Порівняльні характеристики способів буріння, що ґрунтуються на абразивній взаємодії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», Україна

Порівняльні характеристики способів буріння, що ґрунтуються на абразивній взаємодії

Аскеров Іслам Кушбалович

здобувач вищої освіти

факультету природничих наук і технологій

Науковий керівник:

Ігнатов Андрій Олександрович

канд. техн. наук, доцент

доцент кафедри нафтогазової інженерії та буріння

Анотація

породоруйнівний буровий інструмент сплав

В роботі показана суттєвість ролі вибійних руйнівних процесів з огляду на необхідність скорочення витрат на буровий інструмент. Доведено, що за певних геолого-технічних умов, застосування бурового інструменту, озброєного твердосплавним матеріалом є доцільним. Розглянуто деякі важливі фізико-механічні характеристики твердих сплавів, корегування яких дозволить розширити діапазон використання відповідного породоруйнівного інструменту та систем його техніко-технологічного супроводження. Висвітлено конструктивні принципи та переваги запропонованих схем виконання пристроїв для буріння свердловин, що базуються на максимальному використанні особливостей стану деформованого впливом куль вибою.

Ключові слова: твердий сплав, свердловина, гірська порода, пристрій для буріння, куля, вибій, частота обертання, швидкість.

Для забезпечення сталого інноваційного розвитку будь-якої з галузей сучасної промисловості, необхідно вирішити завдання створення та освоєння технічних засобів нових поколінь [1], які, неодмінно, дозволять багаторазово підвищити продуктивність праці, покращать її умови, суттєво знизять матеріальні витрати і будуть сприяти істотному підвищенню якості кінцевого результату [2]. Сказане, безперечно, можна повною мірою віднести і до такої важливої ланки виробництва, як спорудження свердловин [3].

Процеси спорудження свердловин багатогранні, проте для них виділяються декілька найважливіших складових, серед яких вирішальне місце займають фактори необхідності вдосконалення техніко-технологічних основ циклу руйнування масиву гірських порід [4], результативність якого, загалом, обумовлюється конструктивними і режимно-експлуатаційними особливостями застосовуваного інструменту (породоруйнівного) [5].

Різновидів породоруйнівного інструменту досить багато, як і перспективних шляхів його удосконалення [6]. Для породоруйнівного інструменту із озброєнням у вигляді надтвердих матеріалів природного та штучного походження, підходами модернізації і підвищення міри експлуатаційної придатності виступають прийоми застосування синтетичних алмазних композицій, що мають підвищену зносостійкість, та новітніх надтвердих матеріалів, відмінною рисою яких, серед інших важливих, є їх досить значна вартість. Вказана обставина не повинна бути недооцінена, оскільки витрати на породоруйнівний інструмент, у загальному балансі сумарної вартості спорудження свердловини, становлять до орієнтовних 20%, нерідко сягають 30%, а у виняткових випадках досягають 60% і декілька більше [7]. Представлення вказаних факторів в абсолютних цифрах було більш наочним, але це важко виконати, оскільки геолого-технічні умови спорудження свердловин, а отже і окремі показники фінансових витрат дуже різноманітні [8]. Саме тут необхідно підкреслити технологічну проблематику розглядуваного питання, яка полягає в присутності повністю об'єктивного явища значної витрати дорогих та дефіцитних матеріалів за буріння свердловин в масиві міцних і тріщинуватих гірських порід [9].

Деяким чином, із тією або іншою мірою дієвості, подолати вказаний недолік можна і потрібно за рахунок застосування в якості породоруйнівних елементів значно доступніших твердих металічних сплавів, прикладом яких є такі, групи ВК - це металокерамічні тверді сплави типу ВК3, ВК8, ВК15, ВК25 (у їх маркуванні літера В означає карбід вольфраму, а К - кобальт, цифра тут показує масову частку кобальту у відсотках) [10].

Уяву про основні фізико-механічні властивості твердих сплавів типу ВК можуть дати ілюстративні матеріли рис. 1, які містять деякі важливі відомості про структуру нами досліджених твердих сплавів.

Рис. 1. Основні фізико-механічні властивості твердих сплавів типу ВК

Охарактеризувати коротко механічні властивості [11] твердих сплавів типу ВК можна у такий спосіб: чим вище вміст кобальту (Co) в сплаві, тим менша його крихкість, хоча паралельно цьому дещо знижуються твердість і зносостійкість. Загалом твердість сплавів типу ВК планомірно збільшується внаслідок зростання вмісту карбіду вольфраму (WC), що підтверджується даними табл. 1; позитивно на останньому відбивається також і зменшення розмірів окремих зерен WC.

Таблиця 1. Механічні характеристики твердих сплавів типу ВК

Деформаційні характеристики [12] твердого сплаву знаходяться в повній залежності від рівня вмісту кобальту та безпосередньо розміру зерен вольфраму, а саме: при їх спільному збільшенні межа міцності твердого сплаву при згинанні підвищується. Збільшення вмісту кобальту забезпечує зростання опору твердого сплаву стиску, причому його максимум досягається за 6% рівня Co, потім він поступово знижується. Слід також зазначити, що дрібнозернисті сплави мають більш високу міцність на стиск, ніж крупнозернисті [13].

