научная статья по теме БУРОВЫЕ ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА ДЛЯ ТВЕРДЫХ И КРЕПКИХ ПОРОД С ОПТИМАЛЬНЫМИ КИНЕМАТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ Геофизика
Текст научной статьи на тему «БУРОВЫЕ ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА ДЛЯ ТВЕРДЫХ И КРЕПКИХ ПОРОД С ОПТИМАЛЬНЫМИ КИНЕМАТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ»
Буровые шарошечные долота для твердых и крепких пород с оптимальными кинематическими параметрами
к.т.н., представитель Varel International
В статье показана возможность повышения производительности буровых шарошечных долот за счет усовершенствования геометрии их вооружения путем оптимизации кинематических параметров долота.
DRILLING RIGS DRILL BIT FOR HARD AND HARD ROCKS WITH OPTIMAL KINEMATIC PARAMETERS
Y. PALASCHENKO, a representative of Varel International
The article shows the possibility of increasing the productivity of drilling rock bits by optimizing the kinematic parameters of the bit.
Keywords: roller bit drilling, the kinematic parameters, adopted bits, tracking, a leading cutter, the gear ratio cutters, slip rims cutters
Буровое шарошечное долото было изобретено сто лет назад, и вот уже целое столетие конструкторы непрерывно пытаются усовершенствовать поро-доразрушающую структуру шарошечных долот.
Однако до сих пор в среде долотостро-ителей и исследователей буровых долот бытуют две ошибочные, на наш взгляд, точки зрения, которые препятствуют совершенствованию вооружения шарошечных долот Первая точка зрения связана с понятием о рейке, образующейся на забое скважины в процессе бурения [1], и призывами к беспощадной борьбе с ней. Вторая - c понятием о ведущей шарошке бурового долота [1].
Что представляет собой забойная рейка? Это зубчатая поверхность на забое скважины, образующаяся при взаимодействии зубцов шарошек с горной породой. В английской транскрипции забойная рейка выражается одним словом - tracking, и надо сказать, что это слово наводит ужас на западных специалистов различного ранга и уровня компетенции, чему автор данной статьи был свидетелем далеко не единожды. Причем забойная рейка оказывает определяющее влияние на характер кинематики шарошечного долота, эффективность его работы и износ. Если шарошечное долото имеет зубцы, невозможно разрушать забой без образования рейки. Только шарошечное долото, имеющее дисковые венцы вместо зубчатых, разрушает
забой без какой-либо рейки [2, 3]. А упорная борьба конструкторов против формирования забойной рейки при бурении шарошечными долотами выглядит как борьба Дон Кихота с ветряными мельницами.
Что касается ведущей шарошки в долоте, это понятие и связанный с ним принцип расчета скоростей скольжения шарошек закрепились в технической литературе 50 лет назад [1]. В основе этого понятия лежит мнение, что при работе трехшаро-шечного долота забойную рейку формирует какая-то определенная ведущая шарошка, а остальные подчиняют свое движение этой рейке.
В качестве ведущей обычно указывается та шарошка, которая перекатывается по забою почти без скольжения [4], или та, у которой имеется наименьшее число зубцов на периферийном венце [5]. Причем такой выбор ведущей шарошки делается или в констатационном порядке, без выяснения природы принадлежности данной шарошки к ведущей [4, 5], или же исходя из предположения, что зубцы периферийного венца с максимальным шагом обладают наибольшей кинетической энергией и, следовательно, должны образовывать рейку большей глубины [6].
С таким предположением вряд ли можно согласиться, во-первых, потому, что разница между максимальным и минимальным шагом периферийных зубцов шарошек в долоте составляет всего 2 - 3 мм и поэтому не может оказывать какого-либо
Вооружения долота 8 1/2"CH55MRS Вооружения долота 8 1/2"ETD55MRS
Венец Шарошка 1 Шарошка 2 Шарошка 3 Шарошка 1 Шарошка 2 Шарошка 3
Периферия +2,4 +2,4 +2,4 +31,3 +4,1 +5,7
Смежный -13,9 -9,5 -7,9 +11.4 -9,3 -5,5
Основной 1 -18,6 -18,9 -16,6 +7,0 -18,5 -15,8
Вершина +67,5 -0,4 +1124 +271 +9,7 +11,4
> означает замедленное скольжение зубцов, «-« означает ускоренное скольжение зубцов.
практического влияния на величину кинетическои энергии зубцов, и, во-вторых, потому, что даже если имеется отличие в кинетическои энергии зубцов, то, учитывая поступательное движение всех шарошек долота вдоль оси скважины, темп разрушения забоя и глубина лунок забоИноИ реИки будут определяться шарошкой с наименьшим запасом кинетической энергии.
К этому следует добавить, что еще 30 лет назад нами было доказано отсутствие в долоте какой-то шарошки, обладающей ведущими свойствами [7]. Можно сказать, что все шарошки долота являются ведущими без какой-либо дискриминации.
Почему мы подчеркнули эти две ошибочные, на наш взгляд, точки зрения на закономерности взаимодействия шарошечного долота с забоем скважины?
Да только потому, что также 30 лет назад был разработан метод расчета кинематических параметров шарошечных долот, который исходит из реального процесса образования забойной рейки и вытекающих из этого особенностей взаимодействия шарошек с забоем [7]. Выдающийся специалист в области разрушения горных пород профессор Р.М Эйгелес, отмечая преимущества данного метода, рассматриваемого в 1989 г. в МИНХ и ГП им. И.М. Губкина в качестве предмета докторской диссертации, назвал его «реечным расчетом», что полностью отражает суть этого метода. Указанный метод расчета позволил создать шарошечное долото для твердых абразивных пород, которое обеспечило увеличение проходки вдвое по сравнению с базовым серийным долотом [8, 9].
