Введение к работе
Актуальность темы.
В буровом комплексе особое место занимают буровые шарошечные долота, конструктивные особенности которых (вооружение, опора, узел промывки) предопределяют эффективность всего бурового процесса в целом.
Вооружение бурового долота – это элемент, непосредственно взаимодействующий с разрушаемой породой на забое и работающий в условиях сложного нагружения. Конструкция вооружения характеризуется в первую очередь его геометрией, которая при обеспечении прочностных требований должна реализовывать максимально возможные моментные характеристики и удельные нагрузки инструмента на забой для повышения эффективности разрушения породы.
В практике эксплуатации и серийного производства буровых шарошечных долот применяются в основном два типа вооружения: зубчатое и твердосплавное.
Стойкость опорного узла породоразрушающего бурового инструмента, в первую очередь, зависит от величин и характера распределения испытываемых нагрузок, а также в не меньшей степени – от физико-механических характеристик его материала. Для бурового инструмента большого диаметра, особенно типа «М» с явно выраженным агрессивным вооружением, шарошки изготавливаются в процессе стационарного стального литья, что снижает прочностные характеристики материала опоры. В результате центральная часть отливки шарошки (область опорного подшипникового узла) получает наихудшую структуру металла, несплошности и негативные включения. При эксплуатации это приводит к износу и заклиниванию опоры, а шарошку – к поломке и даже к ее потере.
Выпускаемые в настоящее время шарошечные гидромониторные долота имеют центральную, боковую или комбинированную систему промывки. Недостаточно эффективные решения по промывке при бурении приводят к образованию сальника на вооружении долота, особенно при бурении глинистых пород. Это затрудняет удаление разбуренной породы с забоя скважины и уменьшает эффективность его разрушения, что резко снижает технико-экономические показатели работы долот.
Известно, что работа гидромониторных долот зависит от эффективности использования энергии промывочной жидкости при бурении и от конструкции промывочного узла, способного с наименьшими гидравлическими потерями направить струю жидкости в нужную область забоя скважины.
Вопросы совершенствования системы промывки особенно актуальны для долот больших размеров (393,7мм и выше), так как при бурении скважин увеличенных диаметров растет объем разбуриваемой породы и осложняется удаления ее с забоя. Все это повышает значимость технических решений новых конструкций промывочных узлов.
Таким образом, реализация новых разработок в области вооружения, опоры и промывочного узла при их использовании, как в отдельности, так и в одной конструкции долота, повышает эффективность работы породоразрушающего бурового инструмента и технико-экономические показатели проводки скважины в целом.
Цель работы.
Повышение технико-экономических показателей бурения за счет комплексной разработки новой конструкции вооружения буровых шарошечных долот большого диаметра, повышения стойкости опоры и оснащения бурового инструмента эффективным промывочным узлом.
Основные задачи исследования.
-Анализ конструкции и технологии изготовления вооружения шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.
-Анализ конструкции и технологии изготовления подшипникового узла шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.
-Анализ конструкции и технологии изготовления промывочного узла шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.
-Исследование, обоснование и разработка путей повышения эффективности породоразрушающего бурового инструмента конструкторско-технологическими методами.
Методы исследования.
В работе использованы теоретические, экспериментальные и промышленные методы исследования. На первой стадии при анализе условий промышленного использования инструмента применялись расчетно-аналитические методы исследования новой конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения и прочности соединения породоразрушающих венцов с корпусом сборной шарошки, а также особенностей промывки для долот большого диаметра. На втором этапе, с использованием метода моделирования, проводились экспериментальные исследования, позволившие проверить результаты теоретических исследований. Далее результаты исследований проверялись в ходе стендовых и промышленных испытаний новых конструкций бурового инструмента.
Научная новизна.
1. Разработан комплексный подход к повышению эффективности буровых долот большого диаметра конструкторско-технологическими методами за счет оснащения их более агрессивным вооружением, повышением стойкости опорного подшипникового узла за счет использования сборных шарошек и улучшением условий промывки путем разработки более эффективного промывочного узла.