Тверді сплави типу ВК досить широко використовуються для армування бурового породоруйнівного інструменту, що підсумовано в табл. 2.

Таблиця 2. Рекомендації щодо застосування твердих сплавів для озброєнні породоруйнівного інструменту

Проведені дослідження показали, що тверді сплави із успіхом можуть бути використані не лише в якості композитів [14] для виготовлення різців бурових коронок і доліт, вони є ефективними і як абразивний матеріал спеціальних породоруйнівних куль [15].

Зазначений абразивний матеріал, у вигляді куль, виступає елементом озброєння пристроїв для буріння (рис. 1), що дозволяють споруджувати свердловини в складних геолого-технічних умовах, які викликають, серед іншого, інтенсивний знос і передчасний вихід з ладу стандартного породоруйнівного інструменту [16].

Пропонований до застосування пристрій абразивно-механічного буріння (рис. 2, а) складається з таких конструктивних елементів, як: 1 - керноприймач, 2 - породоруйнівне кільце, 3 - породоруйнівні кулі. Керноприймач 1 із вертикальними колекторними пазами 6, у нижній частині оснащений породоруйнівним кільцем 2 зі спеціальними крізними гніздами змінної висоти 4, що з'єднане з керновідривачем 5, в якому також виконано внутрішні колекторні пази 6 для розміщення куль 3. Крізні гнізда 4 і колекторні пази 6 керновідривача 5 та керноприймача 1 відповідно сполучені. Верхня частина керноприймача 1 з'єднана із гвинтовим двигуном 7 задля створення крутного моменту, що через перевідник 8 передається на керноприймач 1 і породоруйнівне кільце 2. Привід гвинтового двигуна, що складається з основних конструктивних вузлів 9 - гнучкого полого валу, 10 і 11 - металогумового статора та полого ротора відповідно, фланця 12, шліцьових роз'ємів 13, цангового клапана 14, пружини 15, циркуляційних каналів 16, ніпеля 17, здійснюється за допомогою промивальної рідини, яка циркулює в бурильній колоні.

а б

Рис. 2. Пристрої абразивно-механічного руйнування гірських порід при бурінні свердловин

На рис. 2. б наведено загальну схему пристрою абразивно-гідромеханічного ударного буріння, де 1 - корпус, 2 - струминний апарат, 3 - породоруйнівні кулі. Корпус 1 в нижній частині з'єднаний зі спеціальною коронкою 4, яка має деяку кількість наскрізних пазів 5, призначених для захоплення і утримання породоруйнівних куль 3. Верхня частина корпусу 1 жорстко з'єднана з гідроударником 6, який містить ковадло 7, шліцеві роз'єми 8, клапан 9, поршень 10, силові пружини 11 та 12, і призначений для створення ударних імпульсів, що передаються через корпус 1 на коронку 4. Привід гідроударника 6 здійснюється за гідравлічною схемою, прийнятою для раніше розглянутого пристрою абразивно-механічного буріння.

Для розглянутих пристроїв твердосплавні кулі виконують роль породоруйнівних елементів, які за певною схемою взаємодіють із гірським масивом та формують вибій та стовбур свердловини [17]. Саме їх значна зносостійкість забезпечить тривалий термін роботи пристроїв без необхідності заміни їх привибійних органів [18].

Дослідження елементарного процесу взаємодії породоруйнівних куль із вибоєм свердловини показали [19]: на характер протікання процесів формування означеної специфічної гірської виробки значною мірою впливає величина осьового навантаження на кулі, яке передається їм за допомогою привибійних органів у вигляді руйнівного кільця, частота обертання пристроїв та фізичний стан вибою споруджуваної свердловини [20], що і продемонстровано на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики процесу поглиблення свердловини, залежні від вибійних умов руйнування гірських порід

Якщо порівнювати між собою окремі значення швидкості поглиблення вибою досліджуваної свердловини, обумовлені варіацією різних факторів, можна констатувати наявність таких закономірностей: інтенсивність зростання швидкості поглиблення вибою свердловини в значно більшій мірі підпорядкована саме частоті обертання пристроїв, із збільшенням якої швидкість неухильно росте, про що додатково і свідчать дані рис. 3. Деформований стан вибою, який визначається наявністю на ньому руйнівних тріщин та нерівностей, викликаних активним впливом породоруйнівних куль, дозволяє отримувати порівняно значне зниження міцності гірського масиву та тим самим підвищувати швидкість поглиблення вибою.

