Совершенствование вооружения ведущих венцов шарошек буровых долот Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

БУРЕНИЕ

УДК 622.24.051

Д.Ю. Сериков1, e-mail: serrico@rambler.ru

1 Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина (Москва, Россия).

Совершенствование вооружения ведущих венцов шарошек буровых долот

Представлены результаты работы, направленной на совершенствование конструкций зубчатого вооружения ведущих венцов шарошечных буровых долот в целях минимизации эффекта рейкообразования. Определены основные причины возникновения эффекта рейкообразования в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Разработана принципиальная схема косозубого вооружения шарошечного бурового инструмента, позволяющая исключить возможность рейкообразования за счет использования: разнонаправленного вооружения ведущих венцов на всех трех шарошках (первая шарошка имеет прямозубое или косозубое вооружение с минимальным углом наклона в ту или иную сторону, вторая шарошка - косозубое вооружение с правым углом подъема винтовой линии, и третья шарошка - косозубое вооружение с левым углом подъема винтовой линии); асимметричных зубьев, имеющих на всех шарошках разную степень и направление асимметрии; различных шагов зубчатого вооружения ведущих венцов на каждой из трех шарошек, обеспечивающих условие, что шаг зубьев каждой последующей шарошки должен быть больше шага предыдущей примерно на 1/3 шага зубьев первой шарошки; кинематических характеристик ведущих венцов шарошек, обеспечивающих минимальную вероятность проявления эффекта рейкообразования. Оснащение шарошечных буровых долот зубчатым вооружением предложенной конструкции позволит повысить эффективность разрушения породы инструментом за счет более качественного выравнивания поверхности забоя и сведения к минимуму возможности появления эффекта рейкообразования в течение всего процесса работы инструмента. Все это в конечном счете позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото при одновременном снижении стоимости буровых работ.

Ключевые слова: шарошечное буровое долото, рейкообразование, ведущий венец, передаточное отношение.

D.Yu. Serikov1, e-mail: serrico@rambler.ru

1 Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russia).

Improvement In The Equipment Of The Drilling Bit Roller Cutter Leading Rows

The results of work aimed at improving the design of teeth at the leading rows of roller-cone bits to minimize the effect of bottomhole ridges and depressions formation are shown. The main causes of the bottomhole ridges and depressions formation effect during oil and gas well drilling are determined. The schematic diagram of the helical structure of the roller-cone tool is developed allowing for avoidance of bottomhole ridges and depressions formation by using: multidirectional structure of the leading rows at all three roller cutters (the first roller cutter has spur or helical structure with minimum inclination angle towards a certain side, the second roller cutter has helical structure with right helix angle and the third roller cutter - helical structure with left helix angle); asymmetric teeth with different level and direction of asymmetry at all roller cutters; different spacing of teeth at the leading row structure at each of the three roller cutters providing that the teeth spacing at each next roller cutter is longer than that of the previous one by approximately 1/3 of the first roller cutter teeth spacing; kinematic characteristics of roller cutter leading rows ensuring minimum probability of the ridges and depressions formation effect.

Equipment of roller-cone bits with the teeth having the proposed structure will allow for enhancement of rock destruction with the tool due to higher quality of the bottomhole surface levelling and minimizing the effect of the bottomhole ridges and depressions formation within the entire process of the tool operation. Eventually, these activities will result in increased mechanical drilling rate and increased sinking per bit with simultaneous reduction of the drilling operations cost.

Keywords: roller-cone bit, bottomhole ridges and depressions formation, leading row, gear ratio.

