книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

вариации 22,6—35,0%, точность 0° 12' и 0° 11' при вероятности Р = = 0,80. Значение критерия Стыодента t составляет 2,16, чему при

телями работы и приращениями искривления ствола в случае бу­ рения опытными и серийными долотами (увеличение проходки в 1,40 раза и общего приращения искривления ствола в 1,24 раза) не случайное, а существенное, обусловленное конструктивными особенностями опытных долот. При работе этими долотами сни­ жаются в целом потери на трение со стенкой скважины и возра­ стает эффективность разрушения породы на забое и стенке ствола.

Внешний осмотр отработанных опытных долот показал, что потеря диаметра не превышает 2—3 мм, в то время как у серий­ ных долот она составляла 5—8 мм. У всех опытных долот не отме­ чены ни износ козырьков лап и ни обнажение периферийных роли­ ков, периферийные зубья шарошек полностью сохранили работо­ способность.

Таким образом, увеличение притупления периферийных зубьев шарошек с внешней стороны и завеса шарошек способствуют по­ вышению боковой фрезерующей способности шарошечных долот, интенсивности искривления ствола и эффективности работы долот.

Трехшарошечные долота с увеличенной контактной поверхностью

Создание трехшарошечных долот с рациональной геометрией вооружения является одним из важных путей повышения произ­ водительности и эффективности буровых работ.

Притупление зубьев большинства серийно выпускаемых трех­ шарошечных долот, предназначенных для бурения пород различ­ ной твердости, имеют почти одинаковую величину. Если рассмат­ ривать акт разрушения породы каждым зубом шарошки в отдель­ ности, то это обстоятельство не учитывает влияние масштабного фактора на прочностные и пластические свойства горных пород и на энергоемкость процесса разрушения.

Экспериментальные исследования А. Т. Портновой и Н. Н. Пав­ ловой [59] показывают, что увеличение размеров поверхности кон­ такта разрушающего инструмента до определенных пределов су­ щественно влияют на механические характеристики (твердость и пластичность горных пород), а также на объемную работу разру­ шения. Установили, что твердость породы снижается при увели­ чении диаметра штампа от 0,5 до 1,5-г-2 мм, а объемная работа разрушения снижается при его увеличении до 2,5 мм.

При дальнейшем увеличении диаметра штампа (до 10 мм) на­ блюдалась стабилизация прочностных и энергетических характе­ ристик породы при очень малом росте коэффициента пластично­ сти. Эти исследования проводили на образцах хрупких и пластич­ но-хрупких пород.

200

Исходя из полученных лабораторных данных, высказали предположение, что увеличение ширины зубцов шарошечных до­ лот в 1,5-г-2 раза по сравнению с шириной зубцов серийных долот позволит значительно уменьшить энергоемкость процесса разруше­ ния при одной и той же осевой нагрузке на долото.

Аналогичные лабораторные исследования в ТатНИИ впослед­ ствии проводил В. X. Каримов [36] и пришел к тем же выводам. Им выявлено, что чем пластичнее порода, тем больше величина деформации до разрушения. С увеличением диаметра штампа темп роста деформации в 1,5-е2 раза меньше темпа роста разме­ ров зон разрушения (глубины и диаметра). Это положение явля­ ется важной предпосылкой эффективности использования трехша­ рошечных долот с повышенной контактной поверхностью, так как действие положительного фактора, увеличение размеров зон раз­ рушения породы отдельными зубьями долота, намного опережает действие отрицательного фактора, увеличение деформации породы, вызывающее увеличение минимально необходимого времени кон­ такта зубьев долота с породой и числа зубьев, одновременно кон­ тактирующих с забоем. Далее он проводил испытания 214-мм опытнььх долот типа Т, ТК и К с увеличенным притуплением кли­ новидных зубьев 2,5 мм против 1,5 мм у серийных долот, а диа­ метр полусферических зубьев 10 мм против 8 мм. Это привело- к росту проходки и механической скорости бурения по сравнению- с серийными долотами в 1,1-е 1,5 раза.

