Совершенствование шарошечного бурового инструмента с боковой гидромониторной системой промывки

БУРЕНИЕ

УДК 622.24.05

Д.Ю. Сериков, к.т.н., доцент, Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина

Совершенствование шарошечного бурового инструмента с боковой гидромониторной системой промывки

Как известно [3], интенсивность разрушения и удаления породы в процессе бурения во многом определяется полем давлений (напряжений), возникающим в призабойной зоне. Оно формируется за счет совместного действия нескольких факторов, таких как механическое воздействие вооружения долота, гидравлическое воздействие потоков жидкости из скважины и пласта через забой и горное давление. Существенную роль при разрушении горной породы и дальнейшем транспортировании ее в затрубное пространство играет механизм отрыва и перемещения частиц на забое. Условием отрыва и успешной эвакуации частиц разрушенной породы в стесненных условиях призабойной зоны является превышение страгивающей составляющей результирующей силы давления на частицу (удаляющая сила) над удерживающей силой. Последняя определяется как сумма сил сцепления и трения частицы с породой, глинистой коркой, прижимающей силой и силой тяжести частицы.

В процессе проведения буровых работ влиять на баланс удерживающих и удаляющих сил возможно за счет варьирования следующих факторов: давления и скорости воздействия зубьев вооружения на породу; дифференциального давления; прижимающей силы давления; динамического давления потока промывочной жидкости на частицу; направления потока, обтекающего частицу; сил трения, возникающих на поверхности частицы при движении ее в сторону затрубного пространства.

Ключевые слова: шарошечное буровое долото, гидромониторная насадка, промывочная жидкость.

D.Yu. Serikov, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), Doctor of Science (Engineering), Assistant Professor, e-mail: serrico@rambler.ru; V.A. Yasashin, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), Doctor of Science (Engineering), Professor; I.K. Bikbulatov, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), Doctor of Science (Engineering), Lead Research Associate; D.V. Smorkalov, Samara State Technical University (Samara, Russia), PhD Candidate

Improvement of roller cone bit with lateral water jet flushing system

It is commonly known [3] that intensity of rock destruction and removal during drilling is largely determined by the field of pressures (stresses) developing in the borehole zone. It is formed due to the joint effect of several factors, such as mechanical impact of the drilling bit cutting structure, hydraulic impact of fluid flows from the well and seam through the borehole and rock pressure. The mechanism of particles detachment and movement in the borehole has an essential role to perform in destruction of rock and its further transportation to annulus. The condition for detachment and successful evacuation of destructed rock particles in confined conditions of the borehole zone is the starting component of the resulting pressure magnitude exerted on particle (removing force) exceeding the retaining force. The latter is determined as the sum of cohesion and friction forces between a particle and rock, mud cake, pressing force and the particle gravity force.

During drilling operations, it is possible to affect the balance of retaining and removing forces by varying the following factors: pressure and speed of rock exposure to the cutting structure teeth; differential pressure; pressing force of pressure; dynamic pressure of flush liquid flow on a particle; direction of the flow circulating around a particle; friction forces developing on the surface of a particle when it moves towards annulus.

Keywords: roller cone bit, jet nozzle, flush liquid.

DRILLING

Рассмотрим подробнее роль повышения динамического давления потока промывочной жидкости при прохождении ее через гидромониторные насадки бурового инструмента, которое, как правило, оказывает решающее влияние на увеличение скорости бурения. Динамическое давление увеличивают, повышая отношение гидравлической мощности N подводимой к долоту, к площади поверхности забоя. Как известно, мощность определяется выражением [3]:

N = QAPd.

Подставляя перепад давления на долоте в эту формулу в виде:

ДР

в 2М2 ,

и деля обе части равенства на площадь забоя S3, получаем соотношение:

и2 _ ОрУ2 53 = 532М2 ,

где: Q - расход жидкости, м3/с; р - плотность жидкости, кг/м3; V - скорость истечения жидкости из насадок, м/с;

р - коэффициент расхода. Экспериментальные исследования показали, что лучшая очистка забоя наступает при определенных значениях множителя 0/Б3 и V. Рекомендуются скорости V=80^120 м/с и удельные расходы 0/Б3=0,35^0,7 м3/с/м2. При этом перепад давлений, создаваемый в насадках серийных долот, может достигать значений ДР0=12^13 МПа. В высоконапорных струйных долотах перепад давления составляет ДР0=30^40 МПа. Диапазон изменения 0/Б3 во многих случаях совпадает с его значением, необходимым для успешного транспортирования шлама по затрубно-му пространству на поверхность. При заданных 0/Б3 указанных выше величин скорости истечения V можно достичь за счет использования специ-

альных гидромониторных насадок, приближенных к забою на определенное расстояние.

