CC BY
14БУРЕНИЕ
УДК 622.24(075.8)
А.Н. Попов1; О.Б. Трушкин1, e-mail: [email protected]
1 ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (Уфа, Республика Башкортостан, Россия).
Согласование типа, диаметра и числа лопастей долот PDC с прочностью горных пород в кодах Международной ассоциации буровых подрядчиков
Классификационные коды буровых долот по системе Международной ассоциации буровых подрядчиков (МАБП; code IADC) существенно упростили идентификацию инструментов, изготавливаемых различными фирмами. Основу кода составляют три цифры. Первая цифра кода долот с алмазно-твердосплавным вооружением (долот PDC) соответствует максимальной прочности горных пород при одноосном сжатии (UCS), для которых предназначено долото. Для шарошечных долот это первые две цифры кода. Для выбора буровых долот нужен единый обобщенный показатель, характеризующий прочностные свойства горной породы и область применения долот. В статье предложено характеризовать прочность горной породы в кодах МАБП, соответствующих буровым долотам, приведены зависимости прочности горных пород в кодах от прочности при одноосном сжатии и соответствующая номограмма выбора типов долот PDC. Известно, что число лопастей долота PDC зависит не только от прочности горной породы, но и от диаметра долота. Получены уравнения регрессии, связывающие число лопастей долота с верхним значением прочности в кодах горной породы рассматриваемого интервала бурения при уровне значимости 2,5 % и с диаметром долота. Последовательность выбора: по среднему и верхнему значениям прочности в кодах горной породы с использованием номограммы установить код типа долота, соответствующего горной породе, затем рассчитать число лопастей для выбранного долота в соответствии с диаметром долота и верхним значением прочности горной породы в кодах по уравнениям регрессии.
Ключевые слова: долота PDC, прочность горной породы, коды МАБП, диаметр долота, число лопастей долота.
A.N. Popov1; O.B. Trushkin1, e-mail: [email protected]
1 State educational institution of higher education «Ufa State Petroleum Technological University» (Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).
Coordination of the Type, Diameter and Number of Blades of PDC Bits with Rock Strength in IADC Codes
The IADC drill bit classification code has greatly simplified the identification an drilling instruments, manufactured by different companies. Three numerals forms is the base of the code. The first numeral of the PDC bits code corresponds to maximum unconfined compression strength (UCS) of the formations, for which the bit is intended, and for the roller cone bits it is the two first numeral of the code. Choice of bits needed united generalized factor, characterizing rock formations strength and area of bits applications. In the article it is suggested to characterize the strength of the rock in the IADC codes corresponding to the drill bits, the dependences of rock strength in codes from strength under uniaxial compression are given and the corresponding nomogram of selection of PDC bit types. It is known that number of the blades of PDC bit depends not only from UCS of the rock formations, but and from bit diameter. Regression equations are obtained that interfacing the number of bit blades with the upper strength value of the rocks of the drilling interval, expressed in the codes, under consideration at a significance level of 2.5 % and with a bit diameter. The sequence of the bit choice is to: determine of the bit type according to nomogram in correspondence with average and upper quantity of rock formations strength, expressed in code IADC, then calculate the number of the blades for chosen bit in accordance with bit diameter and upper quantity of the rock formations strength, expressed in code IADC, on equations of the regressions.
Keywords: PDC bits, rock formations strength, IADC codes, diameter of the bit, number of the bit blades.
