Специальность 05.05.06 – «Горные машины» диссертации на соискание ученой степени

На правах рукописи
Хлус Андрей Александрович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРОВОГО
ОДНОШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА
Специальность 05.05.06 – «Горные машины»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» и ГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор
Карнаухов Михаил Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент
Комиссаров Анатолий Павлович
кандидат технических наук
Эпштейн Валерий Ефимович
Ведущая организация – ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ
Защита диссертации состоится «27» декабря 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» в зале заседаний Ученого совета по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО
«Уральский государственный горный университет»
Автореферат разослан «24» ноября 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
М. Л. Хазин
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Буровые шарошечные долота - основной инструмент, с помощью которого
осуществляется разрушение породы и ведется строительство скважин в горной
промышленности, в геологоразведке, а также при бурении скважин в нефтяной
и газовой промышленности.
Процесс углубления скважин в горных породах связан с необходимостью
применения эффективных породоразрушающих долот. Усложнение условий
бурения определяется повышением глубины залегания природных энергоресурсов (руда, уголь, нефть, газ) и усложнением горно-геологических условий
(высокая прочность, неоднородность, слоистость и т.д. горных пород).
Бурение горизонтов, сложенных твердыми породами, является наиболее трудоемким процессом, требующим большого расхода долот и определяющим общий ресурс времени для бурения скважин в целом.
Кроме того, все больше стали применять скважины сложных профилей, в том
числе с проводкой наклонно-направленных и горизонтальных участков стволов, поэтому к эффективным конструкциям породоразрушающих элементов в
настоящее время интерес существенно возрос.
При бурении в породах от средней прочности до очень крепких абразивных
до 70 % отказов долот происходит из-за выхода из строя части породоразрушающих зубков и разрушения корпусов шарошек.
Повышение долговечности вооружения буровых долот зависит от целого
комплекса конструктивных и технологических факторов, влияющих на стойкость и надежность работы зубков и шарошек в целом. Улучшение какого-то
одного фактора способно лишь частично повысить ресурс работы долота, поэтому повышение эффективности его работы возможно только с одновременным проведением комплекса взаимосвязанных исследований.
Среди опорных долот наиболее часто применяют трехшарошечные долота.
Причем чем больше глубина скважины, тем чаще применяются долота опорного типа – обычно, трехшарошечные. Однако с уменьшением диаметров долот
трехшарошечные долота все больше становятся проблемными, так как они
имеют слабую опору шарошки, и поэтому их ресурс снижается.
Более мощные по опоре одношарошечные долота (ОД) применяются совсем
в небольших объемах. Это связано с тем, что механизм бурения этими долотами, с одной стороны не достаточно изучен, а с другой – наблюдается консерватизм в строительстве скважин и в производстве самих долот. Многолетние работы в области конструирования шарошечных долот не привели к созданию
принципиально новых моделей, которые вошли бы в серийное производство.
Таким образом, проблема повышения эффективности бурового одношарошечного долота является актуальной для горной, нефтяной и газовой промышленности и геологоразведки.
2
Цель работы. Повышение эффективности бурового одношарошечного долота за счет выбора рациональных параметров и совершенствования конструкции
на основе математической модели рабочего процесса.
Идея работы заключается в обосновании рациональных параметров элементов конструкции одношарошечного долота на основе исследования кинематических и динамических характеристик долота с учетом практического опыта
производственной отработки долот для повышения эффективности одношарошечных долот.
Объект исследований: буровое одношарошечное долото.
Задачи исследования:
- аналитическая оценка и обобщение результатов теоретических, экспериментальных исследований и технических разработок в области модернизации
конструкторских решений при разработке шарошечных долот;
- анализ износа элементов конструкции опорных поверхностей и вооружения
ОД и проблем разрушения ими горных пород;
- исследование кинематики работы долота, расчет движения зубков шарошки
долота, определение оптимального размещения зубков на шарошке;
- исследование динамики ОД, характера изменения нагрузки на зубки различных венцов шарошки ОД при взаимодействии их с породой;
- исследование процессов промывки забоя скважины и гидравлических характеристик ОД для определения рациональных способов подачи жидкости на
забой;
- разработка и изготовление эффективного ОД.
