Введение к работе
л-стуа'іьиосгь пройле-ль:. Сдккм ;іі направлений сокращение ::со--:о- стсоїтге." c^a с;с:д::я"; га.г;-07е;- .^г-Гї^-х.ті'О::;:,'.;'" .--цусїьуйїї&і si сойд&йяв мових, висотопроизвояктельннт? ПОТЮЯП-
исследование постедчиу «е* о""~-':отт?г.:~:тосгл'л- гг'ог'ь; ло*-:^-і:-;', -, :o'2U"-:>:".,: 7^-"азч-;:о:--.- оїбот--; ;.;о':с7 о;".:-.\ггл- 'j;-:i.',4i-ваздего действия (РСД). Б то зкэ время неравномерный изноо
ВСОРІ~і"~"««ї " ііЬіСрїЛ&іО:ипО пкниким г-кпучу?"1?- '"'гУ»»"" "ГтГ^тТС"
основными неяостаткзьш названных породоразруйающих ингару-ментоз.
Одной из причин неравномерного износа вооружения яв&четея неоптимальная силовая и энергетическая загруз. :а отдельных участков рабочей поверхности.
сіті .:ccTKruv: гі/"й;.- окл-анн- чл:-; уьолчауна'' /.охіг::-;"!- папа-чатра >;а участке, целенаправленного воздексті-.н.я і;а аапактеа разоушеї'ия рассматриваемого учао-їіи. упра""..'і-іяи;'- распределением параметров взаимодействия.
Урезонь загрузил' участка ошзалаляотоя нногамн 'і-а,".торам:г: величиной нагрузки на долото, частото'' араі.(очпя_ запаси.' вооружения, схемой размещения элементов вооружения, положением участка относительно соседних и др. Уровень загрузки определяется также геометрическими параметрами элементов вооружения, т.е. управление распределением параметров взаимодействия может быть осуществлено и комбинированием но Форме элементов вооружения. Для" осуществления последнего в первую
очередь нугхко определить зависимость распределения параметров вваимодействия по рабочей поверхности от Форш элементов вооружения, которые шгут быть приняты в последующем для оснащения породоразрувающего инструмента.
Представленная работа является продолжением исследований, направленных на совершенствование породоразрушавдх инструментов реяоте- скалывающего действия, выполняемых в УГНГУ под руководством профессоров Ж Р. Кавлютова и & А. Алексеева.
Педь работы Повышение эффективности работы долот рзхог-щэ-скалыващго действия путем комбинированного размещения резцов различной Форш на основе исследований распределения параметров взаимодействия по участкам рабочей поверхности.
Основные задачи работы.
-
Анализ исследований распределения параметров взаимодействия по рабочей поверхности породоразрушавдзго инструмента
-
Изучение влияния формы элемента вооружения на показатели работы долот реЕушй-скалывающзго действия.
-
Изучение распределения силовых и энергетических параметров по рабочей поверхности долот, оснащенных резцами различной формы. .
-
Разработка способа армирования породоразругагадэго инструмента комбинированным размещением резцов разли'шой формы на участках рабочей поверхности.
5. Промысловая апробация результатов исследований.
Методы решения поставленных задач.
-
Экспериментальные лабораторные исследования с применением методов статистической обработки результатов.
-
Поиск техническі"? решений, конструкторские разработки.
-
Промысловые испытания и анализ результатов.
- 5 -Научная новизна
і. Установлена степень влияния формы элементов вооружения ка показатели работы долот режуще - скалывающего действия.
2. Установлены зависимости распределения силових я зиер-
. гетических параметров ао рабочей поверхности породоразрушаю1
цих инструментов редуце - скалывающего действия, оснащенных элементами во^руяения различной формы.
3. Разработана методика оснащения породоразруиащего инс
трумента комбинированным по форме вооруяюшем.
Оойойнш защищаемые по.ао«ания.
1. Характер распределения силовых и энергетических пара
метров по радиусу долота, осаащэнного резцами различной фор
мы.
2.. Методика оснащения породораэрушащэго инструмента комбинированным по форме вооруиэнием.
Практическая "енность.
і. Разработана методика сскааэякя породоразрувагавзго инструмента июмбганрованнш по фохтв вооружением.
