Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов повышения качества и эффективности работы буровых шарошечных долот 12
1.1 . Состояние качества и надежности буровых шарошечных долот 12
1.2. Некоторые показатели качества буровых шарошечных долот 18
ГЛАВА 2. Исследование работы вооружения буровых шарошечных долот на забое и разработка аналитических, экспериментальных и конструктивных методов повышения эффективности разрушения горных пород 22
2.1. Исследование трекинга (рейкообразования) на забое 22
2.2. Исследование кинематики зубчатого венца шарошки 31
2.3. Вычисление кинетических характеристик рабочих узлов и элементов буровых шарошечных долот 37
2.4. Кинетические критерии оценки работоспособности буровых долот шарошечного типа 47
2.5. Исследование динамических нагрузок на вооружение шарошек буровых долот 53
2.6. Развитие конструкций одношарошечных долот и перспективы их совершенствования 59
2.7. Определение эффективных геометрических параметров твердосплавного вооружения буровых шарошечных долот в зависимости от механических свойств горных пород 67
ГЛАВА 3. Повышение надежности и качества опор буровых шарошечных долот 79
3.1. Исследование объемно-напряженного состояния опорных элементов долота 82
3.2. Исследование равномерности нагружения опор и вооружения буровых шарошечных долот 86
3.3. Исследование процессов разрушения подшипников скольжения в опоре буровых шарошечных долот с использованием методов математического моделирования 95
3.4. Исследование смазочных и уплотнительных устройств опор шарошек 105
3.5. Герметизирующие устройства опор буровых шарошечных долот
и их совершенствование для повышенных частот вращения 110
3.6. Некоторые разработки в области совершенствования опор буровых шарошечных долот 125
ГЛАВА 4. Промывочные устройства и их влияние на работу буровых шарошечных долот 130
4.1. Влияние конструктивных особенностей промывочных устройств на эффективность работы долота 131
4.2. Разработка рациональных конструкций удлиненных насадок и асимметричных схем промывки забоя 132
4.3. Разработка гидравлически оптимизированной центральной насадки 135
4.4. Исследование насадки из пластмассы 136
4.5. Исследование комбинированной щелевой схемы промывки 137
4.6. Исследование струйной обработки стенок скважины 138
4.7. Разработка усовершенствованной системы гидравлической очистки забоя за счет новой формы лапы 140
4.8. Исследование использования волновых процессов для повышения эффективности разрушения горных пород 142
ГЛАВА 5. Исследование и разработка интегрированных плазменных и лазерных технологий при производстве бурового породоразрушающего инструмента 163
5.1. Модификация поверхности при диффузионной сварке в вакууме 165
5.2. Улучшение свойств покрытий лазерно-плазменным воздействием 170
5.3. Исследование и разработка плазменной технологии, оборудования, материалов с целью упрочнения элементов буровых долот 185
5.4. Выбор материалов. Унификация сталей и других материалов для производства буровых шарошечных долот 199
ГЛАВА 6. Статистические методы управления качеством буровых шарошечных долот на стадии производства 208
6.1. Конструктивно-технологические методы повышения качества буровых шарошечных долот 208
6.2. Статистический анализ технологических процессов при изготовлении буровых шарошечных долот 228
6.3. Статистическое регулирование технологических процессов при изготовлении буровых шарошечных долот 238
6.4. Статистический приёмочный контроль при изготовлении буровых шарошечных долот 243
6.5. Разработка и внедрение комплексной системы автоматизации проектирования и подготовки производства в ОАО "Уралбурмаш" 249
ГЛАВА 7. Промысловые испытания новых конструкций буровых шарошечных долот 254
7.1. Влияние технического уровня и качества бурового породоразрушающего инструмента на сроки строительства скважин 254
7.2. Испытания опытных партий буровых шарошечных долот при турбинном бурении нефтяных и газовых скважин 261
7.3. Промысловые испытания горнорудных долот с увеличенным шагом и вылетом породоразрушающих элементов 275
7.4. Расчет экономической эффективности внедрения в практику бурения шарошечных долот новых типов и конструкций 278
Выводы 282
Список использованной литературы 285
Приложения 306
- Состояние качества и надежности буровых шарошечных долот
- Вычисление кинетических характеристик рабочих узлов и элементов буровых шарошечных долот
- Исследование равномерности нагружения опор и вооружения буровых шарошечных долот
- Влияние конструктивных особенностей промывочных устройств на эффективность работы долота
Введение к работе
Работа обобщает результаты исследований и разработок, организованных и выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в период с 1983 по 2007 г.г. в ОАО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «БУРОВАЯ ТЕХНИКА» - ВНИИБТ и ОАО "УРАЛБУРМАШ", а также при тесном взаимодействии с отраслевыми министерствами СССР, НИИ и университетами, работающими над созданием бурового инструмента. В работе представлены результаты разработки новых научно-технических основ создания бурового инструмента с применением интегрированных технологий и конструкторских решений, позволяющих в значительной степени повысить производительность работы долот и бурения в различных горногеологических условиях.
