На правах рукописи
БЛИНКОВ Олег Геннадьевич
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАБОТЫ
БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ
ДОЛОТ
Специальность 25.00.15 – Технология
бурения и освоения скважин
Автореферат
диссертации на соискание
ученой степени
доктора технических наук
Москва 2007
Работа выполнена в ОАО «Уралбурмаш»
и ОАО НПО «Буровая
техника»
Научный консультант
– доктор технических наук, профессор
Гусман Александр Михайлович
Официальные оппоненты
– доктор технических наук,
Белоруссов Владимир Олегович
– доктор технических наук,
Гноевых Александр Николаевич
– доктор технических наук,
Аветов Рафаэль Владимирович
Ведущая организация
- ОАО «Самаранефтегаз»
Защита диссертации
состоится «4» октября 2007 в _11_часов на заседании
диссертационного Совета
______________________в ОАО НПО «БУРОВАЯ
ТЕХНИКА» - ВНИИБТ по адресу:
115114, г. Москва, Летниковская ул. 9
Автореферат разослан «……» _____________2007г.
С диссертационной работой можно познакомиться в библиотеке
ОАО НПО «БУРОВАЯ ТЕХНИКА» - ВНИИБТ
Ученый секретарь диссертационного
совета, к.т.н. Чайковский
Г.П.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РАБОТЫ
Актуальность
темы.
Повышение
эксплуатационных показателей работы буровых шарошечных долот является
одним из решающих факторов снижения затрат
на строительство скважин и существенного
повышения показателей бурения в целом.
За последние годы в России
и СНГ возросли объемы роторного
бурения. Широко применяется способ среднеоборотного
бурения винтовыми забойными двигателями
и редукторными турбобурами. Соответственно
увеличился, и по объему, и особенно по
номенклатуре, выпуск долот с герметизированными
опорами, предназначенными, в основном,
для частот вращения долот в диапазоне
30-300 об/мин. Вместе с тем, объем турбинного
бурения в нашей стране по-прежнему превышает
объем бурения с другими видами привода.
В связи с этим весьма важное значение
приобретает проблема создания новых
типов буровых шарошечных долот с герметизированными
опорами для высокооборотного турбинного
бурения.
Сложнейшая кинематика и кинетика
работы долота при проводке скважин
на нефть и газ, высокие динамические нагрузки,
которые воздействуют на долото при разрушении
пород с самыми различными свойствами
по твердости, вязкости, пластичности
и абразивности, делают буровой инструмент
одним из самых сложных и высоконагруженных
механизмов, работающих в условиях вибрации,
стесненности скважинного пространства,
в среде абразивной промывочной жидкости.
Весьма сложные условия бурения имеют
место и при использовании горнорудных
буровых шарошечных долот с удалением
выбуренного шлама и охлаждением узлов
и элементов долота путем подачи на забой
сжатого воздуха.
Острая конкуренция между буровыми
и машиностроительными компаниями, которая
явилась в настоящее время важным фактором,
инициирующим решение большого числа
новых задач, предъявляет чрезвычайно
высокие требования как к эффективности
и качеству современного породоразрушающего
инструмента, так и к определению областей
его эффективного применения. Возможность
использования ранее недоступных для
гражданского производства технологических
процессов и материалов и всеобщая компьютеризация
создают новые возможности для совершенствования
буровых шарошечных долот. В условиях
рыночного хозяйствования для увеличения
рентабельности применения и производства
бурового инструмента и повышения его
конкурентоспособности в сравнении с
ведущими западными фирмами, а также эффективности
буровых работ в целом, необходимо преобразование
всей технологической цепочки от маркетинга,
научно-исследовательских работ и проектирования
породоразрушающего бурового инструмента
до его использования в бурении.
Цель исследования.
Повышение
показателей буровых работ за
счет создания новых высокоэффективных шарошечных
долот для проводки скважин в различных
горно-геологических условиях, в т. ч. для
высокооборотного бурения.
Основные задачи
исследования.
- исследование кинематики, кинетики работы буровых шарошечных долот и отдельных их узлов и элементов с использованием аналитических и экспериментальных методов;
- теоретические исследования факторов, влияющих на эффективность разрушения горной породы на забое скважины, и создание математической модели работы буровых шарошечных долот на забое;
- разработка методов оценки кинетических характеристик и работоспособности буровых шарошечных долот;
- разработка нового вооружения буровых шарошечных долот, обеспечивающего эффективное разрушение горных пород без трекинга (рейкообразования) на забое;
- разработка новых герметизирующих и опорных узлов буровых шарошечных долот, в т. ч. для высокооборотного бурения;
- разработка новых схем промывки долота и забоя с целью повышения эффективности процесса очистки призабойной зоны скважины и вооружения долота от шлама;
- создание новых методов проектирования и разработка новых производственных процессов, обеспечивающих повышение надежности и эффективности работы буровых шарошечных долот с использованием современных технологий и методов математической статистики;
- проведение широких промысловых испытаний и внедрение разработанных технических решений и мероприятий в различных горно-геологических условиях проводки скважин, их технико-экономическая оценка.
