Совершенствование центрального гидромониторного узла трехшарошечного бурового долота

БУРЕНИЕ

УДК 622.24.05

Д.Ю. Сериков, к.т.н., доцент, Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, e-mail: serrico@rambler.ru; Д.В. Сморкалов, аспирант, Самарский государственный технический университет

Совершенствование центрального гидромониторного узла трехшарошечного бурового долота

Представлены результаты работы, направленной на совершенствование центрального гидромониторного узла трехшарошечного бурового долота.

Ключевые слова: шарошечное буровое долото, гидромониторная насадка, турбулентная кинетическая энергия.

Одной из основных задач современной техники и технологии бурения, нефтяных и газовых скважин является увеличение проходки и скорости бурения. Многочисленными исследователями как в лабораторных, так и в промышленных условиях установлено, что одним из перспективных путей повышения эффективности работы шарошечных долот является улучшение очистки их вооружения и призабойной зоны скважины от выбуренной породы. До настоящего времени наибольшее распространение имели шарошечные гидромониторные долота с боковой схемой промывки. Основным недостатком таких долот является вероятность сальникообразования в надшарошеч-ной области (особенно при бурении глинистых пород) из-за направления части разрушенной породы в сторону оси вращения долота и перекрытия проемов между лапами, промывочными узлами, оказывающими экранирующее влияние. Все это затрудняет удаление разрушенной породы с забоя скважины и ведет к повторному ее измельчению, что резко снижает технико-экономические показатели бурения. В связи с этим в последнее время все большую популярность приобретают шарошечные долота с комбинированной схемой промывки, то есть одновременно оснащенные как центральным, так и боковыми гидромониторными узлами. Таким образом, совершенствование центральных гидромониторных узлов является одним из приоритетных направлений

совершенствования систем промывки шарошечного бурового инструмента. Известно, что работа гидромониторных долот зависит от эффективности использования энергии промывочной жидкости при бурении и от конструкции промывочного узла, способного с наименьшими гидравлическими потерями направить струю жидкости непосредственно на забой скважины. При истечении промывочной жидкости из насадок бурового гидромониторного долота потенциальная энергия жидкости (пьезометрический напор) преобразуется в кинетическую, т.е. в скоростной напор струи, определяемый по формуле [1]:

Рс=^(1-С05ф),

где:

Рс - давление на забой, развиваемое ударным действием струи, кг/см2; у - удельный вес промывочной жидкости, г/см3;

V - скорость движения струи на выходе из насадки, м/с;

д - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с2; (р - угол изменения направления движения струи при отражении от забоя, град. При этом полная сила удара струи на забой определяется по формуле:

Р=Рс/О=У^(1"с05Ф), где:

f - начальная площадь сечения струи,

м2.

Вполне естественно, что указанные зависимости справедливы для случая (рис. 1), когда расстояние до забоя скважины от торца насадки не превышает длину участка 10 ядра постоянных скоростей (V=const). На выходе из насадки высокоскоростная струя, как правило, имеет цилиндрическую форму. По мере удаления от выходных кромок насадки струя расширяется, быстро захватывая с собой окружающую жидкость, принимает коническую форму, постепенно затормаживается и растекается. При этом на периферии конуса скорость потока убывает, а в центре конуса остается постоянной на расстоянии /0, равном нескольким диаметрам насадки. В дальнейшем скорость струи падает не только по периферии, но и по оси конуса, и вся струя охватывается пограничным турбулентным слоем. Расширение струи после выхода из насадки происходит по линейному закону, при этом диаметр струи для любого сечения определяется по формуле:

<1=<10+2/±д<х=<10+Ц, где:

< - диаметр струи на выходе из насадки, м;

а - половина угла расширения струи, град.;

1. - расстояние по оси от выходного сечения насадки до -го сечения струи, м; к - коэффициент растекания струи.

