всех трех шарошках (рис. 1). Например, первая шарошка имеет прямозубое или косозубое вооружение с минимальным углом наклона в ту или иную сторону; вторая – косозубое вооружение с правым углом подъема винтовой линии; третья – косозубое вооружение с левым углом подъема винтовой линии. В таком случае при попадании разнонаправленных зубьев след в след будет достигаться разбивание реечной поверхности, образованной вооружением каждой предыдущей шарошки. Также рекомендуется использовать асимметричные зубья, которые на всех шарошках будут иметь разные степень и направление асимметрии (рис. 2).

На втором этапе предложено использовать различные шаги зубчатого вооружения ведущих венцов на каждой из трех шарошек, при этом соблюдая условие, что шаг зубьев каждой последующей шарошки должен быть больше шага предыдущей примерно на 1/3 шага зубьев первой шарошки (рис. 1.1). В этом случае происходит интенсивное измельчение рейки и, как следствие, более качественное выравнивание забоя.

И наконец, на третьем этапе предложено использовать кинематические характеристики ведущих венцов шарошек в целях устранения эффекта рейкообразования.

Рассмотрим подробнее кинематику шарошки бурового долота [1].

К примеру, определим траекторию движения точки М, лежащей на пересечении основного и калибрующего конусов шарошки (рис. 3): 

1_1_2.png.                         (1) 

При вращении шарошки вокруг оси вращения долота: 

1_1_3.png,                                     (2) 

где ω1 – угловая скорость вращения шарошки, с-1;  ω2– угловая скорость вращения долота, с-1.

Тогда: 

1_1_4.png              (3)  

1_1_5.png ,            (4) 

где κ – эксцентриситет оси шарошки относительно оси вращения долота, мм; α – угол между осью вращения шарошки и ее образующей поверхностью, град.;  ι – смещение вершины шарошки относительно начала координат, мм.

Вектор 1_1_6.png найдем путем поворота основания конуса шарошки вокруг координатных осей Oz и Oy. 

 1_1_7.png.                         (5) 

Далее осуществим поворот вокруг оси X1 на угол 180°– . Для этого воспользуемся матрицей преобразования 

1_1_8.png ; . (6) 

Осуществим поворот вокруг оси Z на угол -φ2 = -ω2t.

Воспользуемся матрицей преобразования 

1_1_15.png                       (7).

Найдем абсолютные координаты точки М, используя векторы , 1_1_11.png 

1_1_16.png                     (8).

Определим время, когда зуб шарошки будет соприкасаться с поверхностью забоя скважины: 

1_1_9.png                          (9) 

Это будет происходить, когда cos(ω1t) = –1, так как остальные величины в выражении постоянны. Следовательно:

1_1_10.png .           (10) 

При повороте оси шарошки вокруг оси долота на 

1_1_12.png                        (11)  

при 1_1_13.png                             (12) 

получим: 

1_1_14.png,                                   (13)

 

где n – целое число (0, 1, 2, 3, …).

1_1_17.png 

Таким образом, положение точки соприкосновения зуба вооружения с поверхностью забоя скважины зависит только от передаточного отношения i.

Исследуем передаточное отношение пары «долото – шарошка». 

1_1_18.png                                (14) 

Допустим, что при последующем обороте зуб вооружения попадает в точку, где он уже образовал лунку на предыдущем обороте: 

1_1_19.png                                   (15) 

Если  принимает целые значения, тогда зуб при новом обороте будет попадать в то же место, что и при предыдущем обороте.

Рассмотрим ситуацию, когда зуб вооружения при новом обороте попадает в точку, которая смещается на треть пространства между двумя соседними попаданиями на первом обороте:

1_1_20.png                                   (16)

 

i – может принимать значение, равное 1,667.

Рассмотрим явление повторения цикла. Пусть он происходит через N оборотов, тогда:

1_1_21.png                                    (17)

 

Это и есть условие, при котором зуб вооружения попадает в лунку, сделанную им же при первом обороте. Результаты вычислений эффекта «повторного попадания» в зависимости от различных величин  и  представлены в таблице.

На основе математического моделирования процесса было установлено, что в зависимости от передаточного отношения зуб вооружения может совершать два, три, четыре и т. д. попаданий в свой собственный след в рамках одного или нескольких оборотов долота на протяжении всего процесса бурения. То есть один и тот же зуб вооружения создает свои собственные лунки в поверхности забоя и обрабатывает исключительно их в течение всего времени работы инструмента. Естественно, чем больше этих точек, тем лучше. На рис. 4 представлена схема контактирования отдельного зуба вооружения с поверхностью забоя скважины, представляющая собой звездчатый многоугольник с семью вершинами.

1_1_25.png

Если задать смещение попаданий зуба вооружения на 1/3 величины пространства между двумя соседними попаданиями на первом обороте: 

1_1_22.png

получим эффект вращения многоугольника при каждом полном обороте инструмента на угол, равный 

1_1_23.png                                (18)

 

где N – количество полных оборотов долота.