Методы исследования.
В работе использован комплекс методов,
включающих аналитические, экспериментальные
исследования, численные и статистические
методы, стендовые и промысловые испытания,
технико-экономические методы оценки
результатов работы.
Научная новизна.
- разработана и апробирована методология создания бурового породоразрушающего инструмента повышенной эффективности, основанная на комплексном изучении кинематики и кинетики его работы и условий взаимодействия вооружения долота с забоем;
- создана универсальная математическая модель работы бурового шарошечного долота с использованием методов математической статистики для оценки качества и технического уровня бурового породоразрушающего шарошечного инструмента;
- разработана и апробирована методика определения критериев оценки работоспособности буровых долот на забое скважины в форме кинетических характеристик;
- разработаны аналитическая модель и расчетная схема, позволяющие получить достоверную информацию о параметрах и условиях работы отдельных шарошек долот и их венцов на забое;
- получены аналитические выражения, связывающие параметры вооружения шарошек и забоя скважины;
- разработана и апробирована аналитическая модель создания условий равностойкости опор шарошек буровых долот;
- научно обоснованы новые геометрические характеристики поражающих вершин зубков, обеспечивающих эффективное разрушение конкретного типа горной породы.
Практическое значение
и реализация работы.
- на основе комплексного изучения кинематики и кинетики работы долота разработано и внедрено высокоэффективное твердосплавное вооружение шарошек бурового долота;
- выявлены основные причины и закономерности возникновения трекинга на забое скважины, снижающего эффективность разрушения горных пород, и разработаны методы его предотвращения или минимизации;
- созданы новые типы и конструкции опорных узлов буровых шарошечных долот, позволяющие выдерживать высокие статические, динамические и вибрационные нагрузки при взаимодействии долота с породой забоя;
- разработаны новые гидравлические устройства буровых шарошечных долот, повышающие эффективность процесса очистки призабойной зоны скважины и вооружения долота от шлама;
- предложен и реализован в производстве метод повышения стойкости и других характеристик буровых шарошечных долот за счет использования новых материалов и сплавов с применением лазерных и плазменных технологий;
- разработана и внедрена методика автоматизированного проектирования и подготовки производства (САПР – САТПП) на основе концепции единой конструкторско-технологической документации, разделенной по операционному признаку, что позволило объединить исследование, проектирование и технологическую подготовку в единую систему, использующую статистические методы управления качеством;
- выполненные теоретические, стендовые и промысловые исследования позволили создать в ОАО «Уралбурмаш» 43 новые и усовершенствованные конструкции долот основного применения для бурения нефтяных, газовых и взрывных скважин (III 215,9 - М, МЗ, МП, С, СТ, СЗ, Т, ТЗ, ТКЗ, КП, ОКП - ГВ; III 244,5 - Т, ТЗ, ТКЗ, К- ПВ; III 250,8 - Т, ТЗ, ТКЗ, К, ОК – ПВ; III 269,9 - СЗ, К, ОК – ПВ), а проведенные массовые промысловые испытания показали эффективность разработанных конструкций и технических решений.
Апробация работы.
Основные результаты
работы были доложены и получили одобрение
на ежегодных межотраслевых координационных
совещаниях по породоразрушающему инструменту
в период с 1988 по 2002 гг.; на Республиканской
конференции "Региональное природопользование
и экологический мониторинг", Барнаул,
1996г.; на научно-технических советах ОАО
"Уралбурмаш"; на заседаниях Лаборатории
повышения износостойкости породоразрушающего
инструмента РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина,
г. Москва; на научно-технических конференциях,
г. Уфа; на научно-технических заседаниях
Самарского аэрокосмического университета
имени С.П. Королева.
Публикации.
Основное содержание
и результаты выполнения работ изложены
в 52 опубликованных научных работах, в т.ч.
3 монографии, 16 опубликованы в ведущих
рецензируемых изданиях.
Объем и структура
работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов,
списка использованной литературы, включающего
в себя 223 наименование работ российских
и зарубежных авторов и приложений. Работа
изложена на 238 страницах учитываемого
машинописного текста, включает 106 рисунков
и 66 таблиц.
За помощь, оказанную
при обсуждении результатов работы
и проблем, освещенных в диссертации,
автор выражает благодарность
Торгашову А.В., Агошашвили Т.Г., Анохину
К.П., Барвинку В.А., Бикбулатову И.К.,
Гинзбургу Э.С., Кершенбауму В.Я., Кораблеву Г.А.,
Матвееву Ю.Г., Оганову Г.С., Стеклянову
Б.Л., Сухову Р.И. и другим ученым и специалистам.