Висновки

Проведено ґрунтовний огляд та аналіз факторів застосування твердих сплавів у практиці виконання бурових робіт. З'ясовано принципи побудови конструктивних схем пристроїв абразивно-механічного та абразивно-гідромеханічного ударного буріння. Доведено, що реалізація зазначених способів є доволі ефективною з позицій наявності взаємного впливу складових механізму формування вибою свердловини; особливого значення це набуває для процесів розвитку на вибої свердловини системи деформаційних порушень у вигляді тріщин, які суттєво скорочують рівень міцності гірського масиву. Отримані результати досліджень є базовими для подальших конструкторських й технологічних пошуків, та можуть бути покладені в основу створення ефективної технології буріння свердловин різного призначення з високими техніко-економічними показниками.

Список використаних джерел

1. Koroviaka, Y.A., Mekshun, M.R., Ihnatov, A.O., Ratov, B.T., Tkachenko, Y.S., & Stavychnyi, Y.M. (2023). Determining technological properties of drilling muds. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (2), 25-32. https://doi.org/10.33271/nvngu/2023-2/025.

2. Lopez, J.C., Lopez, J.E., & Javier, F. (2017). Drilling and blasting of rocks. CRC Press Taylor & Francis.

3. Aziukovskyi O.O., Koroviaka Ye.A., Ihnatov A.O. (2023). Drilling and operation of oil and gas wells in difficult conditions. Dnipro: Zhurfond. ISBN 978-966-934-402-1.

4. Ihnatov, A., Pashchenko, O., Koroviaka, Y., Semekhin, Y., Logvinenko, O., & Askerov, I. (2021). Some explanations of the impact mechanism on rocks when drilling wells. Collection of Research Papers of the National Mining University, 66, 177-192. https://doi.org/10.33271/crpnmu/66.17.

5. Zhang, Z.-X. (2016). Rock Fracture and Blasting: Theory and Applications. Elsevier Science & Technology Books.

6. Ihnatov, A., Koroviaka, Y., Rastsvietaiev, V. & Tokar, L. (2021). Development of the rational bottomhole assemblies of the directed well drilling. Gas Hydrate Technologies: Global Trends, Challenges and Horizons - 2020, E3S Web of Conferences 230, 01016 (2021). Retrieved from https://doi.org/10.1051/e3sconf/202123001016.

7. Ihnatov, A., & Askerov, I. (2022). Study the possibilities of application impact pulses in construction of wells. Collection of Research Papers of the National Mining University, 69, 206-2017. https://doi.org/10.33271/crpnmu/69.206.

8. Pavlychenko, A.V., Ihnatov, A.O., Koroviaka, Ye.A., Ratov, B.T., Zakenov, S.T. (2022). Problematics of the issues concerning development of energy-saving and environmentally efficient technologies of well construction. ICSF-2022. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 1049 (2022) 012031. https://doi.org/10.1088/1755- 1315/1049/1/012031.

9. Mukerji, T., Dvorkin, J., & Mavko, G. (2019a). Rock Physics Handbook. University of Cambridge ESOL Examinations.

10. Callister, W.D. (2003). Materials Science Engineering (6-te vyd.). John Wiley & Sons Inc.

11. Rao, T.D.G., & Andal, M. (2018). Strength of Materials: Fundamentals and Applications. Cambridge University Press.

12. Bansal, R.K. (2020). Strength of materials. Publisher: Laxmi Publications.

13. Mackay, N.M. (2020). Theory of physics. Publisher: Independently published.

14. Ihnatov, A., Ratov, B., Tkachenko, Y., Shypunov, S., & Vetoshka, S. (2022). Development of methodological and constructive foundations for drilling wells using new types of bits. Collection of Research Papers of the National Mining University, 69, 218-230. https://doi.org/10.33271/crpnmu/69.218.

15. Ihnatov, A.O., Koroviaka, Y.A., Haddad, J., Tershak, B.A., Kaliuzhna, T.M., & Yavorska, V.V. (2022). Experimental and theoretical studies on the operating parameters of hydromechanical drilling. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 20-27. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-1/020.

16. Ihnatov, A. (2021). Analyzing mechanics of rock breaking under conditions of hydromechanical drilling. Mining of Mineral Deposits, 15(3), 122-129. https://doi.org/10.33271/mining15.03.122.

17. Hossain, M.E. (2016). Fundamentals of Drilling Engineering. John Wiley & Sons, Inc. https://doi.org/10.1002/9781119083931.

18. Ihnatov, A.O. (2020). Do pytannia vyznachennia vybiinykh robochykh kharakterystyk prystroiv hidromekhanichnoho burinnia. Instrumentalne materialoznavstvo, (23), 78-88.

19. Ihnatov, A.O., Haddad, J., Stavychnyi, Y.M., & Plytus, M.M. (2022). Development and Implementation of Innovative Approaches to Fixing Wells in Difficult Conditions. Journal of The Institution of Engineers (India): Series D. https://doi.org/10.1007/s40033-022-00402-5.

20. Ihnatov, A.O., Koroviaka, Y.A., Pinka, J., Rastsvietaiev, V.O., & Dmytruk, O.O. (2021). Geological and mining-engineering peculiarities of implementation of hydromechanical drilling principles. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (1), 11-18. https://doi.org/10.33271/nvngu/2021-1/011.

Размещено на Allbest.ru