Конструкторские и технологические методы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот большого диаметра

Размещено на http: //www. allbest. ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Специальность 05.02.13. Машины, агрегаты и процессы (нефтяная и газовая промышленность)

Конструкторские и технологические методы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот большого диаметра

Ясашин Виталий Анатольевич

Москва 2009

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе

«Научно-Производственное Объединение «Буровая техника» - ВНИИБТ и Российском Государственном Университете Нефти и Газа им.И.М.Губкина

Научный консультант: доктор технических наук, Кершенбаум Всеволод Яковлевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Богомолов Родион Михайлович;

доктор технических наук, Близнюков Владимир Юрьевич;

.доктор технических наук, Блинков Олег Геннадьевич.

Ведущее предприятие: Открытое Акционерное Общество «Сарапульский машзавод».

Защита состоится «.…» июня 2009 г. в 11-00 на заседании диссертационного Совета Д.520.027.01 при ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ по адресу: 115114, г. Москва, ул. Летниковская, д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ.

Автореферат разослан «.…» мая 2009г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук Д.Ф.Балденко.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В буровом комплексе особое место занимают буровые шарошечные долота, конструктивные особенности которых (вооружение, опора, узел промывки) предопределяют эффективность всего бурового процесса в целом.

Вооружение бурового долота - это элемент, непосредственно взаимодействующий с разрушаемой породой на забое и работающий в условиях сложного нагружения. Конструкция вооружения характеризуется в первую очередь его геометрией, которая при обеспечении прочностных требований должна реализовывать максимально возможные моментные характеристики и удельные нагрузки инструмента на забой для повышения эффективности разрушения породы.

В практике эксплуатации и серийного производства буровых шарошечных долот применяются в основном два типа вооружения: зубчатое и твердосплавное.

Стойкость опорного узла породоразрушающего бурового инструмента, в первую очередь, зависит от величин и характера распределения испытываемых нагрузок, а также в не меньшей степени - от физико-механических характеристик его материала. Для бурового инструмента большого диаметра, особенно типа «М» с явно выраженным агрессивным вооружением, шарошки изготавливаются в процессе стационарного стального литья, что снижает прочностные характеристики материала опоры. В результате центральная часть отливки шарошки (область опорного подшипникового узла) получает наихудшую структуру металла, несплошности и негативные включения. При эксплуатации это приводит к износу и заклиниванию опоры, а шарошку - к поломке и даже к ее потере.

Выпускаемые в настоящее время шарошечные гидромониторные долота имеют центральную, боковую или комбинированную систему промывки. Недостаточно эффективные решения по промывке при бурении приводят к образованию сальника на вооружении долота, особенно при бурении глинистых пород. Это затрудняет удаление разбуренной породы с забоя скважины и уменьшает эффективность его разрушения, что резко снижает технико-экономические показатели работы долот.

Известно, что работа гидромониторных долот зависит от эффективности использования энергии промывочной жидкости при бурении и от конструкции промывочного узла, способного с наименьшими гидравлическими потерями направить струю жидкости в нужную область забоя скважины.

Вопросы совершенствования системы промывки особенно актуальны для долот больших размеров (393,7мм и выше), так как при бурении скважин увеличенных диаметров растет объем разбуриваемой породы и осложняется удаления ее с забоя. Все это повышает значимость технических решений новых конструкций промывочных узлов.

Таким образом, реализация новых разработок в области вооружения, опоры и промывочного узла при их использовании, как в отдельности, так и в одной конструкции долота, повышает эффективность работы породоразрушающего бурового инструмента и технико-экономические показатели проводки скважины в целом.

Цель работы.

Повышение технико-экономических показателей бурения за счет комплексной разработки новой конструкции вооружения буровых шарошечных долот большого диаметра, повышения стойкости опоры и оснащения бурового инструмента эффективным промывочным узлом.

Основные задачи исследования.

-Анализ конструкции и технологии изготовления вооружения шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.

-Анализ конструкции и технологии изготовления подшипникового узла шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.

-Анализ конструкции и технологии изготовления промывочного узла шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.

-Исследование, обоснование и разработка путей повышения эффективности породоразрушающего бурового инструмента конструкторско-технологическими методами.

Методы исследования.

В работе использованы теоретические, экспериментальные и промышленные методы исследования. На первой стадии при анализе условий промышленного использования инструмента применялись расчетно-аналитические методы исследования новой конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения и прочности соединения породоразрушающих венцов с корпусом сборной шарошки, а также особенностей промывки для долот большого диаметра. На втором этапе, с использованием метода моделирования, проводились экспериментальные исследования, позволившие проверить результаты теоретических исследований. Далее результаты исследований проверялись в ходе стендовых и промышленных испытаний новых конструкций бурового инструмента.

Научная новизна. шарошечный долото бурение подшипниковый

1. Разработан комплексный подход к повышению эффективности буровых долот большого диаметра конструкторско-технологическими методами за счет оснащения их более агрессивным вооружением, повышением стойкости опорного подшипникового узла за счет использования сборных шарошек и улучшением условий промывки путем разработки более эффективного промывочного узла.

2. Создана методика расчета и определены основные параметры процесса центробежно-объемного армирования для размещения упрочняющей зоны армирования в требуемой координате зуба вооружения с получением аналитического выражения процесса.

3. Разработана математическая модель формирования центробежно-объемно-армированного композиционного материала с определением его физико-механических характеристик.

4. Разработаны методы проектирования новой конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения, включающие расчеты его на прочность и получение требуемых геометрических размеров.

5. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено повышение прочности соединения с натягом за счет адгезионного взаимодействия сопрягаемых поверхностей центробежно-объемно-армированного венца с корпусом шарошки в сборной ее компановке.

Практическая ценность.