Исследования Л. Е. Симонянца [66] показывают, что если де­ формацию не ограничивать, то пластичные породы разрушаются хрупко, т. е. размеры зон разрушения для этих пород также превосходят размеры поверхности контакта разрушающего инстру­ мента. Это положение дает основание предполагать, что в опреде­ ленных условиях увеличение ширины зубьев долот, предназначен­ ных для разрушения пластичных пород, также может дать положительные результаты.

Исходя из изложенного для проверки целесообразности увели­ чения контактной поверхности трехшарошечных долот типа С с целью повышения эффективности их работы при современном состоянии техники и технологии бурения по предложению автора,. Т. И. Туранова и М. С. Гасанбала было изготовлено опытное до­ лото под шифром 81Б-269С с увеличенным затуплением зубьев (2,5 мм против 1,5 мм) и завесой шарошек (4,5 мм против 3 мм). Они были испытаны на площади Северный Кюровдаг в процессе бурения скв. 537. Испытание производили с турбобуром Т12МЗ-9"' в породах нижнего апшерона методом чередования с серийными долотами (табл. 27). Осевая нагрузка на долото составила 18-е -е20 тс, а расход промывочной жидкости 40 л/с. Глинистый ра­ створ имел плотность 1,46 г/см3 с вязкостью 60-е80 с по СПВ-5..

Ввиду ограниченности количества опытных долот 81Б-269С для определения средних показателей работы в сравнении с серий­ ными долотами, а также их точности и надежности и выяснения

201

табл. 27 обработаны по методике, описанной на стр. 191— 192. В ре­

ствует вероятность Р >0,95 при числе степеней свободы & = 6 + 9 — —2=13. Поэтому приведенные показатели работы долот надежны и различие между ними (увеличение проходки в 1,36 раза, механи­ ческой скорости бурения в 1,38 раза) не случайно, а существенно и обусловлено повышением объема зоны разрушения каждым зубом опытного долота в результате увеличения притупления до 2,5 мм и улучшения условий их работы вследствие повышения завеса шарошек до 4,5 мм.

Осмотр и замеры отработанных долот показали, что опытные

.долота по сравнению с серийными характеризуются меньшим из­ носом элементов опоры и вооружения, а также сработкой козырь­ ков лап. Так, если радиальный и осевой люфты для серийных до­ лот соответственно составили 3 = 4 и 4 = 5 мм, то для опытных долот они не превысили соответственно 2 и 3 мм. Потеря диаметра у серийных долот доходила до 8=10 мм, а опытных — до 3 = 4 мм. Это может быть объяснено ростом износостойкости тыльной части периферийных зубьев шарошек опытных долот и увеличением их калибрующей способности в результате увеличения притупления зубьев.

Следует отметить, что увеличенная контактная поверхность юпытных долот по сравнению с серийными долотами сохраняется лишь в начальный ограниченный период работы долота. После

202

определенного времени работы в результате износа вооружения серийных долот происходит резкий рост их контактной поверхно­ сти, в то время как опытные долота благодаря их более высокой износостойкости продолжительное время работают с примерно одинаковой контактной поверхностью. Следовательно, после неко­ торого времени бурения фактическая контактная поверхность се­ рийных долот будет превышать таковую для опытных долот 81Б-269С. Этим и объясняется более высокая эффективность ра­ боты опытных долот.

Таким образом, увеличение ширины зубьев трехшарошечных долот типа С до 2,5 мм против 1,5 мм способствует повышению по­ казателей их работы (проходки и механической скорости бурения) при современном состоянии техники и технологии бурения, а уве­ личение завеса шарошек до 4,5 мм против 3 мм предотвращает преждевременный износ козырьков лап.

Эффективность применения трехшарошечных долот с шаровыми опорами в наклонном бурении

Исследования [44, 49, 60] показывают, что при работе трехша­ рошечного долота с опорой, состоящей из двух роликовых и од­ ного шариково-замкового подшипников, в силу неравномерного распределения действующих на опору нагрузок между подшипни­ ками, одновременно в работе находятся либо один, либо два под­ шипника. Вследствие этого в процессе бурения происходит качка шарошек. Контакт роликов периферийного и внутреннего подшип­

к неравномерному износу роликов обоих рядов, потере их формы, замене трения качения в опорах долота трением скольжения и в ряде случаев к заеданию шарошек.