Роль струи промывочной жидкости в формировании удаляющей силы можно оценить с помощью схемы затопленной струи, истекающей в цилиндрический тупик под углом р к его оси Ъ в фиксированный момент времени (рис. 1). Под действием струи на поверхности забоя возникают нормальные о (кривая 1) и касательные т (кривая 2) напряжения, неравномерно распределенные по радиусу забоя R. Также эта неравномерность усугубляется вращением сопла

вокруг оси цилиндрического забоя. При различных расстояниях и углах наклона сопла по отношению к поверхности забоя р от 0 до 900 значения напряжений о и т не должны превышать максимального перепада давлений в насадке, равного 12-^13 МПа. Эта величина почти на порядок ниже твердости даже мягких горных пород, но сравнима со значениями прочности пород на сдвиг. Поэтому в формировании удаляющей силы нормальные напряжения в породе от торможения струи играют второстепенную роль по сравнению с касательными, возникающими

Рис. 1. Принципиальная схема распространения затопленной струи в призабойной зоне: 1 - эпюра нормальных напряжений, 2 - эпюра касательных напряжений Fig. 1. Circuit diagram of flooded jet distribution in the borehole zone: 1 - curve of normal stresses, 2 - curve of tangential stresses

Ссылка для цитирования (for references):

Сериков Д.Ю., Ясашин В.А., Бикбулатов И.К., Сморкалов Д.А. Совершенствование шарошечного бурового инструмента с боковой гидромониторной системой промывки // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2015. - № 4. - С. 38-44.

Serikov D.Yu., Yasashin V.A., Bikbulatov I.K., Smorkalov D.A. Sovershenstvovanie sharoshechnogo burovogo instrumenta s bokovoj gidromonitornoj sistemoj promyvki [Improvement of roller cone bit with lateral water jet flushing system] // Territoriya «NEFTEGAZ.» - Oil and gas Territory, 2015, No. 4. P. 38-44.

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 4 апрель 2015

39

БУРЕНИЕ

насадка jet nozzle

I

I §

S «3

И 3

A,

I

S I

£'S

зК со

§ -a

«s

§ s

5

о

«» "I" V  J •• .if1,. ••

: \ : /

ядро постоянных : скоростей " constant core

* ! i * i' i-i \ii

-4-

-----ft  V W^WVW WUaJVl it

профили скоростей profiles

поверхность забоя surface

Рис. 2. Схема затопленной струи, истекающей из гидромониторной насадки: 1 - цилиндрической формы, 2 - асимметричным шестиугольным сечением Fig. 2. Diagram of flooded jet flowing from a jet nozzle 1 - cylindrical shape, 2 - asymmetric hexagonal section

под действием потока, параллельного забою при растекании струи. Особенно важна роль потока вдоль забоя в смыве частиц шлама, предварительно отделенных от основного массива породы зубьями вооружения бурового инструмента. Необходимо добиваться такой организации основных потоков в призабойной зоне, при которой каждая частица шлама беспрепятственно эвакуируется из зоны разрушения породы без повторного воздействия на нее зубьев вооружения и перемалывания в зазорах между корпусом долота и стенками забоя.

С точки зрения снижения потерь кинетической энергии затопленной струи при ее движении от среза насадки до поверхности забоя и далее вдоль него в стесненных условиях большое значение имеет конструкция шарошечного бурового инструмента, которая во многом определяет поле динамических давлений потоков жидкости в призабойной зоне. Наилучшая организация потоков промывочной жидкости для каждого типоразмера шарошечного бурового инструмента определяется сугубо индивидуально. Наиболее сложным с точки зрения организации потоков является шарошечный буровой инструмент большого диаметра (393,7 и более), оснащенный комбинированной схемой промывки. В таких конструкциях большое значение приобретают следующие конструктивные параметры: расстояние от среза гидромониторных насадок до поверхности забоя, форма корпуса, форма шарошек и геометрия их вооружения, которые в своей совокупности должны способствовать увеличению касательной составляющей напряжения в основных потоках промывочной жидкости. Удаление частиц породы с забоя осуществляется под действием истекающих из гидромониторных насадок долота струй промывочной жидкости в результате их прямого удара о забой и растекания по его поверхности. Как правило, эти затопленные струи являются вращающимися и турбулентными и распространяются в призабойной зоне с высокими давлениями (до 100 МПа). Область распространения струй - тупиковая область забоя, ограниченная

