Пути повышения эффективности работы буровых шарошечных долот
|
Скачать 0.68 Mb.
|
|
На правах рукописи БЛИНКОВ Олег Геннадьевич ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ Специальность 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва 2007 Работа выполнена в ОАО «Уралбурмаш» и ОАО НПО «Буровая техника» Научный консультант – доктор технических наук, профессор Гусман Александр Михайлович Официальные оппоненты – доктор технических наук, Белоруссов Владимир Олегович – доктор технических наук, Гноевых Александр Николаевич – доктор технических наук, Аветов Рафаэль Владимирович Ведущая организация - ОАО «Самаранефтегаз» Защита диссертации состоится «4» октября 2007 в _11_часов на заседании диссертационного Совета ______________________в ОАО НПО «БУРОВАЯ ТЕХНИКА» - ВНИИБТ по адресу: 115114, г. Москва, Летниковская ул. 9 Автореферат разослан «……» _____________2007г. С диссертационной работой можно познакомиться в библиотеке ОАО НПО «БУРОВАЯ ТЕХНИКА» - ВНИИБТ Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Чайковский Г.П. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Повышение эксплуатационных показателей работы буровых шарошечных долот является одним из решающих факторов снижения затрат на строительство скважин и существенного повышения показателей бурения в целом. За последние годы в России и СНГ возросли объемы роторного бурения. Широко применяется способ среднеоборотного бурения винтовыми забойными двигателями и редукторными турбобурами. Соответственно увеличился, и по объему, и особенно по номенклатуре, выпуск долот с герметизированными опорами, предназначенными, в основном, для частот вращения долот в диапазоне 30-300 об/мин. Вместе с тем, объем турбинного бурения в нашей стране по-прежнему превышает объем бурения с другими видами привода. В связи с этим весьма важное значение приобретает проблема создания новых типов буровых шарошечных долот с герметизированными опорами для высокооборотного турбинного бурения. Сложнейшая кинематика и кинетика работы долота при проводке скважин на нефть и газ, высокие динамические нагрузки, которые воздействуют на долото при разрушении пород с самыми различными свойствами по твердости, вязкости, пластичности и абразивности, делают буровой инструмент одним из самых сложных и высоконагруженных механизмов, работающих в условиях вибрации, стесненности скважинного пространства, в среде абразивной промывочной жидкости. Весьма сложные условия бурения имеют место и при использовании горнорудных буровых шарошечных долот с удалением выбуренного шлама и охлаждением узлов и элементов долота путем подачи на забой сжатого воздуха. Острая конкуренция между буровыми и машиностроительными компаниями, которая явилась в настоящее время важным фактором, инициирующим решение большого числа новых задач, предъявляет чрезвычайно высокие требования как к эффективности и качеству современного породоразрушающего инструмента, так и к определению областей его эффективного применения. Возможность использования ранее недоступных для гражданского производства технологических процессов и материалов и всеобщая компьютеризация создают новые возможности для совершенствования буровых шарошечных долот. В условиях рыночного хозяйствования для увеличения рентабельности применения и производства бурового инструмента и повышения его конкурентоспособности в сравнении с ведущими западными фирмами, а также эффективности буровых работ в целом, необходимо преобразование всей технологической цепочки от маркетинга, научно-исследовательских работ и проектирования породоразрушающего бурового инструмента до его использования в бурении. Цель исследования. Повышение показателей буровых работ за счет создания новых высокоэффективных шарошечных долот для проводки скважин в различных горно-геологических условиях, в т. ч. для высокооборотного бурения. Основные задачи исследования.
Методы исследования. В работе использован комплекс методов, включающих аналитические, экспериментальные исследования, численные и статистические методы, стендовые и промысловые испытания, технико-экономические методы оценки результатов работы. Научная новизна.
