Обзор методов восстановления шарошечных долот в рамках повышения уровня подготовки инженера-геолога

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский Государственный Университет, г. Оренбург

Обзор методов восстановления шарошечных долот в рамках повышения уровня подготовки инженера-геолога

Рябинина О.Н., Халитова Э.Г., Фатхулина Р.Р.

На протяжении последних десятилетий в нашей стране возникли серьезные проблемы в кадровом обеспечении геологических исследований и геологоразведочных работ. Российская геологическая служба потеряла среднее поколение геологов, чей уровень подготовки превосходил нынешний.

Как результат - появление новой неподготовленной смены геологов, объем знаний, которых ограничен рамками основных специальных дисциплин. В то же время, развитие современной нефтегазовой отрасли предполагает способность инженера-геолога помимо выполнения своих непосредственных обязанностей (например, составление геологического разреза) еще и владение знаниями непосредственно о самом процессе бурения скважин и сопутствующих ему возможных проблемах и осложнениях. С этой целью повсеместно должна проводиться работа, направленная на разработку и поиск новых теоретических методов решения уже существующих на сегодня проблем.

Одной основных проблем, обусловленных высокой конкуренцией в нефтегазовой отрасли и сложностью самого процесса бурения, является поиск возможных резервов снижения себестоимости проводимых работ.

Для обеспечения безаварийной проводки скважин необходимо надежное оборудование, опытный персонал и достоверная информация о забое скважины.

Источником получения своевременной и точной информации о последнем служит описание износа и изучение долота, отработавшего в скважине. Описание износа включает в себя детальное изучение состояния вооружения и опор, что дает полную картину того, как была пробурена скважина. Насколько полно исчерпан потенциал долота? Какие изменения нужно внести перед очередным спуском инструмента?

Обычно описание применимо к следующим элементам:

· подшипник скольжения, карбид-вольфрамовые зубки и фрезерованные зубья;

· роликовый подшипник, карбид-вольфрамовые зубки и фрезерованные зубья;

· открытая опора (стандартный роликовый подшипник).

Такое описание и анализ результатов работы являются простыми видами работ, которые, однако, могут повысить эффективность бурения с одновременным снижением стоимости.

В связи с этим проводятся научно-исследовательские работы по созданию, выбору и промышленному опробованию износостойких материалов, удовлетворяющих условиям работы опоры шарошки трехшарошечного долота на забое. В данной работе рассмотрена теоретическая возможность восстановления отдельных частей бурового долота различными методами.

Институтом проблем материаловедения АН Украины на основе лабораторных и стендовых исследований большого числа различных износостойких пар трения и поисковых опытов по созданию материалов разработаны и рекомендованы для промышленного опробования новые подшипниковые композиционные материалы.

Результаты стендовых исследований показали, что долговечность подшипников из композиционных материалов возрастает в кратное число раз. Промышленную проверку эксплуатационных свойств пары трения, разработанной на основе композиционных материалов, проводили на опытных образцах долот. трехшарошечный долото шарошка скважина

Рисунок 1 Характерный износ вооружения шарошек долота

Опытные долота анализировали на износ отдельных элементов. В данном случае (рисунок 1) можно отметить, что вооружение долота работоспособно. Исключением является полный износ зубьев вершины и катастрофический износ зубьев третьего ряда (от вершины) первой шарошки. Этот тип износа обычно снижает механическую скорость проходки. Стачивание верхушек зубков выглядит как потеря одинаковой высоты по всей длине профиля зуба. Этот вид износа зависит от многих факторов, включая тип пород, вид твердосплавной наплавки и параметры бурения. Обычно стачивание верхушек зубков вызвано избыточной скоростью вращения инструмента.

Существенный износ (разрушение) зубьев выявлен также на третьем ряду от вершины третьей шарошки (рисунок 2). Из 16 зубьев сломаны 9, а остальные сколоты и сильно изношены. Данный тип износа имеет место в случаях, когда прочность породы на разрушение превышает этот показатель для вооружения. Другой причиной может являться наличие металла на забое.

В обоих указанных случаях требуется восстановление изношенных частей, так как вооружение остается работоспособным, но при этом его разрушающая способность снижается.

Рисунок 2 Слом зубков трехшарошечного долота

Композиционный антифрикционный материал, разработанный в Институте проблем материаловедения Академии наук Украины для этих целей, обладает высокой работоспособностью, но технология его изготовления относительно сложна и трудоемка.

Таким образом, требуется разработка эффективных методов получения антифрикционных износостойких материалов, в частности для опор скольжения шарошечных долот.

В представленной работе рассмотрена возможность использования электроразрядного спекания (ЭРС) для изготовления материалов этого класса, поскольку данный метод не требует применения специальных газовых сред и дорогостоящих флюсов.

Спекание производится при помощи пульсирующего электрического тока с частотой переменной составляющей 2-6 тыс. Гц, который пропускали через предварительно спрессованное и уплотненное изделие под давлением 3-8 Мн/м² на специальной установке. Спекали в течение короткого промежутка времени за счет интенсивного выделения большого количества тепла при ионных столкновениях в межчастичной среде и на поверхности частиц. Величина прикладываемого при этом давления определялась природой спекаемого объекта.