40

№ 4 апрель 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DRILLING

стенками скважины, забоем, элементами вооружения и корпуса долота. Принято считать, что осевая скорость для турбулентной струи, как и энергия струи, изменяется обратно пропорционально расстоянию от полюса струи «0» (рис. 2), рассматриваемого как воображаемый точечный источник. В то же время расход увеличивается прямо пропорционально расстоянию. При этом динамическое давление на оси струи будет выражаться следующими зависимостями: для 1<10:

V 2

Р = Р^ , для 1<10:

г р2 и+ат/ 0 0 ,

где а - коэффициент расширения струи; т0 - относительное расстояние от насадки (безразмерное); т - относительная длина ядра струи. Параметр X2 называется коэффициентом уменьшения динамического давления. Таким образом, динамическое давление в центре струи остается постоянным при 1<10, а затем резко уменьшается. Например, для насадок с эллиптическим профилем на расстоянии 10d0 динамическое давление уменьшается на половину, а для насадок с прямым входом - снижается до 20% от начального значения. На расстояниях (20^25)^ динамическое давление практически становится равным нулю (рис. 3).

Рис. 3. Изменение динамического давления в центре струи при ее удалении от среза насадок, с различным входом:

1 - эллиптический вход, 2 - конический, 3 - цилиндрический, 4 - коноидальный

Fig. 3. Change in the dynamic pressure in the middle of a jet as it moves away from the section of jet

nozzles with different input:

1 - elliptic input, 2 - conical, 3 - cylindrical, 4 - conoidal

Влияние профиля насадки на длину потенциального ядра 10 и на угол расширения а значительно. Так, если для насадок с прямым входом коэффициент скорости ф=0,6, то для насадок с эллиптическим профилем он достигает значения 0,99. То есть вся энергия срабатываемого перепада давления на долоте преобразуется в кинетическую энергию жидкости.

Оценить скорость струи на забое можно двумя способами, исходя из уравнения Бернулли и уравнения импульсов.

Формула для расчета скорости У3 струи на забое, исходя из уравнения Бернулли [3], имеет вид:

Уз=Л2н+2д1+2Р^Рз-2д|1нз ,

где VH - скорость струи на выходе из насадки, м/с;

р - плотность промывочной жидкости, кг/м3;

I - расстояние насадки от забоя, м; Рн - давление на срезе насадки, Па; Р3 - давление на забое, Па;

Рис. 4. Конечно-элементная сетка расчетной модели гидромониторной насадки с различными формами поперечного сечения: 1 - круглым, 2 - асимметричным шестигранным

Fig. 4. Final element mesh of the calculation model for water jet with different shapes of cross section: 1 - round, 2 - asymmetric hexagonal

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 4 апрель 2015

41

БУРЕНИЕ

Рис. 5. Поля распределения скоростей в вертикальной плоскости:

1- насадка с цилиндрическим поперечным сечением, 2 - насадка с асимметричным шестигранным сечением Fig. 5. Fields of velocities distribution in a vertical plane:

1- jet nozzle with a cylindrical cross section, 2 - jet nozzle with an asymmetric hexagonal section

1лН3 - потери энергии в струе в стесненных условиях (затопленная струя), Дж.

Давление на забое Р3 можно представить как гидростатическое в кольцевом пространстве:

Рз=Ч2,

где г - вертикальная глубина скважины, м.

Давление РН на срезе насадки можно найти по давлению бурящейся скважины Рс на стояке или наоборот. Длина 10 начального участка осесимме-тричной струи можно оценить:

21да ,

где а - угол раствора струи, град.; d1 - диаметр среза насадки, м. Если расстояние до забоя 13 меньше расстояния начального участка струи, то можно считать, что скорость ис-

течения ударяющейся струи о забой равна скорости истечения на срезе насадки.

