щ
инструмент и оборудование
Анализ работы колонных фрезеров
Р.Ф. ТАШБУЛАТОВ,
первый заместитель генерального директора
ООО НПП «Буринтех»,
Р.А. ИСМАКОВ,
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Бурение нефтяных и газовых скважин»
А.Д. ГЛУШКО,
Уфимский государственный нефтяной технический университет(УГНТУ)
gs_sj@mail.ru
БУРИНТЕХ
Рассмотрены некоторые аспекты работы и изнашивания раздвижных колонных фрезеров.
WORK ANALYSIS OF STRING MILLS
R. TASHBULATOV, «Burintech» SPE LLC
R. ISMAKOV, A. GLUSHKO, Ufa State Oil Technical University (UGNTU)
There are examined some aspects of work and wearing-out of extension-type string mills.
Keywords: string mill, wearing-out, friction, drilling, equipping
Раздвижные колонные фрезеры (ФКР) являются разновидностью раздвижных буровых инструментов-расширителей и применяются для сплошного вырезания или отрезания участка обсадной колонны.
Эффективность применения раздвижных фрезеров в первую очередь определяется режимом отработки и качеством режущего органа, т. е. эффективностью резания, стойкостью к ударным нагрузкам, высокой износостойкостью, проходкой и т. д. В то же время от конструктивных особенностей самого инструмента (надежность, простота использования, практичность) зависит эффективность проведения работ без осложнений и аварий как при спуско-подъ-емных операциях, так и в процессе работы.
На рис. 1 представлены фотографии режущих элементов фрезера ФКР-146 производства компании «Буринтех», отработавшего 22,5 часа в скважине №341 куста 3 Верхне-Пурпейского месторождения, имеющей S-образный профиль. Интервал фрезерования 2131 - 2136 м, проходка 5,1 м. Механическая скорость составила 0,23 м/ч.
На представленных снимках видно, что режущие элементы изношены достаточно равномерно, обратная кромка почти не имеет сколов, т. е. данный комплект лопастей работал в штатных режимах и весь потенциал долговечности не использован.
Одним из недостатков при работе с раздвижными фрезерами является большой выход металлической стружки, образующейся в результате вырезки, а образцы этой стружки являются очень интересным материалом для исследования и анализа режимов резания и изнашивания вооружения скважинного инструмента.
Процесс стружкообразования - сложный физический процесс, сопровождающийся большим тепловыделением, деформацией металла, изнашиванием режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и фрезеровать металл более качественно, производительно и экономично [1].
При резании различных материалов могут образовываться следующие основные виды стружек: сливные (непрерывные), скалывания (элементные) и стружка надлома. Как известно, чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого металла, а также меньше угол резания и толщина среза и выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной. Стружка надлома образуется при резании хрупких марок стали. Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой
Рис. 1. Внешний вид режущих элементов ФКР-146-1
52
инструмент и оборудование
щ
элементов. Стружка скалывания занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при резании некоторых сортов твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания [1]. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную, и наоборот
Работа, затрачиваемая на пластические деформации, составляет около 80% всей работы резания, а работа трения - около 20%. Примерно 85 - 90% всей работы резания превращается в тепловую энергию, которая поглощается стружкой на 50 - 86%, резцом -10 - 40%, обрабатываемой деталью - 3 - 9%, около 1% теплоты излучается в окружающее пространство [1].
Температура в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и применяемой смазочно-охлаждаю-щей жидкости. Чем выше прочность и твердость обрабатываемого материала, тем выше температура в зоне контакта инструмента, которая при тяжелых условиях работы может достигать 1000 - 1100° С [2].
Применение специальных смазочно-охлаждающих жидкостей при резании уменьшает глубину и степень упрочнения поверхностного слоя, существенно уменьшает температуру в зоне резания [3], но этот аспект в данной статье не рассматривается.
Температура в зоне резания оказывает непосредственное влияние на износостойкость инструмента, состояние обрабатываемого материала, качество обработанной поверхности и производительность резания.
Возникающие при фрезеровании обсадной колонны нагрузки воспринимаются низом бурильной колонны, передаются через бурильный инструмент на узлы и механизмы бурового станка. Образуется замкнутая технологическая система: «буровой станок - бурильный инструмент - крепь скважины».
В процессе фрезерования сила резания не остается постоянной из-за изменения сечений срезаемой стружки, неоднородностей механических свойств материала крепи и распределения силы резания. Под действием изменяющихся сил резания элементы системы «буровой станок - бурильный инструмент - крепь скважины» деформируются, изменяя тем самым условия резания, трения и работы привода станка.
Характер изменения условий обработки зависит от жесткости указанной системы, т. е. способности препятствовать перемещению ее элементов при воздействии на них нагрузок. Жесткость является одним из основных критериев работоспособности всей системы в целом и ее эффективности работы под нагрузкой [4]. Одна из рекомендуемых компоновок для фрезерования крепи нефтегазовых скважин показана на рис. 2.
Известно, что компоновка инструмента также в значительной степени влияет на динамику процесса резания, вибрацию и колебания инструмента [4]. Колебания при резании разделяют на вынужденные, когда причиной колебаний являются периодически действующие возмущающие силы, и автоколебания, которые не зависят от действия периодически возмущающих сил. Источниками возмущающих сил вынужденных колебаний являются неуравновешенные части КНБК, неравномерность подачи инструмента и другие факторы. Основными источниками возникновения автоколебаний
п
БТ-27/В остальное
3-86
346
п
ф
3 86
3-83 МИ-90
47
УБТ-1СВ1 щубка
Цешратор -116
КБТ-Ю81шбка
Цен
являются: изменение сил резания из-за неоднородности механических свойств фрезеруемой крепи скважины; появление переменной силы резания за счет срыва нароста; изменение сил трения на поверхностях инструмента вследствие изменения скорости резания в процессе фрезерования и др. На интенсивность автоколебаний оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала, параметры режима резания, геометрические параметры инструмента, жесткость отдельных элементов КНБК и всей системы.
С целью улучшения технологических свойств и работоспособности колонных фрезеров нами были проведены исследования образцов металлической стружки, полученной в ходе фрезерования участка эксплуатационной колонны с уже упомянутой выше скважины №341 Верхне-Пурпейского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе. В процессе фрезерования постоянно осуществлялся контроль за выносимой стружкой, поскольку по размеру, форме и количеству выносимой стружки можно судить о качестве фрезерования колонны. Для улавливания металлической стружки из промывочной жидкости на виброситах были расположены магниты.
Фрезерование стальной трубы предположительно марки стали 55 производилось при разных параметрах нагрузки давления (Р), частоты вращения инструмента расхода промывочной жидкости Пробы стружки брались с каждого метра. Ниже, на рис. 3, позиции «а» и «в», показана увеличенная поверхность образца металлической стружки, полученной в результате фрезерования эксплуатационной колонны при режиме G=0,5 т, Р=90 атм., N= 35 об/мин, Q=9 л/с на глубине 2132 м; на рисунках «б» и «г» - G=1,5 т, Р=60 атм