CC BY
272D ЛЕТ DAD «ГАЗПРОМ»
УДК 622.24.051.55
О. Б. Трушкин, к.т.н., e-mail: [email protected]; кафедра бурения нефтяных и газовых скважин,
ФГБОУ ВПО УГНТУ; Е.А. Гусев, e-mail: [email protected], заместитель руководителя проекта, Шлюмберже
ОЦЕНКА СИЛОВОй
и энергетической ЗАГРУЗКИ
РЕЗЦОВ ДОЛОТА ТИПА PDC
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТЕНДОВОГО
БУРЕНИЯ
Приведены методика расчета силовой и энергетической загрузки резцов долота типа PDC по результатам стендового бурения, рассчитанные величины нормальных, касательных и полных давлений резцов долота типа PDC на горную породу, а также графики изменения этих давлений в зависимости от нагрузки на долото. Показано распределение по резцам долота мощности, реализуемой этими резцами при стендовом бурении горной породы средней твердости.
Породоразрушающий инструмент играет основную роль в эффективности процесса бурения. Для бурения мягких пород и пород средней твердости в настоящее время успешно применяют долота, оснащенные алмазно-твердо-сплавными резцами (долота типа РОС). Однако применение этих долот для бурения пород средне-твердых и твердых, а также средне- и высокоабразивных в значительной мере проблематично. Анализ состояния долот типа РОС после отработки как в одних, так и других породах показывает неравномерность износа, а часто и разрушения резцов по профилю долота. Это связано с неравномерной силовой и энергетической загрузкой резцов, оценить которую на стадии конструирования сегодня невозможно. Такая возможность представляется, если после изготовления долота провести им на стенде бурение породы соответствующей твердости с регистрацией осевой нагрузки и крутящего момента [1, 2].
Была проведена оценка загруженности резцов долота 8Л-188,7 РСА имеющего восемь симметрично расположенных лопастей, четыре из которых перекрывают весь радиус забоя, а другие четыре - одну треть его периферийной части.
На лопастях, на твердосплавных державках, установлены пластины АТП диаметром 13,5 мм, являющиеся резцами. Угол резания пластин отрицательный и равен 20°. Расположение пластин на лопастях несимметричное, обеспечивающее увеличение перекрытия забоя от центра к периферии от 1,2 до 3 раз. При стендовом бурении использовался блок мрамора с твердостью по штампу РШ = 850 МПа, пределом текучести РО = 600 МПа, условным коэффициентом пластичности К = 1,7-2, что соответствует породам средней твердости, для которых предназначены перечисленные выше долота.
Взаимодействие резцов долота типа РОС с горной породой происходит по площадкам контакта. Для долота с разработанной при проектировании конструкцией вооружения величина площадей контакта в процессе бурения зависит от проходки за один оборот, которая определяется нагрузкой на долото и твердостью разбуриваемых пород. В свою очередь, от площади контакта и ее формы зависят контактные давления резцов на горную породу.
На стадии проектирования вооружения долота выбором профиля и расположением резцов по этому профилю
можно кардинально менять величину и форму площадок контакта каждого резца. Глубина резания резца связана с проходкой за один оборот долота. Величины площадок контакта резцов с горной породой могут быть изменены и количеством резцов, расположенных на одном радиусе долота. Глубину резания одним резцом, расположенным на конкретном радиусе долота, можно менять изменением количества резцов на радиусе и угловым их расположением в плане долота. Поскольку резец в процессе бурения движется по спирали с шагом, равным проходке за один оборот долота, <5г то глубина резания і-м резцом, расположенным на некотором радиусе долота, определяется как:
где 6 - проходка за один оборот долота;
/З} - угол в градусах на плане долота между і-м резцом и резцом, находящимся на одном радиусе с і-м и разрушающим забой перед ним. Изменение глубины резания приводит к изменению площади контакта резцов. Расчет площади контакта резцов долота типа РОС с забоем при заданной про-
36 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № г \\ февраль \ 2013
ходке за один его оборот проводился по следующему алгоритму.
1. По чертежам изготовителя строилась «схема перекрытия забоя» - размещение резцов долота по радиусу Я и высоте г, совмещенных в одной плоскости, проходящей через радиус долота и его ось, а также по углу наклона резца к оси долота - а (рис. 1).
2. Поскольку плоскость проходит через ось долота, а резцы проецируются на эту плоскость, эти проекции имеют форму эллипсов с соотношением сторон а и с/хсовд?, где сі - диаметр резца, V - угол резания Ф = 20°.
3. Определялось количество резцов Ы, работающих на одном радиусе.
