Содержание к диссертации
Введение
Проблемы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот 13
1.1. Технико экономические показатели бурения скважин 13
1.2. Условия работы буровых шарошечных долот 19
1.3. Породоразрушающий инструмент отечественного производства 22
1.4. Породоразрушающий инструмент зарубежного производства 31
1.5. Анализ конструкций элементов шарошечных долот 37
1.5.1. Вооружение шарошечных долот 37
1.5.2. Опоры шарошечных долот 48
1.5.3. Герметизация опор шарошечных долот ; 60
1.5.4. Смазочные устройства буровых долот 81
1.6. Смазочные материалы для буровых долот 97
1.7. Условия работы и смазочные материалы лицензионных долот 104
1.8. Причины износа элементов узлов шарошечных долот 112
1.8.1. Износ вооружения шарошечных долот 112
1.8.2. Характер изнашивания опор шарошечных долот 118
1.9. Перспективы применения поликомпозиционных гальванических покрытий для повышения надёжности и долговечности деталей и узлов бурового инструмента 123
1.10. Постановка цели и задачи исследований 130
Выводы по разделу 1 131
Анализ работы шарошечных долот 132
2.1. Влияние технологических параметров процесса бурения на механическую скорость и проходку на долото 132
2.2. Методика прогнозирования времени работы долота на забое 142
2.3. Влияние технологических параметров процесса бурения на износ узлов долота 146
Вывод по рарделу 2 157
Оптимизация конструкторских характеристик шарошечных долот 158
3.1. Оценка контактной прочности вооружения долота 158
3.2. Анализ кинетических характеристик экспериментального долота 162
3.3. Расчёт усилий в опоре долота 171
3.4. Расчёт подшипников скольжения 175
3.5. Напряжённое состояние подшипника скольжения 181
3.6. Расчёт долговечности подшипников скольжения и уплотнений экспериментальных шарошечных долот 184
3.6.1. Долговечность подшипника скольжения 184
3.6.2. Долговечность упорного подшипника 186
3.6.3. Долговечность торцевого уплотнения 189
3.6.4. Долговечность радиального уплотнения 192
3.7. Температурный режим работы узлов трения долота 194
3.8. Система смазки шарошечных долот 201
Выводы по разделу 3 207
Разработка и исследование композиционных материалов для герметизации опор шарошечных долот 208
4.1. Композиционные материалы на основе резины 208
4.2. Выбор наполнителя для получения композиционного материала 211
4.3. Выбор способа обработки волокна 215
4.4. Исследование физико-механических свойств композиционных материалов 218
4.5. Стендовые испытания уплотнений шарошечных долот 224
Выводы по разделу 4 228
Разработка физико-математической модели кинетики процесса образования поликомпозиционных гальванических покрытий 229
5.1. Общая характеристика процесса образования покрытий 229
5.2. Образование покрытий по конвективно - миграционному механизму 234
5.3. Образование покрытий по конвективно - диффузионному механизму 235
5.4. Образование покрытий по механизму смешанной кинетики 236
5.5. Экспериментальное исследование физико - математической модели кинетики образования поликомпозиционных гальванических покрытий 239
5.5.1. Влияние природы электролита на количество включений частиц в покрытия 239
5.5.2. Влияние плотности тока на количество включений дисперсных частиц в покрытия 242
5.5.3. Влияние температуры электролита на количество включений дисперсных частиц в покрытия 243
5.5.4. Влияние толщины диффузионного слоя электролита на количество включений дисперсных частиц в покрытия 244
5.5.5. Влияние скорости седиментации на величину начальной концентрации порошка в электролите 246
5.5.6. Влияние скорости электрофореза на начальную концентрацию порошка в электролите 247
5.5.7. Влияние конвективной диффузии на выбор начальной концентрации порошка в электролите 249
5.6. Экспериментальная оценка физико-математической модели кинетики процесса образования покрытий 251
Выводы по разделу 5 253
Исследование технологических свойств электролита, физико-механических и износостойких свойств ПКГП М-АЬОз-МоЗг 255
6.1. Выбор электролита 255
6.2. Влияние дисперсной фазы на катодную поляризацию 257
6.3. Влияние концентрации порошков в электролите и режимов электролиза на выход покрытия по току 260
6.4. Исследование рассеивающей способности электролита 263
6.5. Зависимость микротвёрдости ПКГП N1-AI2O3-M0S2 от концентрации порошков в электролите и технологических режимов осаждения покрытий 265
6.6. Фазовый состав и структура ПКГП Ni - А1203 - M0S2... 269
6.7. Исследование тонкой структуры ПКГП Ni - AI2O3 - M0S2...278
6.8. Прочность сцепления ПКГП Ni - А1203- MoS2...280
6.9. Внутренние напряжения ПКГП Ni - А1203- MoS2 .283
6.10. Исследование износостойкости ПКГП Ni - AI2O3 - M0S2 284
Выводы по разделу 6 287
Конструкторская разработка шарошечного долота III 215,9 МС-ГАУ-НМ 290
7.1. Общая характеристика экспериментального шарошечного долота III 215,9 МС-ГАУ-НМ 290
7.2. Промысловые и стендовые испытания шарошечных долот III 215,9МС- ГАУ-НМ 304