Научные положения, выносимые на защиту:
- повышение степени использования вооружения долота обеспечивается равномерным разрушением сферического по форме забоя, применением усеченной
шарошки и изменением угла наклона цапфы долота;
- исключение преждевременного износа и слома зубков вершинной части
шарошки обеспечивается распределением зубков у основания шарошки с
меньшей плотностью и их разворотом режущей поверхностью в сторону вращения долота;
- математическая модель кинематики и динамики работы вооружения позволяет оптимизировать энергозатраты на разрушение забоя по критерию совершенной работы;
- выполнение дополнительного промывочного канала способствует улучшению очистки забоя от шлама и снижает гидравлическое давление на стенки
скважины во время спускоподъемных операций.
Предмет исследований: обоснование конструкционных и режимных параметров ОД.
Научная новизна результатов исследований.
1. Теоретически обоснован порядок распределения зубков на шарошке и
направлений их режущих поверхностей.
3
2. Предложен способ равномерного перераспределения нагрузки на все зубки
шарошки ОД.
3. Разработана математическая модель кинематики и динамики работы вооружения ОД при разрушении горных пород.
Практическая значимость работы: Разработана методика определения кинематических и динамических характеристик одношарошечного долота. Решена задача эффективной очистки забоя от шлама и исключен эффект «поршневания» при спускоподъемных операциях. На основе этой методики разработана
и передана на специализированное долотное предприятие ООО «Опытный завод технических средств бурения на газ» (г. Нижние Серги) нормативная документация на изготовление модифицированной конструкции одношарошечного долота с рациональным координированным расположением вооружения
по сфере шарошки, снижающая износ вооружения и увеличивающая ресурс
работы долота (проходки, рейсовой и механической скорости бурения), а также
с усовершенствованной системой промывки долота.
Разработанные методологические решения явились основой совершенствования элементов породоразрушающего инструмента и повышения надёжности
работы шарошечного долота по среднему ресурсу на 40 %.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций определяется применением современных методов численного моделирования, адекватностью математических моделей и подтверждается результатами
отработки новых долот в стендовых и промысловых условиях. Погрешность
при сравнении результатов экспериментальных исследований долот с новыми
конструктивными элементами с соответствующими аналитическими расчетами
не превышает 5 % для основных суммарных нагрузочных характеристик всего
долота.
Методы научных исследований. Системный анализ и научное обобщение
результатов теоретических исследований, применение современных методов
численного моделирования, изучение особенностей износа и разрушения зубков по данным бурения скважин.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач
исследований, сборе и обобщении материалов, построении математических и
компьютерных моделей, составлении проектной и конструкторской документации, а также организации, проведении и анализе результатов всего комплекса
экспериментальных исследований.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований
использованы при разработке конструкций новых эффективных ОД, подготовке
технологии их производства на специализированном долотном предприятии
ООО «Опытный завод технических средств бурения на газ» (г. Нижние Серги),
при составлении и реализации программ отработки долот в производственных
условиях.
Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной
работы докладывались: на XIV Международном научном симпозиуме им. ака-
4
демика М.А.Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2010 г.), на
Международной конференции «East meets West 2010. SPE» (г. Краков, Польша,
2010 г.), на IV Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2010 г.), на научнотехнической конференции «Технологическое оборудование для горной и
нефтегазовой промышленности»: Чтения памяти В.Р. Кубачека (г. Екатеринбург, 2010 г.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 научных статей, в том
числе 2 в ведущих рецензируемых научных журналах.
Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 84 страницах машинописного текста, содержит 63
рисунка, 8 таблиц, библиографический список из 71 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темы и общей
характеристике диссертационной работы, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе рассмотрены проблемы применения ОД. Определены преимущества конструкции одношарошечного долота перед трехшарошечными и
фрезерными долотами и выявлены направления улучшения конструкций ОД.
Проанализированы проблемы применения шарошечных долот и поставлены задачи исследования.
Проведен анализ конструкций шарошечных долот. Выявлены тенденции развития конструкций ОД в России и за рубежом. Исследованы конструкции применяемого вооружения при оснащении ОД, а также рассмотрены системы промывки ОД.
На основе результатов применения ОД на производстве выявлено, что ресурс
долот определяется быстрым износом и разрушением зубков у вершины шарошки, образованием «целиков» на поверхности забоя скважины. При нерациональном распределении зубков на поверхности шарошки во время прохождения высокопрочных пород возникает биение. На основании этих наблюдений
сформулированы задачи исследования и основные проблемы совершенствования конструкции долота.
Во второй главе проведен анализ промысловой отработки ОД диаметром
139,7 мм. Показано, что ресурс ОД зависит от работоспособности его основных
элементов: породоразрушающих зубков и подшипниковой опоры. Образование
люфта в подшипнике долота связано с износом беговых дорожек на цапфе и
шарошке, износом, разрушением шариков, износом опорных поверхностей
скольжения цапфы и шарошки. Износ элементов подшипникового узла долота
связан с длительной контактной знакопеременной нагрузкой, действующей на
него при вращении шарошки. Особенно интенсивно изнашиваются элементы
опорного узла при срабатывании зубков шарошки и нарушении устойчивости
5
работы долота, что сопровождается возникновением дополнительно ударных
осевых и радиальных нагрузок.
В целом же первопричиной отказа ОД и его опоры является износ породоразрушающих зубков, на интенсивность которого влияет конструкция долота:
наклон оси вращения шарошки, равномерность распределения зубков по ее поверхности, вылет зубков, их вид и ориентация и т.д.
На рис. 1, А показана шарошка с частично изношенными зубками: зубки соответственно 1-7 слоев изношены на 1/2 - 1/5 высоты. Беговые дорожки на шарошке не изношены, что свидетельствует о том, что опорный узел не влиял на
работу долота. Однако вокруг двух соседних зубков второго слоя наблюдаются
концентрические выработки диаметром до 22 мм. Интересно, что эти зубки изношены не более других зубков этого же ряда, да и зубков соседних рядов.
Штыри (зубки) по внешнему восьмому слою отсутствуют. На рис. 1, Б показана
шарошка другого отработанного долота, у которого вокруг одного из зубков
второго слоя на теле шарошки наблюдается гораздо более глубокая выработка
диаметром 30 мм и глубиной 4-5 мм. Зубок полностью изношен. Соседние зубки данного ряда, как и на соседних рядах, тоже изношены, некоторые сколоты
под корень. Имеются также следы окружности большего диаметра (d=52 мм) на
теле шарошки с центром в месте установки зубка. Тот факт, что металл тела
шарошки частично «затек» в промывочный канал, свидетельствует о том, что
при трении поверхности шарошки о забой возникают высокие температуры,
расплавляющие сталь. Заметим, что в рассматриваемой шарошке при полностью изношенных (стертых или сколотых) зубках первых трех слоев зубки
верхних слоев не все и не полностью разрушены: некоторые зубки целые, неповрежденные (таких зубков вместе со штырями 30 %), некоторые частично изношены (стерты на 1/3 - 1/2 высоты), некоторые сколоты. В теле шарошки имеется трещина, проходящая вдоль одного из каналов, не развитая до центра шарошки. Примечательно, что при значительном разрушении зубков шарошки и
наличии трещины в корпусе шарошки практически не изношены беговые дорожки шарошки и цилиндрические опорные поверхности: опора не повреждена. Как видим, провороты шарошки вокруг оси долота возможны даже при ненарушенной опоре долота и неизношенных подшипниках, то есть при отсутствии заклинивания в подшипниках качения. Такой износ вооружения и шарошки возникает вследствие неравномерности распределения зубков по поверхности сферы шарошки и расположения большего их числа у вершины шарошки, в результате чего угол наклона мгновенной оси вращения шарошки изменяется.