Предложенная Международной ассоциацией буровых подрядчиков (МАБП) единая система кодирования буровых долот существенно упростила идентификацию инструментов, изготавливае-
мых различными фирмами.Основу кода составляют три цифры. Первая цифра кода долот с алмазно-твердосплавным вооружением (долот PDC) соответствует максимальной прочности горных пород
при одноосном сжатии, для которых предназначено долото. Для шарошечных долот это первые две цифры кода. В отечественной практике основное применение получило определение
20
№ 10 октябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DRILLING
твердости горных пород методом статического вдавливания штампа. Оба показателя - и прочность при одноосном сжатии, и твердость по штампу - являются прочностными, но определяются они при разном напряженном состоянии горной породы. В первом случае напряженное состояние простое, а во втором случае - сложное. Кроме того, на корреляцию между этими показателями влияют пористость и коэффициент Пуассона горной породы, а также масштабный эффект [1, 2]. Повышение точности принятия технических решений требует использования соответствующих характеристикам долот методов измерения показателей механических свойств горных пород. Для выбора буровых долот нужен единый обобщенный показатель, характеризующий прочностные свойства горной породы и область применения долот. Таким показателем может быть прочность горной породы, выраженная в кодах МАБП. В табл. 1 приведена одна из прочностных классификаций горных пород по системе МАБП. Границы прочностных групп горных пород при одноосном сжатии соответствуют верхним границам областей применимости буровых долот. Но единого обозначения групп горных пород и разных по конструкции долот нет. Преобразуем табл. 1 так, чтобы группы горных пород соответствовали обозначениям буровых долот по системе МАБП. Результаты преобразования представлены в табл. 2, из которой становится очевидным, что обозначения разных долот для горных пород одинаковой прочности разные, а для горных пород нужна единая система. В качестве такой системы предлагается использовать порядковый номер кода с шагом, равным шагу кодов шарошечных долот, как это показано в четвертой колонке таблицы. Особенностью долот PDC является то, что в пределах группы с одним кодом по мере увеличения прочности горных пород и диаметра долота увеличивается число лопастей долота.
Таблица 1. Классификация горных пород по системе Международной ассоциации буровых подрядчиков
Table 1. Classification of rocks according to the International Association of Drilling Contractors
Группа горных пород асж, kpsi асж, МПа
Group of rocks асж, kpsi асж, MPa
Очень слабые До 10 До 69
Very soft Up to 10 Up to 69
Слабые Soft >10...24 >69...165
Средние Medium >24...32 >165...220
Прочные Hard >32...42 >220...290
Очень прочные Very hard >42...50 >290...345
Суперпрочные Super hard >50 >345
Методом регрессии нетрудно показать, что прочность горной породы Н в кодах МАБП линейно зависит от ее прочности на одноосное сжатие. При измерении прочности породы в kpsi зависимость
Н от осж имеет вид:
Н = 0,384 о
а при измерении в МПа:
(1)
величины Н горной породы взяты по
втах
верхним границам групп, т.е. равными
H
■ 4Н,
д
(3)
где Нд - первая цифра кода долота. Верхняя граница диапазона прочности горной породы рассматриваемого интервала бурения рассчитывается по формуле
Н = 0,0556 о,
(2) Нв
: Н + tS,
ср
(4)
при этом коэффициент детерминации ^ > 0,99.
Рассмотрим особенности выбора на примере долот РОС с использованием показателя прочности горной породы в кодах МАБП. Долота РОС, первая цифра кода которых 1, применяются в горных породах с прочностью до 4 кодов включительно. Долота РОС, первая цифра кода которых 2, применяются в горных породах с прочностью до 8 кодов включительно. Долота РОС, первая цифра кода которых 3, применяются в горных породах с прочностью до 12 кодов включительно. Долота РОС, первая цифра кода которых 4, применяются в горных породах с прочностью до 16 кодов включительно. При построении номограммы для определения первой цифры кода долота РОС
где Нср - среднее арифметическое, а s - среднеквадратическое отклонение прочности горной породы; t - параметр распределения Стьюдента с вероятностью 0,95. В приближенных расчетах можно принять t = 2. В технической литературе только для долот РОС НПП «БУРИНТЕХ» имеются данные о границах областей применимости долот в категориях. При этом отношения Н /Н составляют:
в' ср
• для долот с первой цифрой кода 1 -0,62;
• для долот с первой цифрой кода 2 -0,63;
• для долот с первой цифрой кода 3 -0,75;
• для долот с первой цифрой кода 4 -0,81.
Ссылка для цитирования (for citation):
Попов А.Н., Трушкин О.Б. Согласование типа, диаметра и числа лопастей долот PDC с прочностью горных пород в кодах Международной ассоциации буровых подрядчиков // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 10. С. 20-23.
