CC BY
10УДК 622.24.051.55
Д.Ю. Сериков1, e-mail: serrico@rambler.ru; У.С. Серикова1, e-mail: tubava45@gmait.com
1 ФГБОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Повышение эффективности очистки шарошечных буровых долот
В статье представлены результаты работы, направленной на повышение эффективности очистки шарошечных буровых долот за счет использования новых конструктивных решений.
Известно, что выполнение в лапах долота специальных отверстий с одновременным подводом к ним промывочной жидкости через патрубки эжекционной системы из ниппельной части приводит к существенному улучшению промывки внутренней надшарошечной зоны инструмента. При этом скорость истечения жидкости из патрубков может приближаться к скорости истечения из боковых гидромониторных насадок, а мощность потока через патрубки - регулироваться за счет изменения их внутреннего диаметра.
Еще одним перспективным направлением совершенствования шарошечного бурового инструмента является использование косозубого вооружения шарошек, позволяющее в отличие от прямозубого управлять направлением эвакуации шлама как на поверхности забоя, так и во всей призабойной зоне, включая надшарошечное пространство. Важной задачей оптимизации данного процесса является недопущение возникновения противодвижений между направлениями механической эвакуации породы зубьями шарошек и основными гидравлическими потоками промывочной жидкости. С учетом этих требований была разработана конструкция трехшарошечного гидромониторного долота с эжектированием через отверстия в лапах и косозубым вооружением. В ходе усовершенствования данной конструкции долото было оснащено гидромониторными насадками с внутренним асимметричным шестигранным поперечным сечением. Применение конструкции шарошечного долота с боковыми промывочными узлами с новой геометрией и ориентацией гидромониторных насадок благодаря лучшей очистке межвенцовых и межзубцовых впадин шарошек и призабойной зоны в целом от шлама позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото и, как следствие, снизить себестоимость проведения буровых работ.
Ключевые слова: шарошечное буровое долото, эжекционная насадка, косозубое вооружение, гидромониторная насадка.
D.Yu. Serikov1, e-mail: serrico@rambler.ru; U.S. Serikoval, e-mail: lubava45@gmail.com
1 Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)" (Moscow,
Cleaning Efficiency Enhancement of Roller-Cutter Bits
The article presents outcomes of the study aimed at enhancement of cleaning efficiency for roller-cutter drilling bits due to the use of latest designs. One knows that making special holes in the bit legs and concurrent supply of washing liquid through the ejector system nozzles from the nipple section results in substantial washing improvement of the internal above-the roller zone of the tool. Besides, nozzle velocity can tend to side jet velocity while the rate of nozzle flow can be controlled due to changes of their inside diameter.
Another promising way to improve rolling drilling tools is the use of helical cutting structure of roller-cutters which allows, as opposed to straight, to control evacuation course of cuttings both on the bottomhole surface and the entire wellbore, including above-the roller zone. An important task to optimize this process is the exclusion of counter-movements between mechanical evacuation courses of rocks with roller teeth and main hydraulic wash liquid flows.
In view of the above requirements the design of three rolling-cutter high-pressure bits with ejecting through the leg holes and helical cutting structure has been developed. The design improvement included introduction of high-pressure nozzles with skew hexagonal cross-section. Application of the roller-cutter bit design with side washing units of new geometry and orientation of high-pressure nozzles thanks to better cleaning of tooth slots and roots, and the whole wellbore from cuttings, allows an increase in penetration rate and footage per bit, and as a result, a reduction of drilling costs.
Keywords: roller-cutter bits, ejector nozzle, helical cutting structure, high-pressure nozzle.
DRILLING
Область вращения долота Bit rotation axis
Направление движения эжектируемого потока промывочной жидкости Course of ejected wash Liquid flow
Одним из основных путей повышения эффективности работы шарошечных буровых долот наряду с увеличением разрушающей способности и износостойкости их вооружения, а также стойкости опорных узлов является совершенствование систем промывки и конструкций промывочных узлов. По мнению многочисленных исследователей, на эффективность очистки шарошечного бурового долота и при-забойной зоны в целом влияют главным образом:
• объем и скорость промывочной жидкости, подаваемой на забой;
• схемы и конструкции промывочных устройств (их гидравлическое совершенство, количество, высота, место расположения и угол наклона относительно плоскости забоя) [1-4].