Выводы по разделу 7 306
Основные выводы и рекомендации 307
Список используемых источников 310
- Породоразрушающий инструмент отечественного производства
- Влияние технологических параметров процесса бурения на механическую скорость и проходку на долото
- Анализ кинетических характеристик экспериментального долота
- Выбор наполнителя для получения композиционного материала
Введение к работе
Актуальность темы
Повышение технико-экономических показателей бурения глубоких нефтегазовых скважин в значительной степени можно обеспечить сокращением больших потерь времени на смену изношенного породоразрушающего инструмента, работоспособность которого определяется долговечностью отдельных его узлов и вооружения шарошек. Недостаточная надёжность бурильного инструмента приводит к авариям, связанным с большими экономическими потерями на простои и ремонт при строительстве скважин. Существенное влияние на надёжность работы шарошечных долот оказывает также состав и эффективность применяемых смазочных материалов. Поэтому при разработке новых конструкций и модернизации долот необходим системный подход к решению задач обеспечения эффективности их работы.
На эффективность углубления забоя вращательным способом оказывают влияние такие факторы, как контактная прочность вооружения, равномерность распределения нагрузки на каждый венец шарошки, усилия, возникающие в опоре долота, напряжения в подшипниках опоры долота и их долговечность, температурный режим работы узлов трения долота, а также эффективность и долговечность работы системы герметизации. Изучение этих характеристик процесса работы долота позволяет внести необходимые корректировки в техническую документацию на стадии конструкторских работ, выбор оптимального типа долота и обеспечить повышение технико-экономических показателей бурения.
Анализ результатов исследований по данной проблеме позволил определить основные перспективные направления, главными из которых являются: повышение долговечности работы опорного узла шарошечных долот, за счёт их герметизации; разработка и применение термостойких уплотнений из современных композиционных материалов; повышение
прочностных и антифрикционных свойств сопрягающихся поверхностей
опоры долота; разработка высокотехнологичных составов смазочных материалов и конструкций системы их подачи. Решением этих проблем занимаются отраслевые институты, конструкторские бюро, университеты -ООО НПО «Буровая техника» ВНИИБТ, НПО «Геотехника», СКБД ПО «Волгабурмаш», ДФГУП «ЗапСибБурНИПИ», ТюмГНГУ, УГНТУ и другие. В настоящее время при строительстве скважин нашли широкое применение импортные долота, т.к. по показателям проходки на долото и времени бурения выпускаемый отечественной промышленностью буровой инструмент качественно отстает от долот зарубежных производителей. В связи с вышеизложенным, разработка породоразрушающего инструмента, конкурентоспособного с зарубежными аналогами, является актуальной задачей, что и обусловило постановку цели данной диссертационной работы.
Цель работы
Повышение эффективности работы и надёжности шарошечных долот
конструкторскими, технологическими и методическими решениями по
модернизации системы смазки, герметизации опор долота, повышению
износостойких и антифрикционных свойств опорных поверхностей долот
композиционными покрытиями, разработке основных технических
характеристик шарошечных долот.
Задачи исследований
- аналитическая оценка и научное обобщение результатов теоретических,
экспериментальных исследований и технических разработок в области
модернизации конструкторских решений при разработке шарошечных долот;
- анализ влияния технологических параметров режима бурения,
параметров используемых буровых растворов, физико-механических свойств
разбуриваемых пород на показатели механической скорости, проходки на
долото, износа элементов конструкции опорных поверхностей и вооружения
шарошечных долот;
- исследование и разработка системы герметизации и композиционных
материалов для герметизации опор шарошечных долот;
исследование и разработка новых смазочных материалов и системы их подачи в полость шарошек к трущимся поверхностям;
анализ и оптимизация кинетических характеристик работы серийных долот при проектировании экспериментальных шарошечных долот;
совершенствование методов расчёта контактной прочности вооружения долот, усилий в опоре долота, долговечности и напряжённого состояния подшипников скольжения, долговечности торцевых и радиальных уплотнений шарошечных долот;
разработка и исследование физико-математической модели процесса осаждения поликомпозиционных гальванических покрытий для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств опорных поверхностей шарошечных долот;
разработка модернизированной конструкции трёхшарошечного долота Ш 215,9 МС-ГАУ-НМ и проведение промысловых испытаний.
