Влияние крутильных и продольных колебаний на скорость бурения и образование поломок режущих элементов буровых долот, армированных PDC

Abstract

Актуальность. В настоящее время для сооружения скважин на нефть и газ наиболее эффективным инструментом являются долота, армированные пластинами PDC (polycrystalline diamond cutters). Такие долота работают по принципу резания–скалывания, так как из всех механизмов разрушения породы резание является наиболее эффективным по причине того, что прочность породы на растяжение и скол значительно меньше её прочности на сжатие. Анализ состояния отработанных буровых долот, армированных пластинами PDC, показывает, что они отрабатывают свой ресурс не полностью, так как часть режущих PDC элементов выходит из строя по причине скола. Многообразие форм сколов по форме и размерам требует провести классификацию, выявить причину появления и определить нагрузки, приводящие к их возникновению. Кроме того, слом пластин или их потеря в значительной степени сказываются на конечных технико-экономических показателях бурения разведочных и эксплуатационных скважин. Решение вопросов повышения качества долот путем уменьшения числа поломок будет способствовать повышению экономической эффективности работ при добыче и разведке полезных ископаемых. Целью исследования является определение размеров площадок скола пластин PDC для дальнейшей классификации в зависимости от толщины срезаемого слоя породы, причин возникновения крутильных и продольных колебаний в бурильной колонне, вызывающих поломки PDC, а также разработка конструкции бурового долота, армированного пластинами PDC, предупреждающего появление автоколебаний в бурильной колонне. Объекты: режущие элементы буровых долот, армированных пластинами PDC с плоской передней гранью и PDC с выпуклой передней гранью, сколы пластин PDC на буровых долотах, возникающие в процессе бурения скважин. Методы: экспериментально-аналитический метод исследования на лабораторных образцах и на отработанных буровых долотах, армированных пластинами PDC. Результаты. На основании анализа и обобщения результатов выполненных лабораторных исследований причин возникновения поломок пластин PDC и их характера разработан ряд технических и технологических решений, предупреждающих возникновение крутильных и продольных автоколебаний в бурильной колонне и повышающих эффективность породоразрушающего инструмента, армированного пластинами PDC.

The relevance. Currently, for construction of oil and gas wells, the most effective tool are bits reinforced with PDC (polycrystalline diamond cutters). These bits work on cutting-chipping principle, as the cutting is the most effective among all the mechanisms of rock destruction, due to the fact that the tensile strength of the rock and chipping is much less than its compressive strength. The analysis of the state of spent drill bits reinforced with PDC plates shows that they work out their life not fully, as a part of the cutting PDC elements fails due to chipping. The variety of forms of chips in shape and size requires classification, identification of the reasons of occurrence and determination of loads that lead to their occurrence. In addition, the scrapping of plates or their loss significantly affects the final technical and economic performance of drilling exploration and production wells. Solving the issues of improving the quality of bits by reducing the number of breakdowns will help to improve the economic efficiency of work in extraction and exploration of minerals. The aim of the study is the sizing platform chips for possible classification depending on the thickness of the shear layer of rock cutting element, and determining the causes of torsional and longitudinal vibrations in the drill string, causing breakage of the PDC offered a constructive change of drill bits reinforced PDC plates, warning the appearance of self-oscillations in the drill string. Objects: cutting elements of drill bits reinforced with PDC plates with a flat front face and PDC with a convex front face, chips of PDC plates on drill bits arising during drilling. Methods: experimental and analytical method of research on laboratory samples and on spent drill bits reinforced with PDC plates. Result. Based on the analysis and generalization of the results of the laboratory studies of the PDC plate breakdown occurrence causes and their nature the authors have developed the number of technical and technological solutions that prevent the occurrence of torsional and longitudinal self-oscillations in the drill string, and increase the efficiency of rock-cutting tools reinforced with PDC plates.