Сборно-разборное долото большого диаметра со стальным армированным вооружением для РТБ
Д. Ю. СЕРИКОВ –
к.т.н., доцент РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина
В данной статье рассмотрены особенности кинематики многошарошечных долот большого диаметра в условиях реактивно-турбинного бурения. Выявлены недостатки геометрии вооружения шарошечных долот для сплошного бурения, при использовании их в агрегатах РТБ. Представлена конструктивная схема сборно-разборного долота с новой геометрией поверхностно армированного зубчатого вооружения, позволяющей повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения, за счет увеличения разрушающей способности зубьев и снижения энергоемкости процесса разрушения породы.
Для сооружения стволов и скважин диаметрами четыре метра и более способом реактивно-турбинного бурения (РТБ), возникла необходимость создания долот увеличенного диаметра (750 мм и более), с целью обеспечения полного перекрытия забоя большого поперечного сечения четырехтурбинными агрегатами.
Так как способ РТБ относиться к планетарному типу бурения, нет необходимости, использования долот для сплошного бурения [1].
В связи с этим наиболее простым и эффективным 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 конструктивное решение позволяет использовать секции от стандартных шарошечных долот корпусного типа.
На основе этого принципа была создана целая серия шарошечных долот диаметром 750 мм и более. Однако ни одна из этих конструкций не позволила в полной мере раскрыть весь потенциал, заложенный в реактивно-турбинном способе бурения.
Как известно, шарошечные долота при РТБ разрушают породу с образованием плоского горизонтального забоя. В связи с этим буровой инструмент, оснащенный шарошками, геометрия вооружения которых не отвечает этому основному условию, заведомо неэффективен [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 (рис. 1).
На (рис. 1) представлена кинематическая схема работы инструмента (где: ωD – угловая скорость вращения долота; ω1 – угловая скорость вращения первой шарошки; ω4 – угловая скорость вращения четвертой шарошки; Ω1 и Ω4 – величины мгновенных угловых скоростей вращения первой и четвертой шарошек соответственно), на которой шарошки долота увеличенного диаметра представляют собой конусы, оси которых наклонены по отношению к оси вращения долота на угол β, с геометрией вооружения образующей плоский забой.
В этом случае векторное сложение угловых скоростей каждой из шарошек с вектором угловой скорости долота будет давать вектор результирующей мгновенной скорости направленный под некоторым углом к поверхности забоя и пересекающий образующую шарошки в нейтральной точке N или N4 с нулевым скольжением. В результате все зубья вооружения лежащие между осью вращения долота и нейтральной точкой будут «подтормаживать», а зубья, расположенные за этой точкой будут «пробуксовывать». Это является отличительной особенностью долот данной конструкции, от классических долот для сплошного бурения, где как правило «пробуксовывают» вершинные венцы вооружения.
Рис. 1. Кинематическая схема работы шестишарошечного долота увеличенного диаметра при его вращении только вокруг собственной оси
Таким образом, большинство зубьев вооружения шарошек с данной геометрией вооружения будут разрушать забой со скольжением, которое при суммировании со скольжением, связанным с вращением агрегата РТБ могут достигать существенных значений. В дополнении к этому, с целью еще большего увеличения величин этих скольжений, можно использовать классический метод смещения осей шарошек в плане относительно оси вращения долота [2,3].
В связи с этим данная геометрия шарошек рекомендуется для оснащения долот, предназначенных для бурения мягких и частично средних пород способом РТБ.
Как видно из (рис. 1), при создании долот увеличенного диаметра с использованием секций от обычных долот корпусного типа, предназначенных для сплошного бурения, необходимо учитывать, что при одинаковой скорости вращения стандартного долота и долота увеличенного диаметра, изготовленного из секций первого, скорости вращения шарошек будут значительно выше, вследствие увеличения диаметра инструмента. Стандартная формула для определения рекомендуемой скорости вращения долота увеличенного диаметра [4]:
где:
DD – диаметр долота, секции которого использованы при изготовлении долота увеличенного размера, мм.