Научная новизна
1. Теоретически обоснована методология оценки работоспособности шарошечных долот путём учёта влияния напряжённого состояния отдельных его элементов (подшипников, торцевых и радиальных уплотнений, вооружения) на долговечность работы долота в целом.
2. Научно обоснован анализ кинетических характеристик серийного долота на основе реализации принципа равнонагруженности шарошек долота, определения нового сочетания геометрических параметров долота и схем расположения вооружения, повышения эффективности работы долота как за счёт повышения интенсивности разрушения горной породы, так и за счёт повышения долговечности опор смежных шарошек.
3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены технические решения повышения эффективности работы, надёжности и долговеч-
10 ности буровых шарошечных долот.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями подтверждена эффективность применения разработанной физико-математической модели кинетики процесса осаждения поликомпозиционных гальванических покрытий.
Научно обоснованы и экспериментально подтверждены технические решения повышения прочностных и антифрикционных и самосмазывающихся свойств свойств сопрягающихся поверхностей опор шарошечных долот и системы герметизации поликомпозиционными гальваническими покрытиями.
Практическая ценность Разработанные методологические решения явились основой совершенствования элементов породоразрушающего инструмента и повышения надёжности работы шарошечного долота.
В частности, разработаны:
двухуровневая система герметизации опоры шарошечного долота (патент РФ №39159);
композиционный материал ИРП-1287С20 для герметизации опоры долота;
консистентная смазка МЗ/13 - ДЗ и система полной набивки смазки в полость шарошки;
- методика расчёта температурного режима работы узлов трения долота.
Разработано шарошечное долото и система подачи смазки в зону трения
при работе долота на забое, позволяющая повысить долговечность работы долота (патент РФ № 2153579).
Разработана и внедрена технология нанесения на сопрягающиеся поверхности опор шарошечных долот и системы герметизации износостойких, антифрикционных, самосмазывающихся поликомпозиционных гальванических покрытий (Заяв.20.07.2004; положит, решение 02.09.04.).
По результатам анализа отработок шарошечных долот на площадях ДООО
«Бургаз» определены факторы, лимитирующие надёжность работы шарошечных долот и определены их оптимальные параметры.
Разработана и передана Верхнесергинскому долотному заводу «Уралбур-маш» нормативная документация на изготовление модифицированной конструкции трёхшарошечного долота III 215,9 МС-ГАУ-НМ для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин сплошным забоем роторным способом или винтовым забойным двигателем. Их внедрение способствовало повышению эффективности работы, надёжности и долговечности шарошечных долот. Апробация результатов исследований
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научной конференции «Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности», Свердловск, 1986 г., 1988 г.; Всесоюзной конференции «Применение аппаратов порошковой технологии процессов термосинтеза в народном хозяйстве», Томск, 1987 г.; И-ой Всесоюзной научной конференции «Нефть и газ Западной Сибири», Тюмень, 1989 г.; областной конференции «Химические проблемы отраслей народного хозяйства Тюменского региона и пути их решения», Тюмень, 1991 г.; Межгосударственной научно-технической конференции, посвященной 30-летию Тюменского индустриального института «Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировка», Тюмень, 1993 г.; Международной научной конференции «Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления нефтяных и газовых скважин на месторождениях Западной Сибири», Тюмень, 1996 г.; областной научно-технической конференции «Проводка нефтегазовых скважин в условиях аномально высоких пластовых давлений», Тюмень, 1997 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтедобывающего комплекса», Тюмень, 2000 г.; Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в
12 машиностроении», Тюмень, 2000 г.; Международной научно-практической
конференции «Нефть и газ Украины 2000», Ивано-Франковск, Украина, 2000
г.; Всероссийской научно-технической конференции «Большая нефть: реалии,
проблемы, перспективы», Альметьевск, АлНИ, 2001 г.; Всероссийской научно-
технической конференции «Проблемы совершенствования технологий
строительства и эксплуатации скважин, подготовки кадров для Западно-
Сибирского нефтегазодобывающего комплекса», Тюмень, 2001 г.; конферен
ции «Повышение эффективности работы нефтегазодобывающего комплекса
Ямала путём применения прогрессивных технологий и совершенствования
транспортного обслуживания», Салехард, 2002 г.; Международной
конференции «Нефть и газ Арктического шельфа 2002», Мурманск, 2002 г.
Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию
ТюмГНГУ «Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе»,
Тюмень, 2003 г.;; 4-й Международной научно-практической конференции
«Освоение ресурсов трудноизвлекаемых и высоковязких нефтей», Анапа,
2003 г.; на Международной научно — технической конференции,
посвященной 40-летию ТюмГНГУ «Нефть и газ Западной Сибири», Тюмень, 2003 г.
Публикации
По теме диссертации за период с 1986 по 2004 годы опубликовано 59 работ, в том числе 30 в центральных изданиях, две монографии, получено два патента РФ.
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, семи основных разделов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 225 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 360 страницах машинописного текста, в том числе содержит 75 рисунков, 78 таблиц.
Породоразрушающий инструмент отечественного производства
Циркуляционные системы для работы с утяжеленными растворами не выпускаются. Качество и надежность циркуляционных систем низкие, эксплуатационные характеристики невысокие. Зарубежные циркуляционные системы с трех и четырехступенчатой системой очистки включают в себя блоки приготовления растворов, химических реагентов и их дозированного ввода, а также блоки хранения порошкообразных и жидких материалов. Исполнение таких циркуляционных систем арктическое и антикоррозионное. Они предназначены для работы как с утяжеленными, так и с неутяжелёнными растворами. Отечественные БУ уступают зарубежным по максимальному давлению нагнетания насосной группы, характеристике и надежности дизельного привода и удельной металлоёмкости. Металлоёмкость БУ отечественного производства в 1,5 раза выше, чем у зарубежных. Средний срок службы отечественных БУ составляет 6-8 лет, а в США 6-15 лет. В США хорошо налажено обеспечение буровых запасными частями, поэтому установки не разукомплектовывают в случае износа отдельных узлов. В БУ отечественного производства до второго капитального ремонта наиболее надежных её частей (вышки, основания, лебёдки, талевой системы, насосов) необходимо сменить 2 ротора, 2-3 вертлюга, 5-6 ключей АКБ, 2 вибросита, 4-5 шламовых насосов, 4 компрессора и так далее. С учетом капитальных ремонтов потребность в запчастях оказывается настолько большой, что не может быть удовлетворена заводами-поставщиками. Недостаток в них покрывается за счет разукомплектования БУ. Ситуация такова, что новые БУ идут в основном на покрытие амортизации существующего парка и не обеспечивают его существенного прироста. Так, 77 % БУ от всего парка предназначены для бурения на глубину 2000 - 4000 метров. Серийное производство БУ на глубину 5000 м пока не налажено. За рубежом внедряется комплекс мероприятий, направленный на снижение удельной металлоемкости БУ. Среди них замена трубчатых элементов основания, вышки и других профильным уголком, замена конструкционных материалов буровых насосов и других, использование композиционных материалов и покрытий. В результате на 10 - 12 т снижена масса буровых насосов и буровых лебёдок. В настоящее время, например, буровая лебедка БУ 6500 тяжелее аналогичной зарубежной уже на 20 - 26 т, насос потяжелел на 15 т, талевый блок - на 3 т и так далее. Рынок буровых долот зарубежного производства представлен шарошечными долотами со вставными зубьями и вставками, алмазными долотами (с использованием природных алмазов), а также поликристаллическими алмазными долотами ПАД, оснащенными искусственными алмазными пластинками и алмазами (стротопакс и геосет). В США 60 % всех шарошечных долот выпускают со стальными зубьями и 40 % с вольфрамо-карбидными вставками. Долота с поликристаллическими алмазными пластинками (ПАД) имеют срок службы в 3 - 5 раз выше, чем шарошечные долота, но в 5-7 раз дороже. Характеристики долот в сравнительных условиях приведены в таблице 1.1 [ 1 ]. В США долота серий ГН, ГНУ, ГАУ начали выпускаться соответственно с 1956, 1963, 1971 г г., а в СССР соответственно с 1973, 1977, 1982 г г. Причем в США выпускают 220 типоразмеров долот, а в СССР только 92 [ 1 ]. В отечественной геологии на долю шарошечных долот приходится 93,6 % всего объема проходки, на долю алмазных долот 2,6%, на долю бурголовок 3,8 %. Большинство буровых фирм США используют самые эффективные и дорогие шарошечные долота серии ГАУ. Наряду со стойкостью вооружения, обращается внимание на долговечность опоры долота. В США изготовлены первые образцы долот с открытой алмазной опорой скольжения. Стойкость долота 16 часов, а проходка на долото 488 метров. Это представляет значительный интерес для высокооборотного турбинного способа бурения. Технический уровень бурильных труб, используемых в России, уступает зарубежному. Для отечественного производства характерно использование сборной конструкции с навернутыми замками, за рубежом используют трубы с приварными