Пути повышения эффективности работы буровых шарошечных долот

Нами проведены также исследовательские  и опытно – конструкторские работы по совершенствованию открытых опор долот. В результате была разработана коническая опора с замковым сферическим роликом на базе долота III 190,5 С-ЦВ, в котором оптимальное использование линии контакта рабочей поверхности осуществляется за счет конусности, а также сферичности. Развитием направления явились разработанные нами коническая опора с бочкообразным роликом и шариковым замком и коническая опора с седлообразным роликом и шариковым замком на базе долота III 190,5 С-ЦВ. Долота с данными опорами были изготовлены и испытаны в условиях стенда. Результаты отработки превышали соответствующие показатели серийных долот.

 

В четвертой главе приводятся результаты создания  новых промывочных устройств буровых  шарошечных долот и исследование их влияния на эффективность процесса выноса шлама из призабойной зоны в затрубное пространство и очистки вооружения долота.

В настоящее время при постановке и решении задачи повышения показателей бурения шарошечными долотами, а именно – проходки и механической скорости бурения, большое внимание уделяется совершенствованию гидравлических систем долот. За последние годы большой цикл исследований по данному вопросу проведен во ВНИИБТ, УГНТУ г. Уфа, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, а также за рубежом. Процесс очистки забоя бурящейся скважины представляет собой совокупность трех частных процессов очистки: очистки поверхности забоя, представляющей собой процесс отделения частиц разрушенной породы, прижатых дифференциальным давлением, от поверхности забоя и перевод их во взвешенное состояние; очистки призабойной зоны, представляющей собой процесс выноса отделенных от поверхности забоя частиц шлама в затрубное пространство над долотом и очистки вооружения долота, представляющей собой процесс предотвращения сальника на межвенцовых и межзубцовых пространствах шарошек долот.

Основные исследования в этой области посвящены пространственному  размещению насадок, позволяющему простыми средствами получать эффективные схемы промывки забоя, рационально обрабатывать струями площадь забоя скважины, интенсифицируя процесс бурения. Анализ конструктивных решений схем промывки  долот показал, что наиболее разнообразными функциональными характеристиками обладают схемы с боковыми гидромониторными, приближенными к забою насадками и комбинированными схемами промывки, сочетающими центральную и периферийную системы промывки.

Асимметричная конструкция системы  промывки существенно улучшает качество очистки призабойной зоны и способствует повышению проходки, о чем свидетельствует мировой опыт бурения долотами с ассиметричной системой промывки и приближением насадок к забою. Удлинение насадок улучшает условия выноса шлама из призабойной зоны как с тремя боковыми насадками, так и в случае применения асимметричных схем промывки.

На основании проведенных  исследований нами разработано долото типа III 190,5 С-ГВ-2 с комбинированной щелевой схемой промывки с удлиненными насадками. Для этого в каждой лапе от вершины двугранного угла к боковому отверстию выполняется дополнительный промывочный канал в виде щели. При сборке долота в его центральной части образуется система каналов в виде лучей, исходящих из центра, с боковыми каналами на концах. При такой схеме промывки исключается наличие застойных зон как в центре, так и на периферийной части забоя. При этом, кроме струйного воздействия на поверхность забоя, улучшается очистка вооружения шарошек, т.е. предотвращается сальникообразование. Долота III 190,5 С-ГВ-2 с комбинированной схемой промывки были испытаны в ПГО Обьнефтегазгеология. Испытания показали превышение результатов бурения по проходке на 15% и по механической скорости бурения на 22% по сравнению с базовым долотом III 190,5 С-ГВ. Основное преимущество разработанной конструкции промывочной системы состоит в том, что эта система является комбинированной, при которой отделенный от породы шлам направляется к периферии забоя практически по радиусам и поднимается в затрубное пространство в восходящем потоке через проемы между лапами. При этом практическое отсутствие отражающего воздействия восходящих струй существенно уменьшает вторичное измельчение шлама между спинкой лапы и стенкой скважины.

Кроме того, удлиненные насадки  усиливают гидродинамическое воздействие струй на поверхность забоя и отделение от него шлама, снижая при этом отражающее действие струй на шлам, что в значительной степени увеличивает эффективность выноса шлама в затрубное пространство, особенно при использовании долота в мягких и средних породах. При использовании разработанной схемы промывки практически исключается сальникообразование на долоте.