Для изготовления исследуемых материалов использовали порошок бронзы БрО10 с дисперсностью частиц 160 мкм, гранулы твердых сплавов - сормайта и стеллита, плакированных бронзой, в виде трех фракций - мелкой, средней и крупной. Содержание гранул твердых сплавов в материале составляло от 40 до 60%.

Для спекания материалов применяли матрицу, изготовленную из асбестоцемента. Пуансонами-электродами служила сталь 3Х2В8Ф, покрытая графитной смазкой. Трибометрические характеристики и износостойкость исследуемых материалов определяли при трении без смазки на машине трения М-22М, скоростях скольжения 0,75-6 м/с и ступенчатом нагружении по 0,1 МПа через промежутки времени, в течение которых стабилизируются температура и сила трения. В качестве контртел использовали ролики диаметром 40 мм, изготовленные из стали Р18 (HRС 60-62).

Механические и трибометрические свойства исследуемых материалов сравнивали со свойствами оловянной бронзы БрО10. Результаты исследования свидетельствуют о том, что изготовленные ЭРС материалы бронза - стеллит и бронза - сормайт обладают в 1,5-2 раза более высоким пределом прочности, чем бронза БрО10.

При испытаниях по определению трибометрических свойств преимущество бронзы-стеллита и бронзы-сормайта, изготовленных ЭРС, наиболее четко проявилось при повышенных скоростях скольжения - выше 4 м/с. Так, при скорости скольжения 6 м/с коэффициент трения и суммарный износ контртела, а также материала с наполнителями меньше, а несущая способность примерно вдвое больше, чем у бронзы БрОl0 (таблица 1).

Таблица 1

Результаты исследования изучаемых материалов

Наблюдения за процессом трения и состоянием рабочих поверхностей показали, что существенное снижение износа и коэффициента трения при повышенной скорости скольжения этих материалов связано с образованием на поверхностях трения вторичных структур - окислов - в результате повышения температуры в зоне трения более 250 ^оС. В этом случае размеры фракций наполнителя и его содержание не оказывают существенного влияния на характеристики трения и изнашивания.

При малых скоростях скольжения 0,75-2 м/с в случае отсутствия вторичных структур суммарный износ материала и контртела снижается с увеличением размера фракций и содержания наполнителя примерно вдвое при некотором увеличении коэффициента трения (таблица). При трении со смазкой несущая способность материала бронза-сормайт при скорости скольжения 6 м/с достигает 65-70 Мн/м². (650-700 кгс/см²), что в 2,5 раза превышает несущую способность бронзы БрОl0.

Анализ полученных результатов показал следующее:

1) Спеченные антифрикционные материалы бронза - стеллит и бронза - сормайт, изготовленные ЭРС, обладают более высокими трибометрическими свойствами и износостойкостью, чем бронза БрО10.

2) В условиях трения без смазки преимущества материалов бронза - стеллит и бронза - сормайт наиболее четко проявляются при повышенных скоростях скольжения (более 4 м/с). При трении со смазкой несущая способность материала бронза-сормайт в 2,5 раза превышает несущую способность бронзы БрО10.

3) Композиционные материалы, в состав которых входят износостойкие зерна, равномерно распределенные в пластичной матрице, обладающей свойствами твердой смазки, могут быть использованы как подшипниковые материалы в шарошечных долотах.

4) Испытание опытных образцов долот с подшипниками скольжения из композиционных материалов показало, что такие долота обеспечивают по сравнению с серийными двукратное увеличение проходки при одновременном повышении механической скорости бурения.

Подводя итоги, нужно отметить, что на сегодняшний день указанные методы восстановления рассматриваются лишь с точки зрения теоретической применимости ввиду того, что большинство буровых предприятий еще не готово тратить время на восстановление отработанных трехшарошечных долот. Предпочтительней и целесообразней считается приобретать новый инструмент. Тем не менее, вопрос поиска и разработки новых способов восстановления вооружения долот не теряет своей актуальности в силу их возможного применения для повышения эффективности отработки породоразрушающего инструмента.

Список литературы

1. Рябинина О.Н. Применение композиционных материалов для шарошек бурильных долот: материалы науч.-ислед. конф. Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры. Оренбург: ОГУ, 2011.

2. Заболотный Л.В., Сейфи Р.Н., Климанов А.С., Губарев А.С. Разработка и исследование композиционных материалов для опор шарошечных бурильных долот. - Технология и организация производства. 1975. №9. С. 69.

3. Пат. 14573 (Яп.) Метод спекания / Иноуэ Киеси. Опубл. 1.9.68.

4. Иноуэ Киеси, Исияма Масааки. Электроискровое спекание твердых сплавов. - Киндзоку (Metals). 1967. №7. С. 77-81.

5. Федороченко И.М., Буренков Г.Л., Райченко А.И., Хриенко А.Ф. Сплавообразование при электроразрядном спекании порошковых смесей. ДАН СССР. 1976. №4. С. 844.

Размещено на Allbest.ru