34

№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

Рис. 1. Схема поражения забоя разнонаправленным зубчатым вооружением Fig. 1. Diagram of bottomhole coverage with multidirectional teeth

Одной из проблем, возникающей при работе шарошечного бурового инструмента, отрицательно влияющей на основные показатели бурения, такие как механическая скорость и проходка на долото, является образование зубчатой рейки на поверхности забоя скважины. Суть проблемы заключается в следующем. Спустя какое-то время после начала работы инструмента зубья вооружения, разрушая породу поверхности забоя, образуют в ней поверхность, обратную собственной геометрии. В результате вместо дальнейшего успешного разрушения породы вооружением бурового инструмента шарошки перекатываются по ответной рейке поверхности забоя подобно шестерням зубчатых механических передач. При этом, как правило, имеет место износ набегающих или сбегающих граней зубьев вооружения, а также происходит износ тела шарошки между зубьями. Эффект рейкообразования может появляться как на стадии приработки инструмента, так и по прошествии достаточно продолжительного времени бурения и связан с множеством различных факторов. Зачастую эффект рейкообразования приводит не только к существенному уменьшению механической скорости бурения, но и к отсутствию проходки как таковой. В некоторых случаях удается избежать рейкообразования, применяя на проблемных участках долота для бурения более мягких пород и (или) снижая по возможности гидростатическое давление на забой [2]. Причинами рейкообразования, как правило, являются: резкий переход разбуриваемых пород от хрупких к пластичным; значительное превышение гидростатического давления горной породы; несовершенство геометрии вооружения бурового инструмента и т. д.

Основным признаком, свидетельствующим об образовании забойной рейки, как правило, является резкое снижение механической скорости проходки без каких-либо существенных изменений в режимах бурения. Как правило, это

приводит к незапланированной замене зачастую вполне работоспособного бурового долота на другое, имеющее значительные отличия в геометрии вооружения. Все это требует проведения спускоподъемных операций, значительно увеличивающих суммарное время бурения и стоимость буровых работ. В связи с этим актуальны работы, связанные с созданием новых конструкций вооружения бурового шарошечного инструмента, не склонного к рейкообра-зованию.

Для того чтобы успешно противостоять эффекту рейкообразования, необходимо по возможности четко представлять картину взаимодействия вооружения бурового долота с поверхностью забоя

в целях выявления условий, способствующих возникновению этого нежелательного явления. Многочисленными авторами путем теоретических исследований кинематики шарошек, а также на основе анализа износа вооружения бурового инструмента, отработанного в реальных условиях бурения, установлены основные закономерности рейкообразования и пути его преодоления. Так, установлено, что при бурении средних и особенно твердых пород, как правило, вооружение ведущих или периферийных венцов шарошек долота формирует устойчивую рейку на поверхности забоя скважины. При этом венцы всех трех шарошек, как правило, работают по общей рейке. Забойная

Ссылка для цитирования (for citation):

Сериков Д.Ю. Совершенствование вооружения ведущих венцов шарошек буровых долот // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 11. С. 34-40.

Serikov D.Yu. Improvement In The Equipment Of The Drilling Bit Roller Cutter Leading Rows (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016,

No. 11, P. 34-40.

БУРЕНИЕ

Рис. 2. Варианты поражения забоя разнонаправленным зубчатым вооружением: 1 - попадание «зуб в зуб» трех разнонаправленных асимметричных зубьев; 2 - схема образования двух соседних лунок разнонаправленными зубьями двух шарошек Fig. 2. Options of bottomhole coverage with multidirectional teeth:

1 - «tooth-to-tooth» ingress of three multidirectional asymmetric teeth; 2 - scheme of two neighboring holes formation with multidirectional teeth of two roller cutters

рейка существенно меняет кинематику шарошки долота и условия взаимодействия вооружения с горной породой, так как ведущие или периферийные венцы в основном и определяют закон движения шарошки. Это связано с тем, что опорными поверхностями вооружения становятся не вершины зубьев, а их боковые грани и впадины. В таких условиях удельное давление на породу, создаваемое вооружением этих венцов, по мере приработки к рейке быстро снижается, а эффект разрушения горных пород уменьшается. Долото как бы зависает на выступах рейки. Это и приводит к значительному снижению механической скорости проходки.

