USD ЦБ — 57,32 +0,03
EUR ЦБ — 67,37 −0,04
Brent — 58,36 +0,43%
среда 18 октября 14:17

Наука и технологии // Оборудование, услуги, материалы

Алмазные коронки нового поколения

15 ноября 2016 г., 12:07А. А. Третьяк, Ю. Ф. Литкевич, К. А. Борисов,Neftegaz.RU4444

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:

  1. Для каждой частоты вращения определим мгновенную скорость проходки при интенсивности разрушения δ=1,1 мм/об.
  2. Из графиков (рис. 3) для каждой частоты вращения определяем значение осевой нагрузки Pос при интенсивности разрушения δ=1,1 мм/об.
  3. Полученные значения T, Pос и Vмп при δ =1,1 мм/об представлены в верхней части рисунка 3.
  4. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. Зависимость механической скорости бурения горных пород коронками, армированными АТП от основных технологических параметров. Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011, № 12. - с. 233-237.
  4. 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.
  5. 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.


Neftegaz.RU context