2. Разработали н внедрены з производство дожота малого
диаметра.
Реализация работы в промышленности. Трехлопастные долота, оснащенные комбинированным вооружением, прошли промысловые испытания и внедрены в производство. Промысловые, испьггания разработанных додот показали гс? проходки на долото на 14%, механической скорости бурения на 13% по результатам отработки более трех тысяч долот.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывали^н и обсуждались ка: научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ВНИИВГ (Москва. 1'2Ы); научно-технической конференции студентов, аспирантом
- б -и молодых ученых (Уфа. 1984); научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ВНИИБТ (Мэсква. 1986); научно-технической конференции "Повышение эффективности строительства скважин, поисков и разработки нефтяных, газовых и гаэоконденцатныя месторождений" СевКавНИИгаза (Ставрополь. 1985); Республиканской научно-практической конференции шлодых ученых и специалистов БашНИПИнефть (Уфа, 1986); Республиканской научно-технической конференции "Творческая молодежь Баширш-ускорению научно-технического прогресса" (Уфа. 1988); Всесоюзной конференций "Механика горных пород при бурении" (Грозный-Агой, 1988); Республиканской научно-технической конференции "Вклад молодежи Башкирии в решение комплексных проблем'нефти и газа" (y Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 работы, в том числ 5 авторских свидетельств на ивобретения и патентов. Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, зшюдав и рекомендаций, списка литературы из 121 наименования и 7 пгилояений. Общий объем работы 138 страниц, включая 24 рисунка я 11 таблиц. В первом разделе проведен аналив. работы породоразрушавдих инструментов рекувдз-скалыващего действия, приведены представления различных авторов о распределении осевого усилия по профилю долота, рассштрены экспериментальные исследования распределения силовых и энергетических параметров по рабочей поверхности иорояоравруиавдего инструмента. Значительный зіслад з совериэнствование породоразрушавдях инструментов реиуще- скалываздего действия внесен исследованиями А. м. Абдулзаде. ХйАкчурина, Л. А. Алексеева, Г. КАрцк-мовича, Б. R Байдкка,. И. И. Барабаваоша, Л. И. Барона, М. И. Бибер-мана, А. Г. Еиишева, А. и. Бочковскаго, В. С. Владиславдева, й. & Вовчановского, Р. Г. Ганиева, Л. Глатыана, R П. Двергот, Е 3. Кагарманова, С. Ы. Кул5!ева, М. Р. Швлютова, А. Е Карамзина, Н. Н. Павловой, А. Е Попова, а Р. Пуняк, Р. ЫСакаева, A. И. Спивака, Г. И. Сукманова, 0. Е Сукманского, Б. Е Трушкина, Н. М. йишмоиова, Е. М. «Мнкелыптейпа, Ш. X Хамзина, В. а Царицына, Н.Р, .Цыг'ша, Р. М. Эйгелеса, Е. ф. Эпштейна и др. Показано влияние формы злє..іе«'та вооружения на эффективность разрушения горных пород. В процессе резания, применительно к работе долот РСД, форма резцов изучена недостаточ- - в -но. Если характер разрушения горных пород еависит от формы элемента вооружения, то применение ревцов различной формы на различных удалениях от оси долота должно влиять на уровень загрузки участков рабочей поверхности ( характер раппредеде-ния параметров взаимодействия). Таким образом, выдвигается следующая гипотеза: путем комбинированного размещения резцов различной формы можно управлять характером распределения параметров взаимодейстеия по рабочей поверхности породоразрушаюшнх инструментов ЮЛ, что в конечном счете повлияет на эффективность бурения, т.