В связи с этим при создании шарошечного бурового инструмента с косозубым вооружением возникла необходимость исключить возможность рейкообразования при его работе. На первом этапе предложено одновременно использовать разнонаправленное вооружение ведущих венцов на всех трех шарошках (рис. 1). Например, первая шарошка имеет прямозубое или косозубое вооружение с минимальным углом наклона в ту или иную сторону; вторая - косозубое вооружение с правым углом подъема винтовой линии; третья - косозубое вооружение с левым углом подъема винтовой линии. В таком случае при попадании разнонаправлен-

ных зубьев след в след будет достигаться разбивание реечной поверхности, образованной вооружением каждой предыдущей шарошки. Также рекомендуется использовать асимметричные зубья, которые на всех шарошках будут иметь разные степень и направление асимметрии (рис. 2). На втором этапе предложено использовать различные шаги зубчатого вооружения ведущих венцов на каждой из трех шарошек, при этом соблюдая условие, что шаг зубьев каждой последующей шарошки должен быть больше шага предыдущей примерно на 1/3 шага зубьев первой шарошки (рис. 1.1). В этом случае происходит интенсивное измельчение рейки и, как следствие, более качественное выравнивание забоя.

И наконец, на третьем этапе предложено использовать кинематические характеристики ведущих венцов шарошек в целях устранения эффекта рейкообразования. Рассмотрим подробнее кинематику шарошки бурового долота [1]. К примеру, определим траекторию движения точки М, лежащей на пересечении основного и калибрующего конусов шарошки (рис. 3):

ОМ = ОА + АВ + ВМ. (1)

При вращении шарошки вокруг оси вращения долота:

cp2=oi1t-,(pl=œit, (2)

где а\ - угловая скорость вращения шарошки, с-1; щ - угловая скорость вращения долота, с-1. Тогда:

Ol= [к cos [caj ) - / sin/?sin(ft^i ), --Äsin(ü^i)-/sin/?cx)s(i«2i),0]; (3)

AB=[ABsm(a^t)smß, AB cos^^sin/?, AB cos/?] , (4)

где к - эксцентриситет оси шарошки относительно оси вращения долота, мм; а - угол между осью вращения шарошки и ее образующей поверхностью, град.; 1 - смещение вершины шарошки относительно начала координат, мм.

36

№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

Вектор ВМ найдем путем поворота основания конуса шарошки вокруг координатных осей Oz и Оу.

Х'м = BMsm(a\t) Y^ = BMcos(a\t).

(5)

7' = О

Далее осуществим поворот вокруг оси Х1 на угол 180°- р. Для этого воспользуемся матрицей преобразования

1 0 0 0 -cos/? -sin/? 0 sin/? -cos /?

Y" лм

•к

Гм—Гм cos А г'и-Гмят/3 . (6)

Осуществим поворот вокруг оси Ъ на угол -ср2 = -со2г.

Воспользуемся матрицей преобразования (7).

Найдем абсолютные координаты точки М, используя векторы ОА, АВ (8). Определим время, когда зуб шарошки будет соприкасаться с поверхностью забоя скважины:

z = ВМ cos^^sin /3 + + АВ sm(900

(9)

Это будет происходить, когда ^(ю/) = = -1, так как остальные величины в выражении постоянны. Следовательно:

co,t = л(2n + l)=>t=л:(2n + 1\ (10)

При повороте оси шарошки вокруг оси долота на

ср = cot = со.

л(2п +1)

со.

■ ®i при I = —

°>2

получим: л(2п +1)

Ч>2--

(11) (12)

(13)

где п - целое число (0, 1, 2, 3, ...).

Таким образом, положение точки соприкосновения зуба вооружения с поверхностью забоя скважины зависит только от передаточного отношения 1. Исследуем передаточное отношение пары «долото - шарошка».

Рис. 3. Расчетная кинематическая схема шарошки Fig. 3. Designed kinematic scheme of the roller cutter

cos(<y2i) sin(a>2/) 0 -sin(fljjf) cos(o^f) 0 0 0 1

К = К cos(ft>2i)+у; зтЦг) Y™ = -X"Msm{a>2t) + YZcos{a>2t)

- ZM

XmM = X'M cos(w2t) - Y'M sm(«2i)cosyS ym = ~x'm sin(io20-7M cos(<w2i)cos/?

