Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
I.I. Краткий обзор конструкций буровых дисковых долот 12
1.1. Дисковые долота иностранных фирм 12
I.I.2. Отечественные дисково-фрезерные долота. 15
1.2. Обзор технических средств для калибрования скважины и анализ возможности их применения в малогабаритных породоразрушащих инструментах 22
1.3. Анализ теоретических и экспериментальных работ по механике буровых долот .. 32
1.3.1. Анализ исследований кинематики шарошечных долот 32
1.3.2. Краткий обзор исследований закономерностей разрушения горных пород буровыми долотами 39
1.4. Задачи исследований 46
Глава 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 47
2.1. Критерии и методы определения области рациональных значений параметров 47
2.2. Методика экспериментальных лабораторных исследований и оборудование 50
2.3. Методика обработки результатов исследовани 63
Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕМАТИКИ, ПРОЦЕССОВ Ш0РМИР0ВАНИЯ ЗАБОЯ И КАЛИБРОВАНИЯ'СКВАЖИНЫ ДИСК0ВЫМИ П0Р0Д0РАЗРУШАВДИМИ ИНСТРУМЕНТАМИ 69
3.1. Качественная оценка влияния конструктивных пара метров .на механическую.скорость бурения.и ресурс долота 69
3.1.1. Влияние конструкции опоры 69
3.1.2. Влияние эксцентриситета дисков 70
3.1.3. Влияние коэффициента перекрытия забоя 71
3.1.4. Влияние параметров вооружения дисков 72
3.2. Аналитическое исследование кинематики дискового долота -
3.2.1. Кинематическая схема и основные геометрические соотношения 73
3.2.2. Определение величины передаточного отношения.. 75
3.2.3. Исследование скольжения дисков по забою скважины 76
3.2.4. Вывод уравнений траекторий движения точек диска 81
3.3. Исследование закономерностей формирования забоя и калибрования скважины дисковым долотом 87
3.4. Построение траекторий движения точек венца диска графо-аналитическим способом 96
3.5. Теоретические положения рациональной модели дискового долота 101
3.6. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований 101
3.7. Анализ траекторий движения зубков калибратора в скважине П2
В ы в о д ы 114
Глава 4. РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИСКОВЫХ, ДОЛОТ И КАЛИБРАТОРОВ... 117
4.1. Выбор компоновочной схемы и базового варианта модели долота 118
4.2. Определение рациональной величины эксцентриситета осей вращения дисков 127
4.3. Оцределение рациональной величины коэффициента пе-
. рекрытия центральной зоны забоя 130
4.4. Разработка рациональных параметров вооружения .дисков.. 13
4.5. Обоснование рациональных компоновочных схем, разработка и исследование конструкций калибраторов. 142
4.6. Экспериментальные технологические исследования работы дисковых долот и калибраторов 152
В ы в о д ы 159
Глава 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ЭШКГИБНОСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ ДИСКОВЫХ ДОЛОТ И КАЛИБРАТОРОВ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ШТИ ИХ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ... 161
5.1. Результаты промышленных испытаний долот типа 76С 161
5.2. Результаты промышленных испытаний и внедрения калибраторов 5РША-76 168
5.3. Экономическая эффективность дисковых долот и калибраторов диаметром 76 мм 175
5.4. Пути дальнейшего совершенствования конструкций малогабаритных дисковых породоразрушащих инструментов 186
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 188
ЛИТЕРАТУРА 191
ПРИЛОЖЕНИЕ 201
- Дисковые долота иностранных фирм
- Критерии и методы определения области рациональных значений параметров
- Качественная оценка влияния конструктивных пара метров .на механическую.скорость бурения.и ресурс долота
- Выбор компоновочной схемы и базового варианта модели долота
- Результаты промышленных испытаний долот типа 76С
Введение к работе
В основных направлениях экономического развития СССР на 1981--1985 годы и на период до 1990 года Іперед геологической службой поставлены задачи расширения объёмов, повышения эффективности и снижения стоимости геологоразведочных работ путём более полного использования достижений науки, повышения технической оснащенности, внедрения в производство нового высокопроизводительного оборудования, инструментов, передовой технологии.