Разработанная теория кинематического расчета шарошечных долот открывает возможность определения фактического значения передаточного отношения шарошек и действительной величины скольжения породораз-рушающих венцов относительно забоя скважины. Если мы знаем действительное значение скольжения всех венцов шарошек, мы можем прогнозировать характер износа этих венцов и породоразрушающую способность долота.
В качестве наглядного примера предлагается сравнить две модели бурового шарошечного долота для твердых и крепких пород: 8 1/2 ETD55MRS (^С 637) и 8 1/2 CH55MRS (^С 637). Долото типа 8 1/2 CH55MRS было сконструировано на базе долота 8 1/2 ETD55MRS [9] с использованием разработанной методики расчета, позволяющей оптимизировать кинематические параметры шарошечных долот. В частности, можно увеличить скольжение вооружения шарошек долота для мягких пород и, наоборот, уменьшить это скольжение до минимума у долот, предназначенных для бурения в твердых и крепких абразивных породах, и даже создать долото с шарошками чистого качения, породоразрушающие элементы которого взаимодействуют с забоем без всякого скольжения.
Итак, указанные типы долот имеют следующие значения удельного скольжения вооружения шарошек, подсчитанные по известной формуле [10]:
где S'x - удельное скольжение венца,
Rx - радиус вращения венца вокруг оси долота,
гх - радиус венца,
i - фактическое передаточное отношение шарошки. Эти расчеты показывают, что удельное скольжение периферийных венцов долота типа 8 1/2 CH55MRS одинаково у всех трех шарошек и составляет всего +2,4%, тогда как удельное скольжение тех же венцов долота 8 1/2 ETD55MRS различно для каждой шарошки. Так,
Рис. 1. Износ долота 8 1/2 CH55MRS, №191100. Проходка 763 м, время бурения 146 ч, механическая скорость 5,2 м/ч
Рис. 2. Износ долота 8 1/2 CH55MRS, №191101. Проходка 793 м, время бурения 64 ч, механическая скорость 12,3 м/ч
скольжение периферийного венца первой шарошки достигает +31,3%, т. е. каждый калибрующий зубец проскальзывает одну треть своего пути за один оборот долота.
Основные венцы шарошек обоих типов долот имеют различные величины и направленность удельного скольжения. Эти два типа долот использовались для бурения наклонно-направленных скважин с винтовыми забойными двигателями в Татарстане при разбуривании твердых и крепких абразивных пород.
Рис. 1 и 2 показывают износ долот 8 1/2 CH55MRS, №191100 и №191101, который соответствует удельному скольжению каждого породоразрушающего венца. Здесь и далее первая шарошка расположена слева, а вторая и третья шарошки - в направлении по часовой стрелке от нее.
Рис. 3 показывает, например, износ долота 8 1/2 ETD55MRS, №167818, который также полностью отвечает характеру скольжения породоразрушающей структуры шарошек.
Результаты бурения этими долотами следующие (рис. 1, 2, 3).
Рис. 3. Износ долота 81/2 ETD55MRS, № 167818. Проходка 291 м, время бурения 31 ч, механическая скорость 9,4 м/ч
Рис. 4. Долото 8 1/2 CH55MRS, №191103 (слева) и 8 1/2 ETD55MRS, №1(278 1 4 (справа). Проходка долота 8 1/2 CH55MRS составила 854 м за 117 ч при механической скорости 7,3 м/ч. Проходка долота 8 1/2 ETD55MRS составила 537 м за 68 ч при механической скорости 8,8 м/ч
Рис. 5. Износ долот 8 1/2 CH55MRS и 8 1/2 ETD55MRS, показанных на рис. 4, и долота другого западного производителя с алмазным упрочнением тыльной части шарошек (справа) после бурения 868 м за 82 ч при механической скорости 10,5 м/ч
Рис. 4 показывает сравнительный износ долот 8 1/2" СН55М^, №191103 (слева) и 8 1/2 ETD55MRS, №167814 (справа).
Рис. 5 демонстрирует износ трех долот Потеря диаметра долот 8 1/2 CH55MRS и 8 1/2 ETD55MRS составила 1 мм, тогда как долото другого производителя потеряло в диаметре 7 мм, несмотря на алмазное упрочнение его калибрующей части.
И, наконец, рис. 6 показывает три долота, отработанных в Украине в скважине №113 Рудивско-Червонноза-водской площади.
Рис. 1 - 6 красноречиво демонстрируют неоспоримое преимущество долота с оптимальными кинематическими
Рис. 6. Износ долот, отработанных в Украине в скв. №113 Рудивско-Червоннозаводская пл.
Справа - долото 8 1/2 CH55MRS, № 227878, пробурившее
58 м в интервале 4702 - 4760 м за 428, 5 ч при механической
скорости 0,14 м/ч. В середине долото другого западного производителя, пробурившее 44 м в интервале 4601 - 4645 м за 318 ч при механической скорости 0,14 м/ч. Слева долото того же производителя, пробурившее 51,7 м в интервале 4645 - 4696,7 м за 207 ч при механической скорости 0,25 м/ч
параметрами по сравнению с любыми другими шарошечными долотами, об оптимизации кинематики которых не может быть и речи.
Итак, представленные в данной статье материалы убедительно доказывают, что буровое шарошечное долото для твердых и крепких пород типа 8 1/2 CH55MRS с опти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.