замками. Максимальный предел текучести материала труб, освоенных отечественным производством - 550Т О6 Па, а в США- 1050-Ю6 Па. Причем предел текучести материала труб основного объема производства (группа Д) равен 380-106 Па, а в США - 750-106 Па. Низкая надежность резьбовых соединений, невысокий предел текучести материала труб приводят к росту среднего расхода труб на метр проходки. В России этот показатель 13 кг/м, а в США - 2 кг/м. Аналогичная ситуация и с утяжеленными бурильными трубами (УБТ). Причем только 10 % объема труб поставляются с термообработанными концами. Поэтому на трубных базах геологов и буровиков производят большой объем подготовительных операций, включая упрочнение концов бурильных труб с использованием лазера, упрочнение резьбы труб и переводников пластическим деформированием и так далее. В США аналогичные работы проводят в заводских условиях. Трубы подвергают опрессовке, балансировке и термообработке по всей длине. Кроме этого, их армируют по боковой поверхности твердыми сплавами. Ведущие бурильные трубы выпускают с пределом текучести материала 380-106 Па и только 8% труб с пределом текучести 500-106 Па. В США ведущие бурильные трубы из стали с пределом текучести ниже 75-Ю6 Па не выпускают. Конструкция ведущих труб сборная с переводниками на треугольной резьбе. За рубежом ведущие бурильные трубы изготавливают с высаженными под замковую резьбу концами. Поэтому основные недостатки и главное - средний расход труб на метр проходки остаются в пределах пожелания лучшего. Аналогичная ситуация с обсадными и насосно-компрессорными трубами.
Влияние технологических параметров процесса бурения на механическую скорость и проходку на долото
К вооружению шарошечных долот предъявляют повышенные требования и это обусловлено тяжелыми условиями работы долота на забое (высокие температуры, осевые и динамические нагрузки, гидростатическое давление, большие скорости истечения жидкости из насадок, агрессивные среды, абразивные породы). Такие условия предопределяют повышенный износ вооружения шарошечных долот. Однако долото может эффективно работать, если его тип, конструкция и режимы отработки соответствуют геолого-физическим характеристикам разбуриваемых пород. Установлено, что мягкие и средней твердости породы могут успешно разрушаться шарошками с фрезерованными зубьями. Для бурения абразивных и крепких пород применяют шарошки с твердосплавным зубковым вооружением. Рациональный выбор долота и способа бурения обеспечивают его стойкость 20-200 часов при низкооборотном бурении и 5-30 часов при высокооборотном. Независимо от типа долота остаются постоянными два требования к конструкции - надежность и производительность. Выбор типа вооружения и схемы размещения зубьев и зубков на венцах определяются условием перекрытия забоя вооружением, назначением (типом) долот и требованиями максимальной эффективности разрушения горных пород в соответствии с их физико — механическими свойствами [3]. Для каждого типа долота установлены свои конструктивные особенности и требования к вооружению [13, 14]. С ростом твёрдости пород высота и ширина фрезерного зуба, как правило, уменьшается, угол при вершине увеличивается, шаг между зубьями уменьшается. Перекрытие зубьев на периферийных венцах, которыми разрушается максимальный объём породы и линейные скорости движения которых максимальны, выполняется трёхкратным или близким к нему, а на остальных венцах, однократным, с учётом конструктивных особенностей шарошек и типа долота. Отработка долот определяется не только работоспособностью опоры долота, но и износостойкостью его вооружения. Поэтому и к вооружению шарошечных долот предъявляют повышенные требования. В настоящее время трехшарошечные долота — основной инструмент в бурении [11]. Преимущество их перед долотами других видов заключается в значительно большем количестве единиц вооружения (зубьев или штырей) и большей частоте взаимодействия вооружения с забоем скважины. Вооружение шарошечных долот создают путём фрезерования на теле шарошки клиновидных зубьев, наплавкой зубьев релитом с нагревом токами высокой частоты или газовым пламенем и путём запрессовки в тело шарошки твердосплавных штырей. Часто вооружение долот бывает комбинированным. У долот, предназначенных для бурения мягких и средних, но абразивных долот, поверхности фрезерованных зубьев и тыльная часть шарошек наплавляются зернистым твердым сплавом типа релит. Для разбуривания твёрдых пород применяют зубчато-штыревые долота, у которых периферийный венец и тыльная сторона армированы твёрдым сплавом путём запрессовки штырей из твёрдого сплава типа ВК. Зубковые долота, как и долота с фрезерованным зубом, изготовляют самоочищаемыми. У таких долот зубчатый венец одной шарошки входит в проточку между венцами другой шарошки. Это позволяет увеличить объем тела шарошки, улучшить