е. на рост механической скорости и проходки долотв, т. к., увеличение механической скорости и долговечности воэмояно за счет уменьшения удельной энергоемкости разрушения горных пород на участках поверхности еабоа, сдергивающих углубление всего долота Снижение удельной энергоемкости мояет быть достигнув то в результате уменьшения сопротивляемости горной породы разрушению путем воздействия на нее комбинированным вооружением из резцов различной Форш. Комбинирование резцов различной формы позволит также увеличить энергонапряженность (Аз) вооружения на участках наибольшего'сопротивления породы разрушению выбором соответствующих резцов и одновременно ва счет снижения энергонапрякеннооти на участках относчтель-но меньшего сопротивления, что в конечном счете долдно привести к более рациональному иопольвованию подводимой на еа-бой мощности. Возможность регулирования распределением силовых и энергетических параметров позволит также облегчить условия работы резцов в зоне перехода от торца долота к калибрующей части, что приведет к снижению теша изнашивания калибрующих резцов и предотвращению возможных осложнений, связанных с потерей диаметра. - є - Однако для управления распределением параметров взаимодействия необходимо знать зависимость распределения от Форш элементов вооружения, поэтому основной задачей предлагаемой работы является изучение зависимостей распределения парамет-ров взаимодействия от формь элементов вооружения. Во втором разделе арозедеи анализ уетодов исследований. Применительно к изучаемым вопросам выбран экспериментальный »е?о» мсследозакяй раздушейии йатуралышх образцов горньи пород. Обоснованы параметры установки. На основе анализа существующих установок для проведення исследований выбран стенд, смонтированный на базе буровой установки ОБА- 500. ' Обоснованы: горная порода, форма резцов и схема их разме-щения, форма забоя, режимы бурения и вид яромызки. Изложена методика проведений экспериментальных кссаедований распределения параметров ззаиьгодейсїзкя по рабочей поверхности поро-йоразруашетх инструментов, оснащенных разными типами элементов вооружения. Эксперименты проводились с использованием модели .чородо-разрушашэгс инструмента pesyse- екашващзго действия, состоящей из пяти невавнсияж гдаакскалько расположенных узлов. «'ЗЙДЬЙ УЗЄЛ СОСТОИТ ИЗ 5ЛЄМЄНТОЗ ВСОруйЭНЙЯ И ИЗ ЦКДИНДра о тензодатчиками для измерения оевого усилия и крутящего момента. 3 эависидасти от числа уалов, диаметр яородораэрупшь- пвгс инструмента мокет меняться от 35 до \0 «м. Существует гшсж устройство для регистрации общего момаята и обией наг рузки на долота. Основной об^-ем бурения выполнен при частотах вращения 2.00; 3,25; 4.67 с и удельных нагрузках на долото 250, 150. - 10 -650 МПа. Эксперименты проведены при тех же режимах бурения, которые испольвуются при отработке аналогичных долот в промысловых условиях. Величина удельных нагрувок выбрана из условия обеспечения эффективного объемного разрушения горных пород. Промывка осуществлялась водой при расходах, достаточных для полного удаления шлама из зоны разрушения при бурении. В качестве промывочной жидкости использовалась вода, которая широко применяется и на практике. Для исключения влияния промывки на исследуемые параметры использован метод обращенного забоя, т. е. модель долота жестко прикреплена к основа-нив, а блок горной породы крепится к шпинделю станка. Кроме того, такой метод ушзошает измерения и повышает надежность регистрации параметров. Основной объем бурения приходится, как известно, на пластично- хрупкие породы. Типичной пластично- хрупкой горной породой, наиболее полно характеризующей поведение таких пород в целом, является мрамор. Мрамор отличается большой однородностью физика- механических свойств. Он сравнительно легко обрабатывается, обеспечивает хоропуо воспроизводимость ^еауоататов исследования вследствие своей однородности. Шэ-тому для экспериментальных исследований использовался мрамор Коелгикского месторождения. Шогие исследователи также широ-"о используют з качестве моделі! горной породы мрамор. Дня эксперимента подготавливаются образца горной породы, имевшие форму цилиндра с плоско- параллельными основаниями, диаметром около 210 мм, высотой около 160 мм. В качестве элементов вооружения использованы резцы из твердого сплава ВК-8В Форш Г60, Г53, ГІ4, Г23, Г51- наибо- - 11 -лее шкрои применяемые чяя производства долот реязпяэ- скалы-заю-двіо действия малого диаметра. Резцы формн Г23 по форме рабочей поверхности аналогичны ревцак с полккркеталлйчесхш слоем, все asps копользуе^жг про^жеккость» для кзготовлз-икг. ."