Дмитрий Андреевич Борейко – кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности
Scopus ID 56912272500
Ухта
Dmitry A. Boreiko – Cand. Sci. (Eng.), Head of the Department of Machines and Equipment of Oil and Gas Industry
Scopus ID 56912272500
Ukhta
Александр Анатольевич Лютоев – кандидат технических наук, доцент кафедры высшей математики
Scopus ID 57208719323
Ухта
Alexander A. Lutoev – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Advanced Mathematics
Scopus ID 57208719323
Ukhta
Дмитрий Юрьевич Сериков – доктор технических наук, доцент кафедры стандартизации, сертификации и управления качеством производства нефтегазового оборудования
Scopus ID 6506405788
Москва
Dmitry Yu. Serikov – Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Standardization, Certification and Quality Management of Oil and Gas Equipment Manufacturing
Scopus ID 6506405788
Moscow
An offset of roller cone rotation centerlines is used to increase the mechanical penetration rate while drilling in soft rocks. This enables increasing the area of a cutting structure teeth contact with a bottom hole. The analysis of offset cone drill bit (cutting structure) teeth wear showed that particularly significant wear is characteristic of the transition zone from the heel cone to the nose cone; which leads to significant reduction in the mechanical rate of penetration and a rapid decrease in the hole diameter. The purpose of this paper is to conduct a theoretical research on the nature and conditions of interaction between heel and peripheral nose cones of offset roller cone bits with a bottom hole; which is aimed at improving the efficiency of rock cutting by offset roller cone bits. To achieve the purpose; the authors analyzed data on the nature and causes of wear of existing offset roller cone bit cutting structure (teeth); developed a mathematical model in a cylindrical coordinate system allowing to determine the location and geometric parameters of the gage cone contact area with the hole wall for different roller cone bits sizes; developed a computer solid model for checking the adequacy of the mathematical model by comparing these two models; prepared recommendations for further improvement of the design of existing offset roller cone bit cutting structure (teeth). The research was carried out by the method of mathematical simulation of geometric figures and bodies corresponding to roller cones and a hole. The research has revealed that significant adjustments need to be made to the geometry of the roller cone teeth (currently being patented). This would allow decreasing the areas of cone heel blunting by 15–20 % as well as providing more prolonged contact of base and gage cones with bottom hole and wall surfaces. This allows to reduce wear of teeth in the transition zone of the generatrix from the peripheral nose cone to the gage (heel) cone of the roller cone and to maintain the required specific pressure on the cut rock for a longer period of time and; as a result; to increase both the mechanical penetration rate and the service life of the drilling tools.
Для увеличения механической скорости бурения при бурении мягких пород используют смещение осей вращения шарошек, которое позволяет увеличить проскальзывание зубьев вооружения по всей площади забоя. Анализ износа зубчатого вооружения бурового инструмента со смещёнными осями вращения шарошек показал, что происходит существенное изнашивание («зализывание») переходной зоны от тыльного конуса к основному, и это приводит к существенному снижению механической скорости бурения и быстрому уменьшению диаметра скважины. Целью работы является проведение теоретических исследований характера и условий взаимодействия с забоем тыльных и периферийных конусов шарошек данного вида бурового инструмента для повышения эффективности разрушения породы забоя шарошечным буровым инструментом со смещенными осями вращения шарошек. Для достижения поставленной цели в работе проведён анализ характера износа зубчатого вооружения и причин его возникновения у существующих конструкций шарошечного бурового инструмента; разработана математическая модель в цилиндрической системе координат, позволяющая определять расположение и геометрические параметры зоны контакта калибрующего конуса со стенкой скважины для различных типоразмеров шарошечных буровых долот; разработана компьютерная твердотельная модель для проверки адекватности работы математической модели путём их сравнения; разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию конструкции зубчатого вооружения шарошечного бурового инструмента со смещёнными осями вращения шарошек. Исследования были проведены методом математического моделирования геометрических фигур и тел, соответствующих шарошкам и скважине. В результате исследований определено, что необходимо внести существенные коррективы в геометрию зубчатого вооружения шарошек (на данный момент патентуется), позволяющие на 15–20 % уменьшить площади площадок притупления периферийных венцов шарошек, а также обеспечить более длительный контакт основных и калибрующих конусов шарошек с поверхностью забоя и стенки скважины. Это позволит снизить повышенный износ зубьев вооружения в зоне перехода образующей от периферийного основного к калибрующему конусу шарошек и даст возможность зубчатому вооружению шарошек более длительный период времени сохранять требуемое удельное давление на разрушаемую породу, диаметр долота и, как следствие, обеспечит увеличение как механической скорости бурения, так и ресурса бурового инструмента.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.