Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование технологии бурения скважин долотами режущего типа за счет применения их двухъярусной конструкции

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии бурения скважин долотами режущего типа за счет применения их двухъярусной конструкции"

На правах рукописи

Асеева Авва Евгеньевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ДОЛОТАМИ РЕЖУЩЕГО ТИПА ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИХ ДВУХЪЯРУСНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Специальности 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин», 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы» (нефтяная и газовая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О03472930

Краснодар - 2009

003472930

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Третьяк Александр Яковлевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Новохатский Дмитрий Федорович

кандидат технических наук Лышко Георгий Николаевич

Ведущая организация:

открытое акционерное общество «СевКавШПШгаз»

Защита состоится « 26 » июня 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д222.019.01 при ОАО НПО «Бурение» по адресу: 350063, г. Краснодар, ул. Мира, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Бурение».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по указанному выше адресу.

Факс (8612) 62-23-34.

Автореферат разослан «/У» 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д222.019.01 ,докт. техн. наук

Л.И.Рябова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное развитие промышленного и разведочного бурения в настоящее время связано с использованием различного оборудования, инструментов и приборов. Применение тех или иных технических средств или технологических мероприятий в конкретных геологических условиях, часто резко различающихся по физико-механическим свойствам пород, обусловливает сложность выбора режимов бурения и буровых долот.

При бурении на полезные ископаемые наибольшие затраты времени и расход инструмента происходят при прохождении слоев горных пород выше средней крепости и крепких. В условиях снижения технико-экономических показателей проходки с ростом глубины бурения наиболее эффективными считаются породоразрушаю-щие инструменты (ПРИ), работающие по принципу резания, в то же время в добывающей промышленности России большая часть буровых работ выполняется турбинным способом. Поэтому в данной диссертационной работе рассматривается технология бурения скважин с применением нового долота реявшего типа с приводом от забойного двигателя, позволяющего разрушать горные породы VI-VIII и частично IX категорий по буримости.

Цель работы - повышение технико-экономической эффективности процесса бурения скважин за счет применения нбвой конструкции долота режущего типа, имеющего алмазно-твердосплавное вооружение.

Методы решения поставленных задач. Задачи решались на основе анализа и обобщения имеющихся теоретических, лабораторных и промысловых материалов по данной проблеме, а также результатов собственных аналитических, лабораторных и стендовых исследований с использованием современных лабораторных приборов, установок и вычислительной техники.

Научная новизна:

1. Установлено, что при бурении твердых, крепких и абразивных пород долотами режущего типа мгновенная скорость проходки является величиной постоянной при постоянном значении осевой нагрузки, независимо от частоты вращения (патент на изобретение «Способ бурения направленных скважин»).

2. Установлено, что осевая нагрузка необходимая для достижения равных величин интенсивности разрушения, зависит от частоты вращения долота режущего типа.

3. Предложена зависимость для расчета мгновенной скорости проходки и определены величины входящих в нее эмпирических параметров.

4. На уровне изобретения разработана конструкция долота режущего типа с алмазно-твердосплавным вооружением, расположенным на соосных ярусах, с возможностью вращения ярусов с различными скоростями вокруг оси породоразру-шающего инструмента.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета мгновенной скорости проходки долота режущего типа.

2. Конструкция двухъярусного долота режущего типа диаметром 215 мм, вооруженного алмазно-твердосплавными пластинами (ЛТП или PDC).

3. Расчет кинематических параметров режущей части предлагаемого долота.

4. Компоновка наддолотной части бурильной колонны и двухъярусного долота режущего типа.

5. Параметры рационального режима бурения новым инструментом.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработан принцип создания нового вида буровых долот, на одной оси которых ярусы с режущими элементами имеют различные частоты вращения.

2. Разработано двухъярусное долото режущего типа диаметром 215 мм, рабочие поверхности которого имеют алмазно-твердосплавное вооружение.

3. Предложены теоретические основы расчета режимных параметров отработки долот данной разновидности для проведения стендовых и полевых испытаний.

4. Разработана математическая модель системы «горная порода - двухъярусное долото».

5. Составлены алгоритм и программа работы долота режущего типа на забое.

6. Подготовлен технологический регламент для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология», г. Ростов-на-Дону.

7. Разработка «Двухъярусное долото режущего типа Д-2ВВ» использована в учебном процессе кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых сква-

жин» ЮРГТУ (НПИ) при изучении дисциплин «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».

Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на V и VI Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поиске, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» (г. Москва, РГГРУ, 2006-2007 г.г.); на V Международной конференции «Проблемы геологии, геоэкологии и минерагении Юга России и Кавказа» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2006 г.), на Международной конференции «Проблемы геологии и освоения недр юга России» (ЮНЦ РАН, г. Ростов-на-Дону, 2006 г.); разработка «Конструкция многоярусного долота режущего типа для бурения скважин различного назначения в крепких и абразивных породах» получила Диплом Всероссийской выставки-ярмарки «Иннов-2007», посвященной 100-летию ЮРГТУ (НПИ); в полном объеме диссертация была доложена и обсуждена на заседании кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ).

Публикации. Основные научные положения и результаты диссертационной работы освещены в 13 печатных работах, в том числе в 7 статьях, 4 тезисах докладов, 2 патентах на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 100 наименований.

Работа изложена на 117 страницах текста в редакторе MS Word, содержит 43 рисунка, 15 таблиц и 6 приложений.

В процессе выполнения исследований автор пользовался советами и консультациями своего научного руководителя доктора технических наук, профессора А .Я. Третьяка, которому глубоко благодарен. Автор выражает особую благодарность второму научному руководителю кандидату технических наук, доценту Ю.Ф. Лит-кевичу, а также считает своим долгом выразить признательность докторам технических наук Д.Н. Башкатову, Н.В. Соловьеву, Н.И. Сысоеву, кандидатам технических наук H.H. Буренкову, С.Г. Мирному, А.Д. Вейсману, И.И. Сендецкому, Ю.А. Воропаеву, В.Е. Дубенко, а также сотрудникам кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, отмечены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертационной работы приводится анализ современных конструкций долот режущего типа, исследование процессов разрушения горных пород, взаимосвязей основных параметров вращательного бурения, износа долот режущего типа, а также известных способов повышения эффективности их применения и осуществляется постановка задач исследований.

В настоящее время для бурения скважин сплошным забоем наиболее распространен вращательный способ. В результате непрерывного вращения и поступательного перемещения долота, работающего по принципу резания, при постоянно действующем осевом усилии и окружном усилии резания инструмент движется по винтовой линии и своими режущими кромками разрушает породу. Крайние точки режущих кромок проходят разный путь, что приводит к фрагментарному сколу породы. Факторами, влияющими на изнашивание долот, являются: материалы, применяемые для изготовления и армирования рабочих элементов; физико-механические свойства разбуриваемых пород; глубина бурения; динамические процессы; режимные параметры отработки долот; тип промывочной жидкости; коэффициент трения; температурный режим.

Процесс изнашивания режущих кромок характеризуется истиранием от периферийной зоны до центральной части долота. Вследствие небольших скоростей резания, возникающих в центральной зоне, ее резцы истираются медленно и на незначительную величину. Периферийные режущие грани и резцы изнашиваются более интенсивно, за счет высоких скоростей резания происходит не только обнажение их верхних частей, но и значительные сколы и выкрашивание, а также истирание корпуса лопастей и державок. Износ вооружения способствует.увеличению удельной нагрузки и возрастанию крутящего момента.

Современные долота режущего типа эффективны в малоабразивных породах средней крепости. С появлением АТП предпринимались попытки расширить область их применения на более крепкие и абразивные породы. По материалам испытаний долот со сверхтвердым вооружением типа ИСМ и других можно сделать вывод, что

основной причиной выхода из строя и списания таких долот является преимущественный износ их периферийных режущих и калибрующих поверхностей.

