В статье приводятся сравнения теоретических разработок по определению износа, скорости бурения и наработки коронок нового поколения с результатами производственных испытаний в условиях Алроса при бурении разведочных скважин.
В настоящее время основное количество геологоразведочных скважин в России бурится твердосплавными или алмазными коронками. Применение нового поколения коронок, армированных АТП, коэффициент износа которых превышает коэффициент износа твердосплавных ПРИ (породоразрушающего инструмента) в 50 и более раз, требует нового подхода при определении скорости бурения и наработки коронок.
Так как диапазон размеров диаметров коронок широкий и изменяется от 76 до 225 мм и более, то, на наш взгляд, наиболее приемлемым методом определения скорости бурения будет метод, основанный на использовании модуля скорости бурения, разработанного нами для буровых долот [1].
Сущность метода заключается в следующем: считается что, условия работы режущих элементов из АТП при блокированном режиме резания буровых коронок (рис.1), такие же, как и у буровых долот малого диаметра типа РБК-42, армированных АТП.
Рис. 1. Формы забоя:
а - при бурении разведочной скважины,
б - при бурении шпура для буровзрывных работ,
1 - АТП работают в режиме блокированного резания,
2 - АТП работают в режиме полублокированного резания.
Модули скорости бурения для ПРИ режущего типа определяли, используя РБК-42, следующим образом.
На экспериментальном стенде бурили породы с различной контактной прочностью Pк, которая характеризует сопротивление породы внедрению в нее острого инструмента. При различных значениях осевой нагрузки Pос, измеряли скорость проходки Vмп и строили графики зависимости Vмп от Pос.
График продолжали до пересечения с ординатой Pуд=Pк. Точка пересечения продолжения графика с этой ординатой соответствует скорости V0, когда Pуд =Pк. Результаты определения V0 для пород с контактной прочностью 650, 960, 1270, и 1780 МПа представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Графо-аналитический метод определения модуля мгновенной скорости проходки V0. (V0 = 6,3 мм/с; 4,7 мм/с; 3,2 мм/с; 2,4 мм/с - мгновенная скорость проходки при Pуд=Pк для различных пород).
Далее рассмотрим процесс бурения выбранной для исследования породы с заданными физико-механическими свойствами, например, порода IX категории буримости с Pк=1780 Мпа и абразивностью а=15мг, при различных частотах вращения n (90, 155, 280 и 435 об/мин) бурового инструмента [2]. Обработка результатов эксперимента выполнена следующим образом:
1. Для каждой частоты вращения n, об/мин рассчитывается время T одного оборота породоразрушающего инструмента:
2. Для каждого значения осевой нагрузки Pос (кН) определяется интенсивность разрушения δ (мм/об).
3. Для каждого значения δ и T и определенного значения Pос рассчитывается мгновенная скорость проходки Vмп (мм/с):
На рисунке 3 полученные значения величин T, δ и Vмп для осевой нагрузки Pос =28кН представлены в нижней части таблицы, откуда видно, что при вращательном бурении крепких пород инструментами режущего типа, осевой нагрузке Pос соответствует мгновенная скорость проходки Vмп, мало зависящая от частоты вращения n об/мин инструмента для всех исследуемых рабочих частот. (Так, при Pос=28кН для всех частот 90, 155, 280 и 435 об/мин мгновенная скорость проходки Vмп =7,8мм/с).
Далее обработку представленных зависимостей на рисунке 3 продолжим в другой последовательности:
- Для каждой частоты вращения определим мгновенную скорость проходки при интенсивности разрушения δ=1,1 мм/об.
- Из графиков (рис. 3) для каждой частоты вращения определяем значение осевой нагрузки Pос при интенсивности разрушения δ=1,1 мм/об.
- Полученные значения T, Pос и Vмп при δ =1,1 мм/об представлены в верхней части рисунка 3.
- Из рисунка 3 следует, что при вращательном бурении крепких пород инструментами режущего типа осевая нагрузка Pос для равных значений интенсивности разрушения зависит от частоты вращения. Так, для δ=1,1мм/об осевая нагрузка измерялась от 9кН при n=90об/мин до 28кН при n=435об/мин, т.е. увеличилась в 3 раза.
Рис. 3 и 4
К площади равной проекциями торцовых площадок режущих кромок ПРИ на плотность резания, размер которой возрастает по мере затупления инструмента. На рисунке 4 представлены схемы износа режущей части буровых инструментов, армированных пластинами из ВК8 и АТП.
Рис.4 Схемы износа режущей части буровых инструментов:
А - твердосплавной пластины(ВК8); б - алмазно-твердосплавной пластины (АТП); 0-0 - уровень острой режущей кромки (плоскость резания); I-I - уровень начального износа (притупление режущей кромки); II-II - уровень износа при установившемся режиме работы инструмента; III-III - уровень максимального допустимого износа; F1, F2, F3, Fl1, Fl2, Fl3 - фронтальные проекции площадок затупления.
