Начинается...

Совершенствование геометрии вооружения шарошечного бурового снаряда

Совершенствование геометрии вооружения шарошечного бурового снаряда

Д. Ю. СЕРИКОВ – к.т.н., доцент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина

Д. Ю. СЕРИКОВ
к.т.н., доцент РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина

Постоянно растущий спрос на углеводородное сырье, требует поиска и освоения все новых нефтяных и газовых месторождений. Но, как правило, это сопряжено с увеличением глубин бурения, и связано с более глубоким залеганием новых нефтегазоносных горизонтов. Это в свою очередь обуславливает усложнение и утяжеление конструкций скважин, и соответственно увеличение начальных диаметров и глубин стволов большого диаметра. В связи с этим разработка новых и совершенствование существующих конструкций шарошечного бурового инструмента, необходимого для бурения скважин данного типа, является одной из приоритетных задач настоящего времени.

Наиболее распространенным способом создания верхнего интервала стволов и скважин большого диаметра, является бурение с образованием наружноступенчатого забоя, который формируется при одновременном углублении скважины в двух или более плоскостях. При этом в нижней плоскости возникает меньший по диаметру центральный круговой забой, а выше – периферийные один или более кольцевые забои. Наружно-ступенчатый забой образуется при бурении с применением технических средств, конструктивной особенностью которых является наличие породоразрушающих элементов, вырабатывающих центральный забой, а также элементов, расширяющих ствол скважины [1]. Ярким представителем такой компоновки является совместное использование пилотного шарошечного долота и наддолотного шарошечного расширителя (рис. 1, рис. 2).

На сегодняшний день у нас в стране и за рубежом существует большое количество конструкций шарошечных расширителей, которые в основном различаются в зависимости от типа вооружения, количества используемых шарошек и способа закрепления их на корпусе инструмента, т.е. со сменными или несменными шарошками.

Расширители со сменными породоразрушающими элементами представляют собой специальные конструкции, оснащенные шарошками, по своей геометрии и способу крепления, существенно отличающимися от шарошек, используемых в долотах для сплошного бурения. При этом они значительно дороже неразборных конструкций.

В связи с этим многие буровые предприятия, совместно с научно-исследовательскими, проектными и конструкторскими организациями, разрабатывают и изготавливают в местных условиях шарошечные расширители упрощенных конструкций.

В основу таких технических решений положена возможность использования для их изготовления имеющихся у буровых предприятий шарошечных долот, бурголовок, утяжеленных бурильных труб (УБТ), переводников и так далее. Как правило, они состоят из корпуса, изготовленного из УБТ, и приваренных к нему секций серийных буровых долот (лап с шарошками) [2,3].

Однако при всей простоте и «бюджетности» данного типа расширителей в процессе их проектирования и изготовления не учитывается существенное изменение кинематических характеристик шарошек, работающих в новых условиях, что приводит к несоответствию геометрии вооружения расширителя характеру и условиям разрушения кольцевого забоя.

Рассмотрим принцип и условия работы расширителей данного типа. Для примера возьмем компоновку низа буровой колонны, состоящей из пилотного долота и расширителя, изготовленного из секций аналогичного долота (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема работы пилотного шарошечного долота и наддолотного расширителя

Как правило, скорость работы шарошечных расширителей должна быть значительно меньше скорости вращения долота, из секций которого он изготовлен, в силу того, что скорость вращения отдельной шарошки значительно увеличивается при увеличении диаметра инструмента. Стандартная формула для расчета рекомендуемой скорости вращения расширителя:

Нагрузка на расширитель в идеале должна совпадать с рекомендованной для долота, из которого он изготовлен из расчета на одну шарошку:

Количество шарошек, всегда зависит от условий бурения, но при выборе необходимо учитывать два фактора: вибрация и износ инструмента. При увеличении количества шарошек снижается вибрация бурового снаряда, но при этом увеличивается необходимая нагрузка на расширитель.

В свою очередь, при большем количестве шарошек увеличивается ресурс работы расширителя, но при этом, опять же увеличивается необходимая нагрузка на инструмент.