Разработана также удлиненная насадка с более совершенной формой внутреннего канала, содержащего два последовательно расположенных конфузорных участка, успокоитель и выходное отверстие. При этом максимальную скорость струя приобретает не в канале насадки, а при выходе из неё, что усиливает струйное воздействие на забой и уменьшает износ внутреннего канала.

      В качестве эксперимента была изготовлена и испытана в промысловых условиях пластмассовая насадка для долота III 190,5 С-ЦВ. Результат испытаний свидетельствует о полной надежности насадки, внутренняя поверхность которой после применения на 6 долотах в течение 22 ч. имела лишь незначительный эрозионный износ. Основное преимущество пластмассовой насадки – это гладкая внутренняя поверхность, что снижает потери давления в насадке и повышает компактность струи за счет снижения её турбулизации и низкая цена.

      Разработана также усовершенствованная система гидравлической очистки забоя за счет применения лапы со смещенным ребром жесткости спинки. При этом спинка выполнена наклонной по винтовой линии, что при вращении долота создает дополнительную подъемную силу жидкости со шламом, способствуя более эффективной очистке призабойной зоны и снижению вторичного измельчения шлама между спинкой лапы и стенкой скважины.

 

В пятой главе  представлены выполненные нами работы по исследованию, разработке и внедрению интегрированных плазменных и лазерных технологий при производстве бурового породоразрушающего инструмента, обеспечивающих повышение эффективности работы и стойкости долот.

Нами проведены исследования по улучшению свойств покрытий лазерно-плазменным воздействием. Повышение ресурса эксплуатации ответственных деталей обеспечивается нанесением на их рабочую поверхность покрытий специального назначения (износо-, коррозионно-, жаро-, химически стойких, тепло-, электроизоляционных и др.).

Сущность лазерного  упрочнения заключается в том, что поглощенное металлом лазерное излучение нагревает приповерхностный слой до температуры выше А_СЗ, для чего интенсивность лазерного пучка в пятне фокусировки превышает критическую, оцениваемую по формуле

 (23)

где λ - коэффициент теплопроводности; А_СЗ - критическая точка, при которой заканчивается образование аустенита; А - коэффициент поглощения лазерного излучения; v - скорость обработки; r_f - радиус фокального пятна.

Представленные в работе исследования показали, что для осуществления процесса упрочнения элементов шарошечного долота эффективен вакуумный, ионно-плазменный метод, основным преимуществом которого является то, что в компактном и несложном по исполнению устройстве удается получить плазменную струю металла с высокой степенью ионизации (до 90 %) и высокой средней кинетической энергией ионов (30000 эВ).

Еще одним достоинством этой технологии является возможность  получения мелкозернистых покрытий с высокими механическими свойствами, что в ряде случаев недостижимо для традиционных металлургических и химико-гальванических процессов получения покрытий.

Объектами обработки  являлись: наружная поверхность долота в сборе  с целью нанесения  консервирующего коррозионно-стойкого, износостойкого и декоративного покрытия, наружная поверхность шарошки, вершины зубьев шарошки с фрезерованным вооружением, беговые дорожки подшипников шарошки, беговые дорожки подшипников цапфы лапы, внутренняя поверхность насадки. Изготовлена опытная партия шарошечных долот с плазменными покрытиями. Результат стендовых испытаний свидетельствует о повышении работоспособности подшипников опор. Стойкость беговых дорожек подшипников увеличилась на 12%. Упрочнение вершин зубьев шарошки с фрезерованным вооружением увеличило стойкость зубьев на 15% при бурении твердых пород. Упрочнение внутренней поверхности насадки значительно повысило ее износостойкость.

Разработаны и изготовлены  опытные партии материалов на основе металлов, карбидов, оксидов. Спроектировано и изготовлено нестандартное плазменное оборудование для напыления на поверхности шарошек, насадок, цапфы лапы и долота в сборе. Отработана плазменная технология по напылению покрытий на основе металлов, оксидов, карбидов. Произведены металлографические исследования качества плазменных покрытий.

 

  Шестая глава отражает результаты оценки качества буровых шарошечных долот статистическими методами и применение статистических методов управления качеством на стадии производства.

В работе осуществляется идея технологического единства в разработке и производстве долот путем реализации «сквозного» применения статистических методов. Применительно к долотам в работе использованы статистический анализ состояния технологического процесса, статистическое регулирование технологического процесса и статистический приёмочный контроль.