Несмотря на создание принципиально новых разновидностей режущих долот и применение современных материалов, их конструкция имеет ряд недостатков: потеря диаметра; высокая моментоемкость; разрушительная для АТП динамика, возникающая при прохождении крепких и абразивных слоев, и, как следствие, невозможность применения в породах высоких категорий по буримости.

Исходя из критического анализа состояния вопроса, были сформулированы основные задачи работы:

1) исследование влияния скорости резания, осевой нагрузки и частоты вращения долот, оснащенных АТП, на скорость разрушения горных пород VI-VIII и частично IX категорий по буримости;

2) применение результатов исследований в разработке новой конструкции долота режущего типа;

3) создание математической модели пары «горная порода - двухъярусное долото»;

4) разработка режима бурения предлагаемым инструментом;

5) расчет экономической эффективности применения нового долота.

Вторая глава посвящена исследованиям по определению критической скорости резания, влияния осевой нагрузки и частоты вращения инструмента на мгновенную скорость проходки, разработке метода расчета мгновенной скорости проходки и нагрузок на буровом инструменте. Полученные результаты послужили теоретической основой создания долот, разделенных на ярусы с различными частотами вращения. В этой главе разработаны основные положения методики исследований, сделаны выбор и обоснование методов планирования эксперимента, выбор горных пород для исследований и долот, принятых в качестве физической модели, описаны экспериментальные стенды и аппаратура.

Общая методическая схема исследований: анализ состояния вопроса - эксперимент на физической модели - теоретическое осмысление результатов - разработка конструкции долота - разработка математической модели по данным Эксперимента - исследование и анализ модели - проверка адекватности.

При исследованиях работы двухъярусного долота на физических моделях (малоразмерных долотах типа РБК-42) учитывалось их геометрическое и полное силовое подобие.

Автором использовались результаты стендовых испытаний, полученные в отраслевой лаборатории бурения ЮРГТУ (НПИ) на экспериментальном стенде, оборудованном на базе станка СКБ-4. Установление критической скорости резания для АТП при бурении крепких пород проводилось на моделях долота, изготовленных из натурных материалов в масштабе 1:5, при бурении крепких и абразивных пород при частотах вращения 700 и 1200 об/мин. Лабораторные исследования влияния осевой нагрузки и частоты вращения на мгновенную скорость проходки выполнялись при частотах 90,155,280 и 435 об/мин и нагрузках от 8 до 28 кН.

Режимные параметры определяют эффективность процесса вращательного бурения при действии ряда параметров-ограничителей, среди которых можно выделить: физико-механические свойства горной породы; критическую скорость резания; посадку режущих элементов на заднюю грань; износостойкость.

Для характеристики реакции породы на внедрение в нее острого инструмента принимаем величину контактной прочности Рк, МПа, так как она, воспроизводя взаимодействие долота с необработанной поверхностью горной породы, наиболее точно отражает условия, существующие на реальном забое.

Износостойкость режущих элементов уменьшается с увеличением скорости резания Урез, м/с, из-за повышения контактных температур на режущей кромке, и при критической скорости резания Укр начинается их катастрофический износ. Принимаем в качестве характеристики износа величину проекции площадки затупления режущей кромки на плоскость резания Fзam, мм2.

Известно, что при резании крепких пород твердыми вольфрамо-кобальтовыми сплавами ^=0,2-0,3 м/с. Наши исследования показали, что критическая скорость резания крепких пород долотами, вооруженными АТП, достигает 1,5 м/с.

Скорость резания зависит от диаметра А, мм, на котором расположен режущий элемент, и частоты вращения долота п, об/мин:

т, 7Г • С? • П * хг

V =-<¥ сп

"" 1000-60""

а частота и интенсивность разрушения S, мм/об, связаны предложенной А.И. Спива-ком кинематической формулой мгновенной скорости проходки Vun> мм/с,

V„=S-n. (2)

Таким образом, чтобы повысить износостойкость режущей части долота за счет уменьшения скорости резания при неизменном значении его диаметра d, необходимо уменьшить частоту вращения п. Но с уменьшением частоты при неизменном значении S уменьшается и VM„. Глубина внедрения для режущих элементов, расположенных на малых радиусах у оси долота, ограничена посадкой их на заднюю грань при больших углах наклона траектории резания. Таким образом, круг параметров« ограничителей замыкается.

Из этого следует основной вывод диссертационной работы:

с целью оптимизации влияния параметров-ограничителей на режимные параметры

...

процесса бурения необходимо'применять повышенную частоту вращения режущих элементов, находящихся на малых и средних радиусах, и пониженную частоту периферийных режущга элементов, ограниченную критической скоростью резания.

В результате стендовых испытаний получены зависимости изменения величины интенсивности разрушения при увеличении осевой нагрузки для каждой частоты вращения инструмента, которые представлены на рисунке 1. Зависимости имеют прямолинейный характер для всего диапазона рабочих частот.

В результате их совместной обработки было установлено, что при вращательном бурении крепких пород долотами режущего типа:

1) мгновенная скорость проходки изменяется при изменении осевой нагрузки (при Рос= 12 кН VMn=3,2 мм/с; при />ос=20 кН VM„=5,4 мм/с; при Рос=2& кН VM„=7,S мм/с, а интенсивность разрушения S изменялась от 5 до 1,1 мм/об);

2) необходимая осевая нагрузка для равных значений интенсивности разрушения зависит от частоты вращения (для <5=1,1 мм/об Рос изменялась от 9 кН при п-=90 об/мин до 28 кН при «=435 об/мин, то есть увеличилась в 3 раза);

3) каждому значению осевой нагрузки соответствует мгновенная скорость проходки, не зависящая от частоты вращения во всем диапазоне рабочих частот (при Рх=2% кН для всех исследуемых частот 90,155,280 и 435 об/мин К„„=7,8 мм/с).

1,1 6, мм/об - интенсивность разрушения Параметры,

90 155 280 435 п, об/мин - частота вращения соответствующие

0,67 0,39 0,21 0,14 Т, с - время одного оборота резца интенсивности

1,6 2,8 5,2 7,8 Умп=8!Т, мм/с - мгновенная скорость проходки разрушения

9 И 16 28 Рос, кН - осевая нагрузка #=1,1 мм/об

Параметры, соответствующие осевой нагрузке Р„с=2% кН

Частота Время одного Осевая Интенсивность Мгновенная

вращения п, об/мин оборота инструмента Т, сек нагрузка Рос, кН разрушения 5, мм/об скорость проходки Уип=8!Т, мм/с

90 0,67 5 7,6

155 0,39 28 3 7,7

280 0,21 1,7 7,9

435 0,14 Ы 7,8

0 4 8 12 16 20 24 28

Осевая нагрузка Рос, кН

Рисунок 1 - Зависимость интенсивности разрушения 5 от осевой нагрузки Рсс и частоты вращения п: 1 - «=90 об/мин; 2 - я=155 об/мин; 3 - п=280 об/мин; 4 - л=435 об/мин

Величину силы, действующей на точку на режущей кромке, и соответствующее ей сопротивление породы выражаем соотношением РУ^РК (Руь — удельная нагрузка). Анализ материалов, представленных в таблице 1, показывает, что каждому значению указанного соотношения соответствует вполне определенная величина мгновенной скорости проходки.

Таблица 1 - Результаты для породы с Рх=1780 МПа (острый резец БИ-741)

№ п/п Частота п, об/мин Время одного оборота Г, с Осевая нагрузка Рос=П кН Осевая нагрузка Рос=20 кН Осевая нагрузка Рос=28 кН

Интенсивность разрушения 5, мм/об Мгновенная скорость К<„, мм/с Р,, 8 Умп Р. 6 Умп Р.