С целью определения влияния геометрии поперечного сечения гидромониторных насадок на основные характеристики струи в программном модуле Ansys были построены математические модели двух насадок - с круглым (рис. 4.1) и асимметричным шестиугольным (рис. 4.2) поперечным сечением. При этом было выполнено следующее условие: площадь внутреннего отверстия одноименного сечения для каждой из насадок должна быть одинаковой. То есть исходя из формул равенства площадей данных фигур:

Sk=V 2 3V3 _

где SK - площадь сечения цилиндриче-

ской насадки, мм2;

SA6 - площадь сечения асимметричной шестигранной насадки, мм2; r1 - радиус круглого сечения, мм; r2 и R3 - радиусы описанных окружностей вокруг тупых и острых углов асимметричного шестигранного сечения, мм.

Для проведения CFD (структурно-жидкостная динамика) расчета использовался комплекс ANSYS Fluent. По рассчитанным ранее геометриям были созданы сеточные модели насадок двух типов (рис. 4). Конечно-элементная сетка накладывалась с помощью сеточного генератора Ansys Meshing. Была использована сетка с конечными элементами в виде тетраэдров, при этом на стенках был наложен пограничный слой из призматических элементов. Параметр сеточной модели, отвечающий за качество, - максимальная скошенность ячеек не превышает 0,82 (должна находиться в диапазоне от 0 до 0,85) [5]. В качестве модели турбулентности для

DRILLING

Рис. 6. Принципиальная схема трехшарошечного бурового долота с боковой симметричной гидромониторной схемой промывки

Fig. 6. Circuit diagram of a three-cone drilling bit with lateral symmetric water jet flushing scheme

расчета была использована стандартная модель «к - е» [1, 2]. В результате выполненных расчетов были получены картины течения промывочной жидкости из двух типов насадок с круглым и асимметричным шестигранным поперечным сечением. Определены поля распределения параметров и их величины в каждой точке потока (рис. 5).

Анализ геометрий истекающих струй свидетельствует о том, что в отличие от насадки с классической круглой формой поперечного сечения асимметричная шестигранная насадка характеризуется большей зоной постоянных скоростей и большим углом расширения струи. Так, например, зона постоянных скоростей для цилиндрической насадки составила с углом расширения струи 180, а для шестигранной - соответственно 14Ь0 и 220. При этом была выявлена следующая закономерность: струя, истекающая из шестигранной насадки, на выходе из нее также имеет форму шестиугольника, но по мере удаления от выходного отверстия стремится принять форму круга (рис. 5). 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 надшарошеч-ном пространстве, так и в призабойной зоне в целом. Например, придание струе, истекающей из боковой гидромониторной насадки конфузорного типа, формы многоугольника позволит изначально направить угловые части потока в межшарошечное пространство и в сторону периферийных венцов сопредельных шарошек, тем самым очищая основные и периферийные венцы сразу двух смежных шарошек. Это позволит существенно улучшить качество очистки вооружения,

особенно самоочищающегося, в условиях работы по глинистым породам, склонным к сальникоообразованию. С целью реализации результатов представленных выше исследований была разработана конструктивная схема шарошечного бурового долота с боковой гидромониторной промывкой, оснащенная насадками с асимметричным шестигранным сечением (рис. 6).

Особенностью данного технического решения является то, что выходные части каналов насадок в плане имеют форму шестигранника, причем шестигранники выполнены по меньшей мере с углами двух размеров. При этом одна из вершин угла меньшего размера каждой из насадок ориентирована в направлении точки пересечения осей двух смежных шарошек, а две другие - из вершин

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 4 апрель 2015

43

БУРЕНИЕ

углов меньших размеров в сторону зоны контакта периферийных венцов набегающих и сбегающих шарошек со стенками скважины. С целью предотвращения насадки от проворота и, как следствие, изменения ее ориентации она жестко зафиксирована относительно втулки и корпуса долота.

Принципиальные схемы промывочного узла [4] и бурового долота представлены на рисунках 2 и 6. Буровое долото содержит корпус 1, шарошки 2 с зубьями 3 и центральный промывочный узел с насадками 4, жестко зафиксированными относительно корпуса 1 от проворота любым известным способом. Выходная часть каналов 5 в плане выполнена в форме шестигранника, причем шестигранники выполнены по меньшей мере с углами двух размеров - Р1 и (32. При этом одна из вершин углов меньшего размера у всех насадок 4 ориентирована в направлении точки пересечения осей двух смежных шарошек, а две другие вершины углов меньших размеров - в сторону зоны контакта периферийных венцов набегающих и сбегающих шарошек со стенками скважины. На приведенных чертежах представлены 3-шарошечные долота, у которых насадки имеет шестигранную форму. Это необходимо для сохранения заданной ориентации углов многогранника относительно корпуса 1 и шарошек 3 долота.