Рис. 1. Схема перекрытия забоя резцами долота 8Л 188,7 РСА
4. Определялись углы /?, в градусах между резцами, которые работают на
аЛ(П)
одном радиусе долота, и углы Рі в градусах размещения резцов, смежных с анализируемым, на плане долота относительно базового резца. Угол отсчитывался по часовой стрелке (рис. 2).
5. Перемещение анализируемого резца по направлению проходки за один оборот долота определялось по формуле 1.
6. Перемещение резцов по направлению проходки за один оборот долота, расположенных слева и справа от анализируемого
Рис. 2. План долота 8Л 188,7 РСА
7. В среде АиЬэСАй, в соответствии со схемой перекрытия забоя, строилось первое положение контура резца, площадь которого анализировалась, и положение контуров резцов слева и справа. Второе положение контуров резцов строится с учетом их перемещений в направлении проходки г (рис. 3).
8. Командой Аи^САй по контурам первого и второго положений анализируемого резца обрезаются контуры резцов слева и справа. Площадь оставшегося замкнутого контура, являющегося контактной поверхностью анализируемого резца в плоскости, проходящей через радиус и ось долота, определялась командами АиЬэСАй. Таким образом рассчитывается 5„- - площадь контакта резца с забоем в плоскости, перпендикулярной плоскости забоя.
9. Площадь контакта Би резца с забоем в плоскости забоя определяется как:
Я# =5ах*ёЧ> .
Мощность, реализуемая резцом в процессе бурения, рассчитывается как сумма мощностей вращательного и поступательного движений. Для расчета мощностей кроме геометрических и кинематических параметров работы резцов необходимо знать силы, действующие на резцы в окружном и осевом направлениях. В первом приближении для расчета сил можно принять гипотезу о равномерности распределения
контактных давлений по контактным поверхностям резцов.
С учетом сказанного выше распределение мощностей, реализуемых резцами долота, следует рассчитывать по следующему алгоритму.
Мощность вращательного движения г-го резца:
1. рассчитать окружную силу на каждый г -й резец ^ при заданной проходке &
где - площадь контакта резца с забоем в плоскости, перпендикулярной плоскости забоя;
Р,- среднее давление в окружном направлении, действующее на площадь резца Б,;
2. рассчитать окружную скорость центра тяжести контактной поверхности г-го резца
3. рассчитать мощность вращательного движения г-го резца Ы,г
Мощность поступательного движения г-го резца:
1. рассчитать осевую силу на каждый г-й резец ¥а при заданной проходке д :
= Рё Х ,
где - площадь контакта резца с забоем в плоскости забоя;
Рис. 3. Перемещение контуров резцов при построении площади контакта
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ 20 ЛЕТ ОАО «ГАЗПРОМ»\\ 37
20 ЛЕТ ОАО «ГАЗПРОМ»
Р§ - среднее давление в направлении, перпендикулярном плоскости забоя;
2. рассчитать мощность поступательного движения г-го резца д хж
8 8 60
Полная мощность, реализуемая контактной поверхностью резца:
Ъ = * а + л* .
В приведенных выше зависимостях неизвестны контактные давления в окружном Р, и осевом Ре направлениях. Их расчет необходимо проводить по силовым параметрам, замеренным при стендовом бурении анализируемым долотом, а именно - по осевой нагрузке О на долото и крутящему моменту Т. Осевое контактное давление на резцы рассчитывается как:
в
Рё - i=N •
і=1
&
Окружное контактное давление на резцы рассчитывается как:
т
& - /-# '
1=1
Рассчитанные контактные давления Р, и Р!, , их соотношения, форма и размеры контактных поверхностей могут быть использованы в первом приближении при
анализе напряженного состояния горной породы методом конечных элементов. Контактное давление резцов на горную породу определяет, с одной стороны, силовую загрузку резцов, с другой - механизм разрушения породы. Разработанная методика позволяет оценить не только общее давление Р на породу, но и его нормальную Р!, и касательную Р, составляющие. На рисунке 4 приведены графики контактных давлений Р,, Рё, Р, и отношения Р,/Р§ в зависимости от нагрузки на долото О.
Из приведенных графиков видно, что характер изменения контактных давлений полностью повторяет характер изменения энергоемкости разрушения породы [3]. Полное контактное давление резцов долота на горную породу лежит в пределах от 258 до 534 МПа, то есть изменяется в 2,07 раза. Нормальное контактное давление лежит в пределах от 234,5 до 478 МПа, то есть изменяется в 2,04 раза, а касательное лежит в пределах от 107,7 до 239 МПа, то есть изменяется в 2,22 раза. Отношение касательного давления резцов к нормальному лежит в пределах от 0,46 до 0,55, то есть изменяется не более чем в 1,2 раза.