Бурение скважин является одним іиз основных и наиболее трудоёмких видов разведочных работ. При современном уровне развития техники затраты на бурение, вместе с сопутствующими ему работами, составляют более 50% от всех расходов на геологоразведочные работы; при этом объёмы бурения разведочных скважин непрерывно возрастают и в 1985 году превысят 25 млн.метров. Около 25% от указанного объёма приходится на долю бескернового способа бурения - одного из самых производительных и эффективных. Опыт показывает, что применение этого способа по сравнению с твердосплавным и алмазным снижает эксплуатационные затраты на бурение І м скважины на 25 - 30%. Однако, применительно к горным породам средней твердости, доля которых по данным Министерства геологии СССР составляет около 30%, внедрение бескернового способа бурения сдерживается невысокой производительностью существующих долот большого диаметра и отсутствием малогабаритных породоразру-шающих инструментов. Вследствие названных причин значительная часть указанного объёма в горных породах средней твердости разбуривается колонковым способом с полным отбором керна короткими рейсами и частыми спуско-подъёмными jоперациями даже в тех случаях, когда получение керна не является необходимым. В этих условиях замена части объёма колонкового бурения более прогрессивным бескерновым с использованием малогабаритных долот позволит полу- - б - чить значительный экономический эффект. Современное геологоразведочное производство испытывает потребность в эффективных породо-разрушающих инструментах малого диаметра, предназначенных для ' горных пород средней твердости, позволяющих производить бескер-новое бурение скважин рейсами максимальной длины с высокой скоростью и производительностью. Проблема создания таких инструментов и внедрения их в практику бурения является весьма актуальной, а её решение имеет большое народнохозяйственное значение.
Диссертационная работа выполнена в Специальном конструкторском бюро Всесоюзного промышленного объединения "Союзгеотехника" (СКВ), посвящена вопросам исследования кинематики, определения рациональных конструктивных параметров и создания новых конструкций малогабаритных дисковых долот и калибраторов, предназначенных для горных пород средней твердости применительно к современным требованиям и условиям геологоразведочного бурения. Она обобщает результаты теоретических, опытно-конструкторских, экспериментально-исследовательских и технологических работ, выполненных в СКВ при непосредственном участии автора. Работа проводилась по утвержденному Министерством геологии СССР тематическому плану СКВ (темы: 7.2.57А, 7.5.60, 7.5.61 Гос.регистр. Л» Р004583, Р004585) и в соответствии с Всесоюзным межотраслевым координационным планом в области бурового породоразрушающего инструмента.
Для достижения цели проведены аналитические и экспериментальные исследования по выявлению закономерностей протекания процессов в системе "инструмент - горная порода" при различных режимах нагружения инструмента в лабораторных и производственных условиях. На основании выполненных исследований разработана методика инженерных расчетов рациональных кинематических и конструктивных параметров дисковых долот и калибраторов с эксцентричным расположением рабочих органов. При непосредственном участии автора раз- _ 7 -работаны опытные конструкции инструментов,изготовление которых проводилось Подольским экспериментальным заводом геологоразведочного оборудования. Производственные испытания и исследования опытных партий долот и калибраторов проводились в геологоразведочных организациях "Артемгеология", "Запсибгеология", "Уралгеология", "КрасноярскгеОлогия", "Союзгеологоразведка" и ряде других. В процессе предварительных и государственных приемочных испытаний проведена доводка конструкций, уточнены их параметры, области применения и режимы эксплуатации. Экспериментальные исследования опытных образцов показали хорошее соответствие расчетных и реальных результатов. Новизна конструктивных решений подтверждена авторскими свидетельствами, а целесообразность применения - утвержденным Министерством геологии СССР расчетом технико-экономической эффективности и решением о серийном производстве дисковых долот ЗДА.-76С и калибраторов Ш-Ш-76. На основании решения проведена конструкторская и технологическая подготовка документации к выпуску установочных серий инструментов соответственно на Вер-хнесергинском долотном заводе и Ташкентском заводе "Геологоразведка". В соответствии с планом работ СКВ после выпуска установочных серий инструментов проведены их испытания и технологические работы для подтверждения результатов и эффективности при изготовлении по серийной заводской технологии.
Представленные в диссертации результаты экспериментально-исследовательских и опытно-конструкторских работ включают около 1550 наблюдений в лабораторных условиях и около 3000 наблюдений в производственных условиях. Всего за период работы исследовано более 30 конструкций опытных долот и калибраторов. Общий объем бурения составил более 10000 м скважин. Промышленные образцы инструментов экспонировались на ВДНХ СССР. Результаты работы докладывались автором и обсуждались на ісеминарах специалистов на
ВДНХ СССР, во Всесоюзном научно-исследовательском институте методики и техники разведки (ВИГР, Ленинград), на Всесоюзных совещаниях по проблемам бескернового бурения в Североуральске (1975, 1978 г.г.), Киеве (1978 г.), Свердловске (1979 г.), Перми (1979 г.)» на кафедре техники разведки Свердловского горного института (I960, 1983 г.г.)» на заседаниях секции бурового инструмента научно-технического совета СКВ (1979, 1982, 1983 г.г.)» на семинарах в Институте горного дела СО АН СССР (1983 г.). Основные положения диссертационной работы, полученные результаты и выводы опубликованы в 8 печатных трудах; по теме диссертации получено 8 авторских свидетельств на изобретения.
Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю кандидату технических наук, доценту Ватутину А.Ненаучному консультанту доктору технических наук, профессору Карды-шу В.Г., сотрудникам СКВ, принимавшим участие в разработке конструкций, проведении испытаний и других этапах работ, сотрудникам кафедры техники разведки Свердловского горного института, сотрудникам лабораторий механизации і горных работ и бурения Института горного дела СО АН СССР, соавторам научно-технических статей и изобретений, работникам заводов и производственных организаций, принимавшим участие в изготовлении, испытаниях, освоении серийного производства и внедрении новых инструментов в практику геологоразведочного бурения и другим товарищам, оказавшим помощь в работе.
Дисковые долота иностранных фирм
Б 1938 году в США запатентовано долото Фишера /5/. В этом долоте (рис. 1.3} в качестве рабочего органа применена шарошка ввиде околоэкваториального шарового слоя, разделенного на несколько дисков. Диски оснащены косыми фрезерованными зубьями, ориентированными под углом к оси вращения диска. Предполагалось, что каждый диск работает самостоятельно, а их зубья движутся по пересекающимся траекториям и последовательно перекрывают забойЛро-мывка забоя производилась через одно сопло с направлением струи по касательной к шарошке. С целью многократного использования корпуса и замены изношенных дисков конструкция долота выполнена разборной по элементам опоры.
Б 1951 году Кунтц (США) предложил конструкцию двухдискового долота /6/, состоящего из корпуса, на котором под углом к его оси закреплена съёмная цапфа (рис. 1.4). На цапфе смонтированы два диска, разделенные опорой качения и оснащенные твердосплавными вставками..Промывочная система долота включает два сопла, раепо-ложенные над дисками и в нижней части корпуса в непосредственной близости от забоя.
. class2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ class2
Критерии и методы определения области рациональных значений параметров
Общепризнанными критериями эффективности породоразрушающего инструмента являются: ресурс - Ни, м; проходка за рейс - Нр, м; рейсовая скорость -1/р, м/ч; механическая скорость бурения -VM, м/ч; стоимость I метра бурения скважины - С, руб/м. Проведенное в институте ВНИИЕГ на электронно-вычислительных машинах сравнение и анализ работы буровых долот нефтяного стандарта в различных геолого-технических условиях позволило установить, что наиболее высокие технико-экономические показатели бурения достигаются при использовании в качестве критерия эффективности минимума затрат на бурение I метра скважины (С ). Однако, критерий Огпіп ДРИ проведении лабораторных исследований! непригоден. Критерии Ни и Нр пригодны лишь при бурении глубоких скважин, когда в балансе работы большую долю занимают спуско-подъемные операции /98/. Использование критериев Ни и Нр при проведении испытаний в лабораторных условиях может привести к ошибке в оценке результата.
В геологоразведочном бурении критерием эффективности породоразрушающего инструмента, объективно! отражающим стремление ускорить разведку месторождения, является максимальная рейсовая скорость проходки - іГр.тол» На этом критерии основана действующая в системе Министерства геологии СССР, "Типовая программа и методика приемочных испытаний породоразрушающего инструмерта для геологоразведочного бурения /99/. Он также не применим для оценки результатов лабораторных исследований, так как в формуле 1/р присутствуют значения проходки - Нр и времени вспомогательных операций - Тв. Следует заметить, что I/ р. щможет быть достигнута при определенных (максимальных для данных условий) значениях механической скорости бурения - 1 м.ши проходки за рейс - Hp.mex.
Качественная оценка влияния конструктивных пара метров .на механическую.скорость бурения.и ресурс долота
В компоновочной схеме опоры долота в той или иной комбинации могут применяться подшипники качения и скольжения. При этом для подшипников скольжения, работающих зачастую в условиях сухого трения, обусловленного высокими контактными давлениями, величина коэффициента трения может изменяться в широких пределах и приближаться к единице. В то же время применение шариковых или роликовых подшипников качения обеспечивает в процессе бурения практически постоянную величину коэффициента трения в опоре долота. Из этого следует, что преобладание в конструкции опоры трения качения или скольжения будет оказывать существенное влияние на показатели работы инструмента. В первом случае кинематический режим вращения дисков может быть нестабильным, что вызовет во-первых снижение частоты вращения дисков, уменьшение числа единичных взаимодействий зубков с породой забоя и снижение механической скорости бурения; возможна даже остановка дисков с последующим односторонним износом вооружения; во-вторых - появление дисбаланса в работе долота, что ведет к снижению ресурса. Стабильность кинематического режима способствует повышению показателей работы долота. Таким образом в конструкции дискового долота компановка опоры по влиянию на показатели бурения является наиболее важным фактором. Это подтверждается результатами предшествующих работ с опытными моделями дисковых долот диаметром 93 мм, из которых следует, что во избежание заторможения и остановки дисков в процессе бурения необходимо снижать трение в опорах и с этой целью использовать шариковые и роликовые подшипники качения.