1. Разработаны новые конструкции, повышающие эффективность породоразрушающего бурового инструмента большого диаметра за счет оснащения его более агрессивным центробежно-объемно-армированным вооружением, повышения стойкости опорного подшипникового узла сборных шарошек и улучшения условий промывки путем оснащения универсальным центральным гидромониторным промывочным узлом.

2. Разработаны новые конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения породоразрушающего бурового инструмента, повышающие его стойкость в 1,5 раза.

3. Разработаны новые сборные конструкции шарошек, повышающие на 25% стойкость опорного узла бурового инструмента.

4. Разработана новая конструкция универсального центрального гидромониторного промывочного узла, повышающая на 15-20% эффективность работы буровых долот большого диаметра. Конструкция внедрена в 29-ти типоразмерах буровых долот большого диаметра от 393,7 мм до 660,4 мм на ОАО «Сарапульский машзавод».

5. Разработан и создан на ЗАО «Завод экспериментальных машин» комплект оборудования и технологической оснастки для производства центробежно-объемно-армированного вооружения породоразрушающего бурового инструмента на специально созданном опытно-промышленном участке.

7. Проведены стендовые и промышленные испытания опытных партий породоразрушающего бурового инструмента, показавшего свою высокую эффективность (буровые долота Ш215,9МЗ-ГВ, Ш490С-ЦВР1, Ш490С-ЦВР-1М; буровая машина «Стрела-77»; породоразрушающие резцы различных типов и др.).

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались, получив одобрение, более чем на 30-ти всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, семинарах, совещаниях и выставках по проблемам породоразрушающего бурового инструмента.

Среди них можно выделить: Всесоюзные и Республиканские конференции г. Баку 1978г., 1980г.; Всесоюзные научно-технические семинары на долотных заводах г. Дрогобыч 1979г., г. Сарапул 1990г.; I, III и IV Всероссийское совещание руководителей предприятий оборонно-промышленного и нефтегазового комплексов (ВПК - ТЭК) г. Воткинск 1998г., 2000г., г. Москва 2001г.; Конференция в Японии г. Нагоя 1990г. и Польше г. Щецин 1997г. Конференции на базе вузов: Пензенского технического университета и ПДНТП 1979 - 1982г.; ИФИНГ г. Ивано-Франковск 1987г.; РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина I - VII конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» 1997 - 2007г.г. Международные выставки: «Нефтегаз - 1996», «Нефтегаз - 1998», «Нефтегаз - 2000», в Чехии в 1982г., выставка «Европейская неделя качества в России» 2001г., г. Москва. На заседаниях кафедры «Технология газонефтяного и нефтехимического машиностроения», «Технология машиностроения и сертификация в нефтяной и газовой промышленности» и «Управление качеством, сертификация и стандартизация нефтегазового оборудования» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина в период с 1977г. по настоящее время. На Ученом Совете ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ в 2009 году.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 74-х печатных трудах автора и 35-и авторских свидетельствах и патентах на изобретение, в том числе в 2-х научно-технических обзорах (брошюры) и 41-й статье в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки России.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, семи разделов, выводов, библиографического списка литературы, включающего 307 наименований, и приложения. Работа изложена на 219 страницах машинописного текста и включает 123 рисунка и 24 таблицы.

Автор выражает благодарность сотрудникам РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, с которыми проводились работы по теме диссертации: Крылову К.А., Бугаю Ю.Н., Николаеву А.Н., Серикову Д.Ю., Щербакову Е.Б., Бикбулатову И.К., Гинзбургу Э.С. Кроме того, сотрудникам следующих научно-исследовательских и учебных институтов: ВНИИБТ, ВНИИнефтемаш, Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Пензенский государственный технический университет. Отдельная благодарность руководителям долотных и машиностроительных предприятий: ОАО «Волгабурмаш» - Ищуку А.Г., ОАО «Сарапульский машзавод» - Макарову Н.Г., ОАО «Уралбурмаш» - Блинкову О.Г., ОАО «Дрогобычский долотный завод» - Илыку Т.А., «Экспериментальный завод ВНИИБТ» - Ворсобину М.Н., а также ЗАО «Завод экспериментальных машин» - Буцыну А.П. и Мартынову В.Н. Особую признательность автор выражает своему научному консультанту доктору технических наук, профессору В.Я.Кершенбауму.

2. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность научно-технических проблем, рассмотренных и решенных в диссертации, цель, основные задачи и методы исследования.

Большой вклад в создание новых типов породоразрушающих буровых инструментов был внесен: Абрамсоном М.Г., Агошашвили Т.Г., Башкатовым Д.Н., Бикбулатовым И.К., Блинковым О.Г., Богомоловым Р.М., Браженцевым В.П., Буяновским И.Н., Вадецким Ю.В., Бикбулатовым И.К., Виноградовым В.Н., Владиславлевым Ю.Е., Гинзбургом Э.С., Гусманом А.М., Гусманом М.Т., Жидовцевым Н.А., Ильским А.Л., Иоаннесяном Ю.Р., Иоаннесяном Р.А, Кершенбаумом В.Я., Кершенбаумом Я.М., Константиновым Л.П., Короблевым Г.А., Крыловым К.А., Кузмаком Е.М., Линдо Г.В., Матвеевым Г.И., Мокшиным А.С., Палий П.А., Симоновым В.В., Сорокиным Г.М., Травкиным В.С., Хачатуровым С.С., Цветковым Ю.Н., Чайковским Г.П., Шрейбером Г.К., Эйгелесом Р.М. и многими другими учеными и инженерами.