20

№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

насадка

и

I

« к

св W

I

9

О Я о О

A:I * i i; Ч = A

ядро постоянных скоростей

профили скоростей

поверхность забоя

Рис. 1. Схема затопленной струи, истекающей из гидромониторной насадки

Коэффициент к является одним из важнейших показателей совершенствования насадки, который полностью зависит от конструкции насадки и в первую очередь от формы входной и выходной частей отверстия насадки и частично от длины канала. Насадки, позволяющие получить минимальное значение к, являются наиболее совершенными с точки зрения гидродинамических характеристик. В современных насадках к=0,22+0,25.

Из приведенной зависимости следует, что чем дальше насадка от забоя, тем больше поперечное сечение струи, ниже скорость и выше статическое давление. Следовательно, при удалении насадок от забоя возрастает площадь зоны воздействия струи и увеличивается дифференциальное давление, ухудшается отрыв частиц породы от забоя.

Анализ параметров струйных течений проводится в виду сложности явления при некоторых оправданных допущениях. Осевая скорость струй обычно велика и составляет величину, доходящую до 150 м/с, которая много больше линейной скорости вращения периферийных поверхностей вооружения долота (0,4-3,0 м/с), которой можно пренебречь. Следовательно, для выявления основных закономерностей распространения струи и оценки ее параметров можно рассмотреть осесимметричную затопленную струю, истекающую из насадки долота и распространяющуюся в безграничном пространстве, схема которой показана на рисунке 1. За счет перераспределения своей начальной энергии струя увлекает соседний слой жидкости, и ее диаметр растет с увеличением пройденного расстояния, средняя скорость струи понижается. Обычно принимается линейная зависимость изменения диаметра струи от расстояния.

Струя состоит из двух областей. Первая область начинается на расстоянии h от полюса струи до среза насадки и имеет ядро конусообразной формы длиной /0, в котором скорость жидкости постоянна и равна скорости жидкости, истекающей из среза насадки. Во второй области наименьшая величина скорости на границах струи, наи-

большая - на оси струи. Для различных сечений этой области отношение скоростей к максимальной скорости является однозначной функцией относительного радиуса струи [1].

С целью определения влияния геометрии поперечного сечения гидромониторных насадок на основные характеристики струи в программном модуле Ansys были построены математические модели двух насадок с гексагональным и асимметричным шестиугольным поперечным сечением (рис. 2). Для проведения расчета CFD (структурно-жидкостная динамика) использовался комплекс ANSYS Fluent. По полученным геоме-

триям были созданы сеточные модели в ANSYS Meshing двух типов насадок. Параметр сеточной модели, отвечающий за качество - максимальная скошенность ячеек, не превышающая 0,82, -должен находиться в диапазоне от 0 до 0,85 [2, 4].

В качестве модели турбулентности для расчета была использована стандартная модель «k-e», описание которой приведено ниже.

Основное соотношение для определения pT «k-e» в модели определяется связкой Колмогорова - Прандтля:

V2

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 12 декабрь 2014

21

БУРЕНИЕ

где:

рт - коэффициент турбулентной вязкости;

Ср=1,44 - эмпирическая константа; р - плотность жидкости, кг/м3; к - турбулентная кинетическая энергия. Этот параметр отвечает за генерацию турбулентных образований:

U'2+V'2+W'2

k=

где: _

и1, V, - проекции пульсационной скорости на оси координат; е - скорость диссипации турбулентной кинетической энергии. Этот параметр отвечает за рассеивание турбулентных образований:

dw' dz

Для изотропной турбулентности:

I I I 7 3 ,2 Ър u=v=w;k = —u : е = — 2 р

' du'

dx

где:

р - вязкость жидкости, Па с. При определении параметров турбулентности к и е используются два дифференциальных уравнения в частных производных. Уравнение переноса турбулентной кинетической энергии имеет вид:

d(pк) d[puк} d(pvk>| d[pwk}

dt d_ dx

+ (лF-pe +

dx

dy

dz

i л \ (iT dk d _i__ / dk d _i__ (iT dk

ат dx dy К dyJ dz aT dzt

XiL + T*L + z*

dx dy dz

Уравнение переноса скорости диссипации турбулентной кинетической энергии имеет вид:

с/ (р£) d(pu£j d(pV£j diyPWE^

dt

d_

dx

dz

dx

dy

dz

fiT de a e dx

HT de

d (pT de ^ dy\o dy

dx dy dz

Рис. 2. Принципиальная схема центрального гидромониторного узла

1 - насадка с гексагональным сечением; 2 - насадка с асимметричным шестиугольным сечением

В этих уравнениях обозначения такие же, как и в уравнениях приведенных ранее, а QT, а, р, C1E, Сц, C2, C3, C4 - эмпирические постоянные. Значение этих констант определено из анализа экспериментальных данных и подходит для большого количества задач по моделированию течений [4]. При исследовании течения жидкостей наиболее часто на входе задаются граничные условия Pressure inlet или Mass flow inlet, а на выходе - Pressure outlet. В данном случае на входной границе было задано условие Mass flow inlet, при котором массовый расход составил 10 кг/с, а температура 265 К. На выходной границе было задано условие Pressure outlet, при давлении 101325 Па. Остальные зоны определены как Wall.

В результате выполненных расчетов были получены картины течения промывочной жидкости из двух типов насадок, с гексагональным и асимметричным шестигранным поперечным сечением. Определены поля распределения параметров, и их величины в каждой точке потока (рис. 3-4).

Анализ геометрий истекающих струй свидетельствует о том, что в отличие от насадки с гексагональной формой поперечного сечения асимметричная шестигранная насадка характеризуется большей зоной постоянных скоростей и большим углом расширения струи. Так, например, зона постоянных скоростей для гексагональной насадки составила с углом расширения струи 220, а для асимметричной шестигранной - соот-

22

№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

ветственно 1^0 и 300 (рис. 3). В данном случае d0 - диаметр окружности, равной по площади площадям правильного и асимметричного шестигранников выходных сечений насадок соответственно. При этом была выявлена следующая закономерность. Струя, вытекающая как из гексагональной, так и из асимметричной шестигранной насадки, на выходе имеет форму поперечного сечения насадки, но по мере удаления от выходного отверстия стремится принять форму круга. В связи с этим на основе проведенных исследований можно сделать вывод о том, что использование фасонных гидромониторных насадок позволяет придавать струе промывочной жидкости определенную форму в горизонтальном сечении, которая сохраняется на значительном расстоянии после выхода из насадки.

Данный эффект может быть использован при создании новых гидромониторных узлов для различных систем промывки шарошечных буровых долот, так как форма истекающей струи играет немаловажную роль в создании и распределении основных потоков промывочной жидкости как в надшарошечном пространстве, так и в призабойной зоне в целом. Например, придание струе, истекающей из центральной гидромониторной насадки диффузорного типа, формы многоугольника позволит изначально направить угловые части потока в межшарошечное пространство, тем самым очищая основные венцы сразу двух смежных шарошек. Это позволит существенно улучшить качество очистки вооружения, особенно самоочищающегося, в условиях работы по глинистым породам, склонным к саль-никообразованию.

С целью реализации результатов проведенных исследований была разработана конструктивная схема шарошечного бурового долота с центральной промывкой, оснащенная гидромониторной насадкой с асимметричным шестигранным сечением (рис. 5). Особенностью данного технического решения является то, что выходная часть канала насадки выполнена в виде диффузора с поперечным сечением в форме многогранника, вершины которого ориентированы в межшарошечное пространство и в направлении осей вра-

Рис. 3. Параметры струи в вертикальной плоскости

1 - для гексагональной насадки; 2 - для асимметричной шестигранной насадки

щения шарошек. При этом многогранник выполнен с углами двух размеров таким образом, что вершины углов меньшего размера направлены в межшарошечное пространство, а вершины углов большего размера - в сторону осей вращения шарошек. С целью предотвращения проворота насадки и, как следствие, изменения ее ориентации она жестко зафиксирована относительно втулки и корпуса долота.