K=K sb/?;

Х'м = BM sin(ft^i)cos(iw2i) - BM cos () sin (&>2i) cos /? Y^ = -5M sin (^i) sin (a>2i)-ДМ cos cos (®2i) cos /3 ZmM =.SM cos (ffi^i) sin/?.

XM = ^cos(&i2?)-/sin/?sm(6(;2i) + ^5sin(£[;2i)sinyS + _SMsm(i^i)cos(ft)2/)--BM cos(ft^)sin(&>2i)cos /?

YM = -£sin(cu2i)-/sin/?cos(<w2i) + .4Z?cos(<w2i)sin/?-Z?Msin(ft^)sin(<w2i)-- BM cos (a^)cos(ft>2i) cos /? ZM = ABcos/3 + BMcos(<qi)sin/?.

(7)

(8)

БУРЕНИЕ

Рис. 4. Схема контактирования отдельного зуба ведущего венца вооружения с поверхностью забоя скважины

Fig. 4. Contact scheme of a certain tooth at the leading row with the bottomhole surface

<Pi

л(2п +1)

л Ъя 5я

(14)

Допустим, что при последующем обороте зуб вооружения попадает в точку, где он уже образовал лунку на предыдущем обороте:

я я(2п +1)

-2я;

-2я;

1 2n + l-2i i i ' n = i.

(15)

Если г принимает целые значения, тогда зуб при новом обороте будет попадать

(16)

I - может принимать значение, равное 1,667.

Рассмотрим явление повторения цикла.

Результаты вычислений эффекта «повторного попадания»

Results of calculating the re-ingression effect

N i

1

1 2

3

4

1,5

2 2

2,5

3 1,333

1,667

1,25

4 1,5

1,75

1,2

5 1,4

1,6

1,8

Пусть он происходит через N оборотов, тогда:

я я(2п + 1)

-2яЫ;

•_ п

(17)

в то же место, что и при предыдущем обороте.

Рассмотрим ситуацию, когда зуб вооружения при новом обороте попадает в точку, которая смещается на треть пространства между двумя соседними попаданиями на первом обороте:

я Зя

I I

5я _ я(2п +1) 3/ г

. Зл-1

I =-;

Это и есть условие, при котором зуб вооружения попадает в лунку, сделанную им же при первом обороте. Результаты вычислений эффекта «повторного попадания» в зависимости от различных величин / и N представлены в таблице.

На основе математического моделирования процесса было установлено, что в зависимости от передаточного отношения зуб вооружения может совершать два, три, четыре и т. д. попаданий в свой собственный след в рамках одного или нескольких оборотов долота на протяжении всего процесса бурения. То есть один и тот же зуб вооружения создает свои собственные лунки в поверхности забоя и обрабатывает исключительно их в течение всего времени работы инструмента. Естественно,чем больше этих точек, тем лучше. На рис. 4 представлена схема контактирования отдельного зуба вооружения с поверхностью забоя скважины, представляющая со-

38

№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

бой звездчатый многоугольник с семью вершинами.

Если задать смещение попаданий зуба вооружения на 1/3 величины пространства между двумя соседними попаданиями на первом обороте:

г = 1,667,

3

получим эффект вращения многоугольника при каждом полном обороте инструмента на угол, равный

а.,

360

' iN'

(18)

где N - количество полных оборотов долота.

Таким образом, в результате исследований этого явления были выявлены диапазоны изменения величин передаточных отношений системы «долото -шарошка», при которых каждый зуб вооружения ведущего венца контактирует с забоем в точках, образующих вершины многоугольника, поворачивающегося с каждым последующим оборотом долота на определенный угол:

Рис. 5. Варианты фигур, образующихся при контакте зубьев вооружения бурового инструмента Fig. 5. Options of figures forming at the contact of the drilling tool structure teeth

[1,21; 1,24] и [1,26; 1,32] и [1,33; 1,39] и и [1,41; 1,49] и [1,51; 1,59] и [1,61; 1, бб] и и [1,68; 1,74] и [1,76; 1,79].

