Теоретические исследования характера и условий взаимодействия с забоем тыльных и периферийных конусов шарошек бурового долота со смещенными осями вращения

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.

1. Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота. Справочник. 3-е изд. М.: Недра; 1971. 445 с.

2. Масленников И.К., Матвеев Г.И. Инструмент для бурения скважин. Справочное пособие. М.: Недра; 1981. 335 с.

3. Шигин А.О., Гилев А.В., Шигина А.А. Напряжения и стойкость шарошечных долот при бурении сложноструктурных массивов горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013;(4):325–333.

4. Сериков Д.Ю., Пиканов К.А. Методика определения положения мгновенной оси вращения шарошки бурильного инструмента. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2014;(5):20–22.

5. Warran T.M. Penetration-rate performance of roller-cone bits. SPE Drilling & Completion. 1987;2(01):9–18. https://doi.org/10.2118/13259-PA

6. Hamrick T.R. Optimization of operating parameters for minimum mechanical specific energy in drilling. [Dissertation of Doctor of Philosophy.] Morgantown, West Virginia. 2011. 147 p.

7. Hea W., Chen Y., He J., Xiong W., Tang T., OuYang H. Spherical contact mechanical analysis of roller cone drill bits journal bearing. Petroleum. 2016;2(2):208–214. https://doi.org/10.1016/j.petlm.2016.03.002

8. Агошашвили Т.Г. Качественный анализ величин скольжений в долотах со смещенными осями шарошек. В: Научные труды ВНИИБТ «Теория и техника бурения». 1967. Вып. 17. С. 144–154.

9. Близнюков В.Ю., Сериков Д.Ю. Шарошечное буровое долото со сфероконическими шарошками. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2020;(5):28–32. https://doi. org/10.33285/0130-3872-2020-5(329)-28-32

10. Богомолов Р.М. Методы повышения эффективности разрушения горных пород при бурении шарошечными долотами. [Дис… докт. техн. наук]. М.: НПО «Буровая техника»; 2001. 434 с.

11. Стеклянов Б.Л. Повышение эффективности породоразрушающих буровых инструментов на основе сравнительного анализа кинетических характеристик их вооружения. [Дис. … докт. техн. наук]. М.; 1988. 393 с.

12. Повалихин А.С., Близнюков В.Ю. Освоение инновационных технологий строительства скважин на основе опорно-технологического бурения. Инженер-нефтяник. 2014;(2):5–9. URL: http://www. ids-corp.ru/files/oil_engineer/pdf/in2014-2.pdf

13. Быков И.Ю., Смирнов А.Л., Борейко Д.А. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндрических образцов с искусственными дефектами. Инженер-нефтяник. 2013;(1):40–43. URL: http://www.ids-corp.ru/files/oil_engineer/pdf/in2013-1.pdf

14. Богомолов Р.М., Носов Н.В. Буровой инструмент. Энциклопедия изобретений. В 2–х частях. М.: Инновационное машиностроение; 2015. 826 с.

15. Богомолов Р.М., Сериков Д.Ю. Совершенствование вооружения шарошечного бурового долота. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2018;(5):24–28. https://doi.org/10.30713/1999- 6934-2018-5-24-28