ородоразрушкимз? ияструкєгпгов. Обоснованы параметры модели, требуемой для решения поставленных задач. РасЕирекы Оя^и^ок&ль::^ созмсжоотч эк іе-римекталыюй установки для '.з^-чэ^й! распределения параметров ВЗаИЬВДеЙСЇВКЯ ЭЖеШЙТОЗ BOOWsram** - ггриоЛ ш>ілі*0*. 10 ра- Ос-:з йоавохноої» нсрсдсразрушю-дйх инструментов релуще-скалызающэго действия-. Разработаны хороякк с резцами различной формы. Элементы зооруданий предложено устанавливать иа еъедаых резцедержателях. Прэддояевныэ технические решения использованы ири разработке и усовершенствовании моделей по-родоразрутшэдх инструментов вас. к ІЄЗ-І455. к ?0>б5б4. Площадн притупления элементов эзоруйэнйй :;олуче>:л алмазны»: .длкфованкем из условие обеспечена буровые отак;сом СБА-500ГЗ удельных нагрузок на отдельных участках рабочей позерхйостй (лредставляемух вооружением каялсг^ ля независимых узлов) з пределах от 0,2 до 2,0 твердое?;' мрамора по штампу. Ops бурении одновременно осуществлялась вались осевого усилия к крутящего момента на осциллограф, иг всех участков, общего момента и оЗщей нагрузки на долото. При атом также регистрировались проходка и время бурения. Проведен анализ источников погрешностей. Pavчитана аппаратурная сості зляющая погрешности результата, максимальное значении которой не превышает Ь\. ВьгСрана v-тодикз статистической обработки результатов опытов. В третей разделе изложены результаты экспериментальных исследований. Проведена оценка степени влияния формы элементов вооружения на показатели работы долот ре куще-скалывающего действия. 6 табл. 1 покаганы значения механической скорости бурения Vm, мощности N, ватрачиваешй на бурение и удельной обьемной работы разрушения Ауд при бурении долотами, оснащенными разными элементами вооружения. Таблица 1 Результаты бурения долотами, оснащенными разными элементами вооружения Удель ная нагрузка, ЫПа Частота вра- ния, Показатели Vm-10? м/с N, Вт Ауд.ЭДи/м Как видко из табл. 1 , з целом, нззавксжо от формы элементов воооужения долота, р увеличением нагрузки и частоти вращения, механическая скорость бурения к мощность, затрачиваемая на бурение, возрастай?. Наибольшие различии механической скорости бурения при зтом получены для долот, оснайзниух елементами зеоруяетая при одной н "О:- ;йэ stots' вращения и удель- ной нагрузке на долото (напркмер, 4,67 с и 660 МПа), око-роста бурения золотом, оснащенным элементами вооружения Г51 в 3 раза выше, «е» nvi: Зурег.'ли логотом. оснащенным резначп ;юр?« Г!'і, Осиа&.ешге зялота резцами формы Г53 ведет к посту скорости, при том хе режиме бурения, в лрй оазя, по ставів нию с л^лото'.:, «осруж'иным резцами Ґ14. Мэзцность, затрачиваемая на бурение долотом, оснащенным элементами вооружения Г23, при прочих равных условиях, имеет миниманънув величину, по сравнении с другими долотами. Энергоемкость бурения, при нешме'нншс параметрах режима бурения, такие значительно отличается для долот, вооруженных равными по Форш элементами вооружения. Приведенные результаты позволяю? сделать вывод о том, что шкаватеян работы яородораэруЕагсп^го инструмента в значительной степени определяются-, форж>й элемента вооружения, пршеняешго для его оснащения. В табл. 2 приведено распределение ко рабочей поверхности удельной нагрузки Руд, удельной объемной работы разрушения Ауд» шщаости N, удельной мощности Ny, окруааого усилия Рок и отношения окруяного усилия к осевому усили» Рок / Р нри частоте вращения 3,25 с* и удельной ' нагрузке ка долото 450 Ш& ( ноиера участков возрастая» от центра к периферии долота ). Таблица 2 Распределение параметров взагюдейетвия Обозначение элемента во оружения и участка рабочей поверхности. 1 Ч ГбО (1) I 762.1251,18 I 169.81 } 44,80 ! 