DG – диаметр долота увеличенного размера, мм.
ng – рекомендуемые обороты для долота, секции которого использованы при изготовлении долота увеличенного диаметра, об./мин.
В связи с этим при изготовлении шарошечных долот увеличенного диаметра рекомендуется использовать секции (лапа с шарошкой) стандартных долот корпусного типа с максимально возможными размерами подшипниковых узлов.
Количество шарошек долот увеличенного диаметра, всегда зависит от условий бурения, но при выборе необходимо учитывать три фактора: вибрация, износ инструмента и недопущения соприкосновения корпуса долота со стенкой скважины. При увеличении количества шарошек снижается вибрация бурового инструмента, но при этом увеличивается необходимая нагрузка на долото. В свою очередь, при большем количестве шарошек увеличивается ресурс работы долота, но при этом, опять же увеличивается необходимая нагрузка на инструмент.
Нагрузка на долото увеличенного диаметра в идеале должна совпадать с рекомендованной для долота, из которого оно изготовлено из расчета на одну шарошку [4]:
где:
Z – количество шарошек в долоте увеличенного размера, шт.
QD – рекомендованная нагрузка на долото, секции которого использованы при изготовлении долота увеличенного диаметра, кН.
Таким образом, проведенный анализ кинематики долота увеличенного диаметра свидетельствует о том, что шарошки инструмента данного типа всегда работают со скольжением. За счет изменения угла наклона цапф, можно добиться существенного увеличения проскальзывания вооружения по горизонтальному забою, являющегося главной характеристикой долот, предназначенных для бурения мягких пород. Изготовление долот увеличенного диаметра с использованием секций от стандартных корпусных долот для сплошного бурения является не рациональным, так как геометрия вооружения обычных долот не учитывает особенностей взаимодействия зубьев вооружения с поверхностью забоя в условиях РТБ.
Многочисленными промышленными испытаниями установлено, что работа шарошечных корпусных долот в агрегатах РТБ в основном сопровождается износом вооружения шарошек и опорных узлов. При этом корпуса долот могут использоваться повторно до 4–6 раз. В связи с эти была разработана технология изготовления сборно-разборных корпусных долот, основанная на использование электродуговой (резки) сварки [3,5]. Однако данная технология, при смене отработанных шарошек, требует применения дорогостоящей огневой резки и выполнения работы высоко квалифицированными сварщиками, что не всегда возможно в условиях буровых предприятий.
С целью переоснащения долот для РТБ силами буровой бригады без применения сварки в ОАО «Сарапульский машзавод» были разработаны несколько конструкций долот со съемными шарошками, как с твердосплавным, так и поверхностно армированным стальным вооружением. Наиболее совершенным из них является долото ДРБ3-750 с двухсторонним креплением цапфы шарошек и диаметром 750 мм (рис. 2). Оно состоит из сварного корпуса, шарошек, тел качения, цапфы, пальца, втулки и штифта замкового соединения. Корпус состоит из наружного и внутреннего конусов, между которыми размещаются шарошки. Внутренний конус закрепляется на переводнике. На внутренней стороне корпуса предусмотрены конические выточки под посадку в них соответствующей формы выступов цапфы. Палец и нажимная втулка надежно закрепляют цапфу в корпусе долота. Шарошки изготавливаются из заготовок первых шарошек долота Ш444,5 С-ЦВ без изменения опоры. Однако недостатком данного долота является низкая эффективность его работы, связанная с тем, что геометрия вооружения шарошек не в полной мере учитывает особенности работы инструмента в условиях реактивно-турбинного бурения, т.е. движения шарошек не только вокруг цапф и оси вращения долота, но и в переносном движении долота вокруг оси вращения агрегата.