Popov A.N., Trushkin O.B. Coordination of the Type, Diameter and Number of Blades of PDC Bits with Rock Strength in IADC Codes (In Russ.). Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 10, P. 20-23.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 10 october 2017
21
БУРЕНИЕ
Таблица 2. Прочность горных пород в кодах Международной ассоциации буровых подрядчиков и при одноосном сжатии и соответствующие коды вооружения долот
Table 2. Strength of rocks in the codes of the International Association of Drilling Contractors under uniaxial compression and the corresponding bit cutting structure codes
Коды шарошечных долот Code IADC Коды долот PDC PDC bit codes Прочность горной породы Н, коды Strength of the rock H, codes Прочность горной породы асж, МПа Strength of the rock асж, MPa
1-го класса 1st class 2-го класса 2nd class
- - - 0 0
11 - 1 1
12 - 1 2
13 - 1 3
14 - 1 4 69
21 41 2 5
22 42 2 6
23 43 2 7
24 44 2 8 165
31 51 3 9
32 52 3 10
33 53 3 11
34 54 3 12 220
- 61 4 13
- 62 4 14
- 63 4 15
- 64 4 16 290
- 71 - 17
- 72 - 18
- 73 - 19
- 74 - 20 345
- 81 - 21
- 82 - 22
- 83 - 23
- 84 - 24
В [3] было показано, что в одном и том же интервале бурения долота с меньшим числом лопастей показывают более высокую механическую скорость бурения, но несколько уступают по проходке на долото долотам с большим числом лопастей.
В соответствии с данными о долотах соответствующих изготовителей [5-8] был выполнен регрессионный анализ и получены следующие зависимости числа лопастей z от диаметра долота D в мм и от прочности H горной породы
втах
в кодах МАБП, определяемой по формуле (3). Для долот ОАО «Волгабурмаш» эта зависимость имеет вид:
z = 0,0120D + 0,395 H ; (5)
втах
для долот фирмы Hughes Christensen: z = 0,455 H + 2,588. (6)
втах
Формула (6) получена при осреднен-ном диаметре долот в диапазоне 171,5311,1 мм.
НПП «БУРИНТЕХ» выпускает два вида инструментов: базовую конструкцию и конструкцию с опциями «Т» и «У», оснащенную резцами повышенной прочности и износостойкости. Соответственно, зависимости z от D и H разные:
втах
• для базовой конструкции:
z = 0,00632D + 0,412 H ; (7)
втах
• для конструкций с опциями «Т» и «У»:
z = 0,04430 + 0,320 H
(8)
Используем эти данные для расчета средних значений прочности горных пород в кодах для построения номограммы выбора долота PDC. Методика построения таких номограмм подробно изложена в [3]. Вид номограммы приведен на рис. 1. Ключ к номограмме прорисован пунктиром. Например, средняя прочность породы Нср = 5,8 кода, а для верхнего значения прочности породы имеем два случая: 1) H = 7,5 кода: 2) H = 10 кодов. Из рис. 1 видно, что в первом случае следует выбрать и долото с кодом 2, а во втором - с кодом 3. Кроме того, из рис. 1 видно, что области применимости долот перекрываются незна-
чительно, что делает расчет среднего значения прочности не обязательным, можно использовать только верхнее значение прочности породы. Этот выбор не является окончательным. Ранее нами было отмечено, что число лопастей долота РОС зависит не только от прочности горной породы, но и от диаметра долота. На рис. 2 представлены данные, соответствующие «Номенклатуре алмазных долот НПП «БУРИНТЕХ» [4, 5], в соответствии с которыми чем больше прочность горной породы,тем большее число лопастей должно иметь долото. Кроме того, чем больше диаметр долота, тем больше число лопастей (на рис. 2 это обусловило разброс точек).
Во всех случаях коэффициент детерминации R2 > 0,97.
При определении числа лопастей долот для конкретных условий бурения в формулы (5)-(8) следует подставлять не предельное верхнее значение прочности горной породы Н , а Н, рассчи-
втах в
танное по формуле (4). В приведенном примере было выбрано долото, у которого первая цифра кода 3. Полный код МАБП долота, например, S322. Пусть диаметр долота составляет 200 мм. Верхнее значение прочности горной породы составляло 10 кодов (рис. 1). Тогда долото НПП «БУРИНТЕХ» должно в соответствии с (7) иметь
22
№ 10 октябрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
DRILLING
x >>
о. (Л
о а» ° 'S
m о
з*
ы со
о н о
о ■=С
4 —
3
? -r-
1 _ 1
« 1 Bl, H*
20
Прочность горной породы Н, код Strength of the rock H, codes
V)
ь ®
о -a ч re
а*
>s .а
aj -Q h <u gí
i'ö
_ J—
o a)
^ -Q
2 в
10 8 6 4 2
0 4 8 12 16 20 Прочность горной породы в кодах МАБП Strength of rocks in the codes of the International Association of Drilling Contractors
Рис. 1. Номограмма выбора кода долота PDC по прочности горной породы Рис. 2. Зависимость числа лопастей долота от прочности горной
в кодах породы
Fig. 1. Nomogram of selection of the PDC bit code by the rock strength in the codes Fig. 2. Dependence of number of the bit blades from the rock strength
z = 0,00632.200 + 0,412.10 = 5,38 = 6 лопастей.