1 90 0,66 2,1 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 1Д 7,8

Это позволило предложить следующую зависимость

р

(3)

к

где Ко - модуль скорости проходки, мм/с (значение Умп при РуЛ /Рк= 1); к=кс-кг - безразмерный коэффициент (ке учитывает эффективность удаления буровой мелочи, кг - геометрию инструмента).

Автором разработан и представлен графо-аналитический метод определения модуля мгновенной скорости проходки по экспериментальным данным для пород различной крепости (рисунок 2). Обработка результатов определения К0 для пород с контактной прочностью 960, 1270 и 1780 МПа, выполненная этим методом, позволила предложить зависимость приближенного определения величины К0 (парабола на рисунке 2), мм/с,

Установлено, что такие породы, соответствующие VI-IX категории по бури мости, долота, вооруженные АТП, могут разрушать со скоростью резания Ур^<3 м/с, что при диаметре долота 105 мм соответствует частоте «<200 об/мин, а при диаметре 215 мм - частоте «<70 об/мин.

Рисунок 2 - Графо-аналитический метод определения модуля мгновенной скорости проходки У0: 4,7 им/с, 3,2 мм/с и 2,4 мм/с - значения Ко при доя различных пород

D

режущие элементы, вращающиеся с различной частотой, бурят с одной скоростью.

Чтобы не допускать посадку режущих элементов долота на заднюю грань, на линиях резания с малыми радиусами (у оси скважины) необходимо уменьшать угол наклона траектории за счет увеличения частоты вращения, а на периферийных линиях резания с большими радиусами можно при небольшой частоте вращения также не допускать посадку на заднюю грань. Варьируя значениями 5 и и, можно при постоянных значениях заднего угла режущего элемента согласовать и скорости бурения быстровращающейся внутренней части долота и медленновращающейся наружной части, обеспечивая равенство скоростей для каждой его составной части:

V„=8a-n„=Sc-nc, (5)

где Sn - интенсивность разрушения пионерного яруса, мм/об; п„ — частота вращения пионерного яруса, об/мин; 8С - интенсивность разрушения скважинообразующего яруса, мм/об; пс - частота вращения скважинообразующего яруса, об/мин.

В третьей главе отражены исследования конструктивных особенностей двухъярусного долота режущего типа диаметром 215 мм на примере долота Д-2ВВ, выполнен расчет кинематических параметров режущей части долота и разработана математическая модель системы «горная порода-двухъярусное долото».

На рисунке 3 изображена рабочая часть долота. На его корпус 1, имеющий замковую резьбу 6, опираются ярусы 2 и 5 диаметрами d и D соответственно, выполненные в виде независимых тел вращения и расположенные соосно. Режущие перья ярусов оснащены АТП 4 и 5. Для обеспечения выноса шлама на ярусе 2 предусмотрены пять промывочных каналов 7.

При вращении ярусов с угловыми скоростями а„ и юс соответственно и осевом перемещении всего долота режущие перья внедряются в забой, расширяя по мере продвижения скважину

до диаметра D, определяемого положением Рисунок 3 - Рабочая часть крайних режущих элементов 5, расположенных в долота Д-2ВВ

<—- ——i> sN

\

\ 1-

нижних частях перьев яруса 3. Поскольку передние грани состоят из нескольких режущих элементов 4 пионерного яруса и нескольких режущих элементов 5 сква-жинообразующего яруса, расположенных на разных расстояниях от осй вращения, их скорости резания по мере удаления от оси возрастают, приближаясь к своим критическим значениям, зависящим от крепости пород и износостойкости вооружения. Режущие элементы представляют собой АТП диаметром 013,5 мм.

При бурении точка, находящаяся на режущей кромке лопасти пионерного яруса на расстоянии г от оси вращения, описывает винтовую линию, определяемую координатами

ЛГ = ГС05Й)„Г; у^гътсо^-, г = фпг, (6)

где о)„ - угловая скорость пионерного яруса; 6 -интенсивность разрушения долота; еп - число лопастей яруса 2.

5-епт„

ах = -ГСОп БШ ; ду-ГСйп С05й)п1м ; сЬ-—--аГ( (7)

а путь, проходимый рассматриваемой точкой за время Т,

Направление движения режущей лопасти скважинообразующего яруса определяется углом наклона касательной плоскости в этой точке по отношению к плоскости ху

8-ег

= агс1?,~ . (9)

¿ж-г

Для точки на режущей кромке лопасти яруса 3 на расстоянии К от оси вращения формулы расчета кинематических параметров аналогичны (6)-(9) с учетом того, что угловая скорость яруса 3 ас направлена в сторону, противоположную направлению угловой скорости яруса 2.

Для режущих элементов лопастей, расположенных на разных радиусах при равных значениях интенсивности разрушения будут и разные углы у/. Кроме того, для каждого режущего элемента предупреждение посадки на заднюю грань определяется выражением а,> ц/„ где а, — задний угол /"-го режущего элемента.

Для раздельного привода ярусов над долотом устанавливается планетарный редуктор 4 (рисунок 4).

Рисунок 4 - Компоновка наддолотной части бурильной колонны и долота Д-2ВВ

Пионерный ярус двухъярусного долота 8 имеет привод 9 от забойного двигателя, скважинообразующий ярус - привод 10 от планетарного редуктора 4. Скважино-образующий ярус закреплен на водиле планетарного редуктора и получает привод через саттелиты 7. Если оси вращающихся сателлитов закреплены в неподвижном корпусе планетарного редуктора, то ярус 7 вращается влево с меньшей частотой.

Передаточное число планетарного редуктора

/ = (10) где га (13) и 2ь (14) - количество зубьев на центральном колесе и зубчатом венце планетарного редуктора соответственно.

Если оси сателлитов закреплены во вращающейся части редуктора (на водиле), то ярусы б и 7 долота вращаются попутно с различной частотой, и

/ = 1. (11)

На приводном валу, получающем вращение от забойного двигателя, закреплен пионерный ярус, имеющий частоту вращения забойного двигателя »200 об/мин. Поэтому при диаметре 105-110 мм режущие элементы из АТП, наиболее удаленные от оси вращения, будут иметь скорость резания, меньшую критической для пород VI-IX категории по буримости.

При передаточном отношении i = ~ 3 и диаметре долота £>=215 мм скорость резания режущими элементами скважинообразующего яруса, наиболее удаленными от оси вращения также значительно меньше критического значения.

При таких частотах вращения за один оборот пионерного яруса и перемещении долота вдоль оси вращения на величину 6, мм/об, скважинообразующий ярус провернется всего'на 1/3 оборота, и на нем необходимо иметь число лопастей ес>Ъ для полной обработки забоя. Приняли ес=4 с учетом резервирования.

Для практических расчетов осевой нагрузки Рос, кН, с'учетом интенсивности разрушения, получена зависимость

ос 60 к-У0 *"" (12)

где п„ - частота вращения пионерного яруса, об/мин; 5„ - интенсивность разрушения пионерного яруса, мм/об; к - безразмерный коэффициент; - величина проекции площадки затупления, мм2.

= + 03)

здесь Ру - условный начальный износ, зависящий от количества АТП,

п

(14)

¡=1

п - количество АТП на долоте; г - время бурения скважины, мин; - интенсивность прироста площадки затупления во времени, мм2/мин; /^,=1,25 ммг для АТП

013,5 мм.

Количество промывочной жидкости 2, л/с, необходимое для очистки забоя и цолита. Д-2ВВ от выбуренной породы, предлагается рассчитывать по РД39-0147009-508-85 ВНИИКРнефть, при скорости движения потока не менее 40 м/с.