Практическое значение и реализация работы.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на ежегодных межотраслевых координационных совещаниях по породоразрушающему инструменту в период с 1988 по 2002 гг.; на Республиканской конференции "Региональное природопользование и экологический мониторинг", Барнаул, 1996г.; на научно-технических советах ОАО "Уралбурмаш"; на заседаниях Лаборатории повышения износостойкости породоразрушающего инструмента РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва; на научно-технических конференциях, г. Уфа; на научно-технических заседаниях Самарского аэрокосмического университета имени С.П. Королева. Публикации. Основное содержание и результаты выполнения работ изложены в 52 опубликованных научных работах, в т.ч. 3 монографии, 16 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка использованной литературы, включающего в себя 223 наименование работ российских и зарубежных авторов и приложений. Работа изложена на 238 страницах учитываемого машинописного текста, включает 106 рисунков и 66 таблиц. За помощь, оказанную при обсуждении результатов работы и проблем, освещенных в диссертации, автор выражает благодарность Торгашову А.В., Агошашвили Т.Г., Анохину К.П., Барвинку В.А., Бикбулатову И.К., Гинзбургу Э.С., Кершенбауму В.Я., Кораблеву Г.А., Матвееву Ю.Г., Оганову Г.С., Стеклянову Б.Л., Сухову Р.И. и другим ученым и специалистам. Особую признательность автор выражает своему научному консультанту доктору технических наук, профессору А.М. Гусману. Содержание работы. Во введении обоснована актуальность научно-технической проблемы, рассмотренной и решенной в диссертации. Определены цель, основные задачи и методы исследования. Представлены основные научные и практические результаты диссертационной работы. Первая глава посвящена анализу состояния разработок и проблем в области повышения качества и эффективности работы буровых шарошечных долот. Вопросам, связанным с исследованием механизма разрушения и очистки забоя бурящейся скважины, созданием породоразрушающего бурового инструмента, методам повышения его надежности и технологическим процессам его отработки в различных горно-геологических условиях посвящено значительное количество работ, которые выполнили: Абрамсон М.Г., Агошашвили Т.Г., Акчурин Х.И., Баталов С.П., большая группа ученых Самарского аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева под руководством Барвинка В.А., Бикбулатов И.К., Бирман В.А., Богомолов Р.М., Браженцев В.П., Буяновский И.Н., Виноградов В.Н., Владиславлев Ю.Е., Гинзбург Э.С., Гусман А.М., Жидовцев Н.А., Кершенбаум В.Я., Константинов Л.П., Кораблев Г.А., Мавлютов М.Р., Матвеев Ю.Г., Матюшин П.Н., Мессер А.Г., Михайлин Ю.Г., Неупокоев В.Г., Палий П.А., Перегудов А.А., Пестров А.П., Поланский Г.А., Попов А.Н., Порунов Н.П., Свинкина Н.М., Сорокин Г.М., Спивак А.И., Стеклянов Б.Л., Сухов Р.И., Торгашов А.В., Трушкин Б.Н., Чайковский Г.П., Щербаков Л.Я., Цветков Ю.Н., Эйгелес Р.М., Ясашин В.А., М. Бингхем, Р. Броммел, П. Гнирк, Р. Каннингем, Р. Маклин, Н. Схоллет, Р. Тиль, Д. Чиатем, Г. Шоль, В. Эванс, Д. Эккел, Г. Финстар, Н. Ван-Линген, В. Маурер, Х. Аутманс, Р.Бобо, Д. Видрайн, А. Гардинер, К Лоухон, Д. Маейрс и большой ряд других авторов. Ими разработаны основы теории разрушения горной породы и очистки забоя скважины и создания породоразрушающего бурового инструмента и его эффективного использования в бурении. Буровое шарошечное долото является тем компонентом буровой системы, который способен кардинально повысить эффективность всего процесса бурения. Детальный анализ процесса разрушения долотом конкретной горной породы с использованием статистических методов анализа помогает приблизиться к оптимальному сочетанию механической скорости бурения и времени работы долота на забое скважины, что необходимо при разработке оптимальной долотной программы. Проведенные исследования позволили определить, что для повышения эффективности работы буровых шарошечных долот необходимо обеспечить проведение комплекса НИОКР по следующим основным направлениям:
Вторая глава посвящена исследованию работы вооружения долот на забое и разработке методов повышения эффективности разрушения горных пород. Важным аспектом изучения эффективности разрушения горных пород буровыми шарошечными долотами является исследование, анализ и выявление причин снижения работоспособности долот при условии возникновения такого распространенного и нежелательного явления, как трекинг (рейкообразование) на забое. Проблема состоит в том, что при перекатывании шарошек на забое образуются лунки разрушения, и, если при последующих проходах венцов их зубья снова попадают в эти же лунки, то будет иметь место трекинг (рейкообразование), заключающийся в образовании выступов и впадин на забое, повторяющих контур венца шарошки. Серьезность этой проблемы определяется тем, что после этого эффективность процесса разрушения горной породы резко падает и требуется увеличивать нагрузку на долото, что приводит к преждевременному износу долота. В начале исследований было сделано и проверено предположение, что рейкообразование неизбежно, если т (1) где Z jk - число зубьев j- той шарошки k-того венца, Z jn - число зубьев в периферийном венце шарошки, Zp- число зубьев рейки на периферии скважины, КТ - коэффициент трекинга (целое число). Из этого предположения вытекают следующие рекомендации:
Для оценки коэффициента трекинга было разработано и изготовлено разборное долото III 215,9 С-ГВ, которое было оснащено датчиками, позволяющими записывать на осциллографе время поворота шарошки на каждые три градуса. Исследования показали, что одинаковые шаг и ориентирование зубьев в венцах относительно образующей шарошки способствуют трекингу и понижает их скалывающую способность. После обобщения полученных данных предложено техническое решение, согласно которому зубья в каждом венце образуют группы с разным шагом, причем группа с увеличенным шагом в одном венце соответствует группе с уменьшенным шагом в другом венце. При этом зубья каждой группы противоположно ориентированы относительно образующей шарошки на 15 град. По этой модели разработано долото III 269,9 М-ГВ-1, обеспечившее рост проходки на 35%, стойкости на 18% и механической скорости бурения на 15% относительно базового долота III 269,9 М-ГВ. Значительное внимание в работе уделено аналитическим исследованиям кинематики и кинетики зубчатого венца шарошки на забое скважины. В результате были вычислены кинематические характеристики шарошечных долот (передаточные отношения шарошек) и определены кинетические показатели оценки их работоспособности. Передаточное отношение шарошки определяется из условий равномерного вращения ее вокруг своей оси и равенства контактных работ, совершаемых относительно венца чистого качения. Условие, при котором вычисляется передаточное отношение шарошки, является, с одной стороны, критерием достоверности определения контактных работ, с другой - упрощает получение действительных путей контакта, служащих основными исходными параметрами для расчета критериев оценки работы долота на забое скважины. Такими критериями являются: • относительные скорости движения зубьев соответствующих венцов в контакте с породой (Vj(0)) (2) • контактные работы разрушения () (3) • относительные удельные объемные работы разрушения () (4) где , δ - глубина внедрения зуба в породу, i - передаточное отношение шарошки, d - ширина венца, Sj - путь контакта зуба с породой, F - сила сопротивления движению зуба в контакте с породой, R - радиус скважины, образованной серединой венца j шарошки, мм, r - радиус венца шарошки, мм. Здесь Vк - вычисленный объем горной породы при заданном углублении забоя скважины и приходящийся на разрушение соответствующими венцами, а не разрушенный при той сумме контактных работ, которая представлена числителем этого критерия. Первый критерий определяет режим вращения шарошек. Второй критерий является относительной оценкой абразивного износа вооружения по венцам. Чем больше величина контактной работы, тем интенсивнее изнашивается соответствующий венец шарошки. Третий критерий является величиной пропорциональной интенсивности разрушения породы на соответствующих участках забоя скважины. Совокупность этих критериев дает картину относительной эффективности работы долота на модели забоя скважины. Для сравнительного анализа кинетических характеристик долот различных конструкций разработаны следующие показатели: 1. Показатель объемного разрушения породы , при j = 1, 2, 3, …, N (5) который представляет собой среднее значение совокупности N усредненных величин удельной объемной работы основных венцов шарошек при заданном внедрении зубьев в породу δ. 2. Показатель неравномерности поражения забоя венцами шарошек G(δ) при заданном значении