CC BY
7БУРЕНИЕ
УДК 622.24.05
Д.Ю. Сериков1, e-mail: [email protected].
1 Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина (Москва, Россия).
Шестишарошечное долото большого диаметра с твердосплавным вооружением для реактивно-турбинного бурения
Рассмотрены особенности кинематики многошарошечных долот большого диаметра в условиях реактивно-турбинного бурения. Проанализирована кинематика шарошек бурового долота увеличенного диаметра при его вращении только вокруг собственной оси, работающего без проскальзывания зубчатого вооружения по забою. Определены факторы, влияющие на величину и направления проскальзывания зубьев вооружения по забою скважины в условиях реактивно-турбинного бурения. Выявлены недостатки геометрии вооружения шарошечных долот, предназначенных для сплошного бурения, при использовании их в агрегатах реактивно-турбинного бурения. Проведенное в данной статье исследование позволило сделать вывод о том, что изготовление долот увеличенного диаметра с использованием секций от стандартных корпусных долот для сплошного бурения является нерациональным, поскольку геометрия вооружения обычных долот не учитывает особенностей взаимодействия зубьев вооружения с поверхностью забоя в условиях реактивно-турбинного бурения. На основе проведенных исследований была разработана принципиальная схема шестишарошечного долота для реактивно-турбинного бурения, оснащенного твердосплавным зубчатым вооружением новой конструкции. Главной особенностью этой конструкции является наличие специально ориентированного разнонаправленного твердосплавного зубчатого вооружения, позволяющего не только увеличить площадь поражения забоя, но и повысить интенсивность его разрушения. Применение предложенного долота, оснащенного разнонаправленным твердосплавным зубчатым вооружением новой конструкции, позволит повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что в конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и снизить стоимость сооружения стволов и скважин большого диаметра способом реактивно-турбинного бурения.
Ключевые слова: реактивно-турбинное бурение, шарошечное долото, мгновенная ось вращения, зубчатое вооружение, твердосплавной зубок.
D.Yu. Serikov1, e-mail: [email protected]
1 Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia).
Six-roller drilling bit with big diameter with carbide preparation for reactive turbine-unit drilling
The features of multi-roller drilling bit with big diameter kinematics in conditions of reactive turbine-unit drilling are considered. Kinematics of the drilling bit rolling cutters with enlarged diameter is analyzed while it is rotating around its own axis, operating without slipping of gear equipment on the bottom hole. The factors that affect the magnitude and direction of slipping of gear equipment on the bottom hole in conditions of the reactive turbine-unit drilling are determined. Disadvantages of the multi-roller drilling bit equipment geometry designed for solid drilling, when used in reactive aggregates turbine drilling. The study undertaken in this article allowed making the conclusion that the production of drill bits with enlarged diameter, using sections from the standard body bits for continuous drilling is not rational, since the geometry of usual bits equipment does not consider the interaction of the equipment gear with bottomhole surface in conditions of the reactive turbine-unit drilling. Based on the survey conducted the scheme of six-roller drilling bit for the reactive turbine-unit drilling, equipped with hard-alloy gear equipment of new design was developed. The main feature of this structure is the presence of specially oriented multidirectional hard-alloy gear equipment, allowing not only increase the area of the bottomhole coverage, but also increase the intensity of its destruction. Application of the offered bit equipped with multidirectional hard-alloyed gear equipment of new design will allow improving the efficiency of well drilling with method of the reactive turbine-unit drilling by increasing the destructive
20
№ 4 апрель 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DRILLING
capacity of equipping and reducing the energy capacity of rock fracture process that eventually will enable raising drilling rate and mechanical speed and reducing the cost of bores and wells of enlarged diameter with method of the reactive turbine-unit drilling.
Keywords: reactive turbine-unit drilling, cutter drilling bit, instantaneous rotation axis, gear equipment, hard-alloy gear.
При сооружении стволов и скважин диаметрами более 4 м способом реактивно-турбинного бурения (РТБ) существует необходимость создания долот увеличенного диаметра (750 мм и более) с целью обеспечения полного перекрытия забоя большого поперечного сечения четырехтурбинными агрегатами.