Таким образом, в результате исследований этого явления были выявлены диапазоны изменения величин передаточных отношений системы «долото – шарошка», при которых каждый зуб вооружения ведущего венца контактирует с забоем в точках, образующих вершины многоугольника, поворачивающегося с каждым последующим оборотом долота на определенный угол: 

1_1_24.png 

На основе проведенных исследований была разработана новая конструкция геометрии вооружения, позволяющая повысить эффективность работы бурового инструмента за счет лучшего разрушения забойной рейки и тем самым снизить стоимость буровых работ.

Технический результат достигается тем, что шарошки бурового долота оснащены разнонаправленным косозубым вооружением. Причем венцы, имеющие общие поверхности обработки забоя с венцами соседних шарошек, имеют разное направление наклона зубьев к оси шарошки, при этом все косые зубья в рамках одного венца каждой шарошки наклонены в одну сторону. Также по меньшей мере хотя бы один из ведущих венцов выполнен с передаточным отношением к частоте вращения бурового долота, укладывающимся в диапазоны:

1_1_26.png 

Достижению указанного технического результата способствует и то, что:

  • шаги зубьев венцов на разных шарошках, имеющих общие поверхности обработки забоя с венцами соседних шарошек, соотносятся между собой следующим образом: шаг зубьев венца второй шарошки больше шага зубьев венца первой на 30–35 %, а шаг зубьев венца третей шарошки больше шага зубьев венца первой на 65–70 %;

  • зубья шарошек выполнены асимметричными, при этом асимметрия на каждой последующей шарошке выполнена в противоположном направлении.

На рис. 1 представлена схема поражения забоя разнонаправленным зубчатым вооружением, на рис. 2 – зона поражения разнонаправленным зубчатым вооружением.

Буровое шарошечное долото содержит три шарошки 1, 2, 3, оснащенные зубьями, расположенными под разным углом к оси шарошки, причем венцы, имеющие общие поверхности обработки забоя с венцами соседних шарошек, имеют разное направление наклона зубьев к оси шарошки. На рис. 1.2 приведен пример выполнения вооружения долота, у которого две шарошки 2 и 3 имеют косые зубья 4 и 5 с наклоном в разные стороны относительно оси шарошки, а третья шарошка 1 выполнена с продольными зубьями 6. При этом зубья ведущих венцов всех шарошек выполнены с шагом, отличающимся от шага смежных зубьев, и соотносятся между собой следующим образом: шаг зубьев венца второй шарошки больше шага зубьев венца первой на 30–35 %, а шаг зубьев венца третей шарошки больше шага зубьев венца первой на 65–70 %. Причем в одноименных рядах зубья 4 и 5 имеют противоположное направление угла наклона к оси шарошки. В предложенном варианте геометрии вооружения все зубья в рамках одного венца каждой шарошки наклонены в одну сторону под одинаковым углом, что позволяет изготавливать зубья с минимальными инструментальными и временными затратами и тем самым упростить технологию изготовления шарошек и повысить качество их изготовления, а следовательно, и долота в целом. При этом по меньшей мере хотя бы один из венцов какой-либо шарошки –
1, 2 или 3 – выполнен с передаточным отношением к частоте вращения бурового долота, укладывающимся в указанный ранее диапазон.

Это позволяет обеспечить постоянное смещение точек попадания разнонаправленных зубьев вооружения относительно поверхности забоя при каждом последующем полном повороте бурового долота и тем самым повысить эффективность разрушения забойной рейки.

Зубья вооружения шарошек могут быть литыми, фрезерованными или твердосплавными, что определяется в первую очередь физико-механическими свойствами разбуриваемых пород. При этом зубья шарошек выполнены асимметричными, а асимметрия на каждой последующей шарошке выполнена в противоположном направлении. Это обеспечивает более объемное разрушение лунок при попадании зубьев с различной асимметрией след в след (рис. 2).

Принцип работы бурового долота заключается в следующем. При вращении долота шарошки 1, 2 и 3 перекатываются по поверхности забоя и разрушают породу под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента. Выполнение долота с шарошками, зубья которых расположены под разными углами к оси соответствующей шарошки, способствует повышению эффективности его работы благодаря лучшему разрушению забойной рейки и выравниванию поверхности забоя. В то же время выполнение всех зубьев в рамках одного венца каждой из шарошек с одинаковым углом наклона не приводит к существенному усложнению технологии их изготовления в сравнении с аналогичными шарошками, оснащенными прямозубым вооружением.

Таким образом, использование предложенной конструктивной схемы вооружения шарошечного бурового инструмента позволит повысить эффективность разрушения породы за счет более качественного выравнивания поверхности забоя и свести к минимуму возможность появления эффекта рейкообразования в процессе бурения. Все это в конечном счете позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото при одновременном снижении стоимости буровых работ.

 

Результаты вычислений эффекта «повторного попадания»

Results of calculating the re-ingression effect

N

i

1

1

2

3

4

2

1,5

2

2,5

3

1,333

1,667

4

1,25

1,5

1,75

5

1,2

1,4

1,6

1,8



← Назад к списку


im - научные статьи.