Поскольку передняя грань АТП это алмазный слой, а задняя грань - вольфрамокобальтовый сплав, а их относительные износостойкие отличаются почти на два порядка (в 95-100 раз), то интенсивность изнашивания режущих элементов по передней и задней граням не одинакова. Повышенный износ по задней грани способствует формированию заднего угла α при изменяемой по величине площадке затупления:
где B - длина режущей части, мм.
Коронка получает притупление, но продолжает сохранять режущие свойства, хотя удельная нагрузка Pуд (Мпа) на режущих кромках будет уменьшаться.
Первоначально удельная нагрузка определяется по формуле:
где F0=1,25 мм2 - начальная площадка затупления на остром АТП диаметром 13,5мм; n - количество АТП на рабочей части ПРИ.
Пластины из ВК8 могут быть различной формы, а АТП - чаще всего круглой формы. Для АТП круглой формы прирост площадки затупления определяет интенсивность изнашивания по высоте во времени ih(t) (мм/мин). Схема прироста площадки затупления показана на рисунке 5.
Так как сопротивление необработанной поверхности породы внедрению в нее острого инструмента характеризуется контактной прочностью Pк, то для описания процесса бурения крепких пород важно знать соотношения удельной нагрузки и контактной прочности. Если Pуд/Pк>>1, то разрушение происходит с образованием крупных выколов породы (объемное разрушение).
Рис. 5. Схема к определению прироста площадки затупления АТП круглой формы:
h - износ по высоте; A - ширина режущей части алмазного слоя; B - длина режущей части алмазного слоя; 0-0 - плоскость резания.
При Pуд/Pк<1, крупные выколы не образуются, происходит поверхностное разрушение или истирание. Выполненные расчеты и определения переменных T, δ, Vмп, Pуд/Pк для различных значений осевой нагрузки представлены в таблице 2.
Таблица 2.
|
№ п/п |
Частота n, об/мин |
Время одного оборота Т, с |
Осевая нагрузка Рос=12 кН |
Осевая нагрузка Рос=20 кН |
Осевая нагрузка Рос=28 кН |
||||||||||||||||||
|
Интенсивность разрушения d, мм/об |
Мгновен-ная скорость Vмп, мм/с |
d |
Vмп |
d |
Vмп |
||||||||||||||||||
|
Порода с Рк=1780 МПа (IX категория буримости) |
|||||||||||||||||||||||
|
1 |
90 |
0,66 |
1,8 |
3,2 |
1,35 |
3,6 |
5,4 |
2,25 |
5,0 |
7,6 |
3,15 |
||||||||||||
|
2 |
155 |
0,39 |
1,2 |
3,1 |
2,1 |
5,4 |
3,0 |
7,7 |
|||||||||||||||
|
3 |
280 |
0,21 |
0,7 |
3,3 |
1,2 |
5,5 |
1,7 |
7,9 |
|||||||||||||||
|
4 |
435 |
0,14 |
0,5 |
3,2 |
0,8 |
5,4 |
1,1 |
7,8 |
|||||||||||||||
|
Порода с Рк=1200 МПа (VII категория буримости) |
|||||||||||||||||||||||
|
Осевая нагрузка Рос=12 кН |
Осевая нагрузка Рос=16 кН |
Осевая нагрузка Рос=20 кН |
Осевая нагрузка Рос=28 кН |
||||||||||||||||||||
|
d |
Vмп |
d |
Vмп |
d |
Vмп |
d |
Vмп |
||||||||||||||||
|
4,0 |
6,0 |
1,90 |
5,1 |
7,6 |
2,50 |
6,3 |
9,4 |
3,15 |
8,5 |
12,7 |
4,40 |
||||||||||||
|
2,2 |
5,8 |
2,8 |
7,2 |
3,5 |
9,0 |
4,7 |
12,2 |
||||||||||||||||
|
1,2 |
5,7 |
1,5 |
7,0 |
1,9 |
8,7 |
2,6 |
12,1 |
||||||||||||||||
|
0,8 |
5,8 |
1,0 |
7,3 |
1,3 |
9,1 |
1,7 |
12,3 |
||||||||||||||||
Это позволило предложить физическую зависимость для определения мгновенной скорости проходки:
где V0 - модуль мгновенной скорости проходки, мм/с. С учетом достаточности промывки скважины kж=1 и предупреждении посадки режущих элементов на заднюю грань kг=1, формула принимает вид:
При определении наработки коронок основным условием является выбор режима, при котором Pуд всегда более Pк (режим объемного разрушения) и скорость резания Vрез всегда меньше Vкр - критической скорости резания, т.е. Vрез<<Vкр где:
Dк - диаметр коронки, мм;
n - частота вращения коронки, об/мин.
На рисунке 6, по данным [3], представлены зависимости критических скоростей резания Vкр от контактной прочности породы Pк.
Весь процесс бурения скважин разделяем на этапы:
- забуривание;
- начальная приработка коронки;
- приработка до полного изнашивания безопорной части алмазного слоя;
- наращивание осевой нагрузки по мере роста площадки затупления и уменьшения диаметра коронки.
Предельное значение осевой нагрузки определяется устойчивостью бурового става при передаче крутящего момента на коронку. Коронка считается изношенной при уменьшении диаметра на 2÷3 мм (ΔD=2÷3мм).