924 : (0,32 J ГбО (2) | 607 1244,32 | 307,,78 і 94,12 | 764 |0,38 1 Г60(3) | 572 1275,28 { 520,46 |157„72 | 850 |0,4Б | Г60 (4) | 632 S410.0S 11033,56 1335,57 Ц266 10,65 окончание таблицы 8 Распределение удельной нагрувки при разных формах злпм^к тоз вооружения показано на рис. 1. Распределение удельной нагрузки долота О 0,15 0,34 0,5.' 0,68 0,88 1,00 Рисі, Как видно «в рве. 1, удельная нагруака во аеех случаях максимальное зыачэкмэ шеет в центральной части долота, снижается к середине й возрастает к периферии рабочей поверхности 1 этом 85«ачеяия удельных нагрузок на участках для разных долот -шеот различную величину. В центральной части рабочей ноЕерКЕОстк цаибольшэ значения удельных нагрузок получены'для долог, еснадаккых элементами вооружения VZZ, Г53, Г14. На периферии, рабочей поверхности наибольшая удельная нагрузка получена для долота, оснащенного элементами вооружения Г51, наименьшая - для'долота, оснащенного резцами Г23. При зтом величина удельной нагрузки на периферии для долота с вооружением Г5і в 2 раза больше, чем для долота с вооружением Г23. Таким образом, как видно из табл. 2 , величина параметров - і? -вааиыодеытвия та учас-кая рабочей поверхности порадораару-иаодего инструкїевта реяуке- скашзает<его действия, при прочих равных условиях, определяется «акт формой элементов вооружения» применяемого для го оснащення. Отвергай раздел посвящен разработке долот реиуіп.е- скаш-в..эщего действия. Акалкв рабо? в области оснащения доіої іюмбинированішм по Форме вооружением показывает, что они в Оодашствэ случаев выполнены бт уче^а расщгадегзвиа-параметров вваиюдейсааи по рабочей поверхности породаразрушагавдх инструментов. Наш предлагается методика» основанная э применении результатов исследований распределения параметров взаимодействия по рабочей поверхности долот, оонааешшх элементами вооружения разного ттга. Основы методики иэдтвны в а. с. Н 1754873. Методика включает: 1) изучение физико- механических свойств горных пород, для буренк?. которых создается долото; К) предварительный выбор воорушшп, соответствующий свойствам пород; 3} определение распределения параметров взаимодействия по рабочей поверхности породоразрушаший инструментов, оснащенных предварительно выбранными элементами вооружения (для '«їдкого типоразмера вооружения) , анализ результатов определения распределения параметров взаимодействия о целью выделения участков познлен.чой : по-ш-жэнной силовой і; энергетической загруженности рабочей поверхности, для какого типоразмер вооружения; совмещение {комбинирование) элементов вооружения, о целью устранения участков аномальной загруженности, о учетом уело- - 18 -ьий: Нуді 4 Nyfli < Нуді, ( 1 ) РУДІ 4 РУДІ < РУДІ. ( 2 } где Иуді, І^ді - соответственно удельная мощность и удельная нагрузка, при которых достигается аффективное объемное раврушение породы ка і-том участке, (7Р Яр Nyfli, І*уді - предельные удельная мощность и удельная наг-рувка, при которых начинается катастрофическое изнашивание и разрушений вооружения на 1-том участке; 6) прошсловая проверка выбранных вариантов комбинированного вооружения. Ниже рассмотрим пример реализации методики по результатам распределения только удельной нагрувки по рабочей поверхности (наиболее упрощенный вариант). Как видно из рис. 1, уровень силовой вагрузки (удельная нагрузка) на равных участках рабочей поверхности для долот, оснавдэнных равными элементами'воорукения, отличается, особенно в центре н на периферии, до нескольких раз. В соответствии с наложенной выше методикой, из рис. 1 можно выбрать различные варианты комбинирования элементов вооружения. На рис. 2. покавано распределение удельной нагрувки при восьми вариантах комбинирования: 1- ГбО, Г51, Г51, Г23, Г23; 2- Г60, Г60, Г51, И 4, Г23; 3- ГбО, ГбО, Г51, Г14, Г14; 4-Г51, Г53, Г53, Г23, Г23; Б- Г51, Г61, Г51, Г23, Г23; 6- ГбО, ГБЗ, Г14, Г51, Г14; 7- г60, Г53, ГбО, Г51, Г14; 8- Г60, Г53, ГбО, 151, Г14. Распределение удельной нагрузки при разных вариантах комбинирования вооружения РуД-106, НУМ2 ^ в/вЛ ?