δ (6) представляет собой нормированную величину стандартного отклонения совокупности значений усредненных величин удельной объемной работы основных венцов шарошек при заданном δ. 3. Показатель механической скорости бурения kv, учитывающий как кинетические характеристики, так и конструктивные особенности вооружения долот (вылет, размеры и др.), разработан для комплексного сравнения кинетических характеристик с учетом конструктивных параметров вооружения долот (7) где μ(δ) - показатель объемного разрушения породы, δопт - оптимальная величина внедрения зуба в породу, в % от вылета зуба, kn - коэффициент перекрытия забоя скважины, G(δ) - показатель неравномерности поражения забоя, kф - коэффициент формы зуба. 4. Коэффициент формы kф зуба характеризует его способность к разрушению породы в зависимости от размеров и формы головки зуба и определяется по формуле (8) где h - вылет зуба, d - диаметр зуба, - угол заострения зуба, - угол наклона оси зубка, а - длина сечения зуба, соответствующего его внедрению в породу на 1 мм, b - ширина сечения зуба, соответствующего его внедрению на 1 мм. В главе также представлены исследования по определению динамических нагрузок на зубья шарошек, т.к. совершенствование вооружения долота невозможно без тщательного изучения работы зубьев на различных венцах каждой шарошки, поскольку все три шарошки каждого долота существенно отличаются друг от друга. Измерялись реальные нагрузки, действующие на зубья и изменения величин и направлений вектора силы при перекатывании шарошек по забою. В работе описывается созданная нами установка, на которой одновременно можно измерять нагрузки на зубьях каждой из трех шарошек. Установка представляет собой металлическую модель забоя, профиль сечения которой – это истинный профиль забоя, полученный путем выбуривания металлического блока испытуемым долотом. В точках контакта зубьев каждого венца всех шарошек на поверхность забоя выведены измерительные элементы, представляющие собой жестко закрепленные своими основаниями консольные стержни с наконечниками. На консольные стержни были наклеены тензодатчики, позволяющие определять деформации стержней практически любого направления и величины. Такая установка и применяемые приборы обеспечивают возможность определения взаимодействия зубьев с измерительными точками в определенный отрезок времени. Динамические действия элемента вооружения долота с забоем характеризовались силой, действующей на измерительные элементы. В процессе взаимодействия зубьев с забоем осциллографировались три взаимно перпендикулярные составляющие нагрузки на забое Рx, Рy, Рz. Составляющая Рz (нормальная сила) направлена перпендикулярно плоскости забоя скважины, составляющая Рy (касательная сила) направлена перпендикулярно радиусу кольцевого следа, составляющая Рx (радиальная сила) направлена по радиусу забоя. При проведении эксперимента сравнивались осевая нагрузка, действующая на долото, с фактически замеренными значениями Р по каждой шарошке и каждому венцу. В результате было установлено, что в различные моменты работы долота распределение нормальной нагрузки весьма неравномерно на зубьях венцов каждой из шарошек. В ряде случаев имеет место такое состояние, при котором одна из шарошек совсем не вступает в контакт с забоем и при этом не вращается. Число зубьев, находящихся в контакте с забоем в разные периоды времени различно. Иногда осевые нагрузки распределяются на все зубья, иногда - только на два-три зуба. При этом мгновенная максимальная нагрузка на зубьях ведущего венца может достигать 85% всей осевой нагрузки. Исследование показало, что возникает это вследствие того, что контакт зубьев с забоем при перекатывании шарошек происходит поочередно и зубья, расположенные на одной образующей, нагружаются не одновременно. В виду неравномерного распределения осевой нагрузки на всех венцах, мгновенная равнодействующая на каждый зуб в вертикальном направлении часто не совпадает с осью долота. Такова одна из важных особенностей работы трехшарошечного долота, впервые установленная нами экспериментально. Повышение эффективности разрушения горных пород может быть осуществлено путем выбора оптимального радиуса скругления рабочей кромки твердосплавных зубков, что обеспечит повышение стойкости вооружения шарошек. В результате нами решена задача согласования форм и размеров скругления вершин твердосплавных зубков