Поскольку способ РТБ относится к планетарному типу бурения, нет необходимости в использовании долот для сплошного бурения [1]. В связи с этим наименее затратным способом создания многошарошечных долот увеличенного диаметра для РТБ является простое увеличение диаметров их корпусов, т.е. разнесение секций на большое удаление от оси вращения долота. Это конструкторское решение позволяет использовать секции от стандартных шарошечных долот корпусного типа. На этом принципе была создана целая серия шарошечных долот диаметром 750 мм и более. Однако ни одна из этих конструкций не позволила в полной мере реализовать весь потенциал реактивно-турбинного бурения.
Как известно, шарошечные долота при РТБ разрушают породу с образованием плоского горизонтального забоя. В связи с этим все шарошки, геометрия вооружения которых не отвечает этому основному условию, заведомо неэффективны [2].
Чтобы определить основные пути совершенствования геометрии вооружения многошарошечных долот увеличенного диаметра, рассмотрим кинематику шарошек долота, полученного только за счет увеличения диаметра корпуса, вращающегося исключительно вокруг собственной оси.
На рисунке 1 представлена кинематическая схема работы инструмента, где со0 - угловая скорость вращения долота; ю1 - угловая скорость вращения первой шарошки; о4 - угловая скорость вращения четвертой шарошки; Ц и £2 4 - величины мгновенных угловых скоростей вращения первой и четвертой шарошек соответственно. На данной схеме шарошки долота увеличенного диаметра представляют собой конусы чистого качения, при этом оси вращения всех шарошек пересекаются с осью вращения долота на поверхности плоского горизонтального забоя. В этом случае векторное сложение угловых скоростей любой из шарошек
с угловой скоростью долота дает вектор результирующей мгновенной скорости, направленный вдоль поверхности забоя и, соответственно, образующей шарошки, в сторону от центра вращения долота. Таким образом, все зубья шарошек с данной геометрией вооружения будут разрушать забой без существенного (связанного лишь с перекатыванием зубьев) скольжения [3]. Однако при использовании этого долота в условиях РТБ его вооружение будет проскальзывать по забою вследствие вращения агрегата. В связи с этим данная геометрия шарошек рекомендуется для оснащения долот, предназначенных для бурения
Рис. 1. Кинематическая схема работы шестишарошечного долота увеличенного диаметра при его вращении только вокруг собственной оси
Fig. 1. Kinematic scheme of the six-roller drilling bit with enlarged diameter while it is rotating around its own axis
Ссылка для цитирования (for citation):
Сериков Д.Ю. Шестишарошечное долото большого диаметра с твердосплавным вооружением для реактивно-турбинного бурения // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 4. С. 20-25.
Serikov D.Yu. Six-roller drilling bit with big diameter with carbide preparation for reactive turbine-unit drilling (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 4, pp. 20-25.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 4 april 2016
21
БУРЕНИЕ
Рис. 2. Схема шестишарошечного долота с разнонаправленным вооружением Fig. 2. Scheme of the six-roller drilling bit with multi directional equipment
твердых и крепких пород способом РТБ. Таким образом, проведенный анализ кинематики долот увеличенного диаметра свидетельствует о том, что шарошки (даже имеющие форму конуса чистого качения) инструмента данного типа всегда работают со скольжением. Изготовление долот увеличенного диаметра с использованием секций от стандартных корпусных долот для сплошного бурения является нерациональным,
поскольку геометрия вооружения обычных долот не учитывает особенностей взаимодействия зубьев вооружения с поверхностью забоя в условиях РТБ, главное из которых - обеспечение плоского горизонтального забоя. На рисунке 2 представлена принципиальная схема шестишарошечного долота диаметром 750 мм с твердосплавным зубчатым вооружением, предназначенного для бурения средних и твердых
пород. Данная конструкция состоит из стального корпуса, переводника и лап с шарошками.
Корпус долота представляет собой стальную отливку, снабженную шестью пазами под лапы, центральным отверстием под переводник и радиальными ребрами для создания дополнительного сопротивления вращению долота в среде буровой жидкости с целью увеличения реактивного момента забойного агрегата.
Корпус в плане имеет шестигранную форму, предотвращающую его соприкосновение со стенкой ствола при вращении.
Из-за сложности нарезки муфтовой резьбы З-171 в массивном стальном корпусе диаметром 730 мм предусмотрен центральный переводник, приваренный к корпусу. Промывочная жидкость поступает через боковые каналы непосредственно на шарошки. Конструкция посадочных пазов под лапы предусматривает многократное использование корпуса.