Все это приводит к тому, что при попадании одного из зубков указанного ряда в углубление в центре забоя при наличии неразрушенного целика рядом с
центром забоя, усилие, передаваемое на зубок для его перемещения, становится
недостаточным и шарошка проворачивается на данном зубке до тех пор, пока
зубок не соскользнет с образовавшейся выработки. Длительное вращение шарошки на зубке обуславливает повышение интенсивности изнашивания как те-
6
ла шарошки, так и ее опоры, что приводит к отказу долота.
А
Б
В
Г
Д
Рис. 1. Выработки на теле шарошки
В целом исследования отработки ОД различных типоразмеров показали, что
неравномерное распределение зубков на поверхности шарошки приводит к образованию целиков на забое и очагов выработки в теле шарошки. Поэтому при
разработке конструкции нового долота предусмотрено более рациональное
размещение зубков и их ориентация по направлению движения и разрушения
пород.
В третьей главе проведены исследования кинематики и динамики работы
одношарошечного долота. Работа шарошечного долота является механическим
процессом, обусловливающим ударное и сдвиговое действия зубьев вооружения шарошки, а также резание. Процессы разрушения породы для разных зубков и при разном местоположении их на забое во время движения могут быть
различными. Создается сложная картина взаимодействия породоразрушающих
элементов долота с горной породой. Для упрощения рассматриваются отдельно
разные процессы, такие как скорость вращения, кинематика движения зубков,
динамика и в целом работа долота.
Особенность кинематики одношарошечного долота состоит в том, что шарошка участвует в сложном движении: относительном движении вокруг собственной оси и переносном вращательном движении вокруг оси долота. В результате сложения двух вращательных движений в каждый момент времени
шарошка совершает вращение вокруг некоторой мгновенной оси.
Кинематика и динамика одношарошечного долота изучались многими исследователями. Наиболее глубоко работа ОД изучена В.В. Булатовым, Н.Ф. Рязанцевым и Л.А. Карнауховым, А.В. Зубаревым и др. В указанных работах шарошка рассматривается как шар, контактирующий с полусферическим забоем через
равномерно распределенные по его поверхности породоразрушающие элементы – зубки. При этом допускается, что со стороны забоя на шарошку действуют
силы реакций в точках контакта с зубками долота, суммарная проекция которых на ось скважины равна нагрузке, передаваемой долоту при бурении, а их
7
величины пропорциональны глубине погружения зубков в породу. Такой подход достаточно обоснован и вполне отражал условия работы первых выпущенных в нашей стране ОД, которые имели относительно равномерное распределение зубков по всей сферической поверхности шарошки.
В последнее время появились конструкции новых ОД, отличающиеся формой шарошки и способом оснащения зубками. Поэтому требуется дополнение и
развитие выполненных ранее исследований по кинематике и динамике долота
для объяснения особенностей работы новых конструкций долот и определения
рациональных режимов их применения.
Рассматривая возможные различные ситуации, возникающие при контакте
зубков с породой на забое скважины во время бурения, необходимо определить
положение мгновенной оси вращения шарошки: тогда возможно определить
скорости движения отдельных зубков, их траектории перемещения по сферической поверхности забоя, их загруженность и условия резания породы пласта.
Для определения положения мгновенной оси вращения (МОВ) предлагается
новый алгоритм расчета, основанный на использовании простых аналитических
зависимостей, без применения интегральных вычислительных операций, как
это было реализовано в ранних работах. Предлагаемый подход основан на возможности применения современных компьютерных средств с использованием
итерационных схем счета.
На рис. 2 приведена расчетная схема работы шарошки ОД и определения положения мгновенной оси вращения ОД.