Актуальность темы.
Геологи считают бурение главным в поиске и разведке месторождений. И поэтому буровое долото называют «Его Величество Долото», ибо только с его помощью можно неопровержимо доказать присутствие нефти или газа в недрах.
Повышение эксплуатационных показателей работы буровых шарошечных долот является одним из решающих факторов снижения затрат на строительство скважин и существенного роста показателей бурения в целом.
За последние годы в России и СНГ возросли объемы роторного бурения. Широко применяется способ среднеоборотного бурения винтовыми забойными двигателями и редукторными турбобурами. Соответственно увеличился, и по объему, и особенно по номенклатуре, выпуск долот с герметизированными опорами, предназначенными, в основном, для частот вращения долот в диапазоне 30-300 об/мин. Вместе с тем, объем турбинного бурения в нашей стране по-прежнему превышает объем бурения с другими видами привода. В связи с этим весьма важное значение приобретает проблема создания новых типов буровых шарошечных долот с герметизированными рами для высокооборотного турбинного бурения и удешевление технологии производства долот такого типа.
Сложнейшая кинетика и кинематика работы долота при проводке скважин на нефть и газ, высокие динамические нагрузки, которые воздействуют на долото при разрушении пород с самыми различными свойствами по твердости, вязкости, пластичности и абразивности, делают буровой инструмент одним из самых сложных высоконагруженных механизмов, работающих в условиях вибрации, стесненности скважинного пространства, в среде абразивной промывочной жидкости. Весьма сложные условия бурения имеют место и при использовании горнорудных долот с удалением выбуренного шлама и охлаждением узлов и элементов инструмента путем подачи на забой сжатого воздуха.
Современные требования к буровому породоразрушающему инструменту и буровым процессам предопределяют новые требования к разработке конструкций и технологии производства буровых долот. Для увеличения рентабельности производства породоразрушающего бурового инструмента и повышения его конкурентоспособности в сравнении с ведущими западными фирмами, а также эффективности буровых работ в целом, необходимо преобразование всей технологической цепочки от маркетинга, научно-исследовательских работ и проектирования породоразрушающего бурового инструмента до его использования в бурении.
Острая конкуренция между компаниями по бурению и производству долот, которая явилась в настоящее время важным фактором, инициирующим решение многих новых задач, предъявляет чрезвычайно высокие требования к качеству и эффективности современного породоразрушающего инструмента и технологии его производства. Возможность использования ранее недоступных для гражданского производства технологических процессов и материалов и всеобщая компьютеризация создают новые возможности для совершенствования буровых шарошечных долот. Маркетинг
Организация прямых и обратных связей разработчиков, изготовителей и потребителей буровых шарошечных долот
Супервайзинг и сервисное обслуживание
Приемочные испытания опытных партии долот Организация подконтрольной эксплуатации серийных долот Организация системы сервисного обслуживания у потребителей бурового оборудования
Разработка смазочных устройств и подбор смазок
Управление качеством путем разработки стандартов предприятия
Рис. 1.1. Блок-схема алгоритма разработки научно-технических основ обеспечения качества изготовления буровых шарошечных долот.
