Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация зазоров в многорядных подшипниках буровых долот

В.В. Ремнев, Р.М. Богомолов, С.М. Крылов,

Я.М. Клебанов, С.Д. Шапошнико

Предлагается новый способ селективной компьютерной сборки шарошечных долот.

Ключевые слова: буровые долота, шарошечные долота, опора, радиальные подшипники, зазор, стойкость долот, испытания

Непрерывный рост энерговооруженности буровых установок позволяет буровикам обеспечивать более жесткие, форсированные режимы бурения, ускоряя строительство и ввод в эксплуатацию глубоких нефтяных и газовых скважин. Поэтому буровики требуют от фирм, выпускающих буровые долота, новых, все более эффективных и стойких конструкций, наиболее полно соответствующих новым условиям бурения.

Одной из последних разработок специалистов ОАО «Волгабурмаш» является новый способ селективной компьютерной сборки (СКС) шарошечных долот [1], позволяющий обеспечить оптимальные зазоры и повысить долговечность многорядных подшипников скольжения.

Отработка долот с многорядными подшипниками в опоре с минимальными отличиями по зазорам показала повышение стойкости опор и долот в целом. Это явилось основанием для разработки новой методики назначения зазоров в подшипниках опор и нового способа их сборки.

С этой целью был разработан комплекс программно-методических средств, в том числе математических моделей забоя скважины, самого долота и динамики работы долота на забое.

Верификация моделей осуществлялась на основе сравнения вычисленных теоретических нагрузок на элементы вооружения с экспериментальными данными. С использованием этих моделей решены задачи по оценке нагрузок на отдельные элементы вооружения и шарошки долота [2].

В свою очередь, информация о величине и направлении нагрузки на каждую шарошку использовалась для решения контактных задач по определению полей удельных нагрузок (давлений) на рабочие поверхности подшипников опор шарошек.

На рис. 1 представлена блок-схема применения нового способа СКС шарошечных долот, который состоит из двух этапов.

Рис. 1. Блок-схема применения нового способа СКС шарошечных долот

На первом этапе выполняется расчет оптимальных разностей радиальных ?R_iopt и осевых ?H_iopt зазоров (блоки 1-3) с использованием конечно-элементной модели долота на основе критерия минимума максимального контактного давления в опоре:

?p_Ri >min, ?p_Hi>min,

зазор подшипник буровое долото

где ?p_Ri и ?p_Hi - максимальное изменение контактного давления соответственно в радиальных и осевых подшипниках опоры i-той шарошки.

Исходными данными для расчета являются параметры геометрии долота, физико-механических свойств материалов забоя и деталей долота, осевая нагрузка G на долото и частота вращения долота n. После ввода исходных данных по разработанной методике выполняется моделирование системы «зубок-забой» и построение зависимостей д(P) глубины внедрения д от осевой нагрузки P на зубок для каждого типоразмера зубков, применяемых в шарошках долота.

На базе полученных зависимостей с применением модели взаимодействия долота с забоем [2] определяются нагрузки на зубки и рассчитываются усредненные векторы нагрузки P_i на каждую из шарошек долота (i=1,2,3).

По полученным внешним нагрузкам на шарошки отдельно для каждой из 3-х секций долота оценивается распределение контактного давления по рабочим поверхностям подшипников опор и определяются величины ?p_Ri и ?p_Hi.

Оценка оптимальных значений ?R_iopt и ?H_iopt осуществляется в интерактивном режиме методом последовательных приближений. При этом диапазон поиска оптимума выбирается с учетом проведенных ранее расчетов для аналогичных типов конструкций опоры.

На втором этапе (блоки 4-6) выполняются реальные замеры геометрических параметров радиальных и осевых подшипников опор долот, запись их в базу данных, подбор из базы данных с использованием специально разработанной программы пар «лапа-шарошка» с минимальными отличиями ?R_i от ?R_iopt и ?H_i от ?H_iopt, по которым далее осуществляются комплектация и сборка секций и долот.

