Пути повышения эффективности работы буровых шарошечных долот

 В начале исследований  было сделано и проверено предположение,  что рейкообразование неизбежно, если

               _т                                                                             (1)

  где Z _jk - число зубьев j- той шарошки   k-того венца, Z _jn - число зубьев в периферийном венце шарошки, Z_p- число зубьев рейки на периферии скважины, К_Т - коэффициент трекинга (целое число). Из этого предположения вытекают следующие рекомендации:

• число зубьев на венцах должно быть нечетным;
• число зубьев на венцах шарошки не должно быть кратным друг другу;
• числа зубьев в венцах не должны делиться на три.

Для оценки коэффициента трекинга было разработано и изготовлено разборное долото III 215,9 С-ГВ, которое было оснащено датчиками, позволяющими записывать на осциллографе время поворота шарошки на каждые три градуса. Исследования показали, что одинаковые шаг и ориентирование зубьев в венцах относительно образующей шарошки способствуют трекингу и понижает их скалывающую способность. После обобщения полученных данных предложено техническое решение, согласно которому зубья в каждом венце образуют группы с разным шагом, причем группа с увеличенным шагом в одном венце соответствует группе с уменьшенным шагом в другом венце. При этом зубья каждой группы противоположно ориентированы относительно образующей шарошки на 15 град. По этой модели разработано долото III 269,9 М-ГВ-1, обеспечившее рост проходки на 35%, стойкости на 18% и механической скорости бурения на 15% относительно базового долота III 269,9 М-ГВ.

Значительное внимание в работе уделено аналитическим исследованиям  кинематики и кинетики зубчатого  венца шарошки на забое скважины. В результате были вычислены кинематические характеристики шарошечных долот (передаточные отношения шарошек) и определены кинетические показатели оценки их работоспособности. Передаточное отношение шарошки определяется из условий равномерного вращения ее вокруг своей оси и равенства контактных работ, совершаемых относительно венца чистого качения. Условие, при котором вычисляется передаточное отношение шарошки, является, с одной стороны, критерием достоверности определения контактных работ, с другой - упрощает получение действительных путей контакта, служащих основными исходными параметрами для расчета критериев оценки работы долота на забое скважины. Такими критериями являются:

• относительные скорости движения зубьев соответствующих венцов в контакте с породой (V_j(0))

                                                    (2)

• контактные работы разрушения ( )

                                                                                     (3)

• относительные удельные объемные работы разрушения ( )

                                                                                 (4)

где , δ - глубина внедрения зуба в породу, i - передаточное отношение шарошки, d - ширина венца, S_j - путь контакта зуба с породой, F - сила сопротивления движению зуба в контакте с породой, R - радиус скважины, образованной серединой венца j шарошки, мм, r - радиус венца шарошки, мм. Здесь V_к - вычисленный объем горной породы при заданном углублении забоя скважины и приходящийся на разрушение соответствующими венцами, а не разрушенный при той сумме контактных работ, которая представлена числителем этого критерия.

Первый критерий определяет режим вращения шарошек. Второй критерий является относительной оценкой абразивного износа вооружения по венцам. Чем больше величина контактной работы, тем интенсивнее изнашивается соответствующий венец шарошки. Третий критерий является величиной пропорциональной интенсивности разрушения породы на соответствующих участках забоя скважины. Совокупность этих критериев дает картину относительной эффективности работы долота на модели забоя скважины.

Для сравнительного анализа  кинетических характеристик долот различных конструкций разработаны следующие показатели:

1. Показатель объемного разрушения породы

, при j = 1, 2, 3, …, N                                        (5)

который представляет собой  среднее значение совокупности N усредненных величин удельной объемной работы основных венцов шарошек при заданном внедрении зубьев в породу δ.

2. Показатель неравномерности  поражения забоя венцами шарошек G(δ) при заданном значении δ

                                                           (6)

 представляет собой  нормированную величину стандартного  отклонения совокупности значений усредненных величин удельной объемной работы основных венцов шарошек при заданном δ.