На рис. 1.1. представлена блок-схема алгоритма разработки научно-технических основ обеспечения качества изготовления буровых шарошечных долот, которая раскрывает цель исследований и основные задачи настоящей работы.
Цель исследований.
Совершенствование технологии бурения и повышение показателей буровых работ за счет создания новых высокоэффективных шарошечных долот для проводки скважин в различных горно-геологических условиях, в т. ч. для высокооборотного бурения.
Основные задачи исследований.
• исследование кинематики, кинетики работы буровых шарошечных долот и отдельных их узлов и элементов с использованием аналитических и экспериментальных методов;
• теоретические исследования факторов, влияющих на эффективность разрушения горной породы на забое скважины, и создание математической модели работы буровых шарошечных долот на забое;
• разработка методов оценки кинетических характеристик и работоспособности буровых шарошечных долот;
• разработка нового вооружения буровых шарошечных долот, обеспечивающего эффективное разрушение горных пород без трекинга на забое;
• разработка новых герметизирующих и опорных узлов буровых шарошечных долот, в т. ч. для высокооборотного бурения;
• разработка новых схем промывки долота и забоя с целью повышения эффективности процесса очистки призабойной зоны скважины и вооружения долота от шлама;
• создание новых методов проектирования и разработка новых производственных процессов, обеспечивающих повышение надежности и эффективности работы буровых шарошечных долот с использованием современных технологий и методов математической статистики;
• проведение широких промысловых испытаний и внедрение разработан ных технических решений и мероприятий в различных горно-геологических условиях проводки скважин, их технико-экономическая оценка.
Создание новых и модернизация серийных долот на стадиях проектирования, изготовления и использования производились по следующим основным направлениям:
• разработка высокоэффективного твердосплавного вооружения шарошек бурового долота на основе комплексного изучения кинематики и кинетики его работы на деформируемом забое;
• создание новых типов и конструкций опорных узлов буровых шарошечных долот, позволяющих выдерживать высокие статические, динамические и вибрационные нагрузки при взаимодействии долота с породой забоя, а также гидравлических устройств, в большой степени влияющих на эффективность разрушения горных пород на забое и его очистку от шлама;
• использование новых материалов и сплавов с внедрением в технологию производства долот ранее закрытых технологических решений с целью повышения износостойкости и прочности узлов и элементов буровых шарошечных долот, повышающих производительность бурения, за счет использования новых материалов и сплавов с применением лазерных и плазменных технологий.
В результате проведенных исследований:
• разработана и апробирована методология создания бурового породо-разрушающего инструмента повышенной эффективности, основанная на комплексном изучении кинематики и кинетики его работы и условий взаимодействия вооружения долота с забоем;
• создана универсальная математическая модель работы бурового шарошечного долота с использованием методов математической статистики для оценки качества и технического уровня бурового породоразрушающего шарошечного инструмента;
• разработана и апробирована методика определения критериев оценки работоспособности буровых долот на забое скважины в форме кинетических характеристик;
• разработаны аналитическая модель и расчетная схема, позволяющие получить достоверную информацию о параметрах и условиях работы отдельных шарошек долот и их венцов на забое;
• получены аналитические выражения, связывающие параметры вооружения шарошек и забоя скважины;
• разработана и апробирована аналитическая модель создания условий равностойкости опор шарошек буровых долот;
• на основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований поставлена и решена задача оптимизации вооружения шарошек буровых долот с твердосплавными зубками, что позволило научно обосновать новые эффективные геометрические характеристики поражающих вершин зубков, обеспечивающих эффективное разрушение конкретного типа горной породы;