Кроме того, следует отметить исследования: Якушева А.И., Берникера Е.И., Бобровникова Г.А., Федорова Б.Ф., Проскурякова С.Г., Демкина Н.Б., Бежелуковой Е.Ф., Курносова Н.Е., Крагельского И.В., Кочергина К.А., Чичинадзе А.В., Голего Н.Л., Айнбиндера С.Б., Костецкого Б.И., Семенова А.П., Томлинсона, Боудена, Финча и других, связанные с формированием соединения с гарантированным натягом и изучением процесса схватывания сопрягаемых поверхностей.

Первый раздел представляет анализ особенностей конструкции и технологии изготовления шарошечного породоразрушающего бурового инструмента, условий его работы, характера изнашивания. Так как буровые долота чаще всего не подвергаются восстановлению и не используются вторично, то требования, предъявляемые к их конструкции, технологии изготовления и эксплуатации, носят особый специфический характер.

Эффективность шарошечного породоразрушающего бурового инструмента определяется в основном работоспособностью трех его основных элементов: вооружения, опоры и промывочного узла.

Рассматривая основные типы вооружения бурового инструмента, можно по конструктивным особенностям разделить их на зубчатое поверхностно-армированное и твердосплавное. В первом случае призматический зуб формируется в процессе фрезерования или литья и далее упрочняется при нанесении на поверхность зуба карбида вольфрама - «релита». Во втором - твердосплавный зубок, выполненный из ВК, запрессовывается в корпус шарошки с гарантированным натягом.

Разница физико-механических характеристик основного материала (стали) и армирующего (твердого сплава), как для зубчатого поверхностно-армированного, так и для твердосплавного вооружения предопределяет его изнашивание. В основном все виды изнашивания вооружения сводятся к усталостному в процессе удара и к абразивному. Износ зубчатого вооружения сопровождается отслаиванием с поверхности зуба армирующего слоя, обнажением незащищенной стальной сердцевины и ее интенсивным износом, что приводит к притуплению зуба. Твердосплавной зубок при эксплуатации скалывается, сламывается или полностью выпадает из шарошки. Это приводит к скоплению на забое твердосплавного материала (скраба) и, как следствие, к снижению показателей бурения.

Приведенные выше рассуждения имеют отношение не только к буровым долотам, но и к подавляющему большинству породоразрушающих буровых инструментов. Это и различные буровые машины, и проходческие породоразрушающие комплексы и породоразрушающие резцы.

Проведенный нами анализ показывает, что существующие конструкции и технологические процессы изготовления вооружения бурового инструмента являются трудоемкими, металло- и станкоемкими. В ряде случаев нерационально использует дефицитный твердый сплав.

Нами разработан метод центробежного армирования вооружения шарошек буровых долот. Сущность метода состоит в совмещении процессов центробежного литья и армирования. В результате получается новая конструкция вооружения с размещением армирующих зерен твердого сплава не на поверхности зуба, а в объеме его рабочей части.

Известна попытка использовать этот метод для армирования зубчатого вооружения цельнолитых шарошек буровых долот и для получения центробежно-армированных зубков. Однако, стабильного качества армирования зубчатого вооружения, особенно у многовенцовых шарошек получено не было, и задача получения равностойких венцов с идентичными показателями качества армирования осталась нерешенной.

Предлагаемая работа рассматривает возможность конструктивного размещения упрочняющего материала в объеме рабочей части вооружения при центробежно-объемном армировании малых объемов на одном уровне для получения равностойких, с требуемыми качественными показателями армирования вооружения, отдельных центробежно-объемно-армированных венцов шарошек породоразрушающего бурового инструмента.

При этом наибольший эффект новой конструкции вооружения достигается для долот больших диаметров выше 393,7мм с вооружением типа «М» и «С». Проведенные нами исследования показали, что применение центробежно-объемно-армированного вооружения с заданными качественными характеристиками требует выполнения шарошек сборными. При этом важно отметить, что в новой сборной конструкции породоразрушающий зубчатый венец крепится на штампованный корпус шарошки. Это значительно повышает стойкость опорного узла в сравнении с серийно выпускаемыми долотами большого диаметра с литыми шарошками для долот типа «М» и «С». Одновременно должно выполняться условие обеспечения достаточной прочности соединения «венец-шарошка».

Наряду с вооружением, другим элементом, определяющим работоспособность породоразрушающего инструмента, является опора или подшипниковый узел. Как известно, по конструкции и технологии изготовления опорные узлы породоразрушающих буровых инструментов делятся на подшипники качения и подшипники скольжения. Подшипники качения с классической схемой «ролик-шарик-ролик» применяются для высокооборотных инструментов, в основном, при турбинном способе бурения, а подшипники скольжения применяются при низкооборотном роторном способе бурения.

Известно также, что при изготовлении буровых долот большого диаметра и особенно типа «М» с максимально развитым вылетом и формой зуба вооружения применяется технология литья шарошек по выплавляемым моделям. В результате центральная часть стационарно отлитой шарошки получает наихудшую структуру металла, обладает несплошностями и негативными включениями. В тоже время именно она является областью опорного подшипникового узла.

Поскольку физико-механические характеристики стационарно литого металла ниже, чем у штампованного на 25-30%, нами были проведены исследования для преодоления этого недостатка. В результате было установлено, что одним из эффективных путей повышения стойкости опорного узла является увеличение износостойкости подшипников за счет повышения физико-механических характеристик их материала путем применения новых сталей в шарошках сборной конструкции.

Проведенный анализ показал, что существующие способы крепления венцов в сборных шарошках либо трудоемки, либо не обеспечивают достаточной прочности крепления венцов. Создание более прогрессивных методов крепления венца на корпус шарошки даст возможность получить эффективный породоразрушающий буровой инструмент с вооружением и опорой повышенной стойкости.

Третьим элементом наряду с вооружением и опорным подшипниковым узлом, активно влияющим на работу шарошечного породоразрушающего бурового инструмента, является его промывочный узел.