Рис. 2. Схема определения положения мгновенной оси вращения ОД:
R – радиус ОД; RMi – расстояние от точки нахождения i-го зубка до МОВ; r – радиус
окружности сечения шарошки, перпендикулярного оси цапфы; φ – центральный угол конуса
с основанием радиуса r; α – угол наклона цапфы; γ – угол наклона МОВ; θ – центральный
угол; х – координата шарошки по вертикальному направлению.
Для определения работы, совершаемой зубками ОД, необходимо вычислить
сумму моментов, создаваемых зубками шарошки относительно МОВ, которые
определяются произведением радиуса RMi на силу сопротивления резания Fi:
n
M   M i  RMi  Fi ;
i 1
(1)
8
Fi  F0 ·cosi ,
(2)
где RMi - радиус i -го зубка относительно МОВ, м; i - номер зубка шарошки; Fo максимальная сила для центрального зубка в точке х = 1, H; Fi – сила резания i
– го зубка, H; φ – центральный угол с основанием радиуса r.
Работа разрушения зубками шарошки ОД:
A  M ·ω м ·t ,
(3)
-1
где ω м - мгновенная скорость вращения за время t , c .
При этом погружение i -х зубков в поверхность забоя принято в расчетах
пропорциональным cos φi.
На рис. 3 приведены графики зависимостей работы ОД от углов наклона
цапфы α и положения МОВ: A  f (α, γ) .
Рис. 3. Графики работы разрушения зубками ОД для различных углов наклона цапфы
и положения МОВ
На рис. 4 приведена схема определения положения зубков в координатах х, у,
z на поверхности шарошки в различные моменты времени; Θ1 – угол смещения
зубка относительно оси долота; Θ2 – угол смещения зубка шарошки относительно оси цапфы.
Рис. 4. Схема для определения траектории движения зубка
9
1  ω д ·t ,
(4)
2  ωш ·t ,
(5)
где ωд - угловая скорость вращения долота, c-1; ωш - угловая скорость вращения шарошки, c-1; t - время проворота долота и шарошки, c.
Для зубков каждого слоя сферы шарошки соответствует собственная траектория движения. Слой шарошки определятся центральным углом А (см. рис. 3).
На рис. 5 представлены траектории движения точки находящейся на слое
сферы шарошки с центральным углом А = 600, для угла наклона цапфы α  300 .
х
у
б
а
z
x
x
в
z
Рис. 5. Траектория движения точки на зубке ОД при центральном угле А= 600:
а – вид сбоку; б – вид сверху; в – пространственное изображение траектории
Наибольший интерес представляют траектории точек, находящихся на слоях
сферы в диапазоне центрального угла А от 850 до 450. Видно, что зубок совершает сложное движение и у самой вершины сферы выводит зигзагообразную
кривую.
За время движения по траектории зубок разворачивается вокруг оси скважины несколько раз и разрушение породы на отдельных участках траектории
осуществляется тыльной поверхностью зубка, а не режущей, что приводит к
преждевременному износу и его слому.
10
На рис. 6 приведена схема расчета траекторий движения зубка и изменения
направления разворота режущей поверхности зубка.
Рис. 6. Схема определения положения режущей поверхности зубка
Вычислив координаты положения режущей поверхности и направления нормали к этой поверхности, построили схему, на которой изображено положение
режущей поверхности зубка за его полный оборот (рис.7).
Рис. 7. Схема направлений нормалей рабочей поверхности зубка (вид сверху)
Выявлены слои шарошки, где зубки совершают разворот во время движения
(слои примыкающие к вершине шарошки).
В третьей главе, так же рассмотрены вопросы, связанные с динамикой одношарошечного долота.
