наука — производству
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА
С. СОЛОМЕННИКОВ, ГНПП «Азимут»
Эффективность работы шарошечных долот связана с таким явлением, как вращение шарошки по забою или скольжение со случайным проворотом.
При бурении мягких пород вращение шарошек не вызывает сомнения. Однако при бурении горных пород средней твердости, когда отсутствует внедрение зуба в горную породу при каждом акте взаимодействия, вращение шарошек при вращении долота не очевидно.
Рассмотрим условия вращения шарошек при вращении долота. На рис. 1 показана схема шарошки с лапой долота на забое.
Условия движения шарошки на забое имеют вид:
М-хс Мус К'Фс
= N -
1 ТР> -в
Рис. 1. Схема шарошки с лапой долота на забое
2 <1) где: М — масса, приложенная к центру тяжести шарошки, кг; М=С/&
хс — ускорение центра тяжести шарошки в направлении оси х, м/с;
^ — горизонтальное усилие, вызывающее движение шарошки, движущая сила, кгс;— сила трения скольжения шарошки по забою, кгс;
Ус — ускорение центра тяжести шарошки в направлении оси у, м/с2;
N — нормальная реакция забоя, кгс;
0 — нагрузка на долото, кгс;
1 — момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести шарошки, кг.м2; для конуса
Фс — угловое ускорение шарошки вокруг оси, проходящей через центр тяжести, рад/с2;
Гс — расстояние от центра тяжести шарошки до забоя, м;
А — шаг зубьев шарошки в сечении, проходящем через центр тяжести, м;
г — радиус основания конуса шарошки, м;
g — ускорение земного притяжения, м/с2.
Если обозначить РТр 'гс =МТр, а
то из выражения (1) вращение шарошки возможно только при
Мтр М Мсо,
(2)
в—<8<-
2-к
1 в-г
или
. сопр а 16
Рассмотрим каждое из выражений. В выражении (2)
Мтр=/. О .Гс,
(4)
где: Мтр — момент сил трения скольжения на контакте шарошки с забоем, н.м;
Мсопр — момент сил сопротивления вращению шарошки, н.м.
Решая уравнение (1), получим
(3)
(3')
т. к. Втр=^О, где f — коэффициент трения скольжения шарошки по забою.
Коэффициент трения скольжения зависит от удельной мощности, определяемой осевой нагрузкой на долото. Согласно [1] при определенной удельной мощности коэффициент трения скольжения может уменьшиться вдвое. Расчеты показывают, что резкое снижение коэффициента трения скольжения может происходить при осевой нагрузке 21000 кгс. Следовательно, по выражению (4) при монотонном увеличении осевой нагрузки на долото момент сил трения может уменьшаться.
В выражении (2)
(5)
где: ^— диаметр долота, м; йш — диаметр шарошки, м; М— момент на долоте, н.м. Выражения (2, 3 и 3') определяют условия вращения шарошек при вращении долота.
т. к. N=0 при монотонном увеличении осевой нагрузки на долото момент сопротивления вращению шарошки только увеличивается. Таким образом, при монотонном увеличении осевой нагрузки на долото условие (2) может нарушиться, и шарошка может не вращаться, а скользить по забою со случайным проворотом.
32
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 1 0/200 4
наука — производству ||
Выражение (3) или (3') наиболее характерно при бурении турбобурами. Если момент на валу турбобура меньше момента сопротивления вращению шарошек с учетом отношения диаметра долота к диаметру шарошек, турбобур просто не будет работать. Если момент на валу турбобура превысит правую часть выражения (3'), долото будет вращаться независимо от шарошек.
Условие (3') позволяет оценить энергетическую возможность турбобура для обеспечения вращения долота при заданной на него нагрузке.
Например, при бурении долотом диаметром 215,9 мм турбобур 3ТСШ-1-195 при подаче буровых насосов 30 л/с развивает момент, равный 150 кгс.м. При таком моменте максимальная осевая нагрузка, при которой еще обеспечивается вращение шарошек, составляет 9000 кгс. Превышение этой величины осевой нагрузки на долото может привести к срыву шарошек на скольжение. При этом момент, потребляемый шарошечным долотом, может уменьшиться на ~42%, что может привести к увеличению частоты вращения вала турбобура.
В выражении (5) момент сопротивления вращению шарошки зависит от шага зубьев, который на разных шарошках разный, следовательно, момент сопротивления вращению различных шарошек одного и того же долота бу-
дет разным. Обозначим момент сопротивления вращению первой шарошки — Мъ второй — М2, третьей — М3 и построим многоугольник моментов.
Из рис. 2 видно, что многоугольник моментов не замкнут. Появляется главный вектор моментов М0. Поскольку моменты сопротивления вращению каждой шарошки разные, долото при вращении вынуждено изменять местоположение мгновенного центра вращения. Таким образом, долото любого типа не может вращаться вокруг своей оси и оси скважины (если многоугольник моментов не замкнут) и вынуждено обкатывать стенки скважины.
Построение многоугольника моментов позволяет оценить энергетические параметры шарошечных долот одного типа
(например «С»), отечественных и импортных, в частности, изменение главного вектора момента в течение одного оборота.
На рис. 3 приведены многоугольники моментов отечественного долота 215,9 СЗ-ГВ и импортного долота Р4 при бурении с осевой нагрузкой 9000 кгс. Из рис. 3 видно, что при одной и той же осевой нагрузке главный вектор момента у импортного долота примерно вдвое меньше, чем у отечественного. Возможно, этим объясняется более вы-
сокая стойкость вооружения импортных долот, но и более низкая механическая скорость при их использовании.
Появление главного вектора момента способствует возникновению окружного движения долота, скольжению вооружения долота по забою, появлению поперечных ударных нагрузок, формированию некруглой формы сечения ствола скважины, сколу периферийных твердосплавных зубков на периферии шарошек.
Учитывая, что момент сопротивления вращению шарошек пропорционален осевой нагрузке на долото, главный вектор момента так же пропорционален осевой нагрузке. Следовательно, величину главного вектора момента конкретного шарошечного долота можно регулировать, изменяя осевую нагрузку на долото.
Таким образом, оценивая потенциальные энергетические характеристики конкретного шарошечного долота, можно согласовать их с приводом и параметрами режима бурения для повышения эффективности работы шарошечных долот.
Литература
1. Спивак А. И., Попов А. Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. — М.: «Недра», 1994. — 261 с. ■
Рис. 3. Многоугольник моментов для отечественного долота 215,9 СЗ-ГВ (а) и для долота Р4 диаметром 215,9 мм
ВНИМАНИЕ, НОВИНКА!!!
для работников нефтегазовой отрасли Буровое оборудование. /Справочник/. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гное-вых А.Н., Межлумов А.О., Близнюков В.Ю. В 2-х томах, М., ОАО Издательство «Недра», 2003, т. 2, 494 с., ил.
В Справочнике даны описания и технические характеристики породоразрушающих инструментов; существующих типов гидравлических забойных двигателей и телеметрических систем; труб бурильных, обсадных, насосно-копрессорных и применяющихся смазок; опорно-центрирующих инстументов для бурения вертикальных, наклонно-направленных и горизональных скважин; элементов оснастки обсадных колонн и «хвостовиков»; буровых рукавов; пакеров и якорей; инструмента для ликвидации аварий; средств и материалов для изоляции зон поглощений буровыхрастворов.
Тел. 109-13-33; 504-98-67; тел./факс 113-93-17
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 1 0 /2 0 0 4
33
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.