Так как погрешности  производства вызывают разброс показателей  качества, то для отражения изменений показателей качества во времени использован метод контрольных карт. Этот метод позволяет отслеживать ход протекания процесса и воздействовать на него, предупреждая его отклонения от предъявляемых к процессу требований. Используя гистограммы, можно найти коэффициент годности Ср технологического процесса изготовления шарошки на любой стадии по контролируемым параметрам :

                                                                      (24)

где S_V, S_L – значения верхней и нижней границ поля допуска по ТУ;

S – среднее стандартное отклонение, характеризующее реальный процесс.

,                                               (25)

где - выборочное среднее арифметическое значение допуска. 

Производственный процесс  оценивается как:

• точный, при 1,33 < С_Р < 1,67;
• удовлетворительный, при 1,0 < С_Р < 1,33;
• неудовлетворительный, при С_Р < 1,0.

Основная задача статистического регулирования технологического процесса (ТП) состоит в том, чтобы на основании результатов выборочного контроля малого объёма принимать решения «ТП налажен» или «ТП разлажен». Разладки техпроцесса происходят в случайные моменты времени, причем эти события подчиняются определённым статистическим закономерностям. При решении задач статистического регулирования технологического процесса в работе использовано наиболее часто применяемое нормальное распределение, определяющееся математическим ожиданием и дисперсией.

В результате решены следующие  задачи:

• определено положение эмпирической функции распределения относительно поля допуска на контролируемый показатель качества;

• определена вероятная доля брака  для исследуемой операции;

• вычислены показатели стабильности технологического процесса;

• проверена согласованность  опытного распределения с теоретическим;

• установлено, каким фактором определяется разладка процесса.

         В главе приведены также результаты разработки и внедрения комплексной системы автоматизации проектирования и подготовки производства (САПР-САТПП) буровых долот и бурильных головок в ОАО "Уралбурмаш" 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. Показана эффективность внедрения статистических методов управления качеством долот на стадии производства и актуальность проведения статистического анализа технологического процесса с использованием матрицы связей, гистограмм, коэффициента годности с целью повышения качества долота и выявления резервов производства. Разработана методика статистического регулирования изготовления долота по наиболее ответственным параметрам с использованием гистограмм и контрольных карт, что позволяет выявлять несоответствия на разных этапах изготовления и ввести выборочный приёмочный контроль по этим параметрам. Разработана методика внедрения статистического приёмочного контроля, позволяющая сократить объём контрольных операций. Внедрение результатов настоящей работы на ОАО «Уралбурмаш» позволило снизить уровень дефектности производства и  объём контрольных операций.

 

В седьмой главе изложена практическая апробация и внедрение результатов работы, результаты промысловых испытаний новых долот при бурении нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин, а также горнорудных долот.

Созданные на базе результатов  наших исследований долота испытывались и внедрялись в различных регионах России. Сравнение велось как с отечественными, так и с зарубежными аналогами.

В качестве примера могут  служить данные о проходке и параметрах строительства скважин на Пиненковской площади месторождения ОАО «Самаранефтегаз» на буровых №38, №34, №33 и №50. Сопоставительный анализ долот фирмы «Смит» (США) с долотами ОАО «Уралбурмаш» и «Волгабурмаш» осуществлялся  по скважине №50 со всеми предыдущими скважинами. Необходимо заметить, что при сравнении показателей долот типа СЗ с долотами типа ТЗ нужно учитывать принципиальные конструктивные отличия долот, напрямую влияющие на механическую скорость бурения. Геометрические параметры долот типа СЗ заранее предопределяют большую механическую скорость бурения по сравнению с долотами типа ТЗ. Однако, все меры, предпринятые для обеспечения на скв. №38, №34, №33 повышения механической скорости бурения, включая применение импортных долот, не дали результата по сравнению со скв. №50, где применились только отечественные долота ОАО «Волгабурмаш» и «Уралбурмаш» в размере 190, 5 и 215,9 мм. Из этого следует, что средняя механическая скорость по всем четырем скважинам находится практически на одном уровне. При этом прямое сравнение механической скорости долот фирмы «Смит» (США) с долотами ОАО «Уралбурмаш» и «Волгабурмаш», несмотря на конструктивные отличия, дает сопоставимый результат, что и показывают данные таблицы 1. При прочих равных условиях применение долот новых типов может обеспечить повышение механической скорости бурения и, как следствие, возможность сократить срок строительства скважины.