М. Л. Ланглебен высказал мнение, что если опора шарошек будет состоять из шариковых подшипников, то такая качка не при­ ведет к отмеченным нежелательным явлениям, так как при этом форма контакта шариков с беговыми дорожками цапфы и ша­ рошки не изменится. Поэтому эффективность работы долот с ша­ риковыми опорами должна быть выше, чем долот, имеющих роли­ ковые подшипники.

Грузоподъемность роликовых подшипников выше, чем шарико­ вых, которым приходится работать при сравнительно больших удельных контактных нагрузках. Однако в практических условиях на стойкость опоры долота больше влияет нарушение нормального контакта роликов с беговыми дорожками цапфы и шарошки, чем рост удельной контактной нагрузки в шариковых подшипниках. Это особенно сказывается в случае бурения в южных районах страны, в частности в Азербайджане, разрез которых в основном сложен породами мягкой и средней твердости, не требующих для разрушения больших осевых нагрузок.

203

204

Практика опытного применения долот с шаровыми опорами при бурении вертикальных скважин в некоторых районах страны показала, что они по сравнению с долотами, имеющими две роли­ ковые и один шариковый подшипники, более эффективны [50]. В связи с этим возникла необходимость выявить их относительную эффективность в наклонном бурении. С этой целью произведен анализ работы трехшарошечных долот ЗВ-190С, имеющих три ша­ риковых подшипника в сравнении с трехшарошечными долотами ОМ-576-190С, опора которых состоит из двух роликовых и одного шариково-замкового подшипников (табл. 28). Отработка этих долот осуществлялась при бурении с отклонителем на площади банка Дарвина в породах балаханской свиты. Компоновка низа буриль­ ной колонны в случае бурения с отклонителем была следующей: долото, укороченный турбобур Т12М1-65/8" длиной 5,0 м, 146-мм кривой переводник с углом перекоса осей резьб 2°, 146-мм УБТ длиной 12 м и 114-мм бурильные трубы. Производительность бу­ ровых насосов У8-3 составила 38-ь40 л/с, давление на насосах 100-ь 105 кгс/см2. Плотность промывочной жидкости 1,24-ь н-1,26 г/см3, вязкость 30-ь40 с по СПВ-5.

Оценка результатов работы трехшарошечных долот ЗВ-190С и ОМ-576-1 ЭОС производится по величине общего приращения ис­ кривления скважины на 10 м проходки, определенного по фор­ муле (1).

В результате обработки данных табл. 28 методами матема­ тической статистики установлено, что среднее значение общего приращения искривления ствола на 10 м проходки при работе трехшарошечными долотами ЗВ-190С и ОМ-576- 190С составляет

205

трахшарошечными долотами ЗВ-190С и ОМ-576-190С составляет соответственно Г 2 2 , ± 0 °1 0 / н 1°06'±0°06'.

Значение критерия Стыодента t, характеризующего случай­ ность или неслучайность различия между исследуемыми величи­

бурения долотами ЗВ-190С по сравнению с бурением долотами ОМ-576-190С, следует считать не случайным, а существенным. Оно обусловлено преимуществом конструкции опор с тремя шарико­ выми подшипниками по сравнению с опорами долот, состоящих из двух роликовых и одного шарикового подшипника. Сравнительно меньшая интенсивность искривления ствола при работе долотами ОМ-576- 190С может быть объяснена тем, что в этом случае, вслед­ ствие неравномерного износа роликов в результате качки шаро­ шек, более интенсивно растут осевой и радиальный люфты шаро­ шек, что сильно уменьшает фактический завес шарошек и их боко­ вые фрезерующие способности.