Основной проблемой работы долот, особенно типа «М» и «С», является образование на вооружении долота сальника, особенно при бурении глинистых пород. При этом затрудняется внедрение зуба в целик породы, что резко снижает эффективность разрушения забоя и, соответственно, технико-экономические показатели работы долот.

Известно, что эффективность работы гидромониторных долот зависит от конструкции промывочного узла, способного с наименьшими гидравлическими потерями направить струю жидкости непосредственно на поверхность забоя скважины.

Вопросы совершенствования системы промывки особенно актуальны для долот больших размеров, так как при бурении скважин увеличенных диаметров растет объем разбуриваемой породы и усложняется удаления ее с поверхности забоя и вооружения долота.

Эффективность работы промывочного узла напрямую зависит от его надежности. В связи с этим, одним из направлений повышения эффективности работы долот большого диаметра, является разработка новых конструкций центральных гидромониторных промывочных узлов.

Поскольку именно для долот типа «М» и «С» в первую очередь необходимо решать вопрос устранения сальникообразования, разработка более эффективной конструкции универсального центрального гидромониторного промывочного узла именно для этих типоразмеров долот является весьма актуальной задачей.

Таким образом, проведенный анализ существующих конструкций, технологий изготовления и особенностей эксплуатации шарошечного породоразрушающего бурового инструмента большого диаметра позволил найти новые технические решения для вооружения, опоры и промывочного узла, которые при их реализации, как в отдельности, так и в совокупности приводят к повышению основных технико-экономических показателей бурения в целом.

В связи с вышеизложенным для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие задачи:

· провести анализ конструкторско-технологических особенностей шарошечного породоразрушающего бурового инструмента;

· разработать новую конструкцию центробежно-объемно-армированного вооружения, получаемого методом центробежно-объемного армирования малых объемов на одном уровне;

· для проектирования вооружения новой конструкции определить и исследовать физико-механические характеристики центробежно-объемно-армированного материала;

· разработать новые конструктивные схемы сборных шарошек бурового инструмента с проведением исследований по обеспечению требуемой прочности соединения «венец-шарошка»;

· разработать эффективные конструктивные схемы универсального центрального гидромониторного промывочного узла в ходе исследований процесса промывки забоя и долота, моделируя процесс бурения;

· разработать комплекс оборудования и оснастки для производства новых конструкций центробежно-объемно-армированного бурового инструмента;

· проверить результаты исследований в процессе стендовых и промышленных испытаний и разработать рекомендации для промышленного использования.

Во втором разделе представлены методики лабораторных исследований показателей качества основных элементов породоразрушающего бурового инструмента: вооружения, опорного подшипникового узла и узла промывки.

В качестве основного метода исследований был принят метод моделирования в условиях лабораторных и стендовых испытаний. В основе данного метода лежит принцип физического подобия (геометрического, реологического и силового) экспериментальных образцов.

Все лабораторные и экспериментальные установки и стенды разрабатывались и выбирались с целью изготовления натурных образцов, а также для проведения испытаний при условии максимальной имитации силового взаимодействия.

Для исследований использовались центробежно-объемно-армированные венцы с зубчатым вооружением, соответствующим по геометрии серийно выпускаемым. Материалы образцов соответствовали материалам, используемым в долотостроении. Опытные образцы вооружения, опоры и промывочного узла изготавливались из долотной стали 20ХНЗА, а упрочнение (армирование) проводилось твердым сплавом «релит» марки «З». Химико-термическая обработка образцов проводилась в соответствии с серийно существующей технологией по РД-39-2-146-79.

Основными показателями качества центробежно-объемного армирования являются концентрация твердого сплава в армированной зоне и ее микроструктура и, как следствие, стойкость центробежно-объемно-армированного вооружения при абразивном, ударно-усталостном и ударно-абразивном изнашивании.

Для отработки процесса центробежно-объемного армирования малых объемов на одном уровне были разработаны и созданы лабораторная экспериментальная, опытная и опытно-промышленная установки. Исследования проводились на шлифах образцов до и после травления по методике ВНИИБТ на микроскопе «Неофот-2» при увеличении в 100 и 500 раз, а также на электронном микроскопе JSM-50А при увеличении в 1000 раз. Определение зон твердости в продольном и поперечном сечениях образцов проводились на приборе ПМТ-3, а микроструктура зон на оптическом микроскопе МИМ-7.

Испытания образцов на абразивную и ударно-усталостную стойкость при знакопеременном динамическом изгибе проводились по методике и на установках, разработанных в РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, а ударно-абразивная стойкость оценивалась на стенде ВНИИБТ.

В работе проводились исследования прочности соединения венца с корпусом сборной шарошки. При исследовании ставилась цель определить условия повышения прочности в соединении с натягом зубчатого центробежно-объемно-армированного венца с корпусом шарошки за счет активации адгезионного взаимодействия сопрягаемых поверхностей. Лабораторные исследования включали испытание прочности соединения при статическом и динамическом нагружении. За критерий оценки прочности, как показателя качества соединения, было выбрано усилие выпрессовки и его изменение с изменением номинальной площади сопряжения.

Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием методов математической статистики.

Третий раздел представляет результаты экспериментальных и теоретических исследований, связанных с разработкой основ конструирования центробежно-объемно-армированного вооружения, полученного методом центробежно-объемного армирования малых объемов на одном уровне и определения показателей его качества.

Для получения новой конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения нами был разработан новый способ армирования вооружения шарошек породоразрушающего бурового инструмента. Сущность данного способа заключается в том, что во вращающуюся литейную форму одновременно с металлом вводится твердый сплав «релит». Попадая в поле центробежных сил и в связи с тем, что «релит» имеет в 2 раза большую плотность, чем у стали, он перемещается к периферии формы, заполняя вместе со сталью объем зубьев вооружения. При дальнейшей кристаллизации стали и частичном растворении твердого сплава образуется армированная зона - композиционный материал из долотной стали и твердого сплава.