От эффективности промывки инструмента и призабойной зоны существенно зависят технико-экономические показатели бурения,особенно при проходке мягких глинистых пород, при которой значительно возрастает вероятность сальникообразования. При бурении пород средней твердости работа промывочной системы должна обеспечивать качественное удаление шлама из зоны работы зубьев вооружения шарошек и его дальнейшую беспрепятственную эвакуацию в за-трубное пространство. Несовершенство промывочных систем бурового инструмента часто приводит к образованию повышенной концентрации шлама в полостях между обратными конусами шарошек в их верхнем положении и нижними торцами лап, а также к отсутствию организованного отво-
да шламовой взвеси, образующейся в надшарошечной области, в затрубное пространство. Совокупность всех этих негативных факторов неминуемо ведет к снижению как проходки на долото, так и механической скорости бурения.
МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ СИСТЕМ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
Проведенные исследования [1, 2] свидетельствуют о том,что выполнение специальных отверстий в лапах долота приводит к улучшению промывки внутренней надшарошечной зоны инструмента. Однако скорость истечения промывочной жидкости через эти отверстия недостаточна (на порядок ниже скорости истечения из боковых гидромониторных насадок) для изменения характера движения промывочной жидкости в этой зоне, поскольку малы скорость и мощность эжектирующего потока. Кроме того, само движение эжектирующего потока вдоль спинки лапы долота нежелательно [1, 7]. Таким образом, для обеспечения качественной промывки внутридолотной зоны скорость истечения жидкости из отверстий в лапах должна быть существенно увеличена. Наиболее эффективным способом решения этой задачи является увеличение эжекционного воздействия на потоки во внутренней надшарошечной зоне за счет подвода промывочной жидкости через патрубки из ниппельной части долота к отверстиям в лапах (рис. 1). В этом случае скорость истечения жидкости из патрубков может приближаться к скорости истечения из боковых гидромониторных насадок,
§ 2
га £
о. g
™ о
т: о
Рис.1. Конструктивная схема шарошечного бурового долота с косозубым вооружением и эжекционной системой: 1 - полый корпус; 2 - наклонные цапфы; 3 - конические шарошки; 4 - фрезерованные или литые зубья; 5 - шламовые каналы; 6 -эжекционные патрубки; 7 - межшарошечная полость; 8 - обратные конусы; 9 - нижний торец корпуса; 10 - боковые гидромониторные узлы; F - усилие воздействия на гидравлическую среду; Fn - нормальная составляющая усилия воздействия на гидравлическую среду; F3 - тангенциальная составляющая усилия воздействия на гидравлическую среду; сош - угловая скорость вращения шарошки, с-1 Fig. 1. Design map of a roller-cutter drilling bit with helical cutting structure and ejector system:
1 - hollow body; 2 - oblique pins; 3 -cone rollers; 4 - milled or molded teeth; 5 -sluiceways; 6 - ejector nipples; 7 - roller-roller cavity; 8 - back tapers; 9 - lower body face; 10 - side high-pressure units; F - hydraulic medium force; Fn - normal hydraulic medium force; F3 -tangential hydraulic medium force; wln - angular speed of rolling-cutter rotation, с-1
а мощность потока через патрубки -регулироваться за счет изменения их внутреннего диаметра. Еще одним перспективным способом, позволяющим эффективно бороться с «застойными» зонами, образующимися в различных местах забоя, является оснащение шарошечного бурового
Для цитирования (for citation):
Сериков Д.Ю., Серикова У.С. Повышение эффективности очистки шарошечных буровых долот // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 4. С. 18-22. Serikov D.Yu., Serikova U.S. Cleaning Efficiency Enhancement of Roller-Cutter Bits. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2018, No. 4, P. 18-22. (In Russ.)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 4 April 2018
19
инструмента косозубым вооружением. Данный тип вооружения позволяет превращать зубчатые венцы шарошек в мини-шнеки, которые в зонах пониженных скоростей потока промывочной жидкости механически эвакуируют шлам в заданном направлении. При совпадении направлений течений основных потоков промывочной жидкости с направлением механической эвакуации не только повышается эффективность удаления шлама из зоны разрушения породы, но и предотвращается образование «застойных» зон.
ШАРОШЕЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО С КОСОЗУБЫМ ВООРУЖЕНИЕМ, СИММЕТРИЧНОЙ СХЕМОЙ ПРОМЫВКИ И СИСТЕМОЙ ЭЖЕКТИРОВАНИЯ СКВОЗЬ ОТВЕРСТИЯ В ЛАПАХ Для достижения этих целей была разработана новая конструкция шарошечного бурового долота с косозубым вооружением, симметричной схемой промывки и системой эжектирования сквозь отверстия в лапах. Новая конструкция позволяет повысить эффективность работы инструмента за счет снижения энергоемкости процесса разрушения породы и более качественной очистки вооружения и забоя скважины от шлама путем оптимизации процесса его эвакуации в затрубное пространство. Требуемый технический результат достигается за счет конструктивных особенностей бурового шарошечного долота, включающего полый корпус, образованный лапами с наклонными цапфами, на которых установлены конические шарошки с наклонными фрезерованными или литыми зубьями и промывочный узел. Лапы долота выполнены с наклонными сквозными шламовыми каналами, соединяющими надшарошечную полость с затрубным пространством. Промывочный узел оснащен эжекционными патрубками, выходные концы которых размещены в полости сквозных шламовых каналов, а входные - в полости корпуса. При этом угол наклона зубьев а по отношению к образующей шарошки и угол наклона шламового канала |3 по отношению к оси вращения долота связаны соотношением:
а/Р = (0,15-0,85), (1)
где меньшее значение угла наклона шламового канала р соответствует ббльшим значениям угла наклона зубьев а и скорости вращения долота [5]. В соответствии с рис. 1 буровое шарошечное долото содержит полый корпус 1, образованный соединенными между собой лапами с наклонными цапфами 2, на которых посредством подшипников установлены конические шарошки 3 с фрезерованными или литыми зубьями 4. Цапфы 2 лап параллельно смещены в плане относительно оси долота. У всех шарошек 3 зубья периферийных венцов 4 выполнены косыми, т. е. с наклоном к ее образующей под углом а, равным 10-35°, с таким расчетом, чтобы суммарная составляющая их воздействия на гидравлическую среду была направлена от оси вращения долота к стенкам скважины, а шламовые каналы 5 в лапах выполнены под углом р к оси вращения долота, равным 40-70°. При этом углы а и р связаны соотношением (1). Лапы долота выполнены со сквозными шламовыми каналами 5, выходная часть которых направлена в сторону устья скважины, а входная расположена в полости корпуса 1.
В процессе бурения основная часть промывочной жидкости, прокачиваемая через боковые гидромониторные узлы 10, расположенные на периферии долота, разрушают породу и, разделяясь, устремляется как в сторону стенок скважины и далее в межшарошечную полость 7, так и в центральную часть
долота. Другая часть промывочной жидкости через эжекционные патрубки 6 подается в полость сквозных каналов 5. При этом в существующих долотах часть шлама попадает в полость между обратными конусами 8 шарошек 3 и нижним торцом 9 корпуса 1, образуя шламовую пробку. Это в ряде случаев, особенно при бурении по глинистым породам, может привести к заклиниванию шарошек 3. Для исключения этого явления и более эффективного удаления шлама с забоя скважины в предложенном долоте используются шарошки 3 с определенным наклоном зубьев периферийных венцов 4, боковые грани которых создают усилие воздействия на гидравлическую среду F, нормальная составляющая которого Г направлена в сторону стенок скважины, а тангенциальная - вдоль межзубного пространства в сторону межшарошечной полости 7 и устья скважины. При этом суммарная осевая составляющая усилия одновременного механического воздействия всех косых зубьев 4 периферийных венцов на гидравлическую среду (шламовую взвесь) забоя для каждой шарошки 3 должна быть направлена в сторону от центра к периферии. В целях усиления этого воздействия в заявленном долоте используется эжекционный эффект, создаваемый патрубками 8 и стенками сквозных шламовых каналов 5, на выходной части которых создается зона разряжения и происходит отсос шлама из зон между обратными конусами 8 шарошек 3, стенками скважины и надшарошечного пространства.