Показатели работы долот ЗВ-190С также превышают показа­ тели работы долот ОМ-576-1 ЭОС. Если средние проходки на долото и механическая скорость бурения в случае работы долотом ЗВ-190С составляют соответственно 53,5 м и 25,5 м/ч, то при работе долотом ОМ-576-1 ЭОС эти показатели составляют соответственно 46,2 м и 21,7 м/ч. Из этих данных видно, что в процессе бурения трехшарошечными долотами ЗВ-190С проходка и механическая скорость бурения увеличились по сравнению с долотами ОМ-576- -190С соответственно на 16 и 18%•

Поэтому при бурении с отклонителем, особенно в случае про­ ходки наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров, предпочтение следует отдавать трехшарошечным долотам с опо­ рой, состоящей из шариковых подшипников, по сравнению с доло­ тами, опора которых состоит из двух роликовых и одного шарико­ вого подшипников.

Необходимо отметить еще одно весьма важное преимущество трехшарошечных долот ЗВ-190С перед долотами ОМ-576-190С. Выше указывались отрицательные явления, возникающие вследст­ вие износа и слома козырьков лап, наиболее часто встречающиеся при бурении наклонных скважин (нарушение ориентации перифе­ рийных роликов; выпадение их из опоры; снижение к. п. д. долота; заедание шарошек; ухудшение показателей бурения данным и по­ следующим долотами, вынужденных работать на оставшихся ро­ ликах и т. д.).

Таким образом, преимуществом трехшарошечных долот ЗВ-190С с тремя шаровыми подшипниками является то, что износ козырьков лап не приводит к подобным нежелательным явлениям.

206

дорожек цапфы утолщенным буртиком у основания цапфы. По­ этому износ козырьков лап не влияет на работу периферийногоподшипника и при этом практически невозможно выпадение пери­ ферийных шариков. Вследствие этого в процессе бурения этими, долотами сравнительно большая часть подводимой к долоту мощ­ ности расходуется непосредственно на разрушение забоя и фрезе­ рование стенки скважины, что и приводит к повышению произво­ дительности их работы.

Осмотр отработанных долот показал, что у долот ЗВ-190С даже' при сильном износе козырьков лап отсутствуют случаи выпадения периферийных шариков, в то время как у большинства трехша­ рошечных долот ОМ-576- 190С ролики периферийного ряда обна­ жены и отмечены случаи разворота и выпадения из опоры этих ро­ ликов.

Следовательно, широкое использование при проходке наклон­ ных скважин уменьшенных и малых диаметров трехшарошечных, долот с шаровыми опорами позволит существенно повысить интен­ сивность искривления ствола с одновременным увеличением про­ ходки на долото и механической скорости бурения.

Влияние стабилизаторов кривизны на показатели работы трехшарошечных долот

В практике проходки наклонных скважин стабилизаторы кри­ визны обычно применяют для поддержания достигнутых парамет­ ров искривления ствола. Их роль заключается в предотвращении возникновения отклоняющей силы и фрезерования стенки сква­ жины. Однако использование стабилизаторов способствует также повышению показателей работы трехшарошечных работ.

Для определения влияния стабилизатора на показатели работы долота исследованы фактические материалы по 61 наклонной скважине северо-восточного крыла месторождения Нефтяные Камни. Все скважины пробурены по двухколонной конструкции.. Бурение под 273-мм техническую колонну производили трехлопа­ стными и трехшарошечными долотами диаметром 394 и 346 мм и турбобурами Т12МЗ-10" и Т12МЗ-9", под 146-мм эксплуатацион­ ную колонну — 243-мм трехшарошечными долотами с турбобурами Т12МЗ-8" и ТС4-8". Длина УБТ, установленных над турбобуром,, составляла 12ч-24 м.

Сопоставление показателей работы трехшарошечных долот при бурении со стабилизатором и без него производилось для интерва­ лов бурения, на прямой трубе в свитах балаханская и I перерыва с учетом типоразмера долота и турбобура, глубины и направления бурения наклонных скважин (табл. 29). Всего анализу подвергнули 1220 долот, из которых 605 отработаны без применения ста­ билизатора, а 615 — с применением.

Из табл. 29 следует, что при использовании стабилизаторов, показатели работы трехшарошечных долот всех типоразмеров выше, чем без них. Так, применение стабилизаторов во всех случаях

2 0 ?

Таблица 29