На сегодняшний день метод центробежного армирования подразделяется нами на процесс центробежного армирования больших объемов на 2-х и более уровнях для долот с зубчатым вооружением многовенцовых шарошек, на центробежное армирование торцевых поверхностей деталей цилиндрической формы для изготовления зубков и, наконец, на метод центробежно-объемного армирования малых объемов на одном уровне для получения центробежно-объемно-армированного зубчатого вооружения.

Для обеспечения качественных показателей армирования необходимо, чтобы твердый сплав в процессе центробежного армирования перемещался в зону армирования и выходил к периферии литейной формы. Это условие является главной предпосылкой, обеспечивающей качество армирования вооружения.

При движении зерна твердого сплава в ванне расплавленного металла на него действует сила сопротивления среды и движущая центробежная сила.

Из всех параметров на величину центробежной силы большее влияние оказывает скорость движения, находясь во второй степени в выражении центробежной силы. Поэтому, частота вращения и является основным фактором, влияющим на процесс центробежно-объемного армирования.

В предыдущих работах частота вращения выбиралась априорно, исходя из существующих рекомендаций для центробежного литья. В данной работе на основе математического описания процесса движения зерна твердого сплава в ванне расплавленного металла малого объема на одном уровне, получена аналитическая зависимость для частоты вращения, обеспечивающей выход твердого сплава в зону армирования вооружения.

Данная зависимость имеет вид:

; ( 1 )

Полученное аналитическое выражение позволяет определить частоту вращения для обеспечения перемещения за время t в расплавленной стали с вязкостью и плотностью зерна твердого сплава размером r и плотностью от координаты Rо (радиуса свободной поверхности отливки) к координате зоны армирования зуба вооружения R.

Было установлено, например, что для зубчатых венцов шарошки буровой машины «Стрела-77» n = 7,6-8,7 с-1, а для периферийных венцов шарошек долота Ш 215,9 МЗ-ГВ n = 9,4-11,1 с-1.

На концентрацию твердого сплава в зоне армирования большое влияние оказывает масса вводимого твердого сплава. Для различного по конструкции вооружения бурового инструмента данный параметр определяется по следующей зависимости:

; ( 2 )

Указанное уравнение определяет массу твердого сплава для армирования центробежно-объемно-армированных венцов с объемом армирования одного зуба V и количеством зубьев z твердым сплавом с плотностью для получения требуемой концентрации твердого сплава в зоне армирования S. Для зубчатого венца шарошки буровой машины «Стрела-77» указанный параметр составляет 0,45 кг, а для периферийных венцов шарошек долота Ш 215,9 МЗ-ГВ соответственно: 0,08 - 0,09 кг.

С конструкторской точки зрения для реализации нового вооружения необходимо размещать упрочняющий его твердый сплав в требуемой координате объема рабочей части зуба. Выполнение указанного требования осуществлялось за счет конструктивного решения, а именно наклона зубьев вооружения шарошки породоразрушающего бурового инструмента с углом по отношению к горизонтальной плоскости в сторону действия результирующей силы R (на частицу твердого сплава действует и сила тяжести G). При этом:

Gsin Rcos; ( 3 )

Тогда величина угла наклона зубьев вооружения по отношению к горизонтальной плоскости, что обеспечивает равновесное состояние частиц армирующего компонента в вертикальной плоскости в процессе центробежно-объемного армирования определиться, как:

tg = R/G; ( 4 )

Таким образом, при угле наклона зубьев вооружения по отношению к горизонтальной плоскости меньше предложенного значения создаются условия, способствующие движению частиц армирующего компонента вверх.

Указанные рассуждения были подтверждены экспериментальными исследованиями. При этом за допускаемую форму распределения армирующего компонента по ширине экспериментальных пластин (зубьев вооружения) была выбрана геометрия зоны армирования с отношением верхней части зоны армирования - а, к нижней - b, в пределах :

( 5 )

Проведенные металлографические исследования зоны армирования показали, что качество полученного центробежно-объемно-армированного вооружения соответствует требованиям по концентрации твердого сплава и структуре зоны армирования по РД 39-2-146-79. В результате исследований было установлено, что у серийного поверхностно-армированного вооружения микротвердость достигает максимального значения в приповерхностных слоях зуба (зона армирования) и снижается по направлению к сердцевине. У центробежно-объемно-армированного - наоборот, максимальная твердость наблюдается в центре зуба.

Проведенные исследования позволили определить, что материал, полученный центробежно-объемным армированием, относится к металлическим композитам. При конструировании композитов, предложенная нами модель формирования центробежно-объемно-армированного композиционного материала показывает, что в его структуре особую роль занимает именно переходная зона, главной функцией которой является передача нагрузки между армирующей частицей и матрицей. При этом важно минимизировать процесс растворения твердосплавного наполнителя, который приводит к образованию интерметаллидных включений по границам и хрупкой -фазы в самих зернах наполнителя.

Решение указанной проблемы состоит в уменьшении площади контакта твердосплавного наполнителя со сталью. Одним из рациональных путей уменьшения площади контактирования твердосплавного наполнителя со стальной матрицей при прочих равных условиях является использование твердого сплава с минимально возможной поверхностью - сферической глобулярной формы.

Кроме того, уменьшение растворения твердосплавного наполнителя можно добиться предварительным его плакированием. В качестве плакирующего металла был выбран Ni, который дополнительно обладает наилучшим сродством к хромоникелевой долотной стальной матрице композиционного материала.