Параметры режима бурения двухъярусным долотом приведены в таблице 2. Таблица 2 - Параметры режима бурения

№ п/п Параметр Значение

1. Нагрузка на долото, кН: - начальная - максимальная 150 350

2. Частота" вращения ярусов, об/мин: - пионерного - скважинообразующего В соотношении "«/ - з/ Д-/1

3. Расход бурового раствора, л/с 25-40

Суммарный крутящий момент М& Н-м, воспринимаемый бурильной колонной,

5 5

М£ = МЛ-Мх= Л^реЛр ~ Е4^«^ . (15)

1=1 ¡=1

Затрачиваемая мощность И, кВт,

ЛГ=Мйй>„ + Ь-МЛй)с|. (16)

В основу разработки математической модели системы «горная порода -двухъярусное долото» положены известные приемы и допущения при исследовании нагрузок на инструменте при бурении шпуров и скважин долотами режущего типа. В процессе резания горной породы элементарным сечением резца при его движении в плоскости, образованной векторами механической скорости бурения и скорости резания толщина стружки является величиной переменной, определяемой как разность между текущим положением точек забоя и предшествующим.

Нагрузки, предшествующие сколу первого элемента под углом т (рисунок 5), определяются из условия равновесия сил в момент скола:

(17)

где и Яд - сопротивление породы скалыванию и дроблению; /„ - длина скалываемого элемента; аЪ - толщина скалываемого элемента.

В процессе построения математической модели были определены:

- сила, действующая на переднюю грань, сШ„\,

- касательная сила по задней грани с1Т3ь

Рисунок 5 - Схема к определению сил, действующих на элементарное сечение режущего элемента

- касательная сила по передней грани с учетом ориентации вектора абсолютной

- нормальная сила по передней грани в момент времени, предшествующий сколу второго элемента, с1Ып2;

- касательная сшга по передней грани ¿Т„\\

- нормальная сила по передней грани в момент, предшествующий сколу третьего элемента, сШл.

При описании процесса разрушения горной породы двухъярусным долотом режущего типа можно считать, что полоса скалывания соответствует части забоя, обрабатываемой одной режущей кромкой.

Для нахождения сил и моментов, действующих на долото со стороны породы, необходимо сначала найти силы, приложенные к элементарным сечениям режущих кромок в проекциях на оси системы координат ху:, а затем их проинтегрировать. Эта задача может быть решена в том случае, если известны значения кинематических и конструктивных параметров инструмента, входящие в расчетные формулы.

Математическая модель пары «горная порода - двухъярусное долото» представляет собой две системы уравнений проекций элементарных сил на оси системы координат хуг и уравнение моментов этих сил относительно оси ог для части режущей кромки, ограниченной радиусами г, и г,_ ] пионерного яруса,

скорости точки

IX = JW) = \{-В>)Мп + \QxdTn + jf J^W, +

1 Г, Г, Г,

5X = ¡w = S(-By)dNn + r'fQydTn + + \{-Vcpy)dT3-

r, rt rt |j rt

r/*l ri*l rt+1 1*1 »¡+1

E^ = f F3(r) = + J&dT. + ¡N^dN, + \{-V^)dT-, ri rt ri Ti ri

1+1 ri*l

5Ж = fF4(r)= Jj^r)-*,

(19)

где Bx, Bv, Bz> ft, ft, ft-, Mp. x, Nq,y,Ncpz, Vq,.x, Vcpy, Vcpz ~ значения кинематических параметров в направляющих косинусах углов к осям системы координат xyz\ х,у-координаты рассматриваемых точек Мь и аналогичных (18) и (19), с учетом направления угловой скорости, для части режущей кромки, ограниченной радиусами R, и Д|+1 скважинообразующего яруса

Выполнена оценка адекватности модели техническому объекту. Полученный уровень расхождений и относительных ошибок является приемлемым для исследований долот при бурении скважин (ошибка не превышает 12%, среднеквадратиче-ское отклонение -15-20%.)

В четвертой главе составлены алгоритм и программа работы долота режущего типа на забое. Принцип работы программы, написанной на языке Delphi 7, основывается на имитации процесса бурения. Осуществляется выбор режимных параметров для условий приработки долота, а затем для установившегося процесса бурения. С интервалом в 6 с производится учет приращения проекции площадки затупления, интенсивности разрушения, времени бурения, проходки, а также уменьшения механической скорости бурения и диаметра долота. При потере диаметра на 5 мм долото считается отработанным. Данные для расчета взяты по результатам экспериментальных исследований. Панель программы изображена на рисунке 6.

При планировании количества опытов при заданной доверительной вероятности 0,95 ошибка в определении средних значений не превышала 10%; при оценке расхождений предложенного метода расчета модуля мгновенной скорости проходки с экспериментальными данными, полученными в аналогичных условиях, ошибка не превышает 12%; при оценке адекватности технических показателей путем сравне-

20

Режимные параметры- ~—---

Осевая нагрузка Рос, кН Кохшестш промывочной жидкосш 0. я/с [25 Ч астата вращения л, об/мин ¡200

Вьтоятгь

Уиб, м/ч IЕ—

Рззт -пшцадка затупления 5 - внедрение за ошн оборот Т- время бурешя

¥и6 - механическая скорость бурешя

0 • диаметр дояота

1 • гфтщл

озз

ип дояога

]Д-28В Тип буроёога нзсоса

|УНВ1-350~

Количество икг«р8злее %>йния р™

Ггфина И, м Порсаа Категория '¿Ч

1 1550 известняк VI

г 2020 песчаник

3100 песчаник

6 г ,1 Ш

Файл Выкзямтъ О программе

Рисунок 6 - Панель программы «Бурение»

ния средних расчетных значений необходимой осевой нагрузки в зависимости от наработки долота, с результатом экспериментальных исследований на моделях из натурных материалов, относительное отклонение не превышает 14-20%.

Расчет предполагаемого экономического эффекта от применения долот Д-2ВВ при бурении разведочных скважин в условиях Олеговской площади ОАО «Южгео-логия» выполнен, используя Методику ВНИИБТ, которая учитывает проходку на долото и рейсовую скорость бурения. Для расчета приняты долота Д-2ВВ и ИСМ-215,9, которые рассматривались при одинаковых геолого-технических условиях и режимных параметрах. Предполагаемый экономический эффект при бурении 22 скважин (общая глубина 22345 м) с интервалами пород VI, VII и IX категорий общей мощностью 5830 м составил 3204533,18 рублей. Расход долот на крепких породах составил 9 штук при средней наработке на долото 648 м. Экономия осуществлена, в основном, за счет сокращения числа спускоподъемных операций.

Основные выводы и рекомендации

В диссертационной работе предложено решение научно-технической задачи, заключающейся в совершенствовании технологии бурения скважин долотами режущего типа за счет применения их двухъярусной конструкции.

Основные результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований:

1. Установлено, что при постоянном значении осевой нагрузки, независимо от частоты вращения долота режущего типа, мгновенная скорость проходки является величиной постоянной.

2. Установлено, что необходимая осевая нагрузка для равных величин интенсивности разрушения зависит от частоты вращения долота во всем диапазоне рабочих частот.

3. Разработаны теоретические основы создания нового вида буровых долот режущего типа - двухъярусных.

4. Разработано долото диаметром 215 мм, оснащенное АТП, у которого пионерный и скважинообразующий ярусы имеют различные частоты вращения.

5. Разработаны рекомендации по расчету режимных параметров отработки долот данного типа для проведения стендовых и полевых испытаний.

6. Разработана математическая модель системы «горная порода - двухъярусное долото».

и

7. Составлены алгоритм и программа работы долота режущего типа на забое скважины.

8. Подготовлен технологический регламент для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгсология», г. Ростов-на-Дону.

9. Разработка «Двухъярусное долото режущего типа» используется в учебном процессе кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ) при изучении дисциплин «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».

