Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Характеристика инструмента и процесса фрезерования аварийных объектов в скважине и основные требования к инструменту 9
1.2.Анализ результатов работ в области исследования скважинного фрезерного инструмента 26
1.3.Обзор исследований, посвященных изучению процессов, протекающих в системе инструмент-разрушавмый объект 34
1.4.Постановка задачи исследования 44
ГЛАВА 2.РАЗРАБ0ТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФРЕЗЕРНОГО ИНСТРУМЕНТА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ СЛОЖНЫХ РЕМОНТНЫХ РАБОТ
2.1. Выбор методов оценки тепловых параметров в процессе работы инструмента на забое 50
2.2.Моделирование процесса работы скважинных фрезеров и методика определения масштабных коэффициентов подобий 66
2.3.Методика и стенд для исследования тепловых процессов при фрезеровании 77
ГЛАВА З.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛШЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РЕМОНТА СКВАЖИН ФРЕЗЕРОВАНИЕМ И ПО -ВЫШЕНИЕМ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ФРЕЗЕРНОГО ИНСТРУМЕНТА
3.1. Аналитическое определение количества тепла, возникающего на рабочей поверхности фрезерного инструмента типа ФЗ 96
3.2.Исследование стационарной температуры, возникающей в процессе работы фрезерного инструмента типа ФК 105
3.3.Экспериментальные исследования влияния основных параметров фрезерования на эффективность работы инструмента 114
3.4.Экспериментальное исследование влияния расхода промывочной жидкости на показатели работы фрезерного инструмента 119
3.5.Экспериментальное исследование по усовершенствованию системы промывки фрезерного инструмента 123
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ ФРЕЗЕРОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ СЛОЖНЫХ УСЛОВИЙ РЕМОНТА СКВАЖИН
4.1. Разработка новых технических решений и конструкций фрезерного устройства 130
4.2.Оптимизация работы нового забойного инструмента при повышенных параметрах фрезерования 138
4.3.Промышленные испытания и определение эффективности предложенной конструкции 152
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Акт и Протокол приемочных испытаний нового фрезерного инструмента 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Расчет годового экономического эффекта от внедрения нового фрезерного инструмента 185
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчет снижения температуры фрезерования в
результате испарения частиц промывочно-охлаж дающей жидкости 192
- Характеристика инструмента и процесса фрезерования аварийных объектов в скважине и основные требования к инструменту
- Выбор методов оценки тепловых параметров в процессе работы инструмента на забое
- Аналитическое определение количества тепла, возникающего на рабочей поверхности фрезерного инструмента типа ФЗ
- Разработка новых технических решений и конструкций фрезерного устройства
Характеристика инструмента и процесса фрезерования аварийных объектов в скважине и основные требования к инструменту
Как указывалось выше, одной из причин, снижающих эффективность бурения и эксплуатации скважин, являются аварии. На ликвидацию аварий в эксплуатационных и бурящихся скважинах и их последствий затрачивается значительное количество средств [4.1].
Возникновение аварий происходит, в основном, по следующим причинам:
несоответствие техники бурения и эксплуатации скважин геологическим, и гидродинамическим условиям;
нарушение технологических режимов бурения и эксплуатации скважин (превышение допустимой частоты вращения инструмента, резкие изменения количества и качества промнвочно-охлаждающей жидкости, создание больших перепадов на пласт и др.);
применение оборудования, инструментов и приспособлений низкого качества изготовления и с конструктивными недостатками;
несоответствие типов оборудования, инструментов и приспособлений условиям их эксплуатации.
Ликвидация аварий в скважинах часто сопровождается разрушением аварийных металлических объектов. Наиболее распространенными способами разрушения являются:
а) механический, основанный на разрушении объекта, вызвавшего аварию, т.е. его фрезерованием, гидропескоструйным спо - 10 -с обом, взрывом и др.;
б) химический, основанный на растворении объекта высоко активным химическим веществом;
в) термический, основанный на расплавлении или разрушении
аварийного объекта за счет создания высоких температур и др. Анализ способов разрушения металлических объектов в скважинах показывает, что по технико-экономическим показателям и простоте применения наиболее эффективным является механический способ разрушения. Распространенной разновидностью этого способа является фрезерование. Ежегодно около 15...20 всех капитальных ремонтов эксплуатационных скважин связано с ликвидацией аварий и с фрезерованием [5.1].
Фрезерование в стволе скважины представляет собой процесс непрерывного снятия с аварийного предмета тонких слоев стружки металла и последовательного ее удаления с забоя.на дневную поверхность промывочно-охлаждащей жидкостью (рис.1.1). Фрезеры при работе на забое не только снимают слои металла в виде струж-ки,но у отламывают от фрезеруемых объектов небольшие Kjm металла различной формы и размеров. Легкие частицы выносятся на поверхность из скважины промывочной жидкостью, а.тяжелые - оседают на забое и подвергаются повторному разрушению.
Выбор методов оценки тепловых параметров в процессе работы инструмента на забое
. При исследовании тепловых процессов, протекающих при фрезеровании в стволе скважины, необходимо правильно оценить в зоне контакта температуру, инструмент - обрабатываемый объект.
Это позволит:
правильно сформулировать основы теории структурно-фазовых изменений и износа поверхностей инструмента, определить характер разрушения режущих кромок в различных условиях работы в скважине;
обоснованно выбрать материал инструмента, исходя из условий его работы;
сформулировать требования к свойствам новых материалов для инструмента, обеспечивающих его наибольшую эффективность;
разработать инструмент с более рациональной системой охлаждения.