очистку долота от вязкой породы и создать более мощную опору скольжения шарошки на цапфе. Твердосплавное вооружение представляет собой штыри с различной формой головки. Нижняя цилиндрическая часть штыря предназначена для холодной его запрессовки в тело шарошки с натягом 0,06-0,14 мм и выполняет роль державки. Головка, в зависимости от назначения долота, имеет различную форму заострения и вылета. Твердосплавные штыри выходят из строя вследствие абразивного изнашивания, выкрашивания, скалывания и раздавливания. При знакопеременных нагрузках твердосплавные штыри, обладающие значительно большей твердостью, чем матрица, могут разбивать посадочные отверстия и выпадать на забой скважины. Последующее разбуривание выпавших штырей приводит к выкрашиванию и скалыванию твердосплавного вооружения. Заготовки для изготовления шарошек получают путем штамповки или литья по выплавляемым моделям. Литыми изготовляются шарошки буровых долот диаметром больше 295 мм. Изготовление литых шарошек вместо штампованных на 25—4 0 % снижает себестоимость шарошки и на 35—40 % повышает коэффициент использования металла. Однако низкие механические свойства и дефекты стальных отливок тормозят развитие этого технологического процесса. Более прогрессивна технология получения отливок центробежным литьем. В поле центробежных сил расплавленный металл самоуплотняется и после кристаллизации плотность отливки и ее механические характеристики достигают уровня кованых деталей. Кроме того, центробежное литье позволяет проводить объемное армирование зубьев шарошки литыми карбидами вольфрама, что обеспечивает гораздо большую прочность сцепления твердого сплава с металлом матрицы и позволяет экономить до 70 % релита по сравнению с поверхностным армированием [15].
Исследования на натурных образцах, вырезанных из венцов шарошек, показали, что абразивная стойкость центробежно-армированного вооружения в 13—15 раз выше, чем поверхностно-армированного. Это объясняется большей площадью контакта зерен твердого сплава со стальной матрицей и лучшим их сцеплением [15]. Увеличение грануляции релита повышает абразивную стойкость центробежно-армированного вооружения. Научно-исследовательские и опытно-промысловые работы, выполненные под руководством проф. К.А. Крылова , позволили предложить способ и разработать технологию центробежного армирования бурового породоразрушающего инструмента [16].
Анализ кинетических характеристик экспериментального долота
При работе долота в скважине, особенно при повышенной частоте вращения, в наиболее слабом звене опоры - упорном подшипнике 7 скольжения в зоне трения выделяется большое количество тепла, значительная часть которого поглощается тепловым патрубком 9 и перераспределяется как по периметру кольцевого элемента 10, так и по отходящим от него продольным элементам 11 к радиатору 12. Благодоря этому в зонах трения снижается как средняя температура поверхности, так и температура на локализованных контактных пятнах, что позволяет сохранять прочностные свойства упрочненных материалов на поверхности подшипника и в его глубине. Для эффективного поглощения фрикционного тепла трущиеся стенки тепловых патрубков выполняют из бериллиевой бронзы.
В упорном подшипнике тепловой патрубок крепится известными способами (пайка, механические способы: запрессовка, посадка посредством охлаждения в жидком азоте; сварка лазерным или электронно-лучевым способом). Кроме размещения кольцевого элемента 10 тепловых патрубков в нагруженной зоне цапфы в упорный подшипник скольжения может быть вмонтировано кольцо цилиндрической формы из износостойкого материала, один торец которого установлен заподлицо с поверхностью подшипника, а в другой торец вмонтированы тепловые патрубки, концы которых находятся на расстоянии не более 1 или 1,5 мм от поверхности трения. Таким образом, максимальная эффективность использования тепловых патрубков позволяет снизить на трущихся поверхностях тепловую напряженность и сохранить необходимый комплекс прочностных свойств для крайне тяжелых режимов эксплуатации бурового инструмента при повышенных частотах вращения и тем самым увеличить работоспособность долота. В конструкторском бюро НПО «Геотехника» предложили буровое шарошечное долото с оригинальной конструкцией опоры [23]. На рисунке 1.24,а показана опора шарошечного долота с дополнительными кольцами со сферическими поверхностями. На рисунке 1.24,6 - вид на шарошку без цапфы в монтажном положении сферической опоры. Буровое шарошечное долото содержит корпус 1 с цапфами 2, шарошки 3, установленные на цапфах 2 посредством концевых цилиндрических подшипников 4 и периферийных сферических колец 5, расположенных в сферических расточках шарошки 3. Долото снабжено дополнительными кольцами 7 и 8 со сферическими наружными поверхностями, расположенными в сферических расточках 6 шарошки 3.