2. Создана методика расчета и определены основные параметры процесса центробежно-объемного армирования для размещения упрочняющей зоны армирования в требуемой координате зуба вооружения с получением аналитического выражения процесса.
3. Разработана математическая модель формирования центробежно-объемно-армированного композиционного материала с определением его физико-механических характеристик.
4. Разработаны методы проектирования новой конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения, включающие расчеты его на прочность и получение требуемых геометрических размеров.
5. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено повышение прочности соединения с натягом за счет адгезионного взаимодействия сопрягаемых поверхностей центробежно-объемно-армированного венца с корпусом шарошки в сборной ее компановке.
Практическая ценность.
1. Разработаны новые конструкции, повышающие эффективность породоразрушающего бурового инструмента большого диаметра за счет оснащения его более агрессивным центробежно-объемно-армированным вооружением, повышения стойкости опорного подшипникового узла сборных шарошек и улучшения условий промывки путем оснащения универсальным центральным гидромониторным промывочным узлом.
2. Разработаны новые конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения породоразрушающего бурового инструмента, повышающие его стойкость в 1,5 раза.
3. Разработаны новые сборные конструкции шарошек, повышающие на 25% стойкость опорного узла бурового инструмента.
4. Разработана новая конструкция универсального центрального гидромониторного промывочного узла, повышающая на 15-20% эффективность работы буровых долот большого диаметра. Конструкция внедрена в 29-ти типоразмерах буровых долот большого диаметра от 393,7 мм до 660,4 мм на ОАО «Сарапульский машзавод».
5. Разработан и создан на ЗАО «Завод экспериментальных машин» комплект оборудования и технологической оснастки для производства центробежно-объемно-армированного вооружения породоразрушающего бурового инструмента на специально созданном опытно-промышленном участке.
7. Проведены стендовые и промышленные испытания опытных партий породоразрушающего бурового инструмента, показавшего свою высокую эффективность (буровые долота Ш215,9МЗ-ГВ, Ш490С-ЦВР1, Ш490С-ЦВР-1М; буровая машина «Стрела-77»; породоразрушающие резцы различных типов и др.).
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались, получив одобрение, более чем на 30-ти всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, семинарах, совещаниях и выставках по проблемам породоразрушающего бурового инструмента.
Среди них можно выделить: Всесоюзные и Республиканские конференции г. Баку 1978г., 1980г.; Всесоюзные научно-технические семинары на долотных заводах г. Дрогобыч 1979г., г. Сарапул 1990г.; I, III и IV Всероссийское совещание руководителей предприятий оборонно-промышленного и нефтегазового комплексов (ВПК - ТЭК) г. Воткинск 1998г., 2000г., г. Москва 2001г.; Конференция в Японии г. Нагоя 1990г. и Польше г. Щецин 1997г. Конференции на базе вузов: Пензенского технического университета и ПДНТП 1979 – 1982г.; ИФИНГ г. Ивано-Франковск 1987г.; РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина I – VII конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» 1997 – 2007г.г. Международные выставки: «Нефтегаз – 1996», «Нефтегаз – 1998», «Нефтегаз – 2000», в Чехии в 1982г., выставка «Европейская неделя качества в России» 2001г., г. Москва. На заседаниях кафедры «Технология газонефтяного и нефтехимического машиностроения», «Технология машиностроения и сертификация в нефтяной и газовой промышленности» и «Управление качеством, сертификация и стандартизация нефтегазового оборудования» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина в период с 1977г. по настоящее время. На Ученом Совете ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ в 2009 году.
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 74-х печатных трудах автора и 35-и авторских свидетельствах и патентах на изобретение, в том числе в 2-х научно-технических обзорах (брошюры) и 41-й статье в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки России.
Структура и объем работы.