Как известно, буровые долота, предназначенные для бурения мягких и средних пород, оснащаются многоконусными смещенными в плане шарошками, значительно отличающимися от формы подвижного аксоида, образующегося при вращении тела вокруг двух пересекающихся осей. Эти два фактора в основном и обеспечивают наличие у данного типа бурового инструмента эффекта проскальзывания вооружения в процессе перекатывания шарошек по поверхности забоя. При этом, как правило, вершинные венцы шарошек работают с пробуксовкой вооружения, а периферийные в режиме подтормаживания [2]. Однако, как только эти же шарошки разносятся на более значительное расстояние от оси вращения буровой колонны, картина резко меняется.

В некоторых случаях вершинные венцы начинают подтормаживать, а периферийные работать в режиме пробуксовки. Это объясняется тем, что при удалении шарошки (с сохранением величины наклона цапфы лапы по отношении к оси вращения буровой колонны) меняется положение мгновенной оси вращения (рис. 1, рис. 2). Где:
ω1 - угловая скорость вращения буровой колонны;
ω2 - угловая скорость вращения шарошки пилотного долота;
ω3 - угловая скорость вращения шарошки расширителя;
d - диаметр периферийного венца шарошки пилотного долота;
Ω и Ω1 - величины мгновенных угловых скоростей вращения шарошек пилотного долота и расширителя соответственно.

Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании шарошечных расширителей, так как для разбуривания твердых пород необходимо добиваться того, чтобы вся образующая шарошек расширителя, контактирующая с поверхностью кольцевого забоя, совпадала с мгновенной осью вращения. Только в этом случае перекатывание шарошек будет осуществляться без проскальзывания, что для работы инструмента в таких условиях бурения является весьма важным. И, наоборот, при бурении мягких и средних пород необходимо заведомо создавать проскальзывание тех или иных венцов вооружения шарошек расширителя в зависимости от его конструктивных особенностей.

Очистка забоя является одним из важнейших факторов при бурении скважин большого диаметра, где количество шлама значительно увеличивается. Так, например, количество шлама при бурении ствола диаметром 609 мм, в четыре раза больше, чем при бурении скважины диаметром 304,8 мм [1].

Рис. 2. Принципиальная схема работы пилотного шарошечного долота и наддолотного расширителя с косозубым вооружением

В связи с этим, одним из перспективных способов, позволяющим повысить эффективность очистки призабойной зоны, является оснащение шарошечного бурового 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 [2].

Если прямозубое вооружение работает с образованием равномерного бурта и равностороннего отвала шлама, то косозубое, с первых моментов внедрения зуба в поверхность забоя, образует конусоподобный бурт, с преимущественным отвалом выбуренной породы в сторону наклона зубьев вооружения. Это позволяет не только снизить изгибающие нагрузки, действующие на зуб в процессе его работы, но и задавать направление эвакуации шлама.

В связи с этим можно констатировать, что основными недостатками шарошечных буровых долот и в особенности расширителей, оснащенных шарошками с прямозубым вооружением, являются низкие технико-экономические показатели бурения, а именно проходка и механическая скорость, обусловленные частичным несоответствием геометрии их зубчатого вооружения характеру и условиям бурения в сочетании с малоэффективной работой промывочных систем. В основном это связано с низкой эффективностью удаления шлама с забоя скважины и повторным перемалыванием его зубьями шарошек, так как зубья вооружения не участвуют в эвакуации разрушенной породы, особенно из периферийных участков забоя скважины, где концентрируется основная масса шлама. Это неминуемо приводит к усиленному износу вооружения шарошечного бурового инструмента и росту энергоемкости процесса разрушения породы.

С целью повышения эффективности совместной работы пилотного шарошечного долота и расширителя, за счет увеличения разрушающей способности их зубчатого вооружения и более качественной очистки забоя от разрушенной породы были разработаны новые конструкции шарошечного бурового долота и расширителя с косозубым вооружением (рис. 2).

Суть разработки заключается в том, что все шарошки, как опытного долота, так и расширителя выполнены с косозубым вооружением и имеют форму, обеспечивающую режим работы зубьев со скольжением.