Отличительной конструктивной особенностью данного долота является его оснащение шарошками с новой геометрией зубчатого вооружения (рис. 2), которая заключается в следующем. Долото для реактивно-турбинного бурения содержит корпус с лапами, на цапфах которых установлены шарошки с основными и смещенными относительно них в сторону оси цапфы периферийными венцами, армированными твердосплавными вставками с клиновидной рабочей головкой, боковые поверхности которых ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки и образующей конусы ее основного венца. Отличие состоит в том, что каждая шарошка долота представляет собой одноконусную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата. Кроме того, каждая шарошка долота выполнена с вершинным венцом, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами и одинаковую с ними высоту вылета зубков, установленных под острым углом к оси вращения долота. При этом:
• вершины зубьев периферийного и вершинного венцов смещены друг отно-
Рис. 3. Схема поражения забоя вооружением передней и задней шарошек шестишарошечного долота
Fig. 3. Scheme of the bottomhole coverage with equipment of the front and back cutters of the six-roller drilling bit
22
№ 4 апрель 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DRILLING
сительно друга на расстояние ||к, определяемое соотношением 1к=(0,5ч-1,1)||, где || - вылет зубьев основных венцов;
• угол наклона оси зубьев периферийного венца к оси вращения долота (Зк связан с углом наклона оси зубьев вершинного венца |Зв по отношению к оси вращения долота соотношением (3 в=(0,16*1,83)
• соотношение величин передних углов резания вершинного фв и калибрующего фк венцов должно удовлетворять условию фв » фк, при этом фв=(0^25°);
• зубья вершинного венца зафиксированы в теле шарошки таким образом, что их площадка притупления наклонена к касательной к окружности, описанной по вершинам этих зубьев, на угол г|), находящийся в диапазоне от -5 до +50. Такое выполнение геометрии вооружения долота позволяет существенно повысить площадь поражения забоя в горизонтальной плоскости и одновременно снизить неравномерность распределения осевой нагрузки между передней по отношению к направлению максимального проскальзывания воо-
ружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения, и задней шарошками бурового долота [4].
На рисунках 2 и 3 представлена принципиальная схема шестишарошечного долота с разнонаправленным вооружением новой конструкции. Долото для реактивно-турбинного бурения включает корпус 1 с промывочными каналами 4 и лапами 2 на цапфах, в которых установлены шарошки 3 с вершинными 7, основными 6 и смещенными относительно них в сторону торца корпуса долота 1 периферийными венцами 5, армированными твердосплавными вставками 5 с клиновидной рабочей головкой. Боковые поверхности рабочих головок периферийных венцов 5 ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки 3 и образующей конуса ее основного венца 6. Каждая шарошка 3 долота представляет собой одноконусную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата, при этом каждая шарошка долота вы-
полнена с вершинным венцом 7, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами 6 и одинаковую с ними высоту вылета зубков, установленных под острым углом (Зв к оси вращения долота.
Принцип работы долота заключается в следующем. Агрегат реактивно-турбинного бурения, включающий несколько параллельно работающих турбобуров с долотами, спускают в скважину и начинают процесс бурения. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого турбобурами на каждое долото агрегата, твердосплавные зубки внедряются в породу и разрушают ее. При этом вооружение долота совершает относительное вращение вокруг оси вращения долота 9 с угловой скоростью со0 (рис. 4) и переносное движение вокруг оси вращения (8) агрегата реактивно-турбинного бурения. Последнее сопровождается значительным проскальзыванием вооружения шарошек 3 по забою скважины, причем как вдоль оси шарошек,так и в перпендикулярном направлении.
ОСНОВНЫЕ ФОРМАТЫ КОНФЕРЕНЦИИ
• ПЛЕНАРНОЕ ЗАСЕДАНИЕ: узнайте из уст представителей органов государственной власти, регулирующих развитие отрасли,о последних изменениях в государственной стратегии недропользования на шельфе, инвестиционном климате и новых возможностях развития регионов, в которых реализуются шельфовые проекты
• ИНТЕРАКТИВНЫЕ ДИСКУССИИ: примитв участие в обсуждении наиболее актуальных вопросов развития отрасли и получите четкие ответы на волнующие злободневные вопросы о проблемах, тенденциях, перспективах реализации текущих шельфовых проектов от ввдущих игроков отрасли
■ CASE-STUDIES: получитв открытый доступ к инновационным решениям отрасли и уникальному опыту российских и зарубежных лидеров рынка
|ШШ
ОСНОВНЫЕ ТЕМАТИЧЕСКИЕ БЛОКИ КОНФ№ЕНЦИИ
> Влияние текущей политико-экономической ситуации на развитие отрасли в России. Как может повлиять уход западных компаний на реализацию проектов на российском шельфе в ближайшие годы?