10. Прогнозируемый экономический эффект составил 375 тыс. руб. на одно долото.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах, из которых №№ 3, 11 - в изданиях, рекомендуемых ВАК.

1. Двухъярусное долото режущего типа/Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литке-вич Ю.Ф., Асеева А.Е.//Интервал, 2006. -№1. - С. 36-39

2. Исследование подачи и модуля скорости при вращательном бурении горных пород/Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е.//Интервал, 2006. - №2. - С. 25-27

3. Метод расчета осевой нагрузки и механической скорости бурения двухъярусного долота режущего типа Д-2ВВ/Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е.//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2006. -№3.-С. 13-18 -Nr--. •

4. Третьяк А.Я., Асеева А.Е. Повышение прочности бурового инструмента//Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых: Материалы V Междунар. научн.-практ. конф. РГГРУ,.посвященной 15-летию Российской академии естественных наук, 4-6 апреля 2006.г. - М.: РГГРУ.-С. 55. Тез. докл.

5. Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Асеева А.Е. Создание новой конструкции буровых долот повышенной эффекгавности//Проблемы геологии, геоэкологии,® минера-гении Юга России и Кавказа: Материалы V Междунар. научн. конф. ЮРГТУ (ЮТИ), посвященной 100-летию со дня рождения проф. А.Г. Кобилева, 28 апреля 2006 г.: в 2 т. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ООО НПО «Темп», 2006. - Т. 2. -С. 189-199

6. Теория и практика конструирования двухъярусных. долот режущего ти-паЛГретьяк А.Я., Асеева А.Е.//Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2006. -№7.-С. 61-65

7. Асеева А.Е., Бурда М.В. Конструктивные особенности двухъярусного долота режущего типа со встречным вращением ярусов Д-2ВВ//Студенческая научная всс-на-2006: Сборник научных трудов аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. - С. 107-109

8. Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Дизайн-применение новых конструктивных решений на примере разработки долот для бурения нефтяных и газовых скважин/Лосевские чтения: труды Международной ежегодной научно-теоретической конференции, г. Новочеркасск, май 2006 г. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006.-С. 361-363

9. Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Научные основы создания многоярусных долот режущего типа для бурения нефтяных и газовых скважин/ЛТроблемы reo-

логни и освоения недр юга России: Материалы междунар. конф., г. Азов, 5-8 сентября 2006 г. - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2006. - С. 176-178

10. Третьяк А.Я., Асеева А.Е. Конструкция двухъярусного долота режущего типа. Тезисы доклада//Наука и новейшие технологии прн поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых: Материалы V Междунар. научн.-практ. конф. РГГРУ 10-13 апреля 2007 г. - М.: РГГРУ. - С. 88-89. Тез. докл.

11. Компоновка наддолотной части бурильной колонны и двухъярусного долота режущего типа/ Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е.//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2008. - № 5. - С. 14-17

Патенты

12. Способ бурения направленных скважин. Патент на изобретение №2306399 МПК Е21В 7/06/Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006105994/03 от 26.02.2006. Опубл. 20.09.2007; Бюл. К°26

13. Многоярусное долото режущего типа. Патент на изобретение №231732 МПК Е21В 10/00/Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006100565 от 16.01.2006. Опубл. 20.11.2007; Бюл. №32

Асеева Анна Евгеньевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ДОЛОТАМИ РЕЖУЩЕГО ТИПА ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ИХ ДВУХЪЯРУСНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Автореферат

Подписано в печать 07.05.2009. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Плоская печать (ризограф). Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №88-2345.

Центр оперативной полиграфии Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Асеева, Анна Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Современные долота.

1.2. Исследование взаимосвязей основных параметров вращательного бурения.1.

1.3. Исследование износа долот режущего типа.

1.4. Исследование влияния осевой нагрузки и частоты вращения инструмента на мгновенную скорость проходки.

1.5. Способы повышения эффективности бурения режущими долотами.

1.6. Анализ основных видов вращательного бурения скважин.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВРАЩАТЕЛЬНОГО

БУРЕНИЯ СКВАЖИН ДОЛОТАМИ РЕЖУЩЕГО ТИПА С АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫМ ВООРУЖЕНИЕМ.

2.1. Основные положения методики исследований.

2.2. Выбор и обоснование методов планирования эксперимента.

2.3. Выбор и характеристика горных пород.

2.4. Выбор инструмента для исследований.

2.5. Экспериментальные стенды и аппаратура.

2.6. Исследование критической скорости резания при алмазно-твердосплавном бурении.

2.7. Исследование мгновенной скорости проходки и разработка метода ее расчета.

2.8. Обоснование метода расчета нагрузок на инструменте режущего типа.

2.9. Определение затрат мощности долот режущего типа.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХЪЯРУСНОГО

ДОЛОТА РЕЖУЩЕГО ТИПА ДЛЯ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ, КРЕПКИХ И ВЫСОКО АБРАЗИВНЫХ ПОРОД.

3.1. Исследование особенностей и создание двухъярусного долота режущего типа.

3.2. Расчет кинематических параметров режущей части инструмента.

3.3. Разработка режима бурения долотом типа Д-2ВВ.

3.4. Разработка математической модели системы «горная порода — двухъярусное долото».

3.5. Оптимизация математической модели и проверка ее адекватности.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.]

4.1. Разработка алгоритма и программы работы двухъярусного долота на забое скважины.

4.2. Разработка технологического регламента по применению долота типа Д-2ВВ для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология».

4.3. Прогнозный расчет экономической эффективности применения двухъярусного долота режущего типа Д-2ВВ.II

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование технологии бурения скважин долотами режущего типа за счет применения их двухъярусной конструкции"

Расширение области применения буровых работ и повышение их значимости выражается в ускоренном развитии технологии бурения. Существенный прирост технико-экономических показателей бурения дает совершенствование долот как одно из магистральных направлений развития буровой техники. Повышение стойкости и производительности долот позволяет влиять на эффективность процесса бурения. Проблема увеличения рейсовой скорости бурения при сооружении скважин различного назначения является одной из самых важных. Решать ее можно, внедряя новые конструкции высокоэффективных долот [1].

Пятьдесят лет назад профессор B.C. Владиславлев показал, что процесс резания горных пород, независимо от категории их твердости, во много раз эффективнее процесса вдавливания, так как затрата энергии при резании растет значительно медленнее, чем увеличение объема отделяемой породы [2].

Накопленный с конца 70-х годов XX века зарубежный (пластинки «Stra-tapax», а позднее - PDC) и отечественный опыт применения долот, оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), показал, что такие материалы обладают износостойкостью, в десятки раз, и термостойкостью, в 2 раза превышающей аналогичные характеристики вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов. Долота с АТП — это высокоэффективный инструмент для бурения мягких и средних пород, при разрушении которых резцы сохраняют острые кромки длительное время. При роторном бурении и бурении винтовыми забойными двигателями долота этого типа обеспечивают увеличение механической скорости проходки в 2 раза по сравнению с шарошечными долотами, проходки на долото в 3-7 раз при осевой нагрузке в 2-2,5 раза меньшей и при сопоставимом крутящем моменте. [3].

Однако область их применения ограничена малоабразивными породами средней крепости. С 1984 г. в США изготовляются долота Балласет (фирма-изготовитель «Нортон Кристенсен»), пригодные для разбуривания более твердых горных пород. С этой целью кроме пластин Stratapax, размещенных на режущих лопастях, калибрующая поверхность оснащена природными алмазами, что значительно увеличивает стоимость долот.

Главной причиной невозможности использования долот с АТП в породах VI-VIII категорий по буримости является увеличивающийся износ режущих элементов от центра к периферии или потеря диаметра, что приводит к выходу таких долот из строя. Поэтому актуальной является проблема совершенствования технологии бурения скважин долотами режущего типа за счет изменения' их конструкции, направленная на расширение области применения долот данного типа. Для решения данной проблемы предназначена новая разработка — двухъярусное долото режущего типа со встречным вращением ярусов, имеющее алмазно-твердосплавное вооружение.

