Анализ состояния отработанных буровых долот показывает, что наряду с изношенными имеется значительный процент поломанных режущих элементов. В статье представлены результаты лабораторных исследований поломок режущих элементов буровых долот, армированных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), и рассматривается возможность применения в расчетах режущих кромок АТП на прочность показателя ударной вязкости со сжатием.
В настоящее время объем бурения долотами, армированными АТП, постоянно увеличивается. Наиболее эффективными являются долота, армированные АТП, работающие по принципу резания-скалывания. Хотя область их применения ограничена породами до IX категории по буримости, но преимущества их очевидны: обеспечивается увеличение проходки в 1,5-2 раза по сравнению с 3-х шарошечными долотами в одинаковых геолого-технологических условиях.
Наработка буровых долот, армированных АТП, зависит от износа и поломок режущих элементов. На каждом из отработанных долот количество изношенных и поломанных режущих элементов примерно одинаково. Анализ состояния отработанных долот показывает, что поломки АТП имеют преимущественно два вида: а – сколы от действия сил со стороны передней грани, б – сколы от действия сил со стороны задней грани, также возможен отрыв всей пластины АТП – в. На рис. 1 слева направо показаны основные виды поломок. На рис. 2 изображены фрагменты долота с изношенными и поломанными АТП.
Прочностные характеристики режущих элементов значительно превышают прочностные характеристики буримых пород. Так у твердосплавной основы АТП твердость 86-91 HRA, прочность на изгиб 1000-1800 МПа, ударная вязкость 2-7 Дж/см2, модуль упругости 6·105 МПа, у алмазного слоя предел прочности при сжатии 2000 МПа. Следовательно, поломки могут происходить только от действия ударных нагрузок.
Изменения по величине сил резания и крутящего момента на долоте приводят к возникновению крутильных колебаний на буровом ставе [1].
На рис. 3 представлена схема волновых процессов, протекающих в бурильной колонне.
Исследованиями [2], проводимыми при бурении скважин глубиной 1800 м бурильной колонной из труб ⌀127 мм долотом БИТ2 ⌀214мм при крутящем моменте на долоте 9 кН·м и частоте 120 об/мин, установили, что буровой став закручивается на 5,6 оборота, а при уменьшении крутящего момента до 6КН·м раскручивается на два оборота [3]. Такое изменение углов закручивания бурового става запускает процесс крутильных автоколебаний. Их период T, определяемый по формуле 1, составит 3 секунды, а число колебаний ν, определяемое по формуле 2, будет равно 20 колеб./мин.
Это значит, что каждые 3 секунды на долото будет воздействовать один ударный импульс от автоколебаний.
Рис. 4. Зависимость угловой скорости долота от угловой скорости привода ВЗД и крутильных автоколебаний бурильной колонны:
На рис. 4 показана зависимость угловой скорости долота от угловой скорости привода (ВЗД) и крутильных автоколебаний бурильной колонны.
Проходя через ВЗД, переводник и долото, скорость распространения волны уменьшается на порядок до значений V=245 м/с. Такой импульс скорости воздействует на долото в течении t ≈0,005с. За это время при частоте вращения n=120 об/мин режущий элемент на ⌀214мм проходит путь S=6,75мм со средней скоростью Vрез=1,35 м/с, а на ⌀100мм S=3,14 мм [4].
При прохождении крутильной волны через долото происходит резкое увеличение энергии, передаваемое резцом в породу, определяемое по формуле:
При резком возрастании скорости резания в 180 раз (с 1,35 до 245 м/с), на пути S =6,75мм не происходит разрушения породы в виде мелких и крупных сколов. Зерна породы дробятся и спрессовываются, образуя ядро уплотнения. При бурении в обычном режиме с толщиной срезаемой стружки 1,5-2мм, средняя длина крупного скола по данным [5] lск≈5,07 мм с коэффициентом вариации Кв =0,35-0,20 – на песчанике, с Кв=0,4-0,35 – на известняке, Кв =0,24-0,198 – на мраморе.