1 Перспективы реализации оффшорных проектов в России а 2016-2017 годах
1 Экономическая целесообразность освоения российского шельфа в условиях низких цен на нефть и газ
■ Что изменилось в освоении российского шельфа после ввода санкций? Смогут ли российские сервисные компании самостоятельно заменить приостановившие деятельность из-за санкций западные компании? Имеется ли у них соответствующий опыт, оборудование и кадры?
> Заменят ли сервисные компании из Китая, Кореи и других стран АТР на российском рынке западные компании, приостановившие деятельность из-за санкций?
1 Освоение шельфа южных, арктических и дальневосточных морей: опыт реализации проектов, планы и прогнозы, проблемы и пути их решения
МЕДИДПЛРТНЕРЫ
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ME ДИАПАРТНЕ Р:
I интерсекс
I цр| HI НраиоТЭК
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ИНТЕРНЕТ-ПАРТНЕР:
ОФИЦИАЛЬНЫЙ МЕДИАПАРТНЕР:
и
мсп^и те
НГС" "ГТ
_ НЕДРА Offshore Л*»« Ceiled, tubing Щ
СТРАТЕГИЧЕСКИЙ МЕДИАПАРТНЕР:
ИОД« НЕФТЕсервие
®
+7 (495) 502 54 33 +7 (495) 778 93 32
www.rpi-confarances.com
БУРЕНИЕ
Рис. 4. Положение шарошек в момент их максимального проскальзывания, связанного с вращением агрегата РТБ
Fig. 4. Position of drilling bits at the moment of their maximum covering associated with rotating unit for reactive turbo drilling
На рисунке 4 представлена схема перемещения вооружения шарошки в точках А и В в момент ее перекатывания по забою. Здесь движение долота вокруг оси вращения агрегата (8) реактивно-турбинного бурения с угловой скоростью ш А не может быть компенсировано дополнительным увеличением или уменьшением скорости вращения шарошки ош, так как ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата ( УА - вектор линейной скорости агрегата в точках А и В). При этом зубья вооружения в случае прямозубого вооружения шарошек (рис. 3.1), находящиеся в соприкосновении с забоем, расположены таким образом, что их площадки притупления (11)также направлены вдоль направления вращения агрегата. Поэтому при перекатывании шарошки долота по забою в точках А и В происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения в направлении вращения агрегата реактивно-турбинного бурения. Характерной особенностью
этого проскальзывания является то, что зубья вооружения шарошки скользят в направлении не их основных рабочих поверхностей, т.е. набегающей или сбегающей граней зубьев, а в перпендикулярной им плоскости. Таким образом, в точках А и В основное разрушение породы забоя, связанное с проскальзыванием вооружения, осуществляется либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к основанию шарошки, и ее тыльным конусом, либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к вершине шарошки. На рисунке 3.1 представлена схема поражения забоя прямозубым вооружением передней (31) по отношению к направлению максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения, и задней (32) шарошек долота большого диаметра. В данном случае общая площадь поражения забоя прямозубым вооружением обеих шарошек в горизонтальной пло-
скости будет определяться как сумма площадей прямоугольников, образованных шириной торцевой части зубьев а и величиной скольжения Д (смещением точки А в точку А', рис. 4). Как видно на схеме, эффективность работы вооружения в этом направлении минимальна. Значительно увеличить площадь поражения забоя и тем самым повысить эффективность бурения можно путем оснащения шарошек разнонаправленным вооружением (рис. 3.2). Оценить прирост площади поражения забоя при использовании разнонаправленного вооружения в сравнении с прямозубым можно путем определения разницы площадей соответствующих фигур: S1 = аД, S2 = ЬД и S3 = S1+bДtgа, где Ь - ширина зуба (рис. 3). Таким образом, оснащение шарошек разнонаправленным вооружением позволяет существенно увеличить площадь поражения забоя зубьями шарошек.