На основе проведенных исследований была разработана новая конструкция геометрии вооружения, позволяющая

повысить эффективность работы бурового инструмента за счет лучшего разрушения забойной рейки и тем самым снизить стоимость буровых работ. Технический результат достигается тем, что шарошки бурового долота оснащены разнонаправленным косозубым вооружением. Причем венцы, имеющие

N1|>

МОСКОВСКИЕ

НЕФТЕГАЗОВЫЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

Встречи нефтяников и газовиков с поставщиками и подрядчиками

Москва, улица Тверская, 22, отель Intercontinental

16 марта 2017

Нефтегазснаб

Снабжение в нефтегазовом комплексе

Конференция собирает руководителей служб материально-технического обеспечения нефтегазовых компаний. Обсуждается организация закупочной деятельности, практика импортозамещения, оплата и приемка поставленной продукции, информационное обеспечение рынка

17 октября 2017

Нефтегазсервис

Нефтегазовый сервис в России

Традиционная площадка для встреч руководителей геофизических, буровых предприятий, а также компаний, занятых ремонтом скважин. Подрядчики в неформальной обстановке обсуждают актуальные вопросы со своими заказчиками - нефтегазовыми компаниями

23 мая 2017

Нефтегазстрой

Строительство в нефтегазовом комплексе

Формирование цивилизованного рынка в нефтегазовом строительстве, практика выбора строительных подрядчиков, создание российских ЕРС-фирм, увеличение доли российских компаний на нефтегазостроительном рынке, расценки и порядок оплаты проводимых работ

7 декабря 2017

Нефтегазшельф

Подряды на нефтегазовом шельфе

Заказчиками оборудования выступают "Газпром нефть", "Роснефть", "ЛУКОЙЛ", "Газфлот" и другие крупные компании. В условиях введения экономических санкций необходимо быстро освоить производство жизненно важного оборудования, в первую очередь запасных частей

12 сентября 2017

Нефтегазопереработка

Модернизация производств для переработки нефти и газа | Вопросы модернизации нефтеперерабатывающих и нефтехимических & мощностей, проблемы взаимодействия с лицензиарами, практика I импортозамещения, современные модели управления инвестиционными 1 проектами, стандарты и требования безопасности

Телефоны: (495) 514-58-56, 514-44-68; факс: (495) 788-72-79; info@n-g-k.ru; n-g-k.ru

Новые встречи — новые возможности!

БУРЕНИЕ

общие поверхности обработки забоя с венцами соседних шарошек, имеют разное направление наклона зубьев к оси шарошки, при этом все косые зубья в рамках одного венца каждой шарошки наклонены в одну сторону. Также по меньшей мере хотя бы один из ведущих венцов выполнен с передаточным отношением к частоте вращения бурового долота, укладывающимся в диапазоны:

[1,21; 1,24] и [1,26; 1,32] и [1,33; 1,39] и и [1,41; 1,49] и [1,51; 1,59] и [1,61; 1,6б] и и [1,68; 1,74] и [1,76; 1,79].

Достижению указанного технического результата способствует и то, что:

• шаги зубьев венцов на разных шарошках, имеющих общие поверхности обработки забоя с венцами соседних шарошек, соотносятся между собой следующим образом: шаг зубьев венца второй шарошки больше шага зубьев венца первой на 30-35 %, а шаг зубьев венца третей шарошки больше шага зубьев венца первой на 65-70 %;

• зубья шарошек выполнены асимметричными, при этом асимметрия на каждой последующей шарошке выполнена в противоположном направлении. На рис. 1 представлена схема поражения забоя разнонаправленным зубчатым вооружением, на рис. 2 - зона поражения разнонаправленным зубчатым вооружением.