DRILLING
Принцип работы бурового долота заключается в следующем. При вращении долота шарошки 3 перекатываются с одновременным проскальзыванием по поверхности забоя и разрушают породу под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента. Выполнение долота с косыми зубьями 4 и снабжение его эжекционными приспособлениями для каждой лапы с шарошкой 3 способствует повышению эффективности разрушения горных пород, с одной стороны, за счет проскальзывания зубьев 4 относительно забоя, а с другой - за счет организованного отвода шлама в затрубное пространство. В особенности это касается пластичных пород. Разрушенная порода благодаря выполнению периферийных венцов шарошек 3 с зубьями 4, имеющими наклон относительно образующей шарошки 3, при выходе зубьев 4 из контакта с поверхностью забоя направляется в сторону периферии (направление движения потока показано на рис. 1 стрелками). Там она подхватывается промывочной жидкостью и наклонными зубьями 4, которые, выполняя функцию шнековых лопастей, подают обогащенную шламом промывочную жидкость через межшарошечную полость 7 в затрубное пространство и далее на поверхность. Этому способствует также создаваемый промывочным узлом 6 эжекционный эффект. При этом благодаря выполнению шарошек 3 с одинаковым наклоном основных рабочих поверхностей зубьев для выноса шлама исключается создание на забое турбулентных потоков, что гарантирует равномерное удаление шлама с забоя скважины и исключает образование шламовых пробок как во внутренней надшарошечной зоне долота, так и в зоне встречных потоков, образованных нисходящими струями гидромониторных насадок и основным восходящим потоком. Это позволяет существенно интенсифицировать процесс удаления разрушенной породы из зоны работы вооружения долота и избежать повторного измельчения шлама, а следовательно, уменьшить износ вооружения, а также увеличить проходку на долото и повысить механическую скорость бурения. Еще одним эффективным способом, позволяющим существенно повысить
Рис. 2. Принципиальная схема шарошечного бурового долота с боковой симметричной гидромониторной схемой промывки, оснащенная насадками с асимметричным шестигранным внутренним поперечным сечением:
1 - корпус; 2 - шарошки; 3 - зубья шарошек;
4 - насадки боковых промывочных узлов;
5 - выходная часть каналов в форме шестигранника; р2 - углы меньшего размера шестигранного сечения выходных каналов; шш - угловая скорость вращения шарошки, с-1 Fig. 2. Basic diagram of a roller-cutter bit with side symmetrical jetting wash arrangement with skew hexagonal cross-section nozzles:
1 - body; 2 - rollers; 3 - roller teeth; 4 - nozzles of side flushing units; 5 - exit section of channels of a hexagon form; p2 - minor angles of hexagonal cross-section of exit channels; а>ш -angular velocity of rolling-cutter rotation, с-1
качество работы гидромониторных промывочных систем, является использование фасонных гидромониторных насадок, обладающих высоким гидравлическим совершенством. Например, придание струе, истекающей из боковой гидромониторной насадки конфу-зорного типа, формы многоугольника позволяет направить угловые части потока в межшарошечное пространство и в сторону периферийных венцов сопредельных шарошек и, таким образом, очищать основные и периферийные венцы сразу двух смежных шарошек [3, 6].
Это позволяет значительно улучшить качество очистки вооружения, особенно самоочищающихся шарошек, в условиях работы по глинистым породам, бурение по которым сопряжено с сальникоо-образованием.
ШАРОШЕЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО С БОКОВОЙ СИММЕТРИЧНОЙ ГИДРОМОНИТОРНОЙ ПРОМЫВКОЙ, ОСНАЩЕННОЙ НАСАДКАМИ С АСИММЕТРИЧНЫМ ШЕСТИГРАННЫМ ВНУТРЕННИМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ
Для повышения качества очистки бурового оборудования была разработана конструктивная схема шарошечного бурового долота с боковой симметричной гидромониторной промывкой,оснащенная насадками с асимметричным шестигранным внутренним поперечным сечением (рис. 2).
Особенностью данного технического решения является то, что выходные части каналов насадок в плане имеют форму шестигранника, причем шестигранники выполнены с углами по меньшей мере двух размеров. Одна из вершин угла меньшего размера каждой из насадок ориентирована в направлении точки пересечения осей двух смежных шарошек, а две другие вершины углов меньших размеров - в сторону зоны контакта периферийных венцов набегающих и сбегающих шарошек со стенками скважины. Для предотвращения насадки от проворота и, как следствие, изменения ее пространственной ориентации она жестко зафиксирована относительно втулки и корпуса долота [6]. Это необходимо для сохранения заданной ориентации углов многогранника относительно корпуса 1 и шарошек 3 бурового долота в течение всего времени работы инструмента.
На рис. 2 представлено трехшарошеч-ное долото, у которого гидромониторные насадки имеют асимметричную шестигранную форму. Такая ориентация поперечного сечения промывочного канала позволяет обеспечить наиболее качественную очистку всей площади забоя скважины.
Буровое долото содержит корпус 1, шарошки 2 с зубьями 3 и боковые промывочные узлы с насадками 4, жестко
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 4 April 2018
21
зафиксированными относительно корпуса 1 от проворота. Выходная часть каналов 5 в плане выполнена в форме шестигранника, причем шестигранники выполнены по меньшей мере с углами двух размеров - Р1 и Р2, при этом одна из вершин углов меньшего размера у всех насадок 4 ориентирована в направлении точки пересечения осей двух смежных шарошек, а две другие вершины углов меньших размеров - в сторону зоны контакта периферийных венцов набегающих и сбегающих шарошек со стенками скважины. Долото работает следующим образом. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента зубья 3 шарошки 2 разрушают породу, которая удаляется с забоя скважины промывочной жидкостью, нагнетаемой через промывочные узлы. При этом благодаря выполнению выходной части насадки 5 с поперечным сечением в форме шестигранника, вершины углов которого ориентированы в сторону межшарошечного пространства и осей вращения шарошек, и эффекту прилипания струи к боковым стенкам каналов обеспечивается создание перепада давления жидкости между
центральной и периферийной зонами забоя скважины. Благодаря перепаду давления возникает эжекционный эффект, и обогащенная шламом промывочная жидкость из центральной зоны эффективно удаляется в затрубное пространство, обеспечивая работу вооружения шарошек по чистому забою, что способствует увеличению как скорости бурения, так и проходки на долото путем исключения повторного измельчения шлама вооружением долота. Этому же способствует и очистка вооружения шарошек от налипшего шлама, что особенно часто наблюдается при бурении по вязким породам и приводит к резкому увеличению энергетических затрат из-за увеличения необходимого крутящего момента и снижению всех технико-экономических показателей работы долота.
Придание выходной части насадок формы конфузора, а проходному отверстию - формы шестигранника с углами двух размеров - Р1 и Р2, при том что одна из трех вершин углов меньшего размера, Р2, ориентирована в направлении точки пересечения двух смежных осей шарошек, а две другие аналогичные вершины
углов меньшего размера Р2 - в сторону периферийных венцов набегающей и сбегающей смежных шарошек, позволяет направлять основные части потока промывочной жидкости, выходящей из насадки, в межшарошечное пространство к центру вращения долота, где она омывает вооружение сразу двух смежных шарошек, и на вооружение периферийных венцов шарошек, а далее она направляется в затрубное пространство.