       3. Показатель  механической скорости бурения k_v, учитывающий как кинетические характеристики, так и конструктивные особенности вооружения долот (вылет, размеры и др.), разработан для комплексного сравнения кинетических характеристик с учетом конструктивных параметров вооружения долот                                                                             (7)

       где μ(δ) - показатель объемного разрушения породы, δ_опт - оптимальная величина внедрения зуба в породу, в % от вылета зуба, k_n - коэффициент перекрытия забоя скважины, G(δ) - показатель неравномерности поражения забоя, k_ф - коэффициент формы зуба.

4. Коэффициент формы k_ф зуба характеризует его способность к разрушению породы в зависимости от размеров и формы головки зуба и определяется по формуле                                                         (8)

где h - вылет зуба, d - диаметр зуба, a - угол заострения зуба, g - угол наклона оси зубка, а - длина сечения зуба, соответствующего его внедрению в породу на 1 мм, b - ширина сечения зуба, соответствующего его внедрению на 1 мм.

В главе также представлены исследования по определению динамических нагрузок на зубья шарошек, т.к. совершенствование вооружения долота невозможно без тщательного изучения работы  зубьев на различных венцах каждой шарошки, поскольку все три шарошки каждого долота существенно отличаются друг от друга. Измерялись реальные нагрузки, действующие на зубья и изменения величин и направлений вектора силы при перекатывании шарошек по забою.

В работе описывается созданная нами установка, на которой одновременно можно измерять нагрузки на зубьях каждой из трех шарошек. Установка представляет собой металлическую модель забоя, профиль сечения которой – это истинный профиль забоя, полученный путем выбуривания металлического блока испытуемым долотом. В точках контакта зубьев каждого венца всех шарошек на поверхность забоя выведены измерительные элементы, представляющие собой жестко закрепленные своими основаниями консольные стержни с наконечниками. На консольные стержни были наклеены тензодатчики, позволяющие определять деформации стержней практически любого направления и величины. Такая установка и применяемые приборы обеспечивают возможность определения взаимодействия зубьев с измерительными точками в определенный отрезок времени. Динамические действия элемента вооружения долота с забоем характеризовались силой, действующей на измерительные элементы. В процессе взаимодействия зубьев с забоем осциллографировались три взаимно перпендикулярные составляющие нагрузки на забое Р_x, Р_y, Р_z. Составляющая Р_z (нормальная сила) направлена перпендикулярно плоскости забоя скважины, составляющая Р_y (касательная сила) направлена перпендикулярно радиусу кольцевого следа, составляющая Р_x (радиальная сила) направлена по радиусу забоя.

      При  проведении эксперимента сравнивались  осевая нагрузка, действующая на долото, с фактически замеренными значениями Р по каждой шарошке и каждому венцу. В результате было установлено, что в различные моменты работы долота распределение нормальной нагрузки весьма неравномерно на зубьях венцов каждой из шарошек. В ряде случаев имеет место такое состояние, при котором одна из шарошек совсем не вступает в контакт с забоем и при этом не вращается. Число зубьев, находящихся в контакте с забоем в разные периоды времени различно. Иногда осевые нагрузки распределяются на все зубья, иногда - только на два-три зуба. При этом мгновенная максимальная нагрузка на зубьях ведущего венца  может достигать 85% всей осевой нагрузки. Исследование показало, что возникает это вследствие того, что контакт зубьев с забоем при перекатывании шарошек происходит поочередно и зубья, расположенные на одной образующей, нагружаются не одновременно. В виду неравномерного распределения осевой нагрузки на всех венцах, мгновенная равнодействующая на каждый зуб в вертикальном направлении часто не совпадает с осью долота. Такова одна из важных особенностей работы трехшарошечного долота, впервые установленная нами экспериментально.

Повышение эффективности  разрушения горных пород может быть осуществлено путем выбора оптимального радиуса скругления рабочей кромки твердосплавных зубков, что обеспечит повышение стойкости вооружения шарошек. В результате нами решена задача согласования форм и размеров скругления вершин твердосплавных зубков с механическими свойствами горных пород на примере вооружения долот диаметром 190,5 мм. Исследования деформирования и разрушения горных пород твердосплавными зубками показали, что границы областей (скачков) разрушения горных пород можно охарактеризовать безразмерным параметром:

,                                                                           (9)

где - P_iK - интенсивность нагрузки на элемент вооружения в момент достижения к-ого скачка разрушения горной породы; P_i0 - расчетная интенсивность нагрузки, необходимая для достижения предела текучести в горной породе; D- модуль деформации горных пород при вдавливании штампа; р₀ - предел текучести горной породы по штампу.