При рассмотрении сил, действующих на зубки шарошки (рис. 8), обычно
предполагают, что нагруженность зубков пропорциональна глубине их погружения, внедрения в породу. Очевидно, максимально нагруженным является зубок, находящийся в центре забоя – в точке пересечения оси долота со сферической поверхностью забоя. Если удельную нагрузку на зубок в центре забоя обозначить через q0, то удельные нагрузки на другие зубки:
11
q  q0 cos  ,
(6)
где  - центральный угол между радиусом сферы, проведенным по оси шарошки и радиусом, проведенным к точке крепления зубка на сфере; q0 - нагрузка на
зубок в центре забоя, H.
ds
Рис. 8. Схема распределения нагрузок на зубки долота
Для определения величины q0 вычислены суммарные проекции нагрузок на
все зубки на вертикальную ось z.
При бесконечном числе зубков величина
G   q·cos ·ds ,
(7)
S
где ds элементарная площадка поверхности забоя.
ds  R·d ·R sin  ·dθ ,
где dθ - приращение угла разворота долота; dφ - приращение центрального угла; R – радиус долота, м.

2 2

2
2
2
(cos


d
(cos

))
d
θ

· ·q0 R 2


3
0 0
0
0
При этом после интегрирования получаем:
3 G
3 G
q0  ·
q ·
·cos
и
(8)
2
2  ·R
2  ·R 2
Рассмотрен случай движения долота вокруг оси скважины со скоростью nд, в
два раза большей скорости движения шарошки в противоположную сторону,
относительно оси цапфы nш, при этом общее движение шарошки вокруг оси
скважины:
nшоб  nд  nш .
(9)
Рассмотрены нагрузочные характеристики двух типов ОД: стандартного, которое выполнено с наклоном цапфы, равным 300 (долото типа I 139,7 - СЗ АУ.000), и одношарошечного с наклоном цапфы, равным 450. Такой наклон
цапфы выбран для оценки работоспособности долота, с измененным наклоном
цапфы.
G
  R ·q0 ·cos ·sin ·d·dθ  q0 ·R
2
2
2
2
12
Скорость движения зубка при известных конфигурациях траектории, где траектории определены в виде точек положений зубков при соответствующем развороте на определенный угол мгновенной оси шарошки:

l
,
t
(10)
где l - путь, м, пройденный зубком за время t , c.
Воздействие силы, действующей на зубок за время его движения по траектории, определено в соответствии с формулой:
F a·cos α  r2 ·cos θ 2 ·sin α 
Fj  max
,
(11)
R
где j - номер зубка в i-м слое; Fj - нагрузка на j-й зубок в слое H; Fmax максимальная нагрузка на зубок, H; а - расстояние до слоя, на котором находится зубок, м; α - угол наклона цапфы; θ2 - угол смещения шарошки; r2 - радиус слоя, м; R - единичный радиус, м.
Работа разрушения j-м зубком:
A j  F j ·l ;
(12)
l  ωш ·r2 ·t ,
(13)
где ωш - угловая скорость шарошки, c-1; r2 - радиус слоя, на котором находится
зубок, м; l - путь пройденный зубком за время t , м.
Суммарная работа разрушения всеми зубками i-ого слоя равна:
M
Ai   A j ,
(14)
j 1
где i - номер слоя шарошки; M - количество зубков на i -м слое.
Суммарная работа всех зубков шарошки
N
A   Ai ,
i 1
(15)
где N - количество слоев.
На рисунках 9 и 10 ниже приведены относительные характеристики скорости
υ, силы, действующей на зубок, F и работы, А для слоев 1-5 шарошки в зависимости от угла θ разворота долота от 0 до 3600.
Видно, что силы на отдельные зубки у вершины шарошки существенно изменяются по мере погружения зубков к центру забоя. Наиболее загружены зубки в первом слое у вершины шарошки. По мере удаления слоев от вершины
шарошки к ее основанию нагрузка на зубки уменьшается.
Расчеты показывают, что в целом силы резания и работа разрушения зубками
изменяются от первого к пятому слою в два раза. Анализ работы зубков с шестого по одиннадцатый слой показали, что эти зубки контактируют с забоем на
всей траектории движения и их нагрузка уменьшается в три – пять раз по сравнению с нагрузкой на зубки первого слоя.