• выявлены основные причины и закономерности возникновения тре-кинга на забое скважины, снижающего эффективность разрушения горных пород, и разработаны методы его предотвращения или минимизации;
• созданы новые типы и конструкции опорных узлов буровых шарошечных долот, позволяющие выдерживать высокие статические, динамические и вибрационные нагрузки при взаимодействии долота с породой забоя;
• разработаны новые гидравлические устройства буровых шарошечных долот, повышающие эффективность процесса очистки призабойной зоны скважины и вооружения долота от шлама;
• предложен и реализован в производстве метод повышения стойкости и других характеристик буровых шарошечных долот за счет использования новых материалов и сплавов с применением лазерных и плазменных технологий;
• разработана и внедрена методика автоматизированного проектирования и подготовки производства (САПР - САТГШ) на основе концепции единой конструкторско-технологической документации, разделенной по опера ционному признаку, что позволило объединить исследование, проектирование и технологическую подготовку в единую систему, использующую статистические методы управления качеством;
• выполненные теоретические, стендовые и промысловые исследования позволили создать в ОАО «Уралбурмаш» 43 новые и усовершенствованные конструкции долот основного применения для бурения нефтяных, газовых и взрывных скважин (III 215,9 - М, МЗ, МП, С, СТ, СЗ, T, ТЗ, ТКЗ, КП, ОКП - ГВ; III 244,5 - Т, ТЗ, ТКЗ, К- ПВ; III 250,8 - Т, ТЗ, ТКЗ, К, ОК - ПВ; III 269,9 - СЗ, К, ОК - ПВ), а проведенные массовые промысловые испытания показали эффективность разработанных конструкций и технических решений.
Методы исследования.
В работе использован комплекс методов, включающих аналитические, экспериментальные исследования, численные и статистические методы, стендовые и промысловые испытания, технико-экономические методы оценки результатов работы.
Состояние качества и надежности буровых шарошечных долот
Для выпуска современного бурового шарошечного долота необходимо более 300 различных основных и вспомогательных материалов - сталей, твердых сплавов, наплавочных покрытий, термо- и маслостойких резин, смазок и др., а также станочной оснастки, всевозможного режущего и мерительного инструмента. Количество металлообрабатывающего и термохимического оборудования исчисляется сотнями единиц. Достижение необходимой точности большого числа сопрягаемых деталей, подверженных поводкам при химико-термической обработке и сварке, требует высокой культуры производства, основанной на применении уникального специального высокоточного оборудования и надежных средств контроля. В машиностроении буровые долота отнесены к особо важной стратегической продукции, а технология их производства - к особо сложной.
Вопросам, связанным с исследованием механизма разрушения и очистки забоя бурящейся скважины, созданием породоразрушающего бурового инструмента, методам повышения его надежности и технологическим про цессам его отработки в различных горно-геологических условиях посвящено значительное количество работ, которые выполнили: Абрамсон М.Г., Аго-шашвили Т.Г., Акчурин Х.И., Баталов СП., большая группа ученых Самарского аэрокосмического университета им. академика СП. Королева под руководством Барвинка В.А., Бикбулатов И.К., Бирман В.А., Богомолов P.M., Браженцев В.П., Буяновский И.Н., Виноградов В.Н., Владиславлев Ю.Е., Гинзбург Э.С, Гусман A.M., Жидовцев Н.А., Кершенбаум В.Я., Константинов Л.П., Кораблев Г.А., Мавлютов М.Р., Матвеев Ю.Г., Матюшин П.Н., Мессер А.Г., Михайлин Ю.Г., Неупокоев В.Г., Палий П.А., Перегудов А.А., Пестров А.П., Поланский Г.А., Попов А.Н., Порунов Н.П., Свинкина Н.М., Сорокин Г.М., Спивак А.И., Стеклянов Б.Л., Сухов Р.И., Торгашов А.В., Трушкин Б.Н., Чайковский Г.П., Щербаков Л.Я., Цветков Ю.Н., Эйгелес P.M., Ясашин В.А., М. Бингхем, Р. Броммел, П. Гнирк, Р. Каннингем, Р. Маклин, Н. Схоллет, Р. Тиль, Д. Чиатем, Г. Шоль, В. Эванс, Д. Эккел, Г. Финстар, Н. Ван-Линген, В. Маурер, X. Аутманс, Р.Бобо, Д. Видрайн, А. Гардинер, К Лоухон, Д. Маейрс и большой ряд других авторов. Ими разработаны основы теории разрушения горной породы и очистки забоя скважины и создания породоразрушающего бурового инструмента и его эффективного использования в бурении.