Проведенные исследования показали, что при плакировании вдвое уменьшается переходная зона, а нанесение покрытия на твердый сплав толщиной 0,07-0,08мм кратно уменьшает растворение W в переходной зоне, что повышает стойкость композита и упрочненного им вооружения.

Для процесса проектирования вооружения шарошечного породоразрушающего бурового инструмента весьма важным является определение прочностных физико-механических характеристик материала, которым указанное вооружение упрочняется, то есть в нашем случае центробежно-объемно-армированного материала. Наличие указанных характеристик позволяет получать при проектировании нового типа вооружения, с проведением расчетов его на прочность, требуемые геометрические размеры зубчатого вооружения.

В связи с этим, для решения указанной проблемы были проведены исследования по разработке методики определения эффективного модуля упругости центробежно-объемно-армированного композиционного материала и его допускаемого напряжения изгиба. Это позволило получить их значения для каждой из концентраций твердого сплава по объему:

с концентрацией 40%: Еэф= 2,634105 МПа;

с концентрацией 60%: Еэф= 2,813105 МПа;

с концентрацией 40%: []= 1,401 МПа;

с концентрацией 60%: []= 1,394 МПа.

Расчет новой конструкции центробежно-объемно-армированного зубчатого вооружения, с учетом полученных его физико-механических характеристик, проводился, исходя из эксплуатационные параметров бурения породоразрушающего бурового инструмента (осевая нагрузка на долото, частота вращения долота и т.д).

Нами на основе метода приведенного поперечного сечения была разработана специальная методика расчета, которая включает определение изгибающих усилий, действующих на зубчатые элементы вооружения бурового инструмента в процессе его работы

После определения нормальных напряжений изгиба на поверхности армированной зоны под действием изгибающей нагрузки, выявлялось опасное сечение, в котором возникают максимальные нормальные напряжения. Далее это максимальное напряжение сравнивалось с допускаемым напряжением изгиба центробежно-объемно-армированного композиционного материала. Величина максимального напряжения не должна превышать допускаемого, в противном случае необходимо ввести соответствующие коррективы в геометрические характеристики конструкции зубчатого элемента центробежно-объемно-армированного вооружения. При этом, если max [], то следует уменьшать площадку притупления, либо угол заострения; а при max [], соответственно - увеличивать площадку притупления или угол заострения зубчатого элемента вооружения новой конструкции до выполнения следующего соотношения: max [].

Разработанная методика позволяет осуществлять и обратный расчет, то есть, исходя из заданной геометрии вооружения, рассчитывать эксплуатационные параметры бурения.

Используя особенности метода центробежно-объемного армирования малых объемов на одном уровне, можно получать зубчатое вооружение различной формы, исходя из условий стального литья. В результате появляется легко реализуемая возможность для создания конструкций породоразрушающего бурового инструмента с переменным шагом зубьев вооружения на одном венце шарошек. Это приводит в процессе бурения к исключению образования забойной «рейки», что является весьма важным аспектом повышения эффективности бурения.

Представленные теоретические исследования нами были подтверждены в ходе проведения экспериментальных работ.

Исследования показали, что абразивная стойкость центробежно-объемно-армированного вооружения новой конструкции более чем в 2 раза превышает стойкость поверхностно-армированного.

Из исследуемых образцов абразивный износ твердосплавного вооружения наименьший из-за его значительной твердости. Однако, известно, что обладая повышенной твердостью, а значит и абразивной стойкостью, твердый сплав плохо выдерживает изгибающие ударные нагрузки. А именно таким и является характер нагружения вооружения при работе породоразрушающего бурового инструмента.

В результате проведенных исследований установлено, что, теряя в 2,5 раза по абразивной стойкости, центробежно-объемно-армированное вооружение выигрывает в 3 раза у твердосплавного по усталостной стойкости при знакопеременном динамическом нагружении.

Оценка сравнительных испытаний вооружения, упрочненного центробежно-объемно-армированным композиционным материалом с плакированным твердосплавным наполнителем, и с наполнителем без плакирования показала, что стойкость центробежно-объемно-армированного вооружения с плакированным наполнителем при ударно-абразивном изнашивании более чем в 2 раза превышает стойкость вооружения с наполнителем без плакирования.

Производственным результатом проведенных исследований явилось проектирование и введение в эксплуатацию на Заводе экспериментальных машин опытно-промышленного участка по производству центробежно-объемно-армированного вооружения таких типов породоразрушающего бурового инструмента, как: буровые долота Ш215,9МЗ-ГВ, Ш490С-ЦВР-1, Ш490С-ЦВР-1М; буровая машина «Стрела-77»; различные типы породоразрушающих резцов и др.

Четвертый раздел посвящен разработке конструкций сборных шарошек породоразрушающего бурового инструмента с целью повышения стойкости его опорного подшипникового узла.

Разработка конструктивной схемы сборной шарошки проводилась, начиная с анализа воспринимаемых ее усилии, а также с анализа уже существующих конструкций породоразрушающего бурового инструмента со сборными шарошками. В результате проведенных исследований было установлено, что создание конструкции сборной шарошки породоразрушающего бурового инструмента может базироваться на конструктивной схеме сборной шарошки буровой машины «Стрела-77». Указанная конструкция состоит из сборной шарошки, на корпус которой напрессовывается с дополнительным креплением породоразрушающий зубчатый поверхностно-армированный венец.

Анализ величины и направления сил, действующих на шарошку бурового долота со стороны забоя и стенки скважины при бурении, позволил разработать конструктивные схемы сборных шарошек с центробежно-объемно-армированными зубчатыми венцами для буровых долот Ш 215,9 МЗ-ГВ, Ш490С-ЦВР-1 и Ш490С-ЦВР-1М.

Принятая за основу конструктивная схема сборных шарошек породоразрушающего бурового инструмента потребовала проведения комплекса исследований по разработке конструкторско-технологических решений, повышающих прочность соединения с гарантированным натягом и обеспечивающих крепление породоразрушающих венцов на корпусе шарошек.