Исходя из этого, целью работы является повышение эффективности процесса бурения скважин за счет применения новой конструкции долота режущего типа в породах VI-VIII и частично IX категорий по буримости.

Методы исследования имеют комплексный характер и включают анализ и обобщение имеющихся теоретических, лабораторных и промысловых материалов по данной проблеме, а также результатов собственных аналитических и лабораторных исследований с использованием современных приборов, установок и вычислительной техники.

Новизна научных положений состоит в следующем:

1. Установлено, что при бурении твердых, крепких и абразивных пород долотами режущего типа мгновенная скорость проходки является величиной постоянной при постоянном значении осевой нагрузки, независимо от частоты вращения (патент на изобретение «Способ бурения направленных скважин»).

2. Установлено, что осевая нагрузка необходимая для достижения равных величин интенсивности разрушения, зависит от частоты вращения долота режущего типа.

3. Предложена зависимость для расчета мгновенной скорости проходки и определены величины входящих в нее эмпирических параметров.

4. На уровне изобретения разработана конструкция долота режущего типа с алмазно-твердосплавным вооружением, расположенным на соосных ярусах, с возможностью вращения ярусов с различными скоростями вокруг оси породоразрушающего инструмента. На защиту выносятся:

- Методика расчета мгновенной скорости проходки долота режущего типа.

- Конструкция двухъярусного долота режущего типа диаметром 215 мм, вооруженного алмазно-твердосплавными пластинами (АТП или РБС).

- Расчет кинематических параметров режущей части предлагаемого долота.

- Компоновка наддолотной части бурильной колонны и двухъярусного долота режущего типа.

- Параметры рационального режима бурения новым инструментом.

Практическая ценность заключается:

1) в разработке принципа создания нового вида буровых долот, на одной оси которых ярусы с режущими элементами имеют различные частоты вращения;

2) в разработке конструкции двухъярусного долота режущего типа диаметром 215 мм, рабочие поверхности которого оснащены АТП;

3) в разработке теоретических основ расчета режимных параметров отработки долот данной разновидности для проведения стендовых и полевых испытаний;

4) в создании математической модели системы «горная порода - двухъярусное долото»;

5) в создании алгоритма и программы работы долота режущего типа на забое;

6) в разработке технологического регламента для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология», г. Ростов-на-Дону (приложение П.1);

7) в использовании разработки «Двухъярусное долото режущего типа» в учебном процессе кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ) при изучении дисциплин «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация бурения нефтяных и газовых месторождений» (приложение П.2).

Достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием теоретически обоснованных и проверенных методов исследования, сходимостью расчетных данных с результатами экспериментов, а также представительным объемом экспериментов, позволяющим с вероятностью 0,95 утверждать, что ошибка полученных результатов не превышает 10-14%.

Основные положения диссертации доложены и одобрены на V и VI Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поиске, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» (РГГРУ, г. Москва, 2006 и 2007 г.г.); на V Международной конференции «Проблемы геологии, геоэкологии и минерагении Юга России и Кавказа» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2006 г.); на Международной конференции «Проблемы геологии и освоения недр юга России» (ЮНЦ РАН, г. Ростов-на-Дону, 2006 г.).

Научные положения и результаты диссертационной работы отражены в 13 печатных работах, в том числе в 8 статьях (2 из которых - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ), 3 тезисах докладов и 2 патентах на изобретение, ссылки на которые даны по тексту.

По теме диссертации получены патенты на изобретение RU 2306399 U1 МПК Е21В 7/06 «Способ бурения направленных скважин» от 26.02.2006, опубл. 20.09.2007, бюл. №26 и RU 2310732 U1 Е21В 10/00 «Многоярусное долото режущего типа», заявка №2006100564/22 от 16.01.2006, опубл. 20.11.2007, бюл. №32.

Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 118 страницах текста в редакторе MS Word, содержит 43 иллюстрации, 15 таблиц, список использованных источников из 100 наименований и 6 приложений.

Во введении поставлена цель исследования. В первой главе представлен анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследований. Во второй главе выбраны методика и техника исследований, а также приведены результаты исследований процесса вращательного бурения скважин долотами режущего типа с алмазно-твердосплавным вооружением, в результате которого сделан вывод о возможности создания двухъярусных долот. Третья глава посвящена созданию конструкции двухъярусного долота режущего типа со встречным вращением ярусов, разработке режимов бурения скважин новым инструментом, в ней произведен расчет кинематических параметров режущей части долота, разработана математическая модель пары «горная порода — двухъярусное долото» и выполнена ее оптимизация и проверка на адекватность. В четвертой главе отражена практическая реализация проведенных исследований: разработка алгоритма и программы расчета параметров бурения долотами режущего типа; технологический регламент по применению двухъярусного долота режущего типа для бурения скважин в условиях работы ОАО «Южгеология»; прогнозный расчет экономической эффективности применения нового инструмента. В заключении сформулированы общие выводы и рекомендации по применению новой разновидности породоразрушающего инструмента для вращательного бурения горных пород VI-VIII и частично IX категорий по буримости.

Работа выполнена на кафедре «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ).

Автор выражает благодарность своему главному научному руководителю, академику РАЕН, доктору технических наук, профессору А.Я. Третьяку, а также второму научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Ю.Ф. Литкевичу. Автор считает своим долгом выразить признательность докторам технических наук Д.Н. Башкатову, Н.В. Соловьеву, Н.И. Сысоеву, кандидатам технических наук Н.Н. Буренкову, С.Г. Мирному, А.Д. Вейсману, И.И. Сендецкому, Ю.А. Воропаеву, В.Е. Дубенко за советы и ценные замечания, а также сотрудникам кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ) за оказанную поддержку и рекомендации при выполнении диссертационной работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Асеева, Анна Евгеньевна

Выводы.

1. Разработан алгоритм рабочего процесса долота режущего типа на забое скважины.

2. На языке Delphi 7 написана программа «Бурение», имитирующая процесс бурения горных пород долотом режущего типа. Программа позволяет проектировать режимы бурения в зависимости от типа ПРИ, физико-механических свойств пород и характеристик бурового оборудования, контролируя при этом выходные параметры процесса бурения. Величина ошибки результатов расчета, проверенных по результатам экспериментальных исследований, составила от 10 до 15% по усилию подачи, в зависимости от степени затупления, и от 12 до 17% по наработке долота.

3. Разработан и утвержден ОАО «Южгеология» технологический регламент по применению двухъярусного долота режущего типа со встречным вращением ярусов Д-2ВВ для бурения скважин в условиях Олеговской площади Херн-Худукского лицензионного участка Республики Калмыкия.

4. Рассчитан предполагаемый экономический эффект от применения долота типа Д-2ВВ, который составил 275 тыс. руб. на одно долото.

108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате изложения содержания диссертационной работы можно сделать следующие общие выводы и рекомендации:

1. Одной из главных причин снижения эффективности буровых долот режущего типа с алмазно-твердосплавным вооружением, предназначенных для бурения скважин различного назначения, является повышенный износ периферийных режущих элементов. Создание новых буровых долот с равномерно изнашивающимися режущими элементами по всему контуру долота затруднено, так как отсутствуют научно обоснованные методы выбора их конструктивных параметров.

2. Разработанная методика исследования осевой нагрузки и мгновенной скорости проходки долотами режущего типа позволила сформулировать принцип создания многоярусных долот, у которых режущие элементы на забуривающем (пионерном) и разбуривающем (скважинообразующем) ярусах имеют скорости резания, не превышающие критических значений.

3. При вращательном бурении скважин долотами режущего типа необходимая осевая нагрузка для равных значений подачи зависит от частоты вращения долота.