ко. 2. Окончательное решение по определению наиболее оптимального зариачта размещения зяакзнтоз зоорулвния принимается по результатам стендового бурения к йро.чысдозыя кошланий. С целью предварительной оценю»: эффективности конструкций опытных долот и зкбора онт'лкалъкья ренишз бурения проводятся стендовые испытания долот. Рассмотрен пример бурентэт лолотамн ;.;алого диаметра на буровом стенде, сконтирозанкогч на оазе станке ЗИФ-300. Исследования проведены с изменением полнофакторного планирования эксперимента с матрицей планирования типа 2 %с~кне параметры: осевая нагрузка на долото G и частота иоаезнкя п . Выходные параметр» мощность на разрунегате К. механическая скорость бурения У'мех, энергоемкость ргзрушечия Результаты исследований обработаны и получены математи-чрския модоли процесса разрушения опытными долотами: - 20 - Умах - f ( « . n ) . С 4 ) АУЛ - f ( в . n ) . (5) . На основе результатов стендовых испытаний опытных долот сделаны рекомендации по выбору оптимальных режимов бурения ими. Ш результатам исследований спроектированы; изготовлены и внедрены долота режуще - скалывающего действия малого диаметра, В патентах N 1774984. W 1838569 приведены примеры реализации результатов исследований в виде конкретных технических решений, Sa базовые приняты ступенчатые т*>ехлопасткыэ долота.диаметром 73 мм с радиальными и спиральными аоаастяыи. Ш5ор баеовой конструкции основывался тем, что этими долотами достигнуты наилучше показатели буренки. Вооруйение базовых долот некомбинированное и состояло из злеыектоз вооружения Г53 К8 твердого сплава Ш-8Е Испытания опытных долот г..х>водюшеь ка разных площадях. Туймазннской Mi ПО "Багшефть", при разных регэает и показали эффективность породоравруЕащего шгструиекта;- оснащенного комбширозшшыы по форме вооружением. і. Неравномерный взнос шорушкшг н кедостаточно высокая скорость бурения остаются основными недостатками породораз-руиаквдк инструментов реаусе- скашвагадего действия. Одной из причин неравномерного износа вооружения является неоптимальная силовая и энергетическая загрузка отдельных участков рабочей поверхности, что приводит к отработке породоразруша-вдего инструмента с неполным использованием запаса вооружения. Экспериментально показано, что эффективность работы породоразруиащего инструмента реиущэ- скалывающего деяс-9?ия, при прочих равных условиях, определяется тага формой элемента вооружения, применяемого для его оснащения. Становлена степень влияния Формы элементов вооружения на пока-вателя работы доле* psays^ - с:<аднзаюЕЗГО действия. Установлены зависимости распределения силовых и энергетических параметроа по рабочей поверхности иородоразрушо-тт инструментов редуще- скалывающего действия, оснащенных элементами вооружения различной формы. Удельная нагрузка максимальное значение имеет в центральной част» нолота, снйшзтеа к середине ь возрастает к периферии рабочей поверхности. При этом значения удельных нагрузок на участках для разных Форм резцов имеют различную величину, определяемую сопротивляемость» породы разрушению. б. Шказ&ча возможность оптимизации распределения параметров взаимодействия путем варьирования формой элементов вооружения на участках рабочей поверхности породораэрушаще-го инструмента. Разработана методика оснащения породоразрушающего инструмента комбинированным по форме вооружением. Разработаны и внедрены в производство долота резкуцз-скальгааюшего действия, оснащенные комбинированным по форме вооружением. Промысловые испытания разр ботаиных долот показали рост проходки на долото на 14%, механической скорости буре-"ия на 13% по результатам отработки более трех тысяч долот. - 82 -Экономический аффект от внедрения долот в Туйыавинокой ГПК составил 62178 рублей в ценах 1991г.
окончание таблицы 1
M-f(Q.n), (3)