Принципиальные схемы промывочного узла и бурового долота представлены на рисунках 2 и 5. Буровое долото (рис. 5) содержит корпус 1, шарошки 2

с зубьями 3 и центральный промывочный узел (рис. 2), включающий жестко соединенную с корпусом 1 втулку 4, в полости которой размещены насадка 5 с уплотнительным кольцом 6 и фиксатор 7. Втулка 4 выполнена со ступенчатой внутренней поверхностью с опорным уступом 8 под насадку и резьбой 9 в верхней части под фиксатор 7. Опорная поверхность уступа 8 имеет форму конуса, соответствующую конической поверхности выходной части насадки 5. Последняя выполнена со ступенчатой наружной поверхностью, образующей совместно с боковой стенкой втулки 4

Рис. 4. Параметры струи в горизонтальных сечениях

1 - для гексагональной насадки; 2 - для асимметричной шестигранной насадки

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 12 декабрь 2014

23

БУРЕНИЕ

Рис. 5. Принципиальная схема трехшарошечного бурового долота с центральным гидромониторным промывочным узлом

и ее уступом 8 кольцевой паз 10 под уплотнительное кольцо 6. Уплотнитель-ное кольцо 6 изготавливается из полиуретана, резины или другого эластичного материала и поджимается к опорной поверхности уступа 8 нижним торцом фиксатора 7. Фиксатор 7 выполнен в виде резьбового ниппеля, соединенного с втулкой 4, и имеет на верхнем торце пазы 11 под монтажный инструмент [3]. Выходная часть канала насадки 5 выполнена в виде диффузора с поперечным сечением в форме многогранника (рис. 2), вершины которого ориентированы в межшарошечное пространство и на периферийные венцы шарошек 3, при этом насадка 5 зафиксирована относительно втулки 4 от проворота. Это необходимо для сохранения заданной ориентации углов многогранника относительно корпуса 1 и шарошек 3 долота (рис. 5). Узел фиксации насадки 5 относительно втулки 4 может быть образован путем выполнения насадки 5 и втулки 4 в зоне контакта их боковых поверхностей соответственно с выступом 12 и ответной впадиной 13. При этом количество выступов 12 и впадин 13 должно быть не менее двух симметрично расположенных пар. Выходная часть промывочного канала насадки 5 в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород может быть выполнена с поперечным сечением в форме многоугольника с одинаковыми углами а (рис. 2.1) или двух размеров Р1 - и Р2 (рис. 2.2), при этом вершины углов меньшего размера Р2 направлены в межшарошечное пространство, а вершины углов большего размера Р1 направлены в сторону осей вращения шарошек 3 (рис. 5). Такая ориентация поперечного сечения промывочного канала позволяет максимально приблизить очистной поток к периферийной части забоя и обеспечить очистку вооружения шарошек 3 как на их основных венцах, так и на периферийных.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента зубья 3 шарошки 2 разрушают породу, которая удаляется с забоя скважины промывочной жидкостью, нагнетаемой через промывочный узел. При этом благодаря выполнению выходной части насадки 4