Однако для того, чтобы обеспечить максимальную эффективность работы разнонаправленного твердосплавного вооружения в условиях реактивно-турбинного бурения, необходимо при проектировании вооружения обеспечить определенную ориентацию зубьев различных венцов вооружения (рис. 2) и их расположение относительно поверхности забоя (рис. 5). Это связано с тем, что в момент максимального проскальзывания твердосплавного вооружения, связанного с вращением агрегата, большая часть работы по разрушению плоского забоя осуществляется тыльным конусом передней (31) шарошки, на вооружение которого действует сила реакции разрушаемой породы Рк, что при больших диаметрах долота вызывает его незначительное перекашивание, приводящее, в свою очередь, к частичному отжатию задней (32) шарошки от забоя. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки на шарошки долота большого диаметра и, как следствие, к снижению эффективности его работы. Чтобы предотвратить это негативное явление, предлагается зубья (7) вершинного венца преднамеренно заглублять на ббльшую глубину и с меньшим углом фВ резания, нежели зу-
24
№ 4 апрель 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DRILLING
тыльный конус шарошки вершинный конус шарошки
Rear cutter cone Top cutter cone
о
Рис. 5. Схема армирования калибрующего (тыльного) и вершинного конусов шарошки Fig. 5. Scheme of the reinforcement sizing (rear) and the top cutter cones
бья (5) периферийного венца фк. В этом случае специально ориентированные под углом (Зв зубья вершинного венца (7) задней шарошки (32), под действием силы реакции разрушаемой породы Рв заглубляясь на большую глубину и под более острым углом, помимо увеличения площади поражения забоя в горизонтальной плоскости будут играть роль стабилизатора, препятствующего «отжиму» шарошки (32) от забоя. Выполнение этого условия позволит максимально использовать работу сбегающих и набегающих граней всех без исключения зубьев, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя при проскальзывании вооружения шарошек, связанном с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения.
Вооружение основных венцов (6) может быть как в прямозубом, так и в косозу-бом исполнении [2]. Поскольку зубья (7) вершинного ряда шарошки (32) в месте их максимального проскальзывания по забою, связанного с вращением агрегата, одновременно совершают и вращательное движение вокруг оси шарошки, то они встречаются с забоем, двигаясь по винтообразной траектории, направление вращения которой зависит от того, вращается ли агрегат за счет реактивного момента (против часовой стрелки) или же принудительно ротором буровой установки (по часовой стрелке). В связи с этим зубки (7) необходимо фиксировать в теле шарошки таким образом, чтобы их площадки притупления были наклонены к касательной к окружности, описан-
ной по вершинам этих зубьев на угол г|), находящийся в диапазоне от -5 до +50. Зубки (7) могут иметь как плоские основные рабочие поверхности, так и имеющие определенную кривизну г (12), зависящую от физико-механических характеристик разбуриваемых пород (рис. 5).
Таким образом, применение предложенного долота позволит повысить
эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы,что в конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и тем самым снизить стоимость проведения буровых работ.
References:
1. Reactive turbine-unit drilling [Reaktivno-turbinnoe burenie]. Trudy VNIIBT = Papers of VNIIBT, Issue 18. Nedra Publ., Moscow, 1967.
2. Serikov D.Yu. Enhancing the efficiency of cone drilling tool with helical cutting structure [Povyshenie jeffektivnosti sharoshechnogo burovogo instrumenta s kosozubym vooruzheniem]. Neft' I Gaz Publ., Moscow, 2015.
3. Bogomolova R.M., Nosov N.V., Krylov S.M., Kremlev V.I. Improving the processing and assembling the cutters technologies [Sovershenstvovanie tehnologii obrabotki i sborki burovyh sharoshechnyh dolot]. Mashinostroenie, Moscow, 2013.
4. Serikov D.Yu. Drilling bits for reactive turbine-unit drilling [Sharoshechnye dolota dlja reaktivno-turbinnogo burenija]. Neft' I Gaz Publ., Moscow, 2016.
Литература:
1. Реактивно-турбинное бурение // Труды ВНИИБТ. Вып. 18. М.: Недра, 1967.
2. Сериков Д.Ю. Повышение эффективности шарошечного бурового инструмента с косозубым вооружением. М.: Нефть и газ, 2015.
3. Богомолов Р.М., Носов Н.В., Крылов С.М., Кремлев В.И. Совершенствование технологии обработки и сборки буровых шарошечных долот. М.: Машиностроение, 2013.
4. Сериков Д.Ю. Шарошечные долота для реактивно-турбинного бурения. М.: Нефть и газ, 2016.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 4 april 2016
25
