Повышение эффективности разрушения горных пород при бурении с использованием шарошечных долот

Несомненно, основную роль в процессах разрушения горных пород занимает буровой инструмент. Способность породоразрушающего инструмента (ПРИ) в заданном интервале времени в зависимости от глубины бурения и буримости горных пород поддерживать свои технологические свойства характеризуется в первую очередь качеством использованных материалов, а также правильно подобранными режимными параметрами бурения.

В этой статье будут рассмотрены основные пути совершенствования шарошечных долот, достоинства и недостатки их применения. Также будут рассмотрены вопросы режимных параметров бурения, выбора оптимальной нагрузки и динамической составляющей разрушения.

Ключевые слова: шарошечное долото, динамическое воздействие, колебания, режимные параметры.

Анализ работы шарошечных долот

Эффективность работы ПРИ, а значит и всего процесса бурения, зависит прежде всего от горно-геологических условий, конкретно к которым он подбирается. В последнее время все большее внимание уделяют долотам режущего действия, оснащенными резцами из композиционных материалов в металлических матрицах. Примером такого материала является славутич, который получается высокотемпературным спеканием твердосплавных компонентов с искусственными алмазами [2, c. 252]. Лопастные долота с твердосплавным вооружением получили свою известность благодаря большой проходке в средних по твердости породах. Невозможность применения лопастных долот PDC при бурении в твердых абразивных породах диктует необходимость искать новые пути совершенствования инструмента дробяще-скалывающего действия. Поэтому исследование работы шарошечных долот является важной задачей, которая в будущем может повысить объем выполняемых буровых работ и снизить себестоимость бурения.

Одним из наиболее распространенных буровых инструментов, покрывающий практически весь спектр твердости горных пород, являются шарошечные долота. Несомненным преимуществом таких долот является совместная реализация дробления и скалывания. Конструктивная схемы инструмента представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема трехшарошечного долота [4, c. 281]

1 —корпус с резьбой; 2 —лапы; 3 —шарошки; 4— цапфа; 5 —зубья; 6—подшипники; 7 —промывочный канал; 8 —канал для замковых подшипников

— Защита подшипниковых опор, в условиях высокой температуры и осевой силы

— Усовершенствование форм зубьев

— Применение вставных зубьев из высокопрочных материалов

— Усовершенствование системы промывки

Характеристика процесса разрушения горной породы шарошечным долотом включает в себя кратковременное статическое воздействие с одновременным динамическим воздействием вследствие перекатывания шарошки по породе. Взаимодействия зуба шарошки и горной породы происходит в различном сочетании дробящего и режуще-скалывающего действия. Чистое дробление реализуется в шарошках, продолжение образующих которых сходится с осью долота. Если же возникает отклонение, то реализуется процесс проскальзывания ведущий к резанию и сколу. Траектория движения зуба шарошки представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Траектория движения зуба шарошки [4, c. 25]

1—движение с проскальзыванием; 2— чистое перекатывание

При перекатывании шарошек по забою происходят незначительные продольные колебания, за счет периодического врезания зубьев. Амплитуду таких смещений можно вычислить по формуле [2]:

где Z— число зубьев в венце; d _в —диаметр венца; h—глубина внедрения

При повышении глубины внедрения, то есть при снижении твердости пород или увеличении осевой нагрузки, происходит значительное уменьшение продольных колебаний и как следствие динамической составляющей разрушения.

Период продольных колебаний можно связать с временем контакта зубца по формуле [2]:

,(2)

где D _Д —диаметр долота; ω _Д —частота вращения долота

Учитывая (1) и (2), можно вывести общую функцию продольного смещения долота на забое:

(3)

Рис. 3. Зависимость продольных колебаний ПРИ от глубины внедрения

Следовательно, при увеличении осевой нагрузки значительно снижается динамическая составляющая разрушения, что может привести к снижению эффективности работы шарошечных долот и повышенному износу.

Колебания или вибрации значительно влияют на процесс разрушения, и в одном случае могут его интенсифицировать, а в другом при несоблюдении режимных параметров, наоборот снизить, за счет значительного износа.

При неправильно установленной нагрузке на шарошечное долото происходит отскок долота, вследствие чего может произойти деформация КНБК (компоновка низа бурильной колонны) в процессе бурения.

Опытным путем установлено, что вибрации, происходящие на забое, имеют частоту 1–10 Гц и гасятся колонной на пути ее распространения к устью [1]. Оценить амплитуду виброускорения можно продифференцировав формулу (3):

(4)

Из формулы видно, что колебания в большей степени зависят от частоты вращения долота. То есть для того, чтобы управлять вибрациями следует увеличивать глубину внедрения и уменьшать частоту вращения. Поэтому представляется необходимым разработать алгоритм, который позволил бы установить зависимость между нагрузкой и скоростью вращения, достаточных для разрушения той или иной породы, чтобы оптимизировать процесс бурения с использованием осевых вибраций.

1. Куншин, А. А. Обоснование и разработка технологии мониторинга и прогнозирования энергоэффективной нагрузки на долото PDC в процессе бурения скважин: специальность 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Куншин Андрей Андреевич; Санкт-Петербургский горный университет. — Санкт-Петербург, 2021. — 116 c.
2. Нескромных, В. В. Разрушение горных пород при бурении скважин / В. В. Нескромных. — Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2014. — 336 c.
3. Сериков, Д. Ю. Повышение эффективности очистки шарошечных буровых долот / Д. Ю. Сериков, У. С. Серикова. — Текст: непосредственный // Территория нефтегаз. — 2018. — № 4. — С. 19–22.
4. Сериков, Д. Ю. Повышение эффективности шарошечного бурового инструмента с косозубым вооружением: специальность 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы»: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Сериков Дмитрий Юрьевич; Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина. — Москва, 2018. — 433 c.