24

№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

* I \

с поперечным сечением в форме многогранника, вершины углов которого ориентированы в сторону межшарошечного пространства и осей вращения шарошек, и использованию эффекта прилипания струи к боковым стенкам каналов обеспечивается создание перепада давления жидкости между центральной и периферийной зонами забоя скважины. Благодаря перепаду давления возникает эжекционный эффект, и обогащенная шламом промывочная жидкость из центральной зоны эффективно удаляется в затрубное пространство, обеспечивая работу вооружения шарошек по чистому забою, что способствует увеличению как скорости бурения, так и проходки на долото путем исключения повторного измельчения шлама вооружением долота. Этому же способствует и очистка вооружения шарошек от налипшего шлама, что особенно часто наблюдается при бурении по вязким породам и приводит к резкому увеличению энергозатрат из-за увеличения необходимого крутящего момента и снижению всех технико-экономических показателей работы долота. Придание проходному отверстию насадки формы многогранника, а выходной части - формы диффузора позволяет сразу направлять часть потока промывочной жидкости, выходящей из насадки 4 (рис. 5), в межшарошечное пространство и на

вооружение основных венцов шарошек. При этом для долот небольшого диаметра можно использовать многогранник правильной формы, а с ростом диаметра инструмента трансформировать его таким образом, чтобы меньшие углы Р2 многогранника были направлены в сторону межшарошечного пространства, а большие - Р1 - в направлении осей вращения шарошек 2. Такое расположение вершин многогранника позволит направлять большее количество промывочной жидкости и с большим отклонением потока в межшарошечное пространство, где она омывает вооружение сразу двух смежных шарошек и далее направляется в затрубное пространство.

При этом для долот без смещения осей вращения шарошек половина вершин многогранника строго ориентирована вдоль осей вращения шарошек, а для долот со смещением, с поворотом на угол разворота шарошек - в ту же сторону, что и у шарошек (рис. 5). Применение предложенной конструктивной схемы шарошечного долота с центральным гидромониторным узлом благодаря лучшей очистке межвенцо-вых и межзубцовых впадин шарошек и призабойной зоны в целом от шлама позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото и, как следствие, снизить себестоимость буровых работ.

UDC 622.24.05

D.Yu. Serikov, Candidate of Science (Engineering), Associate Professor, I.M. Gubkin Russian State University of Oil and Gas, e-mail: ser-

rico@rambler.ru; D.V. Smorkalov, PhD candidate, Samara State Technical University

Improvement of the central water jet unit of the tricone drilling bit

Results of work aimed at improvement of the central water jet unit of the tricone drilling bit, are presented.

Keywords: tricone drilling bit, jet nozzle, turbulent kinetic energy.

References:

1. Yasashin V.A. Povyshenie effektivnosti porodorazrushayutshego burovogo instrumenta konstruktorsko-tekhnologicheskimi metodami (Improving efficiency of rock destruction tools by means of design and engineering methods): thesis ...Doctor of Engineering Science - Moscow, 2009.

2. Serikov D.Yu., Smorkalov D.A. Analiz gidrodinamiki raboty pryamozubogo i kosozubogo vooruzheniya sharoshechnykh burovykh dolot (Analysis of hydrodynamics of spur and helical cutting structure of the tricone drilling bit) // Quality management in the oil and gas sector. - 2014. - No. 3.

3. Yasashin V.A., Makarov N.G., Serikov D.Yu. et al. Burovoe doloto (Drilling bit). - Patent of the Russian Federation for invention No. 2096577, published Investigator Brochure No. 32 dated 20.11.1997

4. Gayek Ya., Shidak E. Teoriya rangovykh kriteriev (Theory of rank tests). - Moscow: Nauka, 1971.

Литература:

1. Ясашин В.А. Повышение эффективности породоразрушающего бурового инструмента конструкторско-технологическими методами: дис. ... докт. техн. наук. - М., 2009.

2. Сериков Д.Ю., Сморкалов Д.А. Анализ гидродинамики работы прямозубого и косозубого вооружения шарошечных буровых долот // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2014. - № 3.

3. Ясашин В.А., Макаров Н.Г., Сериков Д.Ю. и др. Буровое долото. - Пат. РФ на изобр. № 2096577, опубл. Б.И. № 32 от 20.11.1997 г.

4. Гаек Я., Шидак Э. Теория ранговых критериев. - М.: Наука,1971.

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 12 декабрь 2014

25