Буровое шарошечное долото содержит три шарошки 1, 2, 3, оснащенные зубьями, расположенными под разным углом к оси шарошки, причем венцы, имеющие общие поверхности обработки забоя с венцами соседних шарошек, имеют разное направление наклона зубьев к оси шарошки. На рис. 1.2 приведен

пример выполнения вооружения долота, у которого две шарошки 2 и 3 имеют косые зубья 4 и 5 с наклоном в разные стороны относительно оси шарошки, а третья шарошка 1 выполнена с продольными зубьями 6. При этом зубья ведущих венцов всех шарошек выполнены с шагом, отличающимся от шага смежных зубьев, и соотносятся между собой следующим образом: шаг зубьев венца второй шарошки больше шага зубьев венца первой на 30-35 %, а шаг зубьев венца третей шарошки больше шага зубьев венца первой на 65-70 %. Причем в одноименных рядах зубья 4 и 5 имеют противоположное направление угла наклона к оси шарошки. В предложенном варианте геометрии вооружения все зубья в рамках одного венца каждой шарошки наклонены в одну сторону под одинаковым углом, что позволяет изготавливать зубья с минимальными инструментальными и временными затратами и тем самым упростить технологию изготовления шарошек и повысить качество их изготовления, а следовательно, и долота в целом. При этом по меньшей мере хотя бы один из венцов какой-либо шарошки -1, 2 или 3 - выполнен с передаточным отношением к частоте вращения бурового долота, укладывающимся в указанный ранее диапазон. Это позволяет обеспечить постоянное смещение точек попадания разнонаправленных зубьев вооружения относительно поверхности забоя при каждом последующем полном повороте бурового долота и тем самым повысить эффективность разрушения забойной рейки. Зубья вооружения шарошек могут быть литыми, фрезерованными или твердосплавными, что определяется в пер-

вую очередь физико-механическими свойствами разбуриваемых пород. При этом зубья шарошек выполнены асимметричными, а асимметрия на каждой последующей шарошке выполнена в противоположном направлении.Это обеспечивает более объемное разрушение лунок при попадании зубьев с различной асимметрией след в след (рис. 2).

Принцип работы бурового долота заключается в следующем. При вращении долота шарошки 1, 2 и 3 перекатываются по поверхности забоя и разрушают породу под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента. Выполнение долота с шарошками, зубья которых расположены под разными углами к оси соответствующей шарошки, способствует повышению эффективности его работы благодаря лучшему разрушению забойной рейки и выравниванию поверхности забоя. В то же время выполнение всех зубьев в рамках одного венца каждой из шарошек с одинаковым углом наклона не приводит к существенному усложнению технологии их изготовления в сравнении с аналогичными шарошками,оснащенными прямозубым вооружением. Таким образом, использование предложенной конструктивной схемы вооружения шарошечного бурового инструмента позволит повысить эффективность разрушения породы за счет более качественного выравнивания поверхности забоя и свести к минимуму возможность появления эффекта рей-кообразования в процессе бурения. Все это в конечном счете позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото при одновременном снижении стоимости буровых работ.

Литература:

1. Авт. свид. СССР на изобр. № 825835. Шарошка бурового долота / А.Н. Попов, А.И. Спивак, Б.Н. Трушкин и др. Опубл. 30.04.1981.

2. Сериков Д.Ю. Повышение эффективности шарошечного бурового инструмента с косозубым вооружением. М.: Нефть и газ, 2015.

3. Виноградов В.Н., Шрейбер Г.К., Сорокин Г.М. Механизм разрушения зубьев шарошек буровых долот // Нефтяное хозяйство. 1966. № 3.

References:

1. Inventor's certificate of the USSR No. 825835. Roller cutter of the drilling bit, A.N. Popov, A.I. Spivak, B.N. Trushkin, et al. Published on 30.04.1981. (In Russian)

2. Serikov D.Yu. Enhancing the efficiency of roller-cone drilling tool with helical cutting structure. Moscow, Oil and Gas, 2015. (In Russian)

3. Vinogradov V.N., Shreyber G.K., Sorokin G.M. Destruction mechanism of drilling bit roller cutter teeth. Neftianoe khoziaistvo = Oil facility, 1966, No. 3. (In Russian)

40

№ 11 ноябрь 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