Результаты сборки записываются в базу данных для последующей оценки влияния фактических параметров сборки на долговечность опоры долота и уточнения (верификации) математических моделей, применяемых на этапе оптимизации.

Для оценки эффективности нового варианта селективной компьютерной сборки была проведена виртуальная сборка 120 долот 215,9МЗ-ГАУ-R233 с опорой скольжения, включающей два радиальных и два упорных подшипника, по базовой методике, а затем виртуальная и реальная сборка этих же долот - по новой методике.

Исследования показали, что диапазон максимальных отклонений параметра ?R_i (разности зазоров в большом и малом радиальных подшипниках i-той секции) от оптимального расчетного значения ?R_iopt составляет 0-0,012 мм, а диапазон максимальных отклонений ?H_i (разности зазоров в упорных подшипниках) от ?H_iopt - 0-0,004 мм.

Эти диапазоны были разбиты на три одинаковых интервала каждый.

Согласно рис. 1, в 1-й интервал (0-0,004 мм) попало 67 долот (55,8%), собранных по новой методике, и 45 долот (37,5%), собранных по базовой методике; во второй (0,004-0,008 мм) - соответственно 42 долота (35%) и 36 долот (30%); в 3-й (0,008-0,012 мм) - соответственно 11 долот (9,2%) и 39 долот (32,5%). Следовательно, качество сборки по параметру ?R_i с применением новой методики выше, чем при использовании базовой методики.

Аналогичный результат получен для параметра ?H_i (рис. 3).

Рис. 2. Распределение числа собираемых долот по трем диапазонам отклонений ?R_i от ?R_iopt для базового и нового вариантов селективной компьютерной сборки

Рис. 3. Распределение числа собираемых долот по трем диапазонам отклонений ?H_i от ?H_iopt для базового и нового вариантов селективной компьютерной сборки

Чем ближе значения ?R_i и ?H_i к соответствующим оптимальным значениям, тем равномернее распределяется контактная нагрузка по рабочим поверхностям опоры каждой i-той секции и, следовательно, выше ее долговечность. Поэтому в соответствии с рис. 2 и 3 новый способ сборки шарошечных долот обеспечивает более высокое качество сборки по сравнению с базовым способом по двум параметрам: ?R_i и ?H_i.

Полученный результат был проверен в промысловых условиях.

Собранные по новой методике 120 долот одного типоразмера 215,9МЗ-ГАУ-R233 были испытаны в идентичных геолого-технических условиях: в мягких абразивных породах в интервале от 1200 до 3300 метров, при нагрузке 12-14 т.с. и частоте вращения 80-100 об/мин.

Результаты испытаний показали, что средняя стойкость долот существенно зависит от точности сборки, т.е. от близости параметров сборки к оптимальным значениям.

На рис. 4 представлена зависимость стойкости долот в полевых условиях от величины максимального отклонения ?R_i от ?R_iopt.

Рис. 4. Зависимость стойкости долот от величины максимального отклонения ?R_i от ?R_iopt

Из рис. 4 следует, что диапазону с минимальными отклонениями от оптимума (0-0,004 мм) соответствует средняя стойкость опоры долота в 1753 тыс. оборотов, в то время как диапазону с максимальными отклонениями (0,008-0,012 мм) - значительно меньшая средняя стойкость - 1059 тыс. оборотов.

Проведенные испытания долот диаметром 215,9 мм, собранных с применением нового способа СКС, показали среднее увеличение стойкости на 23-41% по отношению к долотам, собранным по базовому варианту СКС.

Внедрение нового способа СКС позволяет за счет повышения качества сборки значительно увеличить стойкость собираемых долот.

Библиографический список

1. Ремнев В.В., Богомолов Р.М., Крылов С.М., Назаров А.М., Павлов М.Ю., Клебанов Я.М. Способ сборки шарошечного долота. Патент РФ №2330929, Е21В 10/00, от 01.09.2006 г., бюл. № 22.

2. Поляков К.А., Клебанов Я.М., Ремнев В.В., Богомолов Р.М., Ерисов А.Е. Моделирование нагрузок на элементы вооружения шарошек буровых долот // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - №9. - С. 10-11.