СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ НАГРУЗОК В ДОЛОТЕ С ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ АЛМАЗНЫМ ВООРУЖЕНИЕМ
METHOD TO BALANCE LOADS IN CHISEL WITH HALF-CRYSTALLINE DIAMOND EQUIPMENT

Изобретение относится к способу проектирования вооружения буровых долот с поликристаллическими алмазными элементами (PDC).
Известен способ проектирования буровых долот с поликристаллическими алмазными элементами [1], принятый за аналог. Этот способ включает в себя динамическое моделирование процесса бурения долотом PDC и варьирование распределением боковых углов резцов PDC с целью уменьшения отклонения оси долота от оси скважины.
При работе долота на резцы PDC действуют нагрузки как вдоль оси долота, так и по двум другим осям координат, а также моменты относительно всех трех осей координат, поэтому варьирования одними лишь боковыми передними углами недостаточно для того, чтобы обеспечить стабильность работы долота и высокую механическую скорость бурения.
Это особенно актуально при использовании гидравлического забойного двигателя (ГЗД), поскольку величина крутящего момента на валу ГЗД, требуемая для осуществления процесса бурения, напрямую зависит от глубины резания породы и ее физико-механических свойств: чем глубже внедряются элементы вооружения в породу, тем больше требуется крутящий момент.
Отсутствие ограничения глубины резания может привести к превышению максимального крутящего момента, развиваемого на валу ГЗД, его остановке и, следовательно, остановке процесса бурения, что потребует дополнительных затрат времени на возобновление бурения.
При взаимодействии элементов вооружения долота с породой возникают моменты не только относительно оси долота, но и относительно двух других осей системы координат, у которой ось Z совпадает с осью долота, а две другие оси (X и Y) перпендикулярны оси Z.
Эти моменты также вносят дисбаланс в работу долота, отклоняя его от заданной проектной траектории.
Для полной балансировки долота необходимо уравновесить как силы, так и моменты относительно осей координат, перпендикулярных оси долота, которые возникают при взаимодействии элементов его вооружения с породой.
Известен другой способ балансировки нагрузок в долоте PDC [2], принятый за прототип.
Недостатком этого способа балансировки нагрузок является то, что он ограничен балансировкой только крутящего момента на валу гидравлического забойного двигателя за счет подбора глубины резания породы резцами PDC, которая обеспечивается установкой дополнительных опорных элементов, ограничивающих внедрение резцов PDC.
При этом реакции забоя на резцы PDC и дополнительные опорные элементы создают силы и моменты относительно двух осей координат, перпендикулярных оси долота, вследствие чего возникают несбалансированные силы и моменты относительно этих осей, отклоняющие долото при его вращении к стенке скважины, что приводит к дополнительному фрезерованию и увеличению диаметра скважины, отклонению долота при бурении от заданной проектной траектории, увеличению износа вооружения и, как следствие, снижению механической скорости бурения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение стабильности работы долота с поликристаллическими алмазными элементами, улучшение управляемости им при бурении наклонно-направленных скважин и повышение механической скорости бурения.
Технический результат достигается тем, что в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением, имеющем лопасти с закрепленными на них резцами PDC и дополнительные опорные элементы для ограничения глубины резания, резцы PDC и дополнительные опорные элементы располагаются в процессе проектирования на лопастях таким образом, чтобы силы реакции, возникающие при взаимодействии резцов PDC и опорных элементов с породой, удовлетворяли соотношениям:
xi
xi
zi
i
где F, F и F - проекции силы F, действующей со стороны забоя на i-й элемент вооружения долота (резец PDC или опорный элемент), соответственно на оси координате X, Y и Z;
mах
М - максимальный момент на валу забойного двигателя;
i
i
i
i
x,y и z - координаты точки приложения силы F, причем система координат XYZ выбрана так, чтобы ось Z совпадала с осью долота.
В предлагаемом способе балансировки нагрузок в долоте PDC дополнительные опорные элементы (резцы PDC, поверхности лопастей, наплавленные твердым сплавом и (или) другие опорные элементы) установлены на лопастях так, чтобы минимизировать суммарные силы и моменты относительно каждой из двух осей координат, перпендикулярных оси долота. Это достигается за счет предварительного расчета моментов от взаимодействия элементов вооружения с породой и последующей оптимизации их размещения с помощью разработанной программы, минимизирующей указанные моменты, алгоритм которой проиллюстрирован блок-схемой, представленной на фиг.1.
xi
yi
zi
Согласно фиг.1, сначала вводятся данные об условиях и режимах бурения, включая нагрузку на долото, физико-механические свойства породы, характеристики забойного двигателя, данные о геометрических параметрах элементов вооружения долота, их пространственном расположении и ориентации, а также предельно допустимые значения моментов и несбалансированной нагрузки
. Далее с использованием конечно-элементной модели процесса взаимодействия долота с забоем скважины, подобной модели, применяемой в аналоге [11, выполняется расчет глубины внедрения элементов вооружения долота в породу на основе заданных условий нагружения и геометрических параметров долота, а затем рассчитываются нагрузки F, F и F на i-й элемент вооружения.
Затем рассчитываются нагрузки и суммарные моменты для элементов вооружения относительно каждой из двух осей координат, перпендикулярных оси долота, по формулам:
x
у
z
где M, М, M - суммарные моменты, создаваемые элементами вооружения долота PDC при взаимодействии с породой относительно осей координат X, Y, Z соответственно;
x
y
F, F - суммы проекций сил, действующих на элементы вооружения, соответственно на оси X и Y.
Далее полученные суммарные моменты и нагрузки сравниваются с заданными предельно допустимыми значениями. В том случае, если один из моментов или нагрузка превышает соответствующее предельно допустимое значение, вносятся изменения в геометрические параметры, определяющие пространственное положение или ориентацию элементов вооружения, и вся процедура расчета повторяется.
После выполнения ограничений, установленных на входе программы, выводятся окончательные значения параметров конструкции вооружения проектируемого долота.
Для обеспечения выполнения этих ограничений в программе в интерактивном режиме осуществляется изменение следующих угловых и линейных размеров: углов резания и боковых передних углов резцов PDC, углов установки дополнительных опорных элементов, расстояний опорного элемента от соответствующего ему резца PDC по вертикали и по горизонтали, а также координат точек приложения нагрузок на элементы вооружения (резцы PDC и опорные элементы).
i
i
i
xi
yi
zi
Например, если исходные координаты точки приложения нагрузки на i-й элемент вооружения x=7,63, y=1,75, z=188,3 (мм), а компоненты нагрузки F=2,1, F=1,6, F=3 (кН), то моменты относительно осей координат, согласно формулам (4-6), будут равны
хi
yi
i
zi
i
М=F·z+Fy=1,6·188,3+3·2,1=307,58 кH·мм,
yi
xi
i
zi
i
М=F·z+Fx=2,1·188,3+3·7,63=418,32 кH·мм,
zi
yi
i
xi
i
М=F·x+Fy=1,6·7,63+2,1·1,75=15,88 кH·мм.
i
i
i
xi
yi
zi
i
Величины этих моментов можно изменять как за счет изменения координат x, y и z (т.е. пространственного положения резцов PDC), так и путем изменения компонентов F, F и F силы F, в частности, за счет изменения бокового угла α и угла резания β для резца PDC, как это показано на фиг.8 и 9, полученных по результатам анализа силового взаимодействия единичных резцов PDC с породой методом конечных элементов.
Таким образом, варьирование указанными выше угловыми и линейными параметрами, характеризующими пространственное положение и ориентацию элементов вооружения долота PDC, позволяет эффективно управлять (в частности, снижать) величинами нагрузок и моментов, действующих на долото PDC, и осуществлять их минимизацию с целью балансировки долота в процессе бурения, т.е. обеспечивает положительный эффект от применения настоящего изобретения.
Результаты полевых испытаний образцов долот с поликристаллическим алмазным вооружением, разработанным в соответствии с предлагаемым способом проектирования, подтвердили повышение стабильности их работы и механической скорости бурения по сравнению с долотами PDC, созданными с применением существующих способов проектирования.
В качестве иллюстрации при описании изобретения используются опорные элементы со сферической рабочей частью, однако, подразумевается, что как форма рабочей части, так и сама конструкция опорного элемента, а также расположение опорного элемента по отношению к резцу PDC могут быть различными.
Перечень фигур чертежей. Согласно принятой практике, геометрические параметры чертежей приведены не в масштабе.
На фиг.1 показана схема алгоритма балансировки нагрузок в долоте
PDC.
На фиг.2 показан общий вид долота PDC с указанием действующих нагрузок и моментов в заданной системе координат.
На фиг.3 показан вид этого долота со стороны забоя скважины.
На фиг.4 приведены нагрузки, соответствующие i-му элементу вооружения долота PDC.
На фиг.5-7 приведена схема конструкции вооружения долота PDC с опорными элементами, установленными в соответствии с настоящим изобретением, и угловые параметры, используемые при балансировке.
На фиг.8-9 показаны графики зависимости компонентов силы, действующей на резцы PDC, от бокового угла α и угла резания β соответственно, полученные по результатам анализа силового взаимодействия единичных резцов PDC с породой методом конечных элементов.
D
x
y
z
На фиг.2 и 3 обозначены позициями: корпус долота 1, лопасти долота 2 с закрепленными на них резцами PDC 3 и опорными элементами 4. Кроме того, на фиг.2 приведены моменты и силы, действующие на долото: осевая нагрузка на долото (F), несбалансированная нагрузка, отклоняющая долото к стенке скважины (F), суммарные моменты относительно осей координат X, Y и Z(M,M и M).
Несбалансированная нагрузка
, показанная на фиг.2, получается суммированием компонентов
и
(фиг.4) вектора нагрузки
, действующей на i-й элемент вооружения долота PDC по формулам (7) и (8). Модуль силы
вычисляется по формуле:
которая используется в блок-схеме, представленной на фиг.1, при балансировке нагрузок.
На фиг.5-7 использованы следующие обозначения: α, β - соответственно боковой угол и угол резания резца PDC; γ, φ - углы наклона опорного элемента к оси Z в проекции на плоскости XZ и YZ соответственно.
х
у
Зависимости, показанные на фиг.8 и 9, используются как для минимизации несбалансированной нагрузки
, так и для минимизации моментов М и М.
Источники информации
1. Патент США №7441612 от 28.10.2008 г., кл. Е21В 10/16 "Буровое долото PDC с оптимизированным боковым углом".
2. Патент США №6298930 от 9.10.2001 г., кл. Е21В 10/46 "Буровые долота с управляемыми нагружением резца и глубиной резания".