Удосконалення конструкцій породоруйнівного інструменту, оснащених полікристалічними алмазними різцями

Abstract

У процесі буріння нафтових і газових свердловин долота різального типу, оснащені полікристалічними алмазами різцями (ПАР), є більш ефективними в порівнянні з алмазними та тришарошковими, однак вони володіють підвищеною енергоємністю, що обмежує їх використання при бурінні гідравлічними вибійними двигунами. На основі аналітичного та експериментального методів досліджень на модельних і повнорозмірних конструкціях у стендових і промислових умовах розроблено конструкції породоруйнівних інструментів різальної дії з пониженою енергоємністю буріння. Методами математичного моделювання проведено дослідження різних конструкцій різальної частини бурових доліт та визначено величини енергетичних параметрів роботи полікристалічних алмазних різців, розроблено технологічні засоби та методику експериментальних випробовувань. Розроблено математичну модель, що базується на взаємодії оснащення долота різальної дії з гірською породою під дією осьового навантаження і крутного моменту, де сила опору проникнення, що діє на елемент оснащення при різних глибинах проникнення в гірську породу, виражається степеневою залежністю. На відміну від існуючих математичних моделей, які ґрунтуються на принципах забезпечення рівностійкого зношування різальної кромки лопаті по всій її геометричній довжині, розрахунки прогнозних енергетичних показників процесу буріння проводились для породоруйнівного інструменту загалом. На основі аналізу результатів прогнозних розрахунків встановлено, що долота з плоским дном різальної частини мають найвищі значення механічної швидкості буріння і найменші величини крутного моменту і питомої об’ємної роботи руйнування. Однак, породоруйнівний інструмент з таким профілем різальної частини має понижену зносостійкість внаслідок обмеженої площі для розміщення достатньої кількості оснащення, яке формує вибій свердловини. З метою перевірки теоретичних даних проведено експериментальні дослідження параметрів роботи доліт різальної дії з різними формами лопатей на гірських породах різної твердості. Отримано залежності енергетичних і динамічних параметрів буріння долотами з дослідними варіантами різальної частини від осьового навантаження й частоти обертання долота. Результати порівняння енергетичних характеристик роботи доліт різального типу свідчать, що при бурінні порід малої і середньої твердості вибійними двигунами доцільно використовувати породоруйнівні інструменти конструкції, що поєднують кругло-ступінчасту і плоску форми різальної частини.

The cutting bits, equipped with polycrystalline diamond cutters (PDC), are more effective in comparison with diamond and three-roller-cone bits for oil and gas well drilling, however they consume more power and it limits their use. New structures of rock destruction tools of cutting type were designed for lower power consumption during drilling by analytical-experimental research methods on model and full-size structures under stand/industrial conditions. Various designs of cutting parts of drilling bits were studied by mathematical modeling methods; as a result of them the energy parameters of polycrystalline diamond cutters operation were defined, technological means and experimental testing methods were worked out. The mathematical model, based on consideration of interaction of cutting bit with rocks under axial load and torque (as concerns penetration resistance force, applied on cutting structure element, connected with depth of its penetration into rock), is expressed by power dependence. In contrast to existing mathematical models, based on the principles of ensuring stable position of cutting blade tip in space, the calculations of projected energy performance of drilling process were carried out for rock destruction tool in whole. It was found out on the ground of analysis of predictive calculations results, that bits with cutting flat-bottomed parts have the highest values of mechanical drilling speed, the smallest values of torque and specific volume of destruction. However, rock destruction tool with such a shape of cutting part has lower wear resistance due to limited area for placing a sufficient number of cutting structures, forming the borehole bottom. In order to test theoretical data, experimental study of operating parameters of cutting bits of various wing forms were carried out on rocks of different hardness. The thesis includes dependencies of energy and dynamic parameters of drilling with bits, equipped with researched types of cutting parts, on axial load and bit speed. Comparison of power characteristics of cutting bits shows, that it is reasonable to use rock destruction tools of design, which combines round-staged and flat forms of cutting part, during drilling with bottomhole motors on rocks of low and medium hardness.