Существующие современные и классические методы определения температуры в зоне контакта в основном разработаны для условий бурения и резания металлов.
Информация применительно к работе скважинных фрезеров в литературе нами не найдена.
Основные закономерности тепловыделения и его распространения при механической обработке металлов, бурении и фрезеровании в стволе скважины, как было отмечено выше (п.п. І.І...1.3), в известной мере носят идентичный характер.
Поэтому при выборе метода оценки контактной температуры фрезерования в стволе скважины можно частично использовать известные методы, применяемые при резании металлов и бурении скважин.
Ниже рассмотрены наиболее характерные методы определения контактной температуры и возможность их использования в наших исследованиях.
Температура нагрева инструмента, возникающая при обработке металлов и разрушении пород, может быть определена теоретически и экспериментально.
Вопросам определения температуры, при бурении и резании металлов посвящены многочисленные исследования. Для анализа разделим эти исследования в зависимости от методов на:
1. Теоретические и расчетные методы, основанные на:
составлении и решении уравнения теплового баланса рассматриваемого процесса;
решении дифференциального уравнения теплопроводности в частных производных;
применении теории подобия к задачам теплотехники; использовании метода источников.
Аналитическое определение количества тепла, возникающего на рабочей поверхности фрезерного инструмента типа ФЗ
В предыдущих главах отмечалось существенное влияние температурного фактора на эффективность работы фрезерного инструмента.
Исследование температуры, возникающей в зоне резания и закономерности ее распределения между элементами фрезерования дает возможность определить наиболее оптимальную конфигурацию режущей кромки и рациональную схему системы охлаждения, что привело бы к повышению износостойкости, производительности и надежности фрезеров. В процессе фрезерования распространение образовавшегося нг поверхностях фрезер-металл тепла может быть описано двумя уравнениями: теплового баланса и теплопроводности.
Расчет баланса теплоты между телами инструмента, обрабатываемого металла и стружки необходим не только при анализе процесса резания, но и для изучения трения движущихся тел.» Сочетание этих процессов составляет сущность фрезерования в стволе скважины [7.\3]. Исходя из вышеизложенного, на основе исследований распределения температур и тепловых потоков при резании {4.II, 4.13] были сделаны следующие предположения:
теплота, эквивалентная работе деформации, выделяется вдоль плоскости сдвига; теплота, эквивалентная работе трения и выглаживания, выделяется на площадках контакта между стружкой и передней гранью зерна, между стружкой и связывающим материалом и между фрезеруемым изделием и задней поверхностью режущих зерен;
Теплообмен стружки с охлаждающей средой как при работе с охлаждением так и без охлаждения незначителен.1 Теплообмен фрезера и фрезеруемого металла с окружающей средой при работе без охлаждения также небольшой;
теплоотвод за счет парообразования невелик (обоснование -смліриложение 3);
теплофизические характеристики композиционных материалов (армированной - режущей части фрезера) и фрезеруемого металла принимаются постоянными и независимыми от температуры. Тогда для условий фрезерования уравнение теплового баланса можно представить в виде
Разработка новых технических решений и конструкций фрезерного устройства
Объектами фрезерования в скважине являются оставленные там буровые долота, УБТ, бурильные трубы, чугунные пробки, насосно-компрессорные трубы, перфораторы, замки, переводники и др., а также обломки металла, скопившиеся на забое скважины при бурении. По конфигурации эти аварийные объекты можно разделить на объекты, требующие сплошного разфрезерования, например такие как сильно деформированные предметы, скопившиеся на забое,и частично оплошно-гр фрезерования; например, такие как зацементированные трубы. На практике чаще встречаются объекты, требующие частично сплошного разбуривания металла. Общая высота застрявших в стволе скважины аварийных металлических объектов в ряде случаев достигает сотни метров. Для того, чтобы фрезер позволил ОЧИСТИТЬ СТЕОЛ скважины при наименьших затратах времени, его конструкция, в зависимости от формы аварийных объектов, должна иметь:
режущие элементы такой конфигурации, которая бы обеспечила равномерное распределение на их режущих поверхностях передаваемой нагрузки;
систему охлаждения и подвода промывочно-охлаждающей жидкости непосредственно в зону резания, обеспечивающую эффективное удаление образующейся стружки и отвод тепла от зоны резания.
Новая конструкция такого фрезерного инструмента должна значительно сократить материальные затраты на проведение работ по ликвидации аварии, ремонтных работ, снизить число спуско-подъем-ных операций, отнимающих много времени при бурении и эксплуатации глубоких скважин, На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, с учетом форм аварийных объектов нами были разработаны и внедрены новые конструкции забойных фрезеров [9.33, защищенные авторскими свидетельствами [8.3, 8.4], которые отвечают предъявляемым требованиям.
Так как по полученным при экспериментальных и теоретических исследованиях данным, при работе фрезера на различных его радиусах возникают неодинаковые температуры, то в разработанной конструкции инструмента для фрезерования сплошных металлов был обеспечен подвод на различных его участках оптимального количества охлаждающей жидкости в зависимости от возникающей температуры.
Как было установлено, эпюра распределения усилий на фрезере от его центра к периферии при сплошном фрезеровании объекта имеет вид гиперболы и в соответствии с этим центральная часть фрезера испытывает наибольшую нагрузку, поэтому расположение и размеры промывочных отверстий были расположены так, чтобы обеспечить равномерное распределение передаваемой нагрузки на режущей поверхности.
