АНАЛИЗ РАБОТЫ ДОЛОТ С РЕЗЦАМИ PDC С УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ РЕЖУЩЕЙ СТРУКТУРОЙ

ANALYSIS OF THE OPERATION OF CHISELS WITH PDC CUTTERS WITH AN IMPROVED CUTTING STRUCTURE

Alexandr Biratko

student, Department of Oil and Gas Well Drilling,  Tyumen industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день бурение является единственным эффективным методом по разведыванию и наращиванию извлекаемых объемов нефти и газа. Одним из главных элементов дынного процесса является долото. Именно долота разрушают горную породу, формируют забой, а поскольку технологий бурений существует немало, то и бурильных долот разработано немалое количество. В основном долота разделяются на шарошечные, лопастные, алмазные и фрезерные. Главное преимущество долота с поликристаллическими резцами относительно шарошечного долота заключается в том, что в конструкции долота PDC отсутствуют движущиеся части, что значительно снижает риск оставления частей долота на забое скважины при бурении. Также весомыми аргументами в пользу долота с резцами PDC является гораздо более высокий показатель износостойкости. Развитие долот PDC привело к скачку показателей, как по механической скорости, так и по количеству спуско-подъемных операций.

ABSTRACT

To date, drilling is the only effective method for exploring and increasing recoverable volumes of oil and gas. One of the main elements of the melon process is a chisel. It is the chisels that destroy the rock, form the face, and since there are many drilling technologies, a considerable number of drill bits have been developed. Basically, the chisels are divided into spherical, bladed, diamond and milling. The main advantage of a bit with polycrystalline cutters relative to a spherical bit is that there are no moving parts in the design of the PDC bit, which significantly reduces the risk of leaving parts of the bit at the bottom of the well during drilling. Also, a significant argument in favor of a chisel with PDC cutters is a much higher wear resistance index. The development of PDC chisels has led to a jump in performance, both in terms of mechanical speed and the number of descent and lifting operations.

Ключевые слова: алмазные, поликристаллические алмазные резцы, PDC, долото, режущие грани, вооружение.

Keywords: diamond, polycrystalline diamond cutters, PDC, chisel, cutting edges, weapons.

Общие сведения о применении поликристаллических алмазных резцов.

Поликристаллические алмазные резцы для буровых долот изготавливаются путём спекания высокосортных алмазных порошков и твёрдосплавной подложки в условиях высокого давления и температуры, что позволяется обеспечить совмещение в продукции абразивостойкости алмаза и прочности твердого сплава. Данные резцы изготавливают в основном цилиндрической и конической формы.

Долота с поликристаллическими резцами (PDC) являются наиболее распространенным породоразрушающим инструментом, который взаимодействует с породами непосредственно для создания проходки от устья до забоя скважины. По статистике, долота PDC используются более чем в 90% общего объема бурения во всем мире из-за их высокой эффективности разрушения горных пород. Однако срок службы долота PDC ограничен низкой ударной прочностью его резцов. При столкновении со сложным пластом возникают нежелательные вибрации, такие как проскальзывание и отскок долота, которые были определены в качестве основных причин повреждения долота PDC и в следствии этого низкой скорости бурения, что значительно увеличивает затраты на строительство скважины. Одной из эффективных мер по преодолению этих проблем является оптимизация конструкции долота, а в частности конструкции резца PDC, который обычно имеет цилиндрическую форму.

В данной работе представлен новаторский резец PDC ступенчатой формы (RLS), который имеет режущие грани в форме гребня и несколько режущих кромок со ступенчатым распределением, как показано. В принципе, эта новая структура улучшает концентрацию напряжений на горных породах, что позволит более эффективно откалывать большие куски горных пород, снижая вибрацию и повышая скорость бурения.

Чтобы проверить эту гипотезу, резцы RLS PDC и стандартные резцы изготавливаются с использованием технологии 3D-печати с последующим проведением испытаний на соскабливание в лаборатории. Между тем, механизмы разрушения горных пород для обоих резцов анализируются и сравниваются друг с другом.

Для оценки режущих механических свойств резцов RLS PDC проводится серия лабораторных испытаний и сравнивается с таковыми у обычных резцов PDC. Во-первых, оба типа резцов с радиусом 7,5 мм изготавливаются с использованием технологии 3D-печати и стали C45E4. Затем резцы устанавливаются на специализированную экспериментальную установку, предназначенную для соскабливания породы, при этом измеряются режущие, поперечные и продольные силы, действующие на резец.