Рис. 2. Шестишарошечное долото со сменными шарошками: 1 – корпус; 2 – лапа; 3 – шарошка; 4 – канал промывки; 5 – калибрующий венец; 6 – основной венец; 7 – вершинный венец; 9 – ось вращения долота; 10 – поверхность забоя; 11 – шарик; 12 – ось шарошки; 13 – палец; 14 – ролик; 15 – цапфа; 16 – втулка; 17 – шплинт
В связи с этим, с целью повышения проходки и механической скорости бурения способом реактивно-турбинного бурения, в конструкцию серийного долота были внесены корректирующие изменения.
Суть изменений сводится к тому, что в шарошечном долоте для реактивно-турбинного бурения с фрезерованным или литым зубчатым вооружением, каждая шарошка изготовлена в виде одноконусной конструкции, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата. При этом торцевые грани калибрующих, основных и вершинных зубьев выполнены вогнутой формы, c радиусами кривизны: rK1, rK2, rO1, rO2, rB1, rB2, (значки 1 и 2 относятся соответственно к внутренним и наружным радиусам, а буквы K, O и B – соответственно к калибрующим, основным и вершинным венцам шарошек) соотношение которых со стороны вершины шарошки должно удовлетворять условию rK1 > rO1 > rB1, при rB1 / rK1=(0,35 ÷ 0,75), а со стороны основания шарошки – удовлетворять условию rK2 > rO2 > rB2, при rB2 / rK2= (0,25 ÷ 0,85) [6].
В дополнении к этому, торцевые грани зубьев образуют с поверхностью забоя углы определенной величины, при этом соотношение величин этих углов: калибрующего , основного и вершинного венцов со стороны вершины шарошки, должны удовлетворять условию , при . А со стороны основания шарошки: , основного и вершинного венцов, должны удовлетворять условию , при (рис. 4).
Такое выполнение геометрии вооружения долота позволяет существенно повысить разрушающую способность зубьев в направлении максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения (рис. 3).
На (рис. 3) представлена схема поражения забоя 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 плоскости будет определяться как сумма площадей прямоугольников, образованных шириной торцевой части зубьев и величиной скольжения Δ (смещением A точки A′ в точку рис. 3). При этом эффективность работы вооружения в этом направлении будет минимальна. Значительно увеличить площадь поражения забоя и тем самым повысить эффективность бурения, можно путем оснащения шарошек разнонаправленным косозубым вооружением (рис. 2, вид А), позволяющим при данном виде скольжения задействовать для разрушения забоя не только торцевые поверхности зубьев, но их основные боковые поверхности [2].
Таким образов оснащение шарошек разнонаправленным косозубым вооружением позволяет существенно увеличить площадь поражения забоя зубьями шарошек.
Рис. 3. Положение шарошек в момент их максимального проскальзывания, связанного с вращение агрегата РТБ
Сборно-разборное долото для реактивно-турбинного бурения (рис. 2) включает корпус 1 с промывочной системой, образованной каналами 4 и лапами 2, на цапфах которых установлены шарошки 3 с вершинными 7, основными 6 и периферийными венцами 5. Внутренние и наружные торцевые грани зубьев, выполнены с определенными радиусами кривизны. Каждая шарошка 3 долота представляет собой одноконусную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата.
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, зубья шарошек 3 внедряются в породу и разрушают ее. При этом вооружение долота совершает относительное вращение вокруг оси вращения долота 9 с угловой скоростью ωD (рис. 3) и переносное движение вокруг оси вращения 8 агрегата реактивно-турбинного бурения. Последнее сопровождается значительным проскальзыванием вооружения шарошек 3 по забою скважины 10, причем как вдоль оси шарошек, так и в перпендикулярном направлении.
На (рис. 3) представлена принципиальная схема движения вооружения шарошки в момент ее «перекатывания» в точках A и B. Здесь движение долота вокруг оси вращения агрегата 8 с угловой скоростью ωA не может быть компенсировано дополнительным увеличением или уменьшением скорости вращения шарошки ωIII, так как ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата (VA – вектор линейной скорости точек A и B).