Выбор компоновочной схемы и базового варианта модели долота
Долговечность долота оценивается длительностью его эффективной работы,при которой механическая скорость бурения остается постоянной во времени, либо снижается незначительно. Производственными исследованиями и наблюдениями за работой зубчатых долот различных типов /115,116,117/ установлено, что около 80% из них поднимаются с забоя скважины из-за полного износа опорных узлов при работоспособном вооружении шарошек. Поэтому, при разработке конструкции малогабаритного долота важным является вопрос создания опоры, выдерживающей эффективные осевые нагрузки в течение длительного времени. В этом направлении, в соответствии с общей методикой исследований, проведены экспериментальные работы по выбору кинематической схемы и компоновке опоры малогабаритных долот. Для этой цели были сконструированы, изготовлены и исследованы модели опытных долот диаметром 76 мм, которые отличались друг от друга общей компоновкой, кинематикой рабочих органов и конструкциями опоры.
На рис. 4.1 показана одна из первых моделей двухдискового долота диаметром 76 мм. Долото состоит из двух симметричных секций корпуса I и 2, рабочих дисков 3 и 4, смонтированных на горизонтальной оси 5 с помощью подшипниковых втулок 6, и шпонок 7. Диски армированы твердосплавными вставками 8.
На рис. 4.2 показано дисковое долото ЗД-76С, разработанное с учетом результатов теоретических исследований, описанных в третьей главе, В отличие от долота 27ДФ-93С диаметром 93 мм, а также первых моделей дисковых долот диаметром 76 мм, опоры которых состояли только из подшипников скольжения, в долоте ЗД-76С.
class5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ЭШКГИБНОСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ ДИСКОВЫХ ДОЛОТ И КАЛИБРАТОРОВ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ШТИ ИХ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ class5
Результаты промышленных испытаний долот типа 76С
В соответствии с методикой экспериментальных работ, наряду с лабораторными исследованиями, проводились испытания долот в производственных условиях с целью доводки их отдельных элементов и конструкций в целом. Исследования[проводились в Западно-Сибирском производственном геологическом іобъединении (Киселевская и Караканская геологоразведочные партии); Завьяловской ГРЭ треста "Удмуртнефтеразведка" ; геологоразведочной конторе объединения "Куйбышевнефть", Добропольской ГРЭ треста "Артемгеология", Севе-ро-Уральской ГРЭ Уральского ПГО ; Воркутинской ГРЭ Полярно-Ураль-ского ПГРО и в ряде других геологоразведочных организаций системы Министерства геологии СССР. По результатам доводочных работ и предварительных испытаний был разработан опытно-промышленный образец долота под шифром ЗДА-76С, который был предъявлен Государственной комиссии для проведения приемочных испытаний.
Долото ЗДА-76С - двухдисковое Срис 5.1). Корпус долота сварен из двух секций I и снабжен в верхней части резьбовым замковым ниппелем. В нижней части каждой секции имеются отверстия в которые вставлены хвостовики горизонтальной оси Z. Ось выполнена в виде коленчатого вала на эксцентричных участках которого, имеющих беговые дорожки для радиальноупорных подшипников, смонтированы рабочие диски 3. Каждый диск армирован 24 твердосплавными зуббезбуртовых шариковых подшипников 5. Монтаж дисков и регулировка подшипников производится при помощи замковой втулки 6, неподвижно закрепляемой на оси 2 торцевой шпонкой 7, завариваемой при сборке долота. Промывочный агент подается через два боковых канала 8, выполненных по плоскости разъема секций корпуса.
Приемочные испытания, долот ЗДА-76С проводились в геологоразведочных трестах "Кузбассуглегеология" Западно-Сибирского ПГО и "Артемгеология" Министерства геологии УССР при бурении скважин, предусмотренных производственным планом. В соответствии с техническим заданием на разработку долота 76С за базу сравнения были приняты твердосплавные коронки типа СА2-76. Выбор в качестве базы сравнения твердосплавных коронок обусловлен тем, что к моменту проведения работ других инструментов для бурения пород средней твердости в диаметре 76 мм серийно не выпускалось. Испытания проводились на скважинах, оснащенных буровыми агрегатами ЗИФ-650М и ЗЩ-І200МР с применением бурильных труб ф 50 мм и муфтово-замкового соединения. При бурении применялся следующий технологический режим: осевая нагрузка 18-25 кН; частота вращения 238-470 об/мин ; расход очистного агента 80-150 л/мин.