При этом зубья периферийных венцов имеют правое направление подъема образующей винтовой линии площадок притупления при бурении по часовой стрелке, и левое – при бурении против часовой стрелки, а зубья остальных венцов наклонены в противоположную сторону. Компоновка состоит из пилотного шарошечного долота 1, и наддолотного расширителя 2, оснащенных шарошками 3 с разнонаправленным косозубым вооружением 4.

Расширитель 2 содержит полый корпус 5 с осевым каналом 6, на концевых участках которого выполнены резьбы 7 для соединения с бурильной колонной и пилотным наконечником 8, а также снабжен промывочной системой. На корпусе 5 жестко закреплены лапы 9 с шарошками 3, вооружение которых выполнено в виде фрезерованных или литых поверхностно-армированных твердым сплавом зубьев 10. Вид выбираемого вооружения определяется физико-механическими свойствами разбуриваемых пород.

В проеме между шарошками 3 размещены промывочные патрубки, оснащенные гидромониторными насадками, закрепленными в наклонных каналах посредством втулок, которые в свою очередь крепятся с патрубком посредством гвоздевых шплинтов или разрезных пружинных колец. Все шарошки 3 пилотного долота 1 и расширителя 2 выполнены с косозубым вооружением 4, и имеют форму, обеспечивающую режим работы зубьев 10 со скольжением [4].

При этом зубья периферийных венцов имеют правое направление подъема образующей винтовой линии площадок притупления при бурении по часовой стрелке, и левое – при бурении против часовой стрелки, а зубья остальных венцов наклонены в противоположную сторону. Очистка забоя от шлама осуществляется промывочной жидкостью, прокачиваемой через гидромониторные насадки, оси которых направлены на забой в зону действия периферийных венцов под разными углами, составляющими от 800 до 1000, причем величина угла наклона насадок меняется в зависимости от конкретных условий работы расширителей [4].

Вся конструкция (буровой снаряд) работает следующим образом. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого через бурильный вал на долото 1 и корпус 5 расширителя 2, зубья 10 внедряются в породу и разрушают ее. Разрушенная порода удаляется промывочной жидкостью, подаваемой через внутренние полости долота 1 и полость корпуса 5 расширителя 1 и промывочные патрубки с гидромониторными насадками. При этом благодаря выполнению шарошек 3 с косозубым вооружением и разным направлением наклона периферийных и центральных венцов обеспечивается более эффективная очистка забоя от шлама (рис. 2). Это достигается за счет использования косых зубьев 10 шарошек 3 в качестве транспортирующего средства. Этому также способствует выполнение шарошек 3 с формой, обеспечивающей проскальзывание вооружения при перекатывании шарошек по забою во время работы инструмента. При этом в связи с удалением шарошек 3 от оси вращения буровой колонны проскальзывание вооружения различных венцов шарошек расширителя происходит в противоположном направлении по отношению к аналогичным венцам шарошек пилотного бурового долота 1.

В разработанном расширителе вооружение центральных венцов шарошек 3 расширителя 2 работает в режиме подтормаживания, а вооружение периферийных – в режиме пробуксовки.

В этом случае периферийные венцы шарошек 3, проскальзывая по забою механически, за счет «шнекового эффекта» перемещают шлам в сторону центра скважины, эвакуируя его из зоны, образованной стенкой скважины и поверхностью забоя, где обычно накапливается наибольшее количества шлама и удаление которого связано со значительными трудностями. При этом зубья центральных венцов шарошек 3, проскальзывая в противоположном направлении, но имея при этом противоположный угол наклона зубьев, так же перемещают выбуренную породу вдоль поверхности забоя к центру пилотной скважины (рис. 2). Таким образом, обеспечивается однонаправленность потоков промывочной жидкости, исходящих из боковых гидромониторных насадок и механической эвакуации шлама проскальзывающими зубьями вооружения всех венцов шарошек к центру скважины.