Проведенный анализ показал, что наиболее экономичным и простым в реализации, применительно к конструктивной схеме сборной шарошки, является способ сборки центробежно-объемно-армированных венцов с корпусом шарошки посредством соединения с натягом, выполненным продольным способом. Однако, исходя из условий эксплуатации, посадка с гарантированным натягом в чистом виде не обеспечивает достаточной прочности крепления венцов на шарошке бурового инструмента.

На основе исследований, проведенных И.В.Крагельским, Н.Б.Демкиным, А.И.Якушевым, Е.И.Берникером, Г.А.Бобровниковым, Н.Е.Курносовым был сделан вывод о возможности повышения прочности соединения с натягом за счет увеличения фактической площади контакта и активации адгезионного взаимодействия сопрягаемых поверхностей. Однако, существующие методы реализации данных процессов весьма сложны или недостаточно эффективны, а также изучены для ограниченного числа материалов.

Нами в работе исследовались возможности активации схватывания сопрягаемых поверхностей для повышения прочности в соединении с натягом применительно к долотным сталям. В результате был предложен способ соединения, сущность которого состоит в том что, что перед соединением на очищенные сопрягаемые поверхности деталей наносится вещество-восстановитель. После сборки соединение нагревается. Нагрев приводит к восстановительным реакциям в зоне контакта и к очистке (главным образом к восстановлению окислов) контактирующих поверхностей с последующей активацией адгезионного их взаимодействия. В качестве восстановителя могут выбираться двухатомные спирты или гидриды металлов. В работе использовался гидрид бериллия с температурой разложения, соответствующей температуре низкого отпуска закаленных деталей бурового инструмента.

Расчет конструкторско-технологических параметров соединения с натягом венца с корпусом шарошки проводился из условия получения максимально возможной фактической площади контакта и контактного давления. В соответствии с этим в работе предложена методика расчета и определены параметры, позволяющие получить требуемую прочность соединения центробежно-объемно-армированных венцов с корпусом шарошек. В качестве примера приведем данные для расчета базовой конструктивной схемы исследований шарошки буровой машины «Стрела-77»: область допустимых натягов 0,352мм N 0,708мм, посадка Ш 160 Н8/Z8, контактное давление р = 5,55х107Па. Обработку отверстия и вала следует производить соответственно растачиванием с Raa = 2,5мкм и точением с Rab = 1,25мкм. Для периферийных венцов шарошек долота Ш 215,9 МЗ-ГВ: область допустимых натягов 0,204мм N 0,427мм), посадка Ш 100 Н8/Z8, контактное давление р = 5,49хI07Пa. Обработку отверстия и вала производить соответственно растачиванием с Raa = 2,5мкм и точением с Rab = 1,25мкм. По предложенной методике аналогично проводится расчет и для других конструкций породоразрушающего бурового инструмента со сборными шарошками.

Проведенные исследования позволили получить выражение, математически моделирующее и качественно раскрывающее процесс повышения прочности в соединении с натягом за счет активации схватывания сопрягаемых поверхностей:

Рв = Sф ( фуд. + Кn ) + Sю ф? + Sк.р. ф К?; (6)

где:

Рв - усилие выпрессовки, Н;

Sф - площадь фактического контакта, мм2;

Sю - площадь ювенильной поверхности, мм2;

Sк.р. - площадь когезионного разрушения (взаимодействия) на поверхности контакта, мм2;

фуд. - удельная сила трения, Па;

ф? - прочность адгезионной связи, Па;

ф - предел прочности материала на срез, Па;

Кn - изменение прочности материала на срез в зависимости от давления на поверхности фактического контакта деталей, Па;

К - коэффициент, выражающий интенсивность изменения касательных напряжений от изменения нормальных;

К? - коэффициент, определяющий степень наклепа при пластическом деформировании.

Рассматриваемый процесс можно представить следующим образом. Без активации схватывания работает лишь первое слагаемое уравнения, прочность соединения обеспечивается за счет упругого взаимодействия сопрягаемых поверхностей. С активацией, за счет усиления адгезионных связей, прочность соединения растет, начинает работать второе слагаемое выражения. При микросдвиге сопрягаемых поверхностей с активированным на них точечным схватыванием оно переходит в лавинное, развивается когезионное разрушение (взаимодействие). Растет прочность соединения. Начинает работать третье слагаемое выражения, а значимость двух первых снижается.

Экспериментальные исследования подтвердили, что за счет активации схватывания сопрягаемых поверхностей прочность соединения с натягом повышается в 2-3,5 раза.

Проведенные исследования позволили обеспечить требуемую эксплуатационную прочность соединения породоразрушающих центробежно-объемно-армированных венцов с корпусом сборных шарошек. Это в свою очередь определяет их работоспособность, а значит, повышает стойкость опорного подшипникового узла бурового долота за счет использования штампованной стали корпуса шарошек.

В пятом разделе представлены результаты анализа конструктивных особенностей промывочных узлов с насадками для породоразрушающего бурового инструмента большого диаметра и результаты исследований по созданию новой конструкции эффективного универсального центрального гидромониторного промывочного узла.

Проведенный анализ показал, что основными недостатками существующих конструкций промывочных узлов является сравнительно быстрый выход их из строя за счет недостаточной надежности, особенно в обеспечении герметизации, а также сложность конструкции и трудоемкость в изготовлении.

Основным элементом промывочного узла породоразрушающего бурового инструмента, во многом определяющим его эффективность, является гидромониторная насадка. Ее конструктивные особенности влияют на эффективность процесса очистки забоя, который может быть рассмотрен, как совокупность трех различных процессов: очистки поверхности забоя, очистки призабойной зоны и очистки вооружения долота от сальника.

Как известно, эффективность работы любого породоразрушающего инструмента в значительной степени определяется качеством очистки забоя от разбуренной породы и транспортировки ее к устью скважины. Особое значение это имеет для долот, предназначенных для бурения мягких и средней твердости пород, ввиду значительного объема разрушаемой породы в единицу времени. При этом струи жидкости при встрече с забоем должны сохранять достаточный запас кинетической энергии, что при прочих равных условиях может быть обеспечено приближением насадок к забою скважины и повышением гидродинамического совершенства насадок.

Было определено, что одним из путей повышения эффективности промывочного узла является разработка такой его конструктивной схемы, в которой обеспечивается герметизация промывочного узла, сменность насадок различной формы и возможность максимального приближения их к забою.

Проведенные исследования позволили смоделировать гидродинамические процессы, происходящие в скважине при бурении долотами больших диаметров (393,7мм и 490мм), когда объем разбуриваемой породы весьма значителен. В процессе исследований была использована модель затопленной струи. Результаты исследований показали, что для бурения долотами указанных выше размеров наиболее благоприятным является диаметр насадок величиной 28 мм.

Проведенные исследования позволили разработать новую конструкцию эффективного универсального центрального гидромониторного промывочного узла для буровых долота большого диаметра.

В предложенной конструкции благодаря выполнению насадки с коническим торцом обеспечивается приближение насадки к забою и, следовательно, более эффективное воздействие на забой скважины промывочной жидкости для более эффективной очистки забоя от шлама и вооружения долота от сальника. Кроме того, предложенная форма насадок позволяет значительно сократить затраты на их изготовление за счет упрощения технологии изготовления, снижения трудоемкости работ по механической обработке насадок после прессования, а также экономии дорогостоящего материала, необходимого для изготовления насадок.

Одновременно в данном промывочном узле обеспечивается повышение надежности его герметизации. Это достигается за счет исключения механического повреждения уплотнительных колец благодаря равномерному поджатию насадки, а также благодаря автоматическому регулированию усилия поджатия кольца путем использования гидравлического перепада давления непосредственно в насадке, прижимающего её к уплотнительному кольцу.

Новая конструкция универсального центрального гидромониторного промывочного узла для буровых долот большого диаметра при упрощении конструкции и технологии изготовления промывочного узла повышает его надежность и эффективность, что подтверждается результатами промысловых испытаний.

Шестой раздел приводит результаты стендовых испытаний буровых долот с центробежно-объемно-армированным вооружением.

Основной целью проведения стендовых испытаний опытной партий является определение работоспособности новой конструкции бурового инструмента, оснащенного центробежно-объемно-армированным вооружением, а также оценка его технико-экономических показателей бурения.

Опытная партия буровых долот Ш215,9МЗ-ГВ с центробежно-объемно-армированными венцами изготавливалась на Экспериментальном заводе ВНИИБТ.

Стендовые испытания буровых долот с центробежно-объемно-армированными венцами проводились на Поворовской экспериментальной базе ВНИИБТ. Испытания проводились на универсальном буровом стенде УБС - 1. Стенд обеспечивают моделирование процесса бурения при испытаниях натурных образцов опытных партий буровых долот. Моделирование достигается разбуриванием искусственных забоев. Бурение опытных долот Ш215,9МЗ-ГВ проводилось турбинным способом по мрамору и граниту. В процессе бурения в экспериментальной скважине после каждого долбления производился осмотр долота.

В процессе испытаний установлено, что при бурении мрамора получена проходка 20м и механическая скорость бурения 50м/час. В процессе отработки практически не наблюдалось изнашивания ни опытного центробежно-объемно-армированного вооружения, ни серийного твердосплавного. В связи с этим было принято решение провести долбление по граниту.

В процессе бурения по граниту была получена проходка 0,5м и механическая скорость бурения 6м/час. Изнашивание опытного вооружения характеризовалось чистым истиранием. При испытании выпадения и сколов зубков ни у опытного, ни у серийного вооружения не наблюдалось.

За время испытаний не наблюдалось ни одного случая срыва центробежно-объемно-армированных венцов с корпуса сборных шарошек, что говорит о достаточной надежности разработанного соединения с натягом повышенной прочности.

Результаты испытаний показали, что опытный инструмент с центробежно-объемно-армированным вооружением работоспособен в условиях бурения мягких и средней твердости пород.

Проведенные в условиях экспериментальной скважины испытания позволили перейти к промышленным испытаниям опытных партий новых конструкций породоразрушающего бурового инструмента со сборными шарошками, с более стойким центробежно-объемно-армированным вооружением, с опорой повышенной стойкости и более эффективным узлом промывки.

В седьмом разделе приводятся результаты промышленного использования новых разработанных конструкций породоразрушающего бурового инструмента.

Основной целью проведения промышленных испытаний опытных партий новых конструкций являлось определение работоспособности бурового инструмента, оснащенного центробежно-объемно-армированным вооружением и опорным подшипниковым узлом повышенной стойкости, а также с более эффективным центральным гидромониторным промывочным узлом. Кроме того, испытания сопровождались проведением оценки технико-экономических показателей бурения опытного инструмента в сравнении с серийным.

Промышленные испытания опытного бурового инструмента проводились в соответствии с «Типовой методикой проведения промышленных испытаний опытных и опытно-промышленных партий шарошечных долот новой конструкции» (РД-2-754-82).

Новые типы центробежно-объемно-армированного вооружения изготавливались на специально созданном опытно-промышленном участке на Заводе экспериментальных машин.

Опытные партии сборных шарошек для буровой машины «Стрела-77» с центробежно-объемно-армированными зубчатыми венцами были изготовлены на Дрогобычском долотном заводе.

...