Особую признательность автор выражает
своему научному консультанту доктору
технических наук, профессору А.М. Гусману.
Содержание
работы.
Во введении обоснована актуальность научно-технической
проблемы, рассмотренной и решенной в
диссертации. Определены цель, основные
задачи и методы исследования. Представлены
основные научные и практические результаты
диссертационной работы.
Первая глава посвящена анализу состояния разработок
и проблем в области повышения качества
и эффективности работы буровых шарошечных
долот.
Вопросам,
связанным с исследованием механизма
разрушения и очистки забоя
бурящейся скважины, созданием породоразрушающего
бурового инструмента, методам
повышения его надежности и технологическим
процессам его отработки в различных горно-геологических
условиях посвящено значительное количество
работ, которые выполнили: Абрамсон М.Г.,
Агошашвили Т.Г., Акчурин Х.И., Баталов С.П.,
большая группа ученых Самарского аэрокосмического
университета им. академика С.П. Королева
под руководством Барвинка В.А., Бикбулатов
И.К., Бирман В.А., Богомолов Р.М., Браженцев
В.П., Буяновский И.Н., Виноградов В.Н., Владиславлев
Ю.Е., Гинзбург Э.С., Гусман А.М., Жидовцев
Н.А., Кершенбаум В.Я., Константинов Л.П.,
Кораблев Г.А., Мавлютов М.Р., Матвеев Ю.Г.,
Матюшин П.Н., Мессер А.Г., Михайлин Ю.Г.,
Неупокоев В.Г., Палий П.А., Перегудов А.А.,
Пестров А.П., Поланский Г.А., Попов А.Н.,
Порунов Н.П., Свинкина Н.М., Сорокин Г.М.,
Спивак А.И., Стеклянов Б.Л., Сухов Р.И.,
Торгашов А.В., Трушкин Б.Н., Чайковский
Г.П., Щербаков Л.Я., Цветков Ю.Н., Эйгелес
Р.М., Ясашин В.А., М. Бингхем, Р. Броммел,
П. Гнирк, Р. Каннингем, Р. Маклин, Н. Схоллет,
Р. Тиль, Д. Чиатем, Г. Шоль, В. Эванс, Д. Эккел,
Г. Финстар, Н. Ван-Линген, В. Маурер, Х. Аутманс,
Р.Бобо, Д. Видрайн, А. Гардинер, К Лоухон,
Д. Маейрс и большой ряд других авторов.
Ими разработаны основы теории разрушения
горной породы и очистки забоя скважины
и создания породоразрушающего бурового
инструмента и его эффективного использования
в бурении.
Буровое шарошечное долото является
тем компонентом буровой системы,
который способен кардинально повысить
эффективность всего процесса бурения.
Детальный анализ процесса разрушения
долотом конкретной горной породы с использованием
статистических методов анализа помогает
приблизиться к оптимальному сочетанию
механической скорости бурения и времени
работы долота на забое скважины, что необходимо
при разработке оптимальной долотной
программы.
Проведенные
исследования позволили определить,
что для повышения эффективности
работы буровых шарошечных долот
необходимо обеспечить проведение комплекса НИОКР по
следующим основным направлениям:
- разработка оптимизированных конструкций вооружения шарошек с точки зрения их воздействия на породу забоя на основе широких аналитических и экспериментальных исследований;
- создание новых типов и конструкций опор шарошек, позволяющих выдерживать высокие статические и динамические нагрузки при работе на забое с применением новейших технологий и достижений материаловедения;
- разработка рациональных конструкций гидравлических устройств буровых шарошечных долот, обеспечивающих эффективную очистку забоя;
- разработка технологических методов повышения качества изготовления бурового инструмента, позволяющих создавать высокопрочные узлы долот с использованием новейших технологий;
- внедрение в производство статистических методов управления, и в первую очередь, статистического анализа точности и стабильности технологических процессов, статистического регулирования технологических процессов;
- обеспечение маркетинговых исследований, эффективного супервайзинга и сервисного обслуживания в промысловых условиях.
Вторая глава посвящена исследованию работы вооружения
долот на забое и разработке методов повышения
эффективности разрушения горных пород.
Важным аспектом изучения
эффективности разрушения горных пород
буровыми шарошечными долотами является
исследование, анализ и выявление причин снижения работоспособности
долот при условии возникновения такого
распространенного и нежелательного явления,
как трекинг (рейкообразование) на забое.
Проблема состоит в том, что при перекатывании
шарошек на забое образуются лунки разрушения,
и, если при последующих проходах венцов
их зубья снова попадают в эти же лунки,
то будет иметь место трекинг (рейкообразование),
заключающийся в образовании выступов
и впадин на забое, повторяющих контур
венца шарошки. Серьезность этой проблемы
определяется тем, что после этого эффективность
процесса разрушения горной породы резко
падает и требуется увеличивать нагрузку
на долото, что приводит к преждевременному
износу долота.