13

F

Рис. 9. График скорости и сил действующих на зубки находящихся на слоях с первого по
пятый, стандартного одношарошечного долота

А

Рис. 10. График удельной работы разрушения зубками, находящимися на слоях с первого
по пятый, стандартного одношарошечного долота
Еще меньше нагрузка на зубки слоев у основания шарошки: в шесть - сто раз.
Исходя из этого можно сделать вывод, что в стандартных долотах зубки имеют
совершенно разный потенциал: с существенной перегрузкой зубков, примыкающих к вершине шарошки, и недогруженных зубков у основания шарошки.
Это главные особенности, которые приняты во внимание при разработке новой
конструкции долота.
На внешних слоях (периферийные примыкающие к основанию шарошки)
зубки осуществляют, по существу, калибровку ствола, не сильно перегружены
и контактируют со стволом периодически. Их особенность состоит еще в том,
что они направлены своей режущей поверхностью в сторону движения долота
и по конструкции могут быть аналогичны зубкам типа Г23.
14
Надо отметить, что в стандартных долотах, выпускаемых в последние 20 – 30
лет, все зубки одношарошечного долота на всех слоях развернуты в противоположную сторону вращения долота, что совершенно не верно, особенно это касается зубков верхних слоев.
Очень важно заметить еще и тот факт, что та периферийная часть забоя, где
начинает формироваться сфера забоя и где глубина внедрения зубка в породу
составляет несколько миллиметров, (в сравнении с центральной частью забоя,
где зубок погружается практически на глубину своего вылета на шарошке), на
самом деле эта часть забоя разрушается зубками практически всех слоев шарошки, и поэтому происходит многократное дублирование их работы.
В четвертой главе описаны конструктивные решения, направленные на повышение эффективности бурения одношарошечными долотами. Проведен анализ взаимодействия промывочной жидкости в системе долото – забой скважины, исследованы механизмы промывки скважины при бурении и определены
способы повышения эффективности очистки забоя. Проведен расчет гидравлических сопротивлений, возникающих при спуско-подъемных операциях.
Выполненные исследования по кинематике и динамике работы ОД, а также
анализ промысловых отработок долот выявили основные недостатки существующих конструкций ОД. Главные ориентиры на совершенствование долота,
это необходимость изменения угла наклона цапфы. Расчеты показали, что рациональным углом для долот диаметрами 139,7; 144; 161 мм является угол,
равный 450. Поэтому в предлагаемой конструкции (рис. 11) выполнено долото
именно с таким наклоном цапфы.
Следующий шаг – это достижение более равномерной нагрузки на зубки долота. Предложено исключить несколько слоев зубков у вершины шарошки. При
этом внесены также изменения в конструкцию самой шарошки, где ее вершинная часть выполнена по ступенчатой форме ближе к конусному виду. При этом
зубки центральной части шарошки погружаются в забой в
меньшей степени, чем у серийного долота.
Существенно изменена система гидравлической промывки долота. В первую очередь
проведен центральный промывочный канал через цапфу долота. Он обеспечивает не только улучшение промывки забоя
от шлама, путем отведения
раствора со шламом за спину
долота, но и снижает эффект
поршневания долота при спусРис. 11. ОД новой конструкции
15
ко-подъемных операциях. При этом изменена форма промывочных каналов,
исходя из необходимости равномерного расположения зубков шарошки.
Кроме того, выполнено два вместо одного канала в корпусе долота, обеспечивающих верхнюю промывку долота с разделением потока. Такое разделение
ядра потока позволяет снизить реактивные усилия, действующие на долото при
выходе жидкости из промывочного канала, что положительно сказывается на
устойчивости работы долота. За счет увеличения площади сечения каналов
снижается напор потока, соответственно снижается давление на стенки скважины и увеличивается площадь омывания шарошки.