Буровое шарошечное долото является тем компонентом буровой системы, который способен кардинально повысить эффективность всего процесса бурения. По мере совершенствования технологии проектирования и изготовления долот специалисты уделяют все большее внимание оптимизации конструкций долот, базирующейся на характеристиках разбуриваемых пород. Детальный анализ процесса разрушения долотом конкретной горной породы с использованием статистических методов анализа помогает приблизиться к оптимальному сочетанию механической скорости бурения и времени работы долота на забое скважины, что необходимо при разработке оптимальной долотной программы.
Модернизация существующих буровых шарошечных долот или даже разработка и изготовление полностью новой конструкции теперь занимает всего лишь несколько недель, и это поднимает значение научной программы подбора долот, влияющей на улучшение показателей бурения, на существенно более высокий уровень.
Существует несколько проблем, ограничивающих стойкость долот.
Из них основной является проблема надежности уплотнения опоры, являющейся сегодня основной причиной выхода долот из строя. Но повреждение уплотнения может быть и следствием проблем с подшипниками опоры или смазкой. Усовершенствованная аналитическая техника позволяет углубить понимание процесса износа долота.
В прошлом абразивный износ частицами шлама, проникающими между лапой и шарошкой, считался основной причиной износа и повреждения уплотнений радиального типа. Теперь износ и повреждение уплотнений связывают со многими факторами, такими, как температура, свойства и параметры бурового раствора, условия смазки, перепад давления на уплотнении.
Несмотря на усовершенствование вооружения долота, металлургия твердого сплава не претерпела существенных изменений. Твердосплавное вооружение буровых шарошечных долот по-прежнему базируется на зубках из карбида вольфрама-кобальта, которые весьма чувствительны к перегреву рабочих поверхностей в процессе бурения.
Главной причиной износа вооружения шарошек является преждевременное разрушение твердосплавных зубков. При высоких скоростях вращения долота и контакта зубков с породой генерируется большое количество тепла, ведущее к возникновению тепловых трещин, а затем и к выкрашиванию и поломке зубков. Зубки из твердых сплавов с повышенным содержанием кобальта менее чувствительны к перегреву, но не обладают достаточной абразивной стойкостью.
Условия эксплуатации буровых шарошечных долот на забое скважины сверхжесткие. Достаточно сказать, что шарошечное долото, имея диаметр 46 - 508 мм, работает при осевых нагрузках 2-40 кН, при частоте вращения от
0,7 до 20 с" в абразивосодержащей среде, при значительной динамичности приложения нагрузки. Увеличение количества энергии, подводимой к долоту, является одной из причин повышения механической скорости бурения.
Высокая энергоемкость разрушения горных пород требует подведения к долоту большой (более 50 кВт) мощности. Реализация этой мощности происходит через небольшие контактные поверхности, что обуславливает высокую напряженность работы узлов и элементов долота. Так, в работе опоры шарошечного долота одновременно участвует около 10-15% всех тел качения, а поэтому контактные напряжения достигают в опорах качения 4000 -5000 МПа, а опорах скольжения - 30 - 40 МПа.
Экспериментальные исследования и опыт эксплуатации бурового шарошечного долота при бурении скважин свидетельствует о том, что в отработанных долотах с открытой опорой износ беговых дорожек подшипниковых роликовых составляет (1,5 - 5,5) мм; шариковых - (0,3 - 1,6) мм; скольжения - (0,07 - 1,6) мм, что совпадает с установленной неравномерной загруженностью подшипников.