Поэтому, при «перекатывании» шарошки долота по забою в точках A и B происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения в направлении вращения агрегата реактивно-турбинного бурения на величину Δ, т.е. точка A перемещается в A′, а точка B перемещается в B′. 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 A и B 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. В связи с этим при бурении мягких пород необходимо уменьшить передний угол резания торцевых поверхностей зубьев вооружения шарошки, принимающих максимальное участие в разрушении породы плоского забоя.
Таким образом, помимо улучшения условий резания мягких пород будет обеспечиваться частичное выравнивание нагрузки на зубья всех венцов вооружения шарошки.
Рис. 4. Конфигурация торцевых поверхностей зубьев вооружения
Рис. 5. Угловое выполнение торцевых поверхностей зубьев вооружения
Выполнение этого условия позволит максимально использовать работу торцевых граней всех без исключения зубьев, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя при проскальзывании вооружения шарошек, связанном с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения.
Это связано с тем, что в момент максимального проскальзывания вооружения, связанного с вращением агрегата, большая часть работы по разрушению плоского забоя 10 осуществляется торцевыми поверхностями зубьев 5 калибрующего конуса шарошки, чуть меньшая торцевыми поверхностями зубьев 6 основного ряда и незначительная часть теми же поверхностями зубьев вершинного ряда 7. С целью снижения неравномерности нагрузки на все торцевые поверхности зубьев всех рядов вооружения необходимо создать различные передние углы резания для всех торцевых поверхностей. Это достигается путем выполнения зубьев вогнутой формы с радиусами кривизны со стороны вершины шарошки, удовлетворяющими условию rK1 > rO1 > rB1 (значки 1 и 2 относятся соответственно к внутренним и наружным радиусам, а буквы K, O и B – соответственно к калибрующим, основным и вершинным венцам шарошек), а со стороны основания шарошки радиусы кривизны должны удовлетворять условию rK2 > rO2 > rB2 (рис. 4).
Вооружение шарошек 3 может изготавливаться как в прямозубом, так и косозубом исполнении и применяться для оснащения шарошечного бурового инструмента с любым количеством шарошек.
Также возможно угловое выполнение торцевых поверхностей с передними углами резания и (рис. 2 и рис. 5).
Таким образом, применение предложенных вариантов исполнения геометрии вооружения шарошечного долота, позволит повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость бурения. В свою очередь использование сборно-разборных конструкций шарошечных долот для РТБ, позволит многократное использование их корпусов, а также даст возможность буровым бригадам на месте переоснащать изношенные или поврежденные узлы бурового инструмента, что позволит существенно снизить стоимость сооружения стволов и скважин большого диаметра способом РТБ.
ЛИТЕРАТУРА:
- Реактивно-турбинное бурение. Труды ВНИИБТ. Вып.18. – М. Недра.1967.
- Сериков Д. Ю. Повышение эффективности шарошечного бурового инструмента с косозубым вооружением. – М.: Нефть и газ, 2015.
- Богомолов Р. М., Носов Н. В., Крылов С. М., Кремлев В. И. - Совершенствование технологии обработки и сборки буровых шарошечных долот. М. Машиностроение. 2013.
- Буримов Ю. Г., Копылов А. С., Орлов А. В. Бурение верхних интервалов глубоких скважин большого диаметра. М.: Недра, 1975.
- Ясашин В. А., Сериков Д. Ю., Тесля Н. Е. Технология изготовления шарошечных буровых долот со сменными секциями. «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». №1–2, 1996.
- Сериков Д. Ю. Шарошечные долота для реактивно-турбинного бурения. – М.: Нефть и газ, 2016.
Статья в формате pdf →
-
119991, Москва,Ленинский пр., д. 65, корп. 1
- ☎ +7 (499) 507-88-88
- com@gubkin.ru
- gubkin.ru