Сопоставление нормального контактного давления резцов долота на горную породу с пределом текучести (650 МПа) и твердостью по штампу (950 МПа) показывает, что нормальные давления резцов на горную породу меньше предела текучести от 1,36 до 2,77, а твердости по штампу меньше от 2 до 4,05 раза.
600
500
[=
к 400
Ф
ш
а 300
ф
л
та 200
X
100
1
0.6
0.57
0.54
О.
ф
0.51 1 а
С'
048
045
042
11 13 15
Нагрузка на долото Э. кН
17
19
Полученные соотношения могут быть использованы в расчетах нагрузок на конкретные долота для получения соответствующих скачков разрушения породы, а также для расчета ожидаемых крутящих моментов.
Следует отметить, что вооружение долота 8Л 188,7 РСА было оснащено резцами РйС с острыми кромками и приведенные выше соотношения характерны только для долот с такими резцами. Притупление острых кромок резцов в результате износа должно привести к другим соотношениям между составляющими контактного давления, а также между величинами контактных давлений и показателями механических свойств горных пород, определяемых методом вдавливания штампа. В пользу этого предположения говорят результаты стендового бурения того же блока породы долотом 8Л 188,7 РСА-Р, конструкция которого полностью совпадала с конструкцией долота 8Л 188,7 РСА, но оснащенного резцами РйС с фаской, острая кромка которой расположена под углом 45° к оси резца [3]. Комплексным параметром, характеризующим оптимальность размещения резцов по рабочей поверхности долота типа РйС, может быть мощность, реализуемая каждым резцом. Комплексность этого параметра состоит в том, что он одновременно учитывает составляющие силы, действующие на резец, и скорости движения резца относительно породы при бурении.Этот параметр определяет
Р* -"-га — Р —рі/рд=у»|
Рис. 4. Зависимость контактных давлений от нагрузки на долото
Рис. 5. Распределение мощностей по резцам долота 8Л 188,7 РСА при проходке за один оборот д = 1,22 мм
38 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № 2 \\ февраль \ 2013
тепловой режим работы резца, от которого в конечном итоге зависят износ и характер разрушения резца. На рисунке 5 приведен график распределения мощностей между резцами при проходке за оборот д =1,22 мм.
Из приведенного графика видно, что центральные резцы 1-4 и периферийные 19-26 реализуют мощность, не превышающую 215 Вт. Небольшая мощность, реализуемая центральными резцами, определяется их невысокими скоростями движения при значительных нагрузках на них, пропорциональных величинам площадей контакта. Не-
большая мощность, реализуемая периферийными резцами, определяется невысокими силами, действующими на них, и высокими скоростями движения относительно породы. Такое распределение мощностей, реализуемых этими резцами, говорит об оптимальности профиля долота и их расположения по профилю и в плане долота. Резкое увеличение мощности резцов 17-18 может привести к их быстрому износу. К такому же эффекту приведет и резкое увеличение мощностей резцов 7-12. Снизить реализуемую этими резцами мощность на этом участке долота путем
добавления резцов по радиусу, то есть более плотной их установкой, конструктивно невозможно. На каждом радиусе работы этих резцов установлено по два резца, поэтому проблему перегрузки можно решить установкой еще по одному резцу. Это потребует дополнительно еще семи резцов.
Таким образом, на стадии проектирования и доработки конструкции долот по результатам стендового бурения блоков пород с измерением силовых и энергетических параметров работы можно оптимизировать конструкцию вооружения долот типа РйС.
Литература:
1. Акчурин Х.И., Трушкин О.Б. Инвариантное тензометрическое измерение силовых параметров в некотором сечении бурильной колонны в процессе проводки скважины / НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 10, 2007. - С. 13-22.
2. Акчурин Х.И., Трушкин О.Б. Устройства для измерения и регистрации силовых параметров работы породоразрушающих инструментов и бурильных колонн / НТЖ «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», № 3, 2008. - С. 12-20.
3. Акчурин Х.И., Трушкин О.Б. Оценка силовых и энергетических характеристик некоторых породоразрушающих инструментов по результатам стендовых экспериментов / НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», № 4, 2008. - С. 16-23.
Ключевые слова: долота типа PDC, стендовое бурение, силовая и энергетическая загрузка резцов PDC, оптимизация конструкции вооружения долот.
5-7 июня
2013 года
14-я специализированная выставка-конгресс с международным участием в рамках
9-го СИБИРСКОГО ФОРУМА НЕДРОПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ И ПРЕДПРИЯТИЙ ТЭК
НЕФТЬ. ГАЗ. ГЕОЛОГИЯ
ОФИЦИАЛЬНОЕ ОТКРЫТИЕ
5 июня в 12.00