В каждой шарошке одно из дополнительных колец 7 установлено на опорной поверхности 9 концевого подшипника 4, а другое (кольцо 8) — на периферии 10 цапфы 2. Шарошки 3 выполнены по торцам 11 с диаметрально расположенными пазами 12, открытыми к оси шарошки симметрично диаметральных плоскостей 13. Ширина пазов 12 не менее максимальной высоты (h) сферических колец 5, 7 и 8. Паз 12 имеет донную часть 14, параллельную оси 15 шарошки и сопряженную со сферической поверхностью расточки 6. Размер L донных частей пазов 12 равен диаметру расточки D. Периферийное кольцо 5, расположенное в середине между кольцами 7 и 8, закреплено на цапфе 2 с помощью штифта 16, поджатого пружинным элементом 17 и представляющее замковое устройство. Дополнительное кольцо 7 является концевым, выполнено плавающим и упирается в бурт 18 цапфы, выполняя функцию упорного подшипника.
Нестандартное, даже несколько необычное техническое решение увеличения ресурса работы долота предлагает Г.В. Чирков [24]. На рисунке 1.25 приведен общий вид опоры долота, которая содержит лапу с цапфой 2. Поверхность цапфы выполнена в виде полусферы. Шарошка 3 размещается на лапе 1 при помощи замкового подшипника качения 4. В цапфе 2 расположены каналы 5 для подачи смазки через рифления 6, выполненные на сферической поверхности цапфы. Между сопрягаемыми поверхностями полусфер шарошки и цапфы находится слой медного покрытия 7, а между лапой 1 и шарошкой 3 выполнено лабиринтное уплотнение 8. Вращение через корпус долота передается лапе 1 и шарошке 3, которая, внедряясь в грунт, вращается вокруг оси и производит бурение скважины. При вращении шарошки 3 вокруг своей оси происходит трение между контактными поверхностями полусфер шарошки и цапфы. За счет трения разогревается нанесенный слой сплава меди, который расположен на поверхности полусферы шарошки (или лапы). Подача смазки в зону контакта производится через каналы 5 и рифления 6, за счет центробежных сил создается давление жидкости смазки в зоне контакта. При разности поверхностных потенциалов между медным сплавом (+) и сплавом железа (-) образуется переход частиц меди на поверхность цапфы (или шарошки), достигается энергетическая не-скомпенсированная поверхностная структура сплава железа и происходит переход компонентов, находящихся в сплаве железа, в зону контакта, которые в дальнейшем оседают в рифлениях. Между контактными поверхностями образуется тонкий слой медной пленки (атомарный слой), который выполняет роль смазки. Образованный равномерный слой медной пленки на всей контактной поверхности обеспечивает высокую контактную жесткость. Изготовленные с высокой точностью сопрягаемые поверхности шарошки и цапфы на станках с ЧПУ (точность станков 0,01 мм) позволяют наносить тонкий слой (0,01-0,2 мм) меди (или сплава меди). При сборке погрешность компенсируется, в случае если нанесен толстый слой меди, за счет поворота шарошки вокруг своей оси и оси цапфы (лишний слой меди оседает в рифлении цапфы и в дальнейшем поступает в углубления шариковой дорожки замкового подшипника качения, компенсируя зазоры последнего). Процесс изготовления и сборки намного упрощается, повышается производительность, точность изготовления, долговечность долота возрастает. Использование в конструкции упрочненного лабиринтного уплотнения между шарошкой и лапой (покрытие СВ-синтез) значительно уменьшает попадание грунта в зону контакта, повышая тем самым долговечность долота.
Выбор наполнителя для получения композиционного материала
Обратный клапан 11 предохраняет от вымывания буровым раствором смазочного материала через канал 10 и выполнен с возможностью срабатывания при перекрытии диафрагмы 7 сквозного отверстия 13 в донной части стакана 6. Буровой раствор, проникая под давлением Р в канал 10 через обратный клапан 11, восстанавливает компенсационную связь и обеспечивает подачу смазочного материала из полости лубрикатора 5 и каналов 9 в полость опоры шарошки. Таким образом, используя весь объем смазочного материала для смазки элементов опоры шарошек, восстанавливается давление внутри компенсационного устройства, равное затрубному, что повышает долговечность опоры шарошек и долота в целом.