  С увеличением скалывающей способности вооружения наблюдалось уменьшение α_к, причем самое значительное уменьшение при первом скачке разрушения. Эксперименты показали, что по мере увеличения α_к относительная энергоемкость разрушения сначала быстро снижалась, а затем стабилизировалась. При этом для небольшого скольжения, характерного для долот с малой скалывающей способностью стабилизация наступала во второй области разрушения, а для долот со средней скалывающей способностью в третьей области разрушения. Можно считать, что буровые шарошечные долота работают эффективно, если они обеспечивают не ниже второго скачка разрушения горной породы. Устойчивость величин α_к позволила определить радиусы скругления рабочих поверхностей зубков, обеспечивающих заданный скачок разрушения горных пород. Решение задачи привело к следующим расчетным формулам:

              ,                                                                (10)

                     ,                                                               (11)

    где R_ЦK и R_СK - радиусы скругления цилиндрической и сферической рабочих поверхностей, обеспечивающие k-ый скачок разрушения горной породы; P_imax- максимальная интенсивность нагрузки на элемент вооружения; D- модуль деформации горных пород при вдавливании штампа; α_ЦК и α_СК - относительные нагрузки k-ro скачка разрушения для зубков с цилиндрической и сферической рабочими поверхностями; а - длина сечения вершины зубка; k_ф - коэффициент формы зуба; р₀ - предел текучести горной породы по штампу.

 В результате этих исследований  разработаны, изготовлены и испытаны зубки с оптимизированной геометрией поражающей головки, повышенной прочности и эффективности. Форма предложенной модели зубка может быть описана как двухконусная со смещенной осью вершины зубка. Промысловые испытания такой конструкции зубка показали значительное увеличение показателей бурения.

В третьей главе рассмотрены условия взаимодействия вооружения долота с породой забоя и методы повышения стойкости опор буровых шарошечных долот в зависимости от типа вооружения, свойств горных пород и режима бурения.

Одним из самых важных узлов бурового шарошечного долота, в значительной степени определяющим его долговечность в целом, является опора шарошки, которая работает при исключительно высоких статических и динамических нагрузках циклического характера, в особенности в твердых и крепких породах. Одной из причин снижения стойкости буровых шарошечных долот является именно неравномерный износ опор шарошек. Это предопределило необходимость проведения исследований по изучению проблемы неравностойкости опор разных шарошек долота и определению необходимых условий, позволяющих в каждом случае решать данную проблему с наибольшим эффектом.

Первым условием является то, что  сопротивляемость горной породы разрушению на кольцевых канавках забоя скважины, которые перекрываются венцами смежных шарошек с минимальными величинами удельных объемных работ разрушения, должна быть идентична. Второе условие заключается в том, что механизм взаимодействия вооружения венцов шарошек и горной породы с минимальными величинами удельных объемных работ разрушения также должен быть идентичен. Другими словами, венцы шарошек должны иметь одинаковое или положительное, или отрицательное проскальзывание, или же должны быть венцами чистого качения. Третье условие определяет то, что количество актов взаимодействия с породой зубьев венцов смежных шарошек с минимальными значениями удельных объемных работ разрушения в единицу времени должно быть равным и может быть выражено в аналитической форме

           Z_{1 *} i₁ =  Z_{II *} i_II = Z_{III *} i_III                                          (12)

где Z₁ ,  Z_II , Z_III - количество зубьев на венцах с минимальными удельными объемными работами разрушения, соответственно 1, II, III шарошек, шт., i₁ , i_II , i_III - передаточные отношения шарошек. Величины Z * i можно рассматривать как количество импульсов, сообщаемых на опоры.

В работе определены  основные условия, обеспечивающие равнонагруженность опор шарошек, когда на одинаково расположенных венцах шарошек имеет место равная минимальная интенсивность разрушения горной породы. Это исследование позволяет в процессе проектирования нового трехшарошечного долота с наибольшим приближением осуществлять равнонагруженность опор и, следовательно, повышать их долговечность.