4. При вращательном бурении крепких пород долотами режущего типа при постоянном значении осевой нагрузки, независимо от частоты вращения во всем диапазоне рабочих частот, теоретическая скорость бурения остается величиной постоянной. На основании этого вывода получен патент на изобретение №2306399 «Способ бурения направленных скважин» от 26.02.2006 г.

5. На основании результатов исследований разработана конструкция двухъярусного долота режущего типа со встречным вращением ярусов, которая защищена патентом на изобретение №2310732 от 20.11.2007 г. Вращение долота осуществляется за счет забойного двигателя через планетарный редуктор. Наличие планетарного редуктора, расположенного выше долота, позволяет вращать ярусы в противоположные стороны с частотами, обратно пропорциональными их диаметрам.

6. Разработана математическая модель системы «забой - двухъярусное долото», представляющая собой систему дифференциальных уравнений нормальных и касательных сил, приложенных к режущим элементам ярусов, а также моменты этих сил относительно системы координат xyz.

7. Составлены алгоритм и программа на языке Delphi 7, воспроизводящая работу долот режущего типа на забое скважины.

8. Рекомендуется технологический регламент по применению двухъярусного долота Д-2ВВ со встречным вращением ярусов для бурения скважин в условиях Олеговской площади Херн-Худукского лицензионного участка Республики Калмыкия, утвержденный ОАО «Южгеология».

9. Разработаны рекомендации по расчету режимных параметров отработки двухъярусных долот режущего типа для проведения стендовых и полевых испытаний.

10. Прогнозируемый экономический эффект от применения двухъярусных долот режущего типа при бурении 22 скважин в условиях работы ОАО «Южгеология», рассчитанный по методике ВНИИБТ, составляет 275 тыс. руб. на одно долото.

11. Разработка двухъярусное долото режущего типа Д-2ВВ использована в учебном процессе кафедры «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» ЮРГТУ (НПИ) при проведении дисциплин «Технология бурения нефтяных и газовых скважин» и «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».

110

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Асеева, Анна Евгеньевна, Новочеркасск

1. Третьяк А .Я., Чихоткин В.Ф. Приоритетные направления развития техники и технологии бурения нефтяных скважин /15 лет РАЕН: Сб. науч. тр. / РАЕН - Москва: Изд-во РАЕН, 2005. - С. 258-266

2. Владиславлев B.C. Разрушение горных пород при бурении скважин. -М.: Гостоптехиздат, 1958.-241 с.

3. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: ОАО «Издательство «Недра», 2004. - 269 с.

4. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учебник для вузов / А.Н. Попов, А.И. Спивак, Т.О. Акбулатов и др.; Под общей ред. А.И. Спивака. 2-е изд., испр. и доп. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. -509 с.

5. Масленников И.К. Буровой инструмент. Справочник. М.: «Недра», 1989.-438 с.

6. Дверий В.П. Бурение скважин лопастными долотами. М.: «Недра», 1977.- 118 с.

7. Арцимович В.Г., Лукаш В.А. Об износе твердых сплавов при бурении горных пород. В кн. Горный породоразрушающий инструмент - Киев: «Техника», 1969. - С. 35-42.

8. Арцимович В.Г., Скляров Э.Д., Левченко А.Т. Применение долот с прерывистым лезвием. «Бурение», 1971, №7. - С. 3-8.

9. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н. и др. Буровое оборудование. Справочник: в 2-х т. Т. 2 Буровой инструмент. М.: ОАО «Издательство «Недра», 2003. - 494 с.

10. Ишбаев Г., Балута А. и др. Проводка наклонно-направленных скважин долотами PDC производства ООО «Hlill «Буринтех». «Бурение и нефть» №6, 2004.-С. 12-13

11. Третьяк А .Я., Сидоренко П.Ф., Коваленко A.C. Технология бурения скважин режуще-истирающими долотами / Механизация и автоматизациягорных работ: Сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т — Новочеркасск: ЮР-ГТУ (НПИ), 1999. С. 57-63

12. Масленников И.К., Матвеев Г.И. Инструмент для бурения скважин. Справочное пособие. М.: «Недра», 1981. - 335 с.

13. DPI Technology Driven Solutions. Oil & Gas Journal, 2002, February 25. -P. 78

14. Спивак А.И., Попов A.H. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: «Недра», 1994. - 385 с.

15. Шрейнер JI.A. Физические основы механики горных пород. М.: Гос-гортехиздат, 1950. - 126 с.

16. Остроушко И.А. Забойные процессы и инструменты при бурении горных пород. М.: Госгортехиздат, 1962. - 272 с.

17. Эйгелес P.M., Стрекалова Р.В. Расчет и оптимизация процесса бурения. -М.: Недра, 1977.-209 с.

18. Гусман А. Новые технологии в области строительства скважин. «Бурение». Спец. прил. к журналу «Нефть и капитал» №2, 2001. С. 19-23.

19. US Patent №5.803.196. Stabilizing Drill Bit / Coy M / Appl. No. 08/655,988; Filed: May 31, 1996; Fielder September 8, 1998

20. Буровой инструмент для геологоразведочных скважин: Справочник / Н.И. Корнилов, H.H. Бухарев, А.Т. Киселев и др. Под ред. Н.И. Корнилова. — М.: «Недра», 1990. 395 с.

21. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: «Недра», 1990. - 256 с.

22. Михайлов В.Г. Сверление шпуров. М.: Металлургиздат, 1949. - 185 с.

23. Михайлов В.Г., Крапивин М.Г. Горные инструменты. М.: Недра, 1970. -215 с.

24. Бочковский A.M., Левченко А.Т., Марухняк Н.И. Исследования и производственные испытания лопастных долот диаметром 394 мм. Нефтяная и газовая промышленность, 1974, №5. - С. 11-15

25. Минин A.A., Погарский A.A. Форсирование механической скорости беструбного электробура. — Нефтяное хозяйство, 1956, № 3. С. 14-18

26. Тарасевич В.И. Изменение энергетических параметров технологического процесса бурения в зависимости от глубины. — М.: ЦНИИТЭнефть, 1965. 78 с.

27. Технология бурения нефтяных скважин. — Труды УфНИИ, 1965, вып. 16. 198 с.

28. Сулакшин С.С. О классификации способов разрушения горных пород при бурении скважин. Геология и разведка № 2, 1964. С. 35-40

29. Каримов В.Х., Шрейнер Л.А. Использование механических характеристик горных пород при вдавливании для совершенствования долот и режимов бурения. М.: ВНИИОЭНГ, 1966. - 147 с.

30. Дверий В.П. Стендовые исследования разрушения горных пород различными типами лопастных долот. Вопросы глубокого бурения на нефть и газ. — М.: ВИЭМС, 1968, вып. 1. С. 24-26

31. Дверий В.П., Новиков Ю.М., Вареник В.А. Некоторые предпосылки увеличения механической скорости бурения при высокой скорости вращения породоразрушающего инструмента. Труды УкрНИГРИ, 1968, вып. 16. С. — 336-344

32. Бингхэм М.Г. Проблемы буримости горных пород. М.: ВНИИОЭНГ, 1966, ч. 1.-147 с.

33. Погарский А.А., Чефранов К.А., Шишкин О.П. Оптимизация процессов глубокого бурения. М.: Недра, 1981. - 296 с.

34. Lummus J.L. Drilling Optimization. Journal Petrol. Technol, 1970, November 22.-P. 1379-1388

35. Трифонов В.П., Газарян А.Г. Опыт работы долотами типа ИСМ-213,4. — «Бурение», 1983, №24.-С. 1-3

36. Рабиа X. Технология бурения нефтяных скважин: Пер. с англ. М.: Недра, 1989.-413 с.