Схема формирования скола представлена на рис.5. В момент формирования ударного импульса на режущем элементе от крутильной волны АТП может находиться в начале, середине или в конце участка дробления и скола породы. Длина скола bi и длина пути S АТП за время импульса (t ≈0,005с) соизмеримы. Если в момент формирования импульса АТП находится в начале участка дробления и скола породы, то из-за нехватки материала ядро уплотнения не формируется. Если же в момент формирования импульса АТП находится в конце участка дробления и скола, то ядро формируется в полном объеме и производит на АТП ударный импульс. За время t энергия удара гасится при формировании ядра уплотнения и на АТП воздействует неупругий удар, определяемый по формуле 4:
И хотя вероятность встречи импульса с началом крупного скола (формирование удара) не высока (менее 20 %), число поломок АТП на отработанных долотах и нормально изношенных АТП примерно одинаково.
При работе долота на режущий элемент воздействует осевая нагрузка (сжатие), сила резания (сдвиг) и удар. Сопротивление воздействию этих сил обозначим и назовем ударной вязкостью со сжатием.
Z – число режущих элементов в линии резания;
V0 – модуль скорости бурения, мм/с.
Усилие резания по данным [7] при бурении крепких пород находится в пределе Pz=(0,25-0,3) Pос
Исследования проводили на стенде, оборудованном на базе гидравлического пресса и копра радиусом Rк=1м. На рис. 6 схема испытательного стенда на базе гидравлического пресса.
Рассчитанные значения осевой нагрузки Pос и усилия резания Pz для каждого hмм, а также энергии удара и вес гири копра G (кг) представлены в таблице 1.
После нагружения режущего элемента с АТП за счет Pос и Pz производили (наносили) удар гирями копра. После образования скола АТП (рис. 7) замеряли площадь поверхности скола Sск (мм2), накладывая на поверхность скола миллиметровку, находили напряжение сжатия на поверхности скола ςсж= Pос/Sск (МПа), затем вычисляли «ударную вязкость со сжатием» dн, Дж/см2.
В обычных условиях ударная вязкость вольфрамо-кобальтовых сплавов находится в пределах 2-7 Дж/см2, что в 25-30 раз меньше ударной вязкости инструментальных сталей, например 40Х, и тем не менее они успешно работают, установленные на инструменты режущего и режуще-скалывающего типа, потому что при действии сжимающей нагрузки их ударная вязкость возрастает в 20-25 раз. На рис. 8 представлена зависимость ударной вязкости при действии сжимающей нагрузки.
Таким образом, исследование поломок АТП от действия сил по передней грани показывает, что крутильные колебания бурового става, формирующие ударную нагрузку на режущие элементы бурового долота, приводят к образованию крупных и мелких сколов АТП. И хотя вероятность формирования удара на АТП не высока (менее 20 %) P≤0,2, анализ причин выхода из строя отработанных долот показывает, что число поломок и нормально изношенных режущих АТП на долоте примерно одинаково. Это значит, что решение задачи по уменьшению крутильных колебаний бурового става, приводящих к возникновению поломок АТП, является актуальной.
Принятый нами в расчетах показатель «ударной вязкости со сжатием» для АТП и вольфрамо-кобальтовых сплавов требует дальнейших исследований.
Литература
1. Вопияков В.А., Посташ С.А., Колесников П.И. / Возникновение автоколебаний бурильной колонны – критерии износа шарошечных долот. / Бурение. 1974, №8. С. 23-25.
2. Симонов В.В., Юнин Е.К. / Влияние колебательных процессов на работу бурильного инструмента. / М.: Недра, 1977. 210 с.
3. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. / Горные инструменты – 3е издание, переработанное и дополненное / М.: Недра, 1990. – 256 с.
4. Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е., Третьяк А.А. Разработка методики расчета наработки породоразрушающего инструмента с алмазно-твердосплавным вооружением / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2010. – № 12. – С. 2-5.
5. Третьяк А.А., Буренков Н.Н., Чихоткин А.В. Режущая часть долота PDC: оптимизация геометрических параметров / Oil and Gas Journal. Penn Well, 05.2013 № 5. –Р. 56-58.
6. Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. / Методы расчета осевой нагрузки и механической скорости бурения двухъярусного долота режущего типа Д-2ВВ / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. № 3. – С13-18.
7. Третьяк А.А., Савенок О.В., Швец В.В. Буровые коронки, армированные алмазно-твердосплавными пластинами / Монография. ИД «Политехник», г. Новочеркасск, 2015 г. 186 с.