Рис. 6 Зависимость критических скоростей резания Vкр от контактной прочности породы Pк:
1 - для буровых инструментов, оснащенных АТП;
2 - для буровых инструментов, оснащенных ВК8.
Для острых ПРИ, армированных АТП, начальная площадка затупления ,
При забуривании до полного изнашивания безопорной части алмазного слоя условно принимаем размер A (рис. 5), равным толщине алмазного слоя, а размер B рассчитываем, исходя из износа по высоте h, по формуле
где R = 6,75 мм - радиус АТП,
h - износ по высоте, мм.
Износ по высоте будем определять в через ih(t) - интенсивность износа по высоте во времени:
Pк - контактная прочность, МПа;
A - абразивность, мг;
- 1,2 10-11 мм/мм - коэффициент износа при бурении;
Vрез - скорость резания породы, м/с;
k - коэффициент превышения скорости резания над критической скоростью резания,
n - частота вращения коронки, об/мин;
Dк - диаметр коронки, мм.
Представленный алгоритм работы коронки позволяет использовать программу «Бурение», разработанную в ЮРГПУ(НПИ), написанную на языке Delphi7. Принцип работы программы основывается на имитации процесса бурения [4]. Программа позволяет выбирать тип ПРИ, систему промывки, изменять физико-механические свойства буримых пород, производить выбор режимных параметров бурения (осевого усилия и частоты вращения на некоторый период работы коронки). При этом рассчитывается площадка затупления Fзат, механическая скорость бурения Vмб и наработка в метрах. По истечении заданного времени осуществляется контроль параметров-ограничителей и их печать. Затем происходит приращение временного интервала, ввод режимных параметров и расчет повторяется. Задавая свойства породы и режим бурения, можно составлять регламент бурения скважин до полной отработки инструмента (таблица 3).
Так например при бурении породы VII категории по буримости (известняк с Pк=650МПа и абразивностью a=8мг) коронкой диаметром Dк=112мм оснащенной 8-ю АТП диаметром 13,5 мм в соответствии с регламентом работ были получены значения выходных параметров представленные графически на рис.7.
Таблица 3. Регламент работ
|
№ п/п |
Наименование работ |
Осевая нагрузка Pос, кН |
Период работы T, час (интервал 0,1 ч) |
|
1 |
Забуривание |
5,0 |
0,3 |
|
2 |
Начальная приработка |
10,0 |
0,3 |
|
3 |
Приработка до полного изнашивания безопорной части алмазного слоя |
15,0 |
0,5 |
|
4 |
Наращивание нагрузки |
20,0 |
0,6 |
|
5 |
Наращивание нагрузки |
25,0 |
0,6 |
|
6 |
Наращивание нагрузки |
30,0 |
2,0 |
|
7 |
Наращивание нагрузки (предельное) |
35,0 |
4,0 |
|
Весь период ∑T=8,3 ч |
Производственные испытания коронки Д 112 в ОАО «Алроса» на скважине № 12/56 по предложенному регламенту показали удовлетворительную сходимость результатов бурения с расчетными параметрами. Фактически было пробурено 160 м скважины со средней механической скоростью м/ч, против расчетных 182,4 м проходки со средней механической скоростью м/ч. При этом диаметр коронки уменьшился до 108,6 мм возможно из-за того, что абразивность пород в массиве увеличилась до 11,3 мг.
Рис. 7. Расчетные значения площадки затупления Fзат, скорости бурения Vмб и уменьшения диаметра коронки Dк при проходке 180 м скважины.
Выводы:
1. Впервые по экспериментальным данным разработан графо-аналитический метод определения скорости бурения и наработки по породам различной крепости коронками режущего типа, оснащенными АТП.
2. Разработанная в ЮРГПУ (НПИ) программа «Бурение» позволяет оптимизировать процесс бурения, устанавливая основные зависимости в работе «коронка-забой».
Литература
- Третьяк А.А., Гроссу А.Н., Борисов К.А. Конструкция буровых коронок, армированных АТП, с учетом схемы разрушения забоя скважины. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - ВНИИОЭНГ, 2015, № 6. - с. 9-12.
- Сысоев Н.И., Буренков Н.Н., Третьяк А.А. Расчет конструктивных параметров буровых коронок, армированных PDC. Oil & Gas Journal Russia - 2012, № 5. - с. 66-99.
- Зависимость механической скорости бурения горных пород коронками, армированными АТП от основных технологических параметров. Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011, № 12. - с. 233-237.
- Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Метод расчета осевой нагрузки и механической скорости бурения двухъярусного долота режущего типа Д-2 ВВ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море - ВНИИОЭНГ, 2006, № 3. - с. 13-18.
- Третьяк А.А., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Разработка методики расчета наработки породоразрущающего инструмента с алмазно - твердосплавным вооружнием. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2010. - № 12. - С. 2-5
English announcement
The article presents comparison of the theoretical development is, by definition, wear, drilling speed, and the development of crowns of a new generation with the results of field testing in conditions of JSC «ALROSA» during the drilling of exploration wells.
Автор: А. А. Третьяк, Ю. Ф. Литкевич, К. А. Борисов,