37. Родионов Н.С., Ганзен Г.А., Кирсанов А.Н., Теслинов М.И. Горное и буровое оборудование: Учебник для техникумов. М.: Недра, 1983. - 445 с.

38. 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-2ВВ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, № 3, 2006. С. 13-18

39. Соловьев Н.В., Чихоткин В.Ф., Власюк В.И., Ганджумян Р.А., Хромин Е.Д. Основы конструирования алмазного породоразрушающего инструмента. Учеб.-метод. пособ. М.: МГГА, 2000. - 256 с.

40. Пронников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. -295 с.

41. Козловский Е.А. Оптимизация процесса разведочного бурения. М.: Недра, 1975.-303 с.

42. Эпштей Е.Ф. Теория бурения-резания горных пород. — М.: ГОНТИ, 1939. 179 с.

43. Штофф В А. Моделирование и философия. — М.-Л.: Наука, 1966. 301 с.

44. Козловский Е.А., Тумаркин Г.Ц. Применение математических методов планирования эксперимента для определения оптимальных режимов бурения. Геология и разведка, 1971, № 3. - С. 146-151

45. Kennedy J.L. Computer drilling sistem can provide optimization, rig control. Oil & Gaz J., 1971, may 10

46. Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Двухъярусное долото режущего типа. Интервал, 2006, №1. — С. 36-39

47. Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Исследование подачи и модуля скорости при вращательном бурении горных пород. Интервал, 2006, №2. -С. 25-27

48. 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-2ВВ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2006. №3. С. 13-18

49. Третьяк А.Я., Асеева А.Е. Теория и практика конструирования двухъярусных долот режущего типа. Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Приложение № 7, 2006 «Технические науки». С. 61-65

50. Методические указания по выбору режимов промывки скважин при вскрытии продуктивных пластов. РД 39-0147009-508-85. Краснодар: ВНИ-ИКРнефть, 1985.- 139 с.

51. Патент на изобретение №2306399. Способ бурения направленных скважин / Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006105994/03 от 26.02.2006; опубл. 20.09.2007; Бюл. №26

52. Патент на изобретение №2310732. Многоярусное долото режущего типа/ Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006100565/03(000634) от 16.01.2006; опубл. 20.11.2007; Бюл. №32

53. Методика определения экономической эффективности внедрения новой буровой техники. М.: ВНИИБТ, 1993. - 319 с.

54. Федоров B.C. Проектирование режимов бурения. — М.: Гостоптехиздат, 1958.-214 с.

55. Митропольский A.K. Техника статистических вычислений. — М.: Физ-матгиз, 1961.-271 с:

56. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М.: Физматгиз, 1962.-344 с.

57. Статистические методы в инженерных исследованиях. Учебное пособие (лабораторный практикум). М.: Высшая школа, 1983. - 216 с.

58. Барон Л.И., Кузнецов A.B. Методика испытаний горных пород на абра-зивность. М.: ИГД им. Скочинского, 1960. - 81 с.

59. A.c. №802504 (СССР). Резец для вращательного бурения / Павленко В.И., Крапивин М.Г., Иванов A.A., Ленченко В.В., Фетисов В.М., Суслов Е.И., Ромашкин A.C., Сергеев А.Д., Петров Н.Г., Родионов Н.С.; опубл. 20.02.1981; Бюл. №5

60. Медведев И.Ф. Режимы бурения и выбор буровых машин. 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Недра, 1986. - 223 с.

61. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. М.: «Недра», 1985. С. 60-65

62. A.c. №1686114 (СССР). Резец для вращательного бурения / Павленко В.И., Литкевич Ю.Ф., Олейников Б.А., Свешников И.А., Красник В.Г., Виро-вец Л.Н., Анохин В.И.; опубл. 23.10.1991; Бюл. №39

63. A.c. №1668620 (СССР). Долото для вращательного бурения / Свешников И.А., Олейников Б.А., Красник В.Г., Вировец Л.Н., Павленко В.И., Литкевич Ю.Ф., Петров Н.Г., Родионов Н.С., Пащевский Б.А., Медовый Ю.А.; опубл. 07.08.1991; Бюл. №29

64. Щукин A.A. Строительство скважин. Томск: Изд-во «STT», 2005. - 588 с.

65. A.c. №899914 (СССР). Резец для вращательного бурения шпуров / Крапивин М.Г., Иванов A.A., Фетисов В.М., Ленченко В.В., Петров Н.Г., Родионов Н.С., Ромашкин A.C., Анохин В.И., Суслов Е.И.; опубл. 01.10.1982; Бюл. №3

66. Механические и абразивные свойства горных пород. / Л.А. Шрейнер, О.П. Петров, В.П. Якушев и др. М.: Гостоптехиздат, 1958. - 274 с.

67. Воздвиженский Б.И., Васильев М.Г. Буровая механика. М.: Госгео-лтехиздат, 1954. - 199 с.

68. Воздвиженский Б.И., Сидоренко А.К., Скорняков A.JI. Современные способы бурения скважин. — М.: Недра, 1978. 205 с.

69. Травкин B.C. Породоразрушающий инструмент для вращательного бес-кернового бурения скважин. -М.: Недра, 1982. 288 с.

70. Арцимович Г.В. Влияние забойных условий и режимов бурения на эффективность проходки глубоких скважин. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1974. - 211 с.

71. Механизм разрушения горных пород при вращательном бурении. / Сологуб С.Н. и др. Киев: Наукова думка, 1980. - 194 с.

72. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Износ инструмента при резании горных пород. -М.: Недра, 1969.- 188 с.

73. Булатов В.В. Механизм разрушения горных пород при сверхглубоком бурении. Новосибирск: Наука, 1966. - 191 с.

74. Larsen-Bass J., Perrott С.М., Robinson P.M. Abrasive wear of tungsten composites. Rotary drilling tests. «Mater. Sci. and Eng.», № 2, 1976. P. 13-17

75. Анфимов М.И. Редукторы. Конструкция и расчет: Альбом. 4-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 464 с.

76. Инструкция по эксплуатации породоразрушающих инструментов, оснащенных природными, синтетическими алмазами, композиционными алмазосодержащими материалами. РД 39-0148052-526-86 / М.Г. Абрамсон, Н.И. Козырев, А.Б. Михальчук и др. М.: ВНИИБТ, 1987

77. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н. и др. Буровое оборудование. Справочник: в 2-х т. Т. 1. М.: ОАО «Издательство «Недра», 2000. -269 с.

78. Муравенко В.А., Муравенко А.Д., Муравенко В.А. Буровые машины и механизмы. В 2-х т. Том 1. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. - 520 с.

79. Обобщение и распространение передового опыта в бурении. / Беликов В.Г., Федоров B.C., Посташ С.А. М.: Недра, 1969. - 224 с.

80. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению: В 4 кн. Кн. 1 2-е изд., перераб. и доп. - М.: «Недра», 1993. - 320 с.

81. Сборник норм основных расходов на геологоразведочные работы (СНОР-93). М.: Роскомнедра, 1995. Вып. 5

82. Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш». Самара: ОАО «Волга-бурмаш», 2003. - 39 с.

83. Оценка отработанных долот по IADC (формат PDF). — 30 с.

84. Описание износа долот Baker Hughes. Каталог (формат PDF). 36 с.

85. Метрическая система СИ. ГОСТ 8.417-2002 «Единицы величин»

86. Kenndy J.L. Drilling passes satellite test, gears for expansion. Oil a. Gas J., 2002, №35.-p. 79-94

87. Lummus I.L. Drilling optimization. J. of Petr. Techn., November, 1990. - p. 128-145

88. Bentsen R.G., Wilson D.C. Optimization techniques for weight on bit and rotary speed. The J. of Canad. Petr., 2000, №4

89. Bentsen R.G., Wilson D.C. Optimization techniques for weight on bit and rotary speed. The J. of Canad. Petr., 2001, №1