Такая ориентация поперечного сечения промывочного канала позволяет обеспечить наиболее качественную очистку всей площади забоя скважины. Долото работает следующим образом. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента зубья 3 шарошки 2 разрушают породу, которая удаляется с забоя скважины промывочной жидкостью, нагнетаемой через промывочные узлы. При этом благодаря выполнению выходной части насадки 5 с поперечным сечением в форме шестигранника, 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 эжекцион-ный эффект, и обогащенная шламом промывочная жидкость из центральной зоны эффективно удаляется в затруб-ное 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 при-

водит к резкому увеличению энергозатрат из-за увеличения необходимого крутящего момента и снижению всех технико-экономических показателей работы долота.

Придание выходной части насадок формы конфузора, а проходному отверстию - формы шестигранника с углами двух размеров Ра и Р2, притом что одна из трех вершин углов меньшего размера Р2 ориентирована в направлении точки пересечения двух смежных осей шарошек, а две другие аналогичные вершины углов меньшего размера Р2 - в сторону периферийных венцов набегающей и сбегающей смежных шарошек, позволяет сразу направлять основные части потока промывочной жидкости, выходящей из насадки, в межшарошечное пространство к центру вращения долота, где она омывает вооружение сразу двух смежных шарошек, и на вооружение периферийных венцов шарошек, а далее направляется в затрубное пространство.

Применение предложенной конструктивной схемы шарошечного долота с боковыми гидромониторными узлами 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 вследствие этого - снизить себестоимость проведения буровых работ.

References:

1. Serikov D.Yu., Smorkalov D.A. Analiz gidrodinamiki raboty prjamozubogo i kosozubogo vooruzhenija sharoshechnyh burovyh dolot [Analyzing the hydrodynamics of operation for spur and helical cutting structures of roller cone bits]. Upravlenie kachestvom v neftegazovom komplekse = Quality management in the oil and gas industry, 2014, No. 3. P. 54-57.

2. Serikov D.Yu., Smorkalov D.A. Sovershenstvovanie central'nogo promyvochnogo uzla trehsharoshechnogo burovogo dolota [Improving the central flushing unit at a three-cone drilling bit]. Territorija «NEFTEGAZ = NEFTEGAS Territory, 2014, No. 12. P. 20-26.

3. Yasashin V.A. Povysheniejeffektivnostiporodorazrushajushhego burovogo instrumenta konstruktorsko-tehnologicheskimimetodami: dokt. dis [Enhancing the efficiency of rock destructing drilling tool using the engineering and design methods: PhD thesis]. Moscow, 2009.

4. Yasashin V.A., Serikov D.Yu., Panin N.M. and others. Promyvochnyjuzel burovogo dolota [Drilling bit washing unit]. RF Invention Patent No. 2492310, published in Bulletin of Inventions No. 25 dated 10.09.2013.

5. Grek Ya., Shidak E. Teorija rangovyh kriteriev [Theory of range criteria]. Moscow, Nauka Publ., 1971.

Литература:

1. Сериков Д.Ю., Сморкалов Д.А. Анализ гидродинамики работы прямозубого и косозубого вооружения шарошечных буровых долот // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2014. - № 3. - С. 54-57.

2. Сериков Д.Ю., Сморкалов Д.А. Совершенствование центрального промывочного узла трехшарошечного бурового долота // Территория «НЕФТЕГАЗ».

- 2014. - № 12. - С. 20-26.

3. Ясашин В.А. Повышение эффективности породоразрушающего бурового инструмента конструкторско-технологическими методами: докт. дисс.

- М., 2009. - 48 с.

4. Ясашин В.А., Сериков Д.Ю., Панин Н.М. и др. Промывочный узел бурового долота. Патент РФ на изобр. № 2492310, опубл. Б.И. № 25 от 10.09.2013.

5. Гаек Я., Шидак Э. Теория ранговых критериев. - М.: Наука, 1971. - 376 с.