В Уфимском государственном нефтяном техническом университете разработана конструкция наддолотного лубрикатора с обратным ходом поршня, а также конструкции радиально-торцевого и радиально разгруженного уплотнения [65]. Во время работы лубрикатора смазочный материал вытесняется из резервуара за счёт перепада давления промывочной жидкости на долоте. При этом поршень перемещается вверх, а смазочный материал поступает в опоры долота через регулятор подачи смазочного материала.
Однако эта конструкция имеет недостаток, заключающийся в необхо -димости обеспечения постоянного перепада давления на долоте, не менее 1-1,5 МПа, для стабильной работы расходной принудительной системы смазки.
Провиденные исследования показали, что разработка и совершенствование системы смазки опоры долота является одним из ключевых направлений повышения стойкости опоры буровых шарошечных долот.
Несмотря на большой арсенал технических решений, проблема надежной смазки опор буровых долот остается актуальной.
Все буровые долота разделяют на долота с открытой и герметизированной опорами. Для буровых долот с открытой опорой большое значение имеет повышение смазочных свойств буровых растворов. В этом направлении имеется значительное число работ, как в России, так и за рубежом. Смазочные добавки к буровым растворам не только снижают трение в опоре долота, но и вероятность прихватов и осложнений, связанных с высоким трением долота с фильтрационной коркой и породами.
Из таблицы видно, что наиболее интенсивное снижение коэффициента трения на контакте «металл - глинистая корка» отмечается при содержании в составе глинистого раствора 1,0 % модифицированного технического углерода. Применение смазок в буровых растворах создает предпосылки полного исключения добавок нефти, нефтепродуктов и других компонентов, использование которых сопровождается существенными сложностями в соблюдении экологических нормативов [66].
Как отмечает А.В. Григорьев, недостатком использования жидких смазочных добавок при бурении поисково-разведочных скважин является трудность доставки их на буровые, особенно при отсутствии автомобильных дорог. В условиях Западной Сибири затруднено их применение в зимний период года при низких температурах.
Альтернативным вариантом использования жидких смазочных добавок в буровых растворах является применение порошковых материалов. Этот путь представляется перспективным для геологов, так как позволяет доставлять порошки в фюзеляже самолета или вертолета. Значительный интерес для смазки открытой опоры долота представляют буровые растворы на полимерной основе [9]. А.У. Шариповым с сотрудниками разработаны и исследованы новые составы полимерных растворов различной плотности с улучшенными вязкостными и флокулирующими характеристиками, с высокими смазочными и ингибирующими свойствами [67-70]. Применение полимерных буровых растворов позволило значительно увеличить стойкость открытой опоры долота Верхнесергинского долотного завода «Уралбурмаш». Обзор иностранной литературы по буровым растворам со смазочными свойствами приведен в [25]. Специалисты США при исследовании смазочных свойств буровых растворов обычно используют прибор Тимкена, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.47. Стандартный образец 1, закрепленный на одном плече рычага 4, прижимается к вращающемуся стальному испытательному кольцу 3, к которому подводится струя испытуемой жидкости 2. Контактное давление, которое образец оказывает на кольцо, можно регулировать при помощи груза 5 на другом плече рычага. Как только появляется шум, указывающий на заедание, испытание прекращают. Считают, что буровой раствор, который не предотвращает заедания трущихся стальных поверхностей при нагрузке на плечо рычага до 9,072 кгс, обладает плохими смазочными свойствами, а раствор, предотвращающий заедание при нагрузке до 45,36 кгс - хорошими. Максимальный вес, при котором не происходит заедания, исследователи США используют в качестве показателя для оценки смазочной способности бурового раствора (грузоподъемности раствора). Первые эксперименты опровергли широко распространенное мнение о том, что буровые растворы с добавками нефти или дизельного топлива обладают хорошими смазочными свойствами. На это указывал тот факт, что ни один из этих растворов не предотвратил образование задиров на поверхностях испытываемых образцов при контактном давлении 7 кгс/см2. В связи с этим некоторые специалисты использовали в качестве добавок к растворам на нефтяной основе противозадирные смазки высокого давления, обычно вводимые в масла и в смазочно-охлаждающие жидкости. Такие противозадирные смазки в большинстве случаев состоят из органических веществ с определенными активными радикалами или группами, содержащими серу, фосфор, хлор и т.д. Подвергаясь термическому разложению, эти вещества реагируют с поверхностным слоем металла и образуют пленку сульфида, хлорида или фосфида. В первых опытах к буровому раствору на основе нефтяной эмульсии добавляли сульфинированный диизобутилен (содержащий серу - до 40 % по массе), в результате чего грузоподъемность раствора увеличилась с 22,7 до 136,0 Н (таблица 1.5).