Температура среды в забое на некоторых участках достигает 200 С и выше. На контакте зуб шарошки - горная порода и в опорах возникают скачки температуры до 1000 С и более. Экспериментальные данные показывают, что температура нагрева роликов достигает 300 - 400 С. Это может вызвать в долотных сталях температурные напряжения, которые будут способствовать зарождению первичных трещин и усталостных выкрашиваний.
Вычисление кинетических характеристик рабочих узлов и элементов буровых шарошечных долот
Аналитическая модель перекатывающегося венца по недеформиру-емому забою скважины имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что невозможно вычислить контактные работы разрушения, которые, как показали исследования, являются основой определения режимов вращения шарошек и аналитической структуры кинетических критериев оценки работоспособности породоразрушающих инструментов.
Работа от сил трения, по определению, вычисляется как произведение пути контакта на силу сопротивления движению тела в контакте, т.е. A = S-F
Не анализируя силу сопротивления движению тел в контакте зубьев шарошек на забое скважины, рассмотрим методику вычисления их путей контакта для различных случаев взаимодействия вооружения зубьев шарошек с поверхностью забойной области.
Были построены двухпараметрические уравнения траекторий движения зубьев шарошек в форме
Нижний предел интегрирования \/о находим при h = 0, он равен нулю. Величина h для каждого механизма взаимодействия рабочих элементов буровых долот при учете деформируемости забоя скважины определяется по-разному: во-первых, она может быть выражена глубиной погружения венцов шарошек в забойную поверхность скважины, как и для одношарошечных долот со сферической поверхности; во-вторых, когда те или иные венцы не участвуют в формировании сферических или тороидных поверхностей забоя скважины, она задается глубиной внедрения зубьев в породу 6. Естественно, величина 8 не может быть больше значения вылета зубьев из тела шарошек.
Опишем методику вычисления величин погружения венцов в сферическую и тороидную поверхности забоя скважины. Условия такого погружения в сферическую поверхность определится следующим образом.
Рассмотрим в заданной системе координат сечение скважины и проекцию периферийного венца в этой плоскости. Очевидно, условие вписывае-мости венцов шарошек, в сечение буровых скважин будет рскв рвен и невпи-сываемости рскв рвен. в направлении пересечения осей долота и шарошки, т.е. по оси ОХ. Здесь рскв радиус кривизны скважины, мм рвен - радиус кривизны проекции венца на плоскости поперечного сечения скважины, мм. Радиус кривизны сечения скважины - величина постоянная и равна радиусу скважины. Для эллипса радиус кривизны в заданной точке найдем по известной формуле [72, 128] Аналогичный результат геометрическим построением получен И.М.Бирюковым [28].
Таким образом, существует два условия, при которых рабочие выступы периферийных венцов могут находиться значительное время в контакте, не имея внедрения; при у = ±/3 и Rc . cos а
Величина пути контакта рабочего выступа с поверхностью забоя будет зависеть от глубины внедрения его в породу и вписанности венца, несущего этот выступ, в сечение скважины. Вписанность венцов определится глубиной или высотой контакта. Вычислим эту величину через геометрические параметры долота, а параметр h -при нулевом смещении осей вращения шарошек (Rc ). Пусть периферийный венец радиусом Rc не вписан в cos а сечение скважины радиусом Rc. Найдем координаты точек, в которых сечение скважины (окружность) и проекция венца на плоскость этого сечения (эллипс) соприкасаются (рис.2.6).
Определим параметр h при положительном и отрицательном смещениях осей вращения шарошек (у Ф О ). Легко видеть, что невписанность периферийных венцов шарошек со смещенными осями вращения обусловлена геометрическими параметрами /? (угол разворота) или К (величина смещения оси шарошки). Независимо от того, положительное будет смещение или отрицательное, высота входа в контакт точек периферийного венца при равных по абсолютной величине .геометрических параметрах одинакова, поэтому рассмотрим только случай положительного смещения оси вращения шарошки (рис 2.7).