1. Экспериментальная установка и принцип действия

Экспериментальная установка, предназначена для моделирования прямого соскабливания резцом PDC горной породы, где резец PDC закрепляется в патроне опытной установки, подключенному датчику нагрузки. Формовочная машина приводит в движение резец PDC и соскабливает породу, измеряя три ортогональные силы. Результирующие сигналы собираются системой сбора данных (DAQ) и отображаются в системе Labview. В конечном счете, силы, действующие на резак PDC, вычисляются в соответствии с калиброванным соотношением с текущими сигналами.

Основные компоненты экспериментальной установки: фрезерный станок, датчик силы, резец PDC, образец породы, DAQ и систему Labview.

Ключевой целью экспериментов является сравнение механических свойств резцов RLS PDC со стандартными резцами PDC. Поэтому оба типа приводятся в движение для соскабливания породы с одинаковыми параметрами, включая угол наклона15 градусов и глубину резания 3 мм. При этом условии все три режущие кромки резцов RLS PDC могут участвовать в соскабливании породы. Между тем, образцы породы песчаника используются, чтобы избежать повреждения резца PDC.

Представлены примерные результаты экспериментов по сравнению резцов RLS и стандартного резца PDC. Можно видеть, что режущие, боковые и продольные силы, действующие на эти два типа резцов PDC, всегда колеблются. Мы выбрали экспериментальные результаты в стабильном состоянии (с шага 200 по шаг 400) для расчета средних значений и среднеквадратичных (среднеквадратичных) значений трех сил. Важно отметить, что шаг - это временная шкала, связанная с частотой дискретизации DAQ. При сравнении видно, что режущие, поперечные и продольные силы, действующие на резцы RLS PDC, меньше и имеют незначительные колебания по сравнению с обычными резцами PDC, что указывает на то, что первые обладают лучшими механическими свойствами. Таким образом, проскальзывание и отскок долота, может быть эффективно смягчен с помощью резцов RLS PDC, улучшающих скорость бурения и срок службы бурового долота.

2.  Анализ механизма разрушения горной породы

В соответствии с экспериментальными условиями, как стандартные, так и RLS резцы должны перемещаться с постоянной горизонтальной скоростью V_c и глубиной резания. В этом процессе они имеют режущую грань с углом наклона относительно вертикального направления. Во-первых, в качестве объекта исследования выбирается идеально острый общий резец PDC, режущее поведение которого будет формировать выемку постоянной площади поперечного сечения в горизонтальном направлении. В процессе резания сила передается породой на общий резец PDC, и она может быть разложена на режущую и продольную силы вдоль параллели и нормали к поверхности породы. В то же время плоская режущая поверхность общего резца PDC распределяет напряжение, действующее на породу, вдоль области контакта.

Для резца RLS PDC его гребневидные режущие грани и режущие кромки со ступенчатым распределением не изменяют цилиндрическую форму резца. Таким образом, при том же радиусе, передней рейке и глубине резания резцы RLS PDC будут генерировать выемку той же площади поперечного сечения, что и стандартный резец PDC.

Экспериментальные результаты, показывают, что резцы RLS PDC обладают лучшими механическими свойствами резания, чем обычные резцы PDC, что обусловлено их особой структурой. Режущие кромки со ступенчатым распределением могут разложить общую глубину реза d на более мелкие куски d1, d2 и d3. Гребневидная режущая поверхность создает концентрированную нагрузку вокруг области выступа, так что напряжение на породу намного выше, чем при действии обычных резцов PDC. Эти два эффекта могут привести к тому, что резцы RLS PDC будут удалять породу более эффективно, чем обычные резцы PDC.

Список литературы:

1. Технология бурения нефтяных и газовых скважин [Текст]: Учебник для студентов вуза /под общ ред. В.П. Овчинников [и др.] -Тюмень: ТюмГНГУ, 2014.– Т.1-5.
2. Технология строительства нефтяных и газовых скважин. Учебник для студентов вузов.- В 5 т.-Т. 1/под общ. ред. В.П. Овчинникова.Тюмень: ТюмГНГУ, 2014.- 568 с.
3. ФНиП ПБ "Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности": Утв. Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.12.2020. № 534: М.2020.-523 с.