На теле шарошки промывочные каналы направлены не по меридиональным
направлениям от основания шарошки к вершине, а по спиралевидной форме,
что обеспечивает не только лучшие условия промывки забоя, а главным образом возможность более равномерного распределения зубков на поверхности
шарошки.
Существенным также является применение зубков с двумя режущими поверхностями. Размещение этих зубков производится с ориентацией главной режущей поверхности в сторону движения долота (а не шарошки, как в серийных
долотах) по венцам шарошки.
Отработка новых конструкций ОД в стендовых и промысловых условиях показала их более эффективную работу относительно серийных ОД.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации дано новое решение актуальной научно-практической задачи
по совершенствованию конструкций ОД для бурения скважин.
Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются
в следующем:
1. Выполнены теоретические исследования особенностей разрушения забоя
скважин зубками ОД на основе разработанной и научно обоснованной методики определения кинематических и динамических характеристик ОД, заключающейся в численном моделировании нагрузочных характеристик вооружения
долота.
2. Выявлены участки у вершины шарошки, где зубки наиболее перегружены,
и предложены способы перераспределения нагрузки на другие зубки шарошки
путем изменения формы шарошки и применения зубков различного типа.
3. Показано, что режим разрушения сферического по форме забоя ОД при
наклоне цапфы под углом, близким к 450, более эффективен, чем у ОД с углом
наклона цапфы 300. Когда достигается режим максимальной проходки на долото, эффективность составляет 50 – 90 %.
4. Разработана новая конструкции ОД с равномерным расположением зубков
на поверхности шарошки и существенным улучшением системы промывки.
16
5. Положения, разработки, нормативная документация и научнопрактические рекомендации внедрены на ООО «Опытный завод технических
средств бурения на газ». Результатом явилось снижение трудоемкости изготовления на 40 %, а экономический эффект составляет 3 тыс. руб. на изготовление
одного долота.
Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК:
1. Долгушин В.В., Кулябин Г.А., Хлус А.А. Моделирование работы долота
на разрушаемом забое//Известия вузов. Нефть и газ. 2008. № 2. С. 23-29.
2. Хлус А.А., Симисинов Д.И., Карнаухов М.Л.. Совершенствование конструкций шарошечных долот для бурения глубоких скважин//Известия вузов.
Горный журнал. 2010. № 4. С. 81-84.
Статьи, опубликованные в других изданиях:
3. Карнаухов М.Л., Хлус А.А., Анашкина А.Е. Расчет положения мгновенной
оси вращения шарошки//Сборник трудов кафедры РЭГМ. Тюмень: ТюмГНГУ,
2009. С. 156-160.
4. Карнаухов М.Л., Хлус А.А., Анашкина А.Е. Система промывки в одношарошечных долотах//Сборник трудов кафедры РЭГМ. Тюмень: ТюмГНГУ, 2009.
С. 149-155.
5. Анашкина А.Е., Хлус А.А. Породоразрушающие зубки одношарошечных
долот//Сборник трудов кафедры РЭГМ. Тюмень: ТюмГНГУ, 2009. С. 133-139.
6. Хлус А.А. Применение одношарошечных долот для бурения горизонтальных, наклоннонаправленых скважин и зарезки боковых стволов//Сборник трудов XIV Международного научного симпозиума имени академика М.А.Усова
студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр ». Томск,
2010. С. 495-501.
7. Хлус А.А., Симисинов Д.И., Анашкина А.Е. Повышение ресурса одношарошечных долот для бурения скважин малых диаметров//Сборник докладов
VIII Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р
Кубачека». Екатеринбург: УГГУ, 2010. С. 271-274.
17
Подписано в печать 22.11.2010 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага офсетная. Печать на ризографе.
Печ. л. 1,0 Тираж 100. Заказ № .
Издательство УГГУ
Отпечатано с оригинал-макета в
Лаборатории множительной техники издательства УГГУ
620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30
Уральский государственный горный университет