Для определения высоты входа в контакт с забоем скважины точек периферийного венца необходимо знать координаты точки касания М (Хь Уі) окружности с радиусом Кс и эллипса с полуосями гиг cos а Тогда, как и в рассмотренном выше случае, найдем
Исследование равномерности нагружения опор и вооружения буровых шарошечных долот
Для совершенствования конструкции долота необходима точная и полная информация о напряженном состоянии его основных элементов. Используя такую информацию можно повысить надежность основных элементов путем снижения напряжений в зонах их концентрации. Традиционные методы исследования, например тензометрирования не позволяют получить достаточную картину объемно-деформируемого состояния. Отсутствие такой информации в настоящее время не позволяет дать обоснованную оценку прочности элементов долота, а так же приступить к решению вопроса оптимизации металлоемкости конструкции.
Такая задача наиболее полно может быть решена с применением поля-ризационно-оптического метода исследования напряжений с применением технологии "замораживания"(фиксирования) напряженно-деформированного состояния модели рассматриваемой инструкции. Этот метод, в отличие от тензометрии, представляющей информацию для отдельных точек, позволяет на недорогих моделях из оптически чувствительного материала при действии различных нагрузок с применением несложного оборудования получить об щую картину распределения напряжений на поверхности и внутри объема модели, определить направления и величины напряжений для всех точек.
Поляризационно-оптический метод, примененный для определения напряжений в опоре долота особенно эффективен при исследовании концентрации напряжений для выбора оптимальной формы, размеров и массы конструкций при их проектировании.
В качестве объекта испытаний было выбрано трехшарошечное долото III 215,9 МСЗ-ГН как наиболее яркий представитель семейства долот, в опоре которого имеются все типы подшипников (качения - замковый шариковый, качения - роликовый и скольжения - концевой подшипник).
При просвечивании среза на оптической установке поляризованным светом получают картину интерференционных полос, по которой определяют напряжения в объемной модели в плоскости среза.
Учитывая сложность конфигурации конструкции трехшарошечного долота, размеры переходных поверхностей в зонах концентрации напряжения, чувствительность оптического материала и приборов, масштаб геометрического подобия модели выбрали равным 1,5, а все полученные результаты были скорректированы согласно этого масштаба.
В качестве материала, из которого была изготовлена модель трехшарошечного долота была принята эпоксидная смола ЭД-16 (для неплотных узлов ЭД-20) с отвердителем - полиэтиленполиамином (ПЭПА).
При проведении экспериментов для принятых в работе случаев температура замораживания Т3 оптические постоянные о01,0и модули упругости, определенные в ходе работы равны: для лапы и насадок Т3=145 С, а01, =480 Н/м пол., Е=25,5 МПа; для шарошек и их вооружения, всех подшипников Т3=145 С, а01,0=460 Н/м пол., Е=26,0 МПа.
После изготовления элементов модели, сборки (склейки) долото подвергалось осевой нагрузке с осевым давлением 315 Н и было заморожено. После указанных процедур по всему корпусу долота были вырезаны 11 сре зов (согласно представленной схеме рис. 3.1).
Исследуя срезы, расположенные перпендикулярно от долота, можно определить тангенциальные нормальные напряжения а0 в срезах, расположенных вдоль оси долота - определяются осевые нормальные напряжения ат.
При проведении анализа изучено напряженное состояние элементов трех шарошечного долота по всем указанным сечениям на рис. 3.2, 3.3 приводятся результаты сечения №1 по корпусу (по оси цапфы лапы №1) и по оси шарошки № 1.
Наибольшими напряжениями в корпусе долота и в шарошках являются меридиональные (осевые), которые по абсолютной величине превосходят тангенциальные, действующие в поперечных сечениях.
Картины полос интерференции в срезах позволяют установить, что основными областями концентрации напряжений являются зона присоединения цапфы к лапе и корни зубьев в шарошках.