Долото ОАО «Волгабурмаш» должно в соответствии с (5) иметь z = 0,0120.200 + 0,395.10 = 6,35 = 7 лопастей.
Долото Hughes Christensen должно в соответствии с (6) иметь z = 2,588 + 0,455.10 = 7,14 = 8 лопастей. Из расчета видно, что различные фирмы для одних и тех же пород могут рекомендовать долота с разным, хотя и близким, числом лопастей. Это
может быть обусловлено как использованием различных по прочности и износостойкости резцов, так и целями, которые преследует изготовитель для обеспечения конкурентоспособности инструмента. Например, НПП «БУРИНТЕХ» преследует цель обеспечить высокую механическую скорость проходки при достаточной стойкости долот и, соответственно, проходки на долото, а фирма Hughes Christensen - высокую стойкость и, соответственно, высокую проходку
на долото, но при пониженной механической скорости бурения.
ВЫВОДЫ
1. Предложен обобщенный показатель прочности горной породы для выбора вооружения буровых долот в кодах МАБП.
2. Обоснован метод выбора типа вооружения и числа лопастей долот РОС в соответствии с величиной их диаметра и прочностью горных пород в кодах МАБП.
Литература:
1. Попов А.Н., Трушкин О.Б., Булюкова Ф.З. Согласование прочности и твердости горных пород при выборе буровых долот // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2016. № 1. С. 19-23.
2. Разрушение горных пород: Учеб. пособие / А.Н. Попов, Б.Н. Трушкин, О.Б. Трушкин. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. 138 с.
3. Трушкин О.Б., Попов А.Н. Выбор долот PDC в соответствии с твердостью и абразивностью горных пород // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 6. С. 34-38.
4. Буровой породоразрушающий инструмент: Международный транслятор-справочник. В 2-х т. Т. 2. Долота с фиксированными алмазосодержащими резцами / Под ред. В.Я. Кершенбаума. М.: ООО «Национальный институт нефти и газа», 2011. 448 с.
5. Каталог «Волгабурмаш»: буровые долота, калибраторы, центраторы. Самара: Волгабурмаш, 2008. 50 с.
6. Каталог «Буринтех». Уфа: Буринтех, 2014. 90 с.
7. Каталог буровых долот Hughes Christensen [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://assets.www.bakerhughes.com/system/033ecb74a96d4b9 bf3397d7497ad3c97_hcc-09-27494_vanguard-product-brochure.pdf (дата обращения: 24.10.2017).
References:
1. Popov A.N., Trushkin O.B., Bulyukova F.Z. Matching of Strength and Hardness of Rocks at the Selection of Drill Bits. Stroitelstvo neftyanykh i gazovykh skvazhin na sushe i na more = Construction of Oil and Gas Wells on Land and Sea, 2016, No. 1, P. 19-23. (In Russian)
2. Popov A.N., Trushkin B.N., Trushkin O.B. Alteration of Rocks. Educational Guidance. Ufa: Publishing House of Ufa State Petroleum Technological University, 2016, 138 p. (In Russian)
3. Trushkin O.B., Popov A.N. Choice of the PDC Bits in Accordance with Hardness and Abrasions of the Formations. Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 6, P. 34-38. (In Russian)
4. Kershenbaum V.Ya. Drilling Rock-destroying Tool. International Translator-handbook. In 2 books. Book 2. Bits with Fixed Diamond Containing Cutters. Moscow: National Institute of Oil and Gas LLC, 2011, 448 p. (In Russian)
5. The Volgaburmash Catalog: Drill Bits, Calibrators, Centrators. Samara: Volgaburmash, 2008, 50 p. (In Russian)
6. The Burintekh Catalog. Ufa: Burintekh, 2014, 90 p. (In Russian)
7. Catalog of the Drill Bits Hughes Christensen [Electronic source]. Access mode: https://assets.www.bakerhughes.com/system/033ecb74a96d4 b9bf3397d7497ad3c97_hcc-09-27494_vanguard-product-brochure.pdf (Access date: 24.10.2017).
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 10 october 2017
23