ВЫВОДЫ
Применение предложенных конструкций шарошечных буровых долот с косо-зубым вооружением, симметричной схемой промывки, совмещенной с системой эжектирования через отверстия в лапах, а также гидромониторных насадок конфузорного типа с асимметричным шестигранным внутренним поперечным сечением благодаря лучшей очистке межвенцовых и межзубцовых впадин шарошек и призабойной зоны в целом от шлама позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото и, как следствие, снизить себестоимость проведения буровых работ.
References:
1. Serikov D.Yu., VasiLiev A.V. Three-Cone Jet-Type Rock Drilling Bit with Ejecting through Arms' Openings. Oborudovanie i tekhnoLogii dLya neftegazovogo kompLeksa = Equipment and Technologies for OiL and Gas Complex, 2016, No. 1, P. 7-13. (In Russian)
2. Serikov D.Yu., Isayev V.I., Smorkaiov D.V. Research into Jet Discharge from the Nozzles with an Asymmetric Cross Section. Territorija "NEFTEGAS" = OiL and Gas Territory, 2015, No. 12, P. 56-63. (In Russian)
3. Serikov D.Yu., Isayev V.I., SmorkaLov D.V. Studies on Jet EffLux from Skew Cross-Section Nozzles. Territorija "NEFTEGAS" = OiL and Gas Territory, 2015, No. 12, P. 56-63. (In Russian)
4. BogomoLov R.M., Nosov N.V. Encyclopedia of Inventions (1914-2014). In 2 volumes. Vol. 1. Moscow, Innovative Engineering, 2015, 399 p. (In Russian)
5. BogomoLov R.M., Nosov N.V. EncycLopedia of Inventions (1914-2014). In 2 voLumes. VoL. 2. Moscow, Innovative Engineering, 2015, 426 p. (In Russian)
6. High-Pressure RoLLer-Cutter Bit - patent No. 2567561 Russian Federation, MPK E21B10/18. Author - D.Yu. Serikov; pubLished November 10, 2015, BuLL. No. 31. (In Russian)
7. RoLLer-Cutter Bit - patent No. 2598250 Russian Federation, MPK E21B10/18, E21B10/16. Author - D.Yu. Serikov; pubLished 20.09.2016, BuLL. No. 26. (In Russian)
8. VasiLiev A.V., Serikov D.Yu. AnaLysis of ReguLarities of High-Speed FLows and Pressure Distribution in the Bottom-HoLe Area aLong the Height of RoLLing-Cutter DriLL Bits when Intensifying Washing by Ejection through Openings in Arms. StroiteL'stvo neftyanykh I gazovykh skvazhin na sushe i na more = Construction of OiL and Gas WeLLs On-Land and Off-Shore, 2016, No. 3, P. 4-8. (In Russian)
Литература:
1. Сериков Д.Ю., Васильев А.В. Трехшарошечное гидромониторное долото с эжектированием через отверстия в лапах // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2016. № 1. С. 7-13.
2. Сериков Д.Ю., Исаев В.И., Сморкалов Д.В. Исследование истечения струи из насадок с асимметричным поперечным сечением // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 12. С. 56-63.
3. Богомолов Р.М., Носов Н.В. Энциклопедия изобретений (1914-2014 гг.): В 2-х ч. Ч. 1. М.: Инновационное машиностроение, 2015. 399 с.
4. Богомолов Р.М., Носов Н.В. Энциклопедия изобретений (1914-2014 гг.): В 2-х ч. Ч. 2. Москва: Инновационное машиностроение, 2015. 426 с.
5. Пат. 2567561 Российская Федерация, МПК E21B10/18. Буровое гидромониторное шарошечное долото / Д.Ю. Сериков; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31.
6. Пат. 2598250 Российская Федерация, МПК E21B10/18, E21B10/16. Буровое шарошечное долото / Д.Ю. Сериков; опубл. 20.09.2016, Бюл. № 26.
7. Васильев А.В., Сериков Д.Ю. Анализ закономерностей распределения скоростных потоков и давлений в зоне забоя по высоте шарошечного бурового долота при интенсификации промывки эжектированием через отверстия в лапах // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2016. № 3. С. 4-8.