Влияние конструктивных особенностей промывочных устройств на эффективность работы долота
В настоящее время при постановке и решении задач повышения показателей работы буровых шарошечных долот, таких, как проходка, механическая скорость бурения, большое внимание уделяется совершенствованию их промывочных устройств. За последние годы большой цикл исследований по данному вопросу проведен во ВНИИБТ, УГНТУ, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, а также за рубежом.
Основные исследования посвящены пространственному размещению насадок, позволяющему простыми средствами получать асимметричность схем промывки на забое, рационально обрабатывать струями площадь забоя скважины, интенсифицируя процесс бурения за счет своевременного удаления шлама с забоя и подъема его в затрубное пространство [46, 73, 94, 196].
Анализ конструктивных решений систем промывок буровых долот показал, что наиболее разнообразными функциональными характеристиками обладают схемы с боковыми гидромониторными, особенно приближенными к забою насадками и комбинированными схемами промывки.
Система промывки серийного долота с тремя гидромониторными насадками подвергает воздействию динамического давления практически всю поверхность забоя, что, с одной стороны, способствует созданию эффективных поперечных потоков на забое, а с другой - затрудняет организацию восходящих потоков в проемах между лапами, освобождающих призабойную зону скважины от шлама, повторно измельчаемого как на поверхности забоя, так и в зазоре между спинками лап и стенкой скважины.
Асимметричная конструкция системы промывки существенно улучшает качество очистки забоя, за счет организации эффективного восходящего потока в свободном проеме, а следовательно, способствует улучшению очистки призабойной зоны от шлама, о чем свидетельствует повышение показателей бурения долотами с ассиметричной системой промывки и приближением насадок к забою.
Удлинение насадок улучшает условия выноса шлама из призабойной зоны как с тремя боковыми насадками, так и в случае применения асимметричных схем промывки. При удлинении насадок не только резко снижается отражающая способность струи, но и эффективнее организуется восходящий поток жидкости - в проемах между лапами и резко снижается вторичное измельчение шлама между спинками лап стенкой скважины.
Важнейшим требованием к гидромониторным насадкам является их износостойкость. Действительно, скорость проходящей через насадку абразивной жидкости может достигать 100 метров в секунду и более. При таких скоростях протекания жидкости с абразивом насадки, изготовленные из закаленной стали промываются в течении нескольких минут, а в аварийных ситуациях, когда герметизация установки насадки нарушена, наблюдался срез корпуса потоком бурового раствора. Именно вследствие этого после выпол нения сборочных операций завод-изготовитель проверяет на герметичность 100% долот (согласно РДИ 1401-305-88).
В настоящее время основным материалом для изготовления гидромониторных насадок являются металлокерамика (твердые сплавы типа ВК), износостойкая минералокерамика, а также износостойкие чугунные сплавы с включением редкоземельных металлов (например, иттрия) и некоторых других керамик, проходящих в настоящее время всесторонние испытания.
Вторым основным требованием к гидромониторным насадкам является способность сохранять ядро постоянных скоростей струи в затопленном пространстве на как можно большем расстоянии от ее среза.
Автором совместно со специалистами РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина разработана удлиненная насадка с двумя конфузорными формирующими участками. При этом входной конфузорный участок плавно сопряжен с последующим цилиндрическим участком-успокоителем, с которым, в свою очередь, сопряжен выходной формирующий конфузорный участок, связанный с выходным отверстием, протяженность которого выбирается равной 0,1-0,5 номинального диаметра насадки [187, 196].
В разработанной насадке, ввиду того, что диаметр входного отверстия (максимальный диаметр входного конфузорного участка) как и во всех известных долотах принят равным диаметру подводящего канала долота, буровой раствор безударно входит во входной конфузорный участок гидроканала, где происходит плавное сужение струи с одновременным ее ускорением. В связи с тем, что дополнительный участок имеет самый большой радиус, при входе жидкости в успокоитель даже при больших скоростях потока (при экспериментах до 80 м/сек) не происходит его отрыва от стенок насадок, поток плавно огибает дугу и, как следствие, не происходит гидроабразивного кави-тационного изнашивания области канала за ней.