с механическими свойствами горных пород на примере вооружения долот диаметром 190,5 мм. Исследования деформирования и разрушения горных пород твердосплавными зубками показали, что границы областей (скачков) разрушения горных пород можно охарактеризовать безразмерным параметром: , (9) где - PiK - интенсивность нагрузки на элемент вооружения в момент достижения к-ого скачка разрушения горной породы; Pi0 - расчетная интенсивность нагрузки, необходимая для достижения предела текучести в горной породе; D- модуль деформации горных пород при вдавливании штампа; р0 - предел текучести горной породы по штампу. С увеличением скалывающей способности вооружения наблюдалось уменьшение αк, причем самое значительное уменьшение при первом скачке разрушения. Эксперименты показали, что по мере увеличения αк относительная энергоемкость разрушения сначала быстро снижалась, а затем стабилизировалась. При этом для небольшого скольжения, характерного для долот с малой скалывающей способностью стабилизация наступала во второй области разрушения, а для долот со средней скалывающей способностью в третьей области разрушения. Можно считать, что буровые шарошечные долота работают эффективно, если они обеспечивают не ниже второго скачка разрушения горной породы. Устойчивость величин αк позволила определить радиусы скругления рабочих поверхностей зубков, обеспечивающих заданный скачок разрушения горных пород. Решение задачи привело к следующим расчетным формулам: , (10) , (11) где RЦK и RСK - радиусы скругления цилиндрической и сферической рабочих поверхностей, обеспечивающие k-ый скачок разрушения горной породы; Pimax- максимальная интенсивность нагрузки на элемент вооружения; D- модуль деформации горных пород при вдавливании штампа; αЦК и αСК - относительные нагрузки k-ro скачка разрушения для зубков с цилиндрической и сферической рабочими поверхностями; а - длина сечения вершины зубка; kф - коэффициент формы зуба; р0 - предел текучести горной породы по штампу. В результате этих исследований разработаны, изготовлены и испытаны зубки с оптимизированной геометрией поражающей головки, повышенной прочности и эффективности. Форма предложенной модели зубка может быть описана как двухконусная со смещенной осью вершины зубка. Промысловые испытания такой конструкции зубка показали значительное увеличение показателей бурения. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 |
План работы методического объединения учителей русского языка на... «Пути повышения качества и эффективности урока на основе проблемной и здоровьесберегающей технологий» |
|
Ефименко Глеб "pr протестантской церкви в современной России" Предметом данной работы является рассмотрение pr-деятельности протестантской церкви в современной России и пути совершенствования... |
|
1. Законодательство в области социальной рекламы. 5 Пути повышения эффективности социальной рекламы в России. Направления развития социальной рекламы в России. 17 |
|
Дипломная работа Скрипкина В. А. Тема: «Внедрение системы менеджмента... «внедрение системы менеджмента качества как инструмент повышения эффективности бизнеса» |
|
Средства массовой информации образовательной направленности Перечисленные ресурсы содержат ссылки на программные средства, которые могут быть использованы для повышения эффективности работы... |
|
План Теоретическая часть: 1 методы обеспечения электробезопасности.... Сила поражающего тока зависит от его рода и частоты, напряжения в сети, сопротивления цепи протекания тока, в том числе и тела человека,... |
|
Российская Федерация Ханты Мансийский автономный округ Югра муниципальное казенное учреждение Советского района», состава рабочей группы и положения о рабочей группе», с целью повышения эффективности работы методической службы... |
|
Документированная информация составляет основу управления, его эффективность... Качество информации определяет качество управления. В современных условиях для повышения эффективности управления необходимо уделять... |
 |
План лекции: Задачи, решаемые вычислительными центрами Структура... Создание вычислительных центров является способом повышения эффективности работы ЭВМ. Вычислительный центр объединяет технику различных... |
|
Информация об учебно-методических пособиях по профилактике вич-спида В целях повышения эффективности деятельности по профилактике негативных явлений в нашей школе уделяется особое внимание |