При прохождении наклонными зубьями 10 гидравлической среды, также за счет «шнекового эффекта» происходит транспортировка шламовой взвеси периферийными венцами в сторону центра скважины, а центральными венцами в сторону стенки скважины. Это так же обеспечивает однонаправленность основного потока промывочной жидкости восходящего вверх по пилотной скважине и омывающего шарошки 3 сбоку и сверху с направлением эвакуации шлама косозубым вооружением центральных венцов при прохождении ими гидравлической среды. В свою очередь, наклонные зубья периферийных венцов, работая в гидравлической среде, эвакуируют шламовую взвесь в противоположную сторону. Это позволяет создать демпферную зону, не позволяющую шламу из основного потока промывочной жидкости попадать в проблемные, с точки зрения очистки забоя, места работы калибрующих конусов шарошек [5].

Встреча разнонаправленных потоков, создаваемых разнонаправленным косозубым вооружением, происходит в нейтральной межвенцовой зоне, откуда обогащенная шламом промывочная жидкость направляется в свободную зону, расположенную между лапами (или несущими конструкциями шарошек) расширителя и далее в затрубное пространство.

При расположении зубьев шарошек 3 по указанной схеме обеспечивается эффективное удаление шлама, как из периферийной, так и центральной зоны расширителя, обеспечивая тем самым работу шарошек по чистому забою. Оба этих фактора являются решающими для обеспечения качественной очистки забоя от шлама, а, следовательно, способствуют повышению основных показателей бурения.

Однако в случае разбуривания пород средней твердости, склонных к рейкообразованию, возможно и другое исполнение геометрии вооружения шарошек (рис. 3).

Рис. 3. Схема поражения забоя разнонаправленным зубчатым вооружением пилотного долота и шестишарошечного расширителя

Например, для пилотного долота, первая шарошка имеет прямозубое φ1 = 0 или косозубое вооружение периферийного венца с минимальным углом наклона в ту или иную сторону. Вторая шарошка имеет косозубое вооружение периферийного венца с левым углом φ2left подъема винтовой линии. Третья шарошка, соответственно имеет косозубое вооружение калибрующего венца с правым углом φ2right подъема винтовой линии. Для расширителя такая последовательность расположения шарошек повторяется дважды и абсолютно для всех венцов вооружения шарошек.

В таком случае при попадании разнонаправленных зубьев след в след будет достигаться разбивание реечной поверхности, образованной вооружением каждой предыдущей шарошки. Так же возможно использовать ассиметричные зубья, которые на всех шарошках будут иметь разные степень и направление асимметрии.

Таким образом, использование на практике пилотного шарошечного долота и расширителя с новой геометрией косозубого вооружения (рис. 4), обеспечивающей более эффективное механическое и гидравлическое удаление шлама, как с поверхностей кольцевых участков забоя скважин большого диаметра, позволит повысить проходку и механическую скорость бурения стволов большого диаметра, и тем самым снизить себестоимость проведения буровых работ.

Рис. 4. Опытный образец пилотного шарошечного долота и наддолотного расширителя с косозубым вооружением совместного производства АО «Волгабурмаш» и ЗАО «Проммашсервис»

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Буримов Ю. Г., Копылов А. С., Орлов А. В. Бурение верхних интервалов глубоких скважин большого диаметра. – М. – 1975.
  2. Сериков Д. Ю. Совершенствование геометрии вооружения шарошечных расширителей // Территория «НЕФТЕГАЗ», – 2014. – №10. – с. 18–22.
  3. Богомолов Р. М., Носов Н. В. Энциклопедия изобретений (1916– 2016 гг.). – М.: Инновационное машиностроение. – 2015.
  4. Пат. 2112858 РФ на изобр. / Ясашин В. А., Макаров Н. Г., Назаров А. М., Сериков Д. Ю., Уралев В. Б. Шарошечный расширитель. Б.И. № 16 от 10.06.1998.
  5. Пат. 2600225 РФ на изобр. / Сериков Д. Ю., Ясашин В. А., Панин Н. М. Шарошечный расширитель. Б.И. № 29 от 20.10.2016.

Скачать статью в формате pdf →

119991, Москва, 
пр. Ленинский, д. 65, корп. 1
☎ +7 (499) 507-88-88
com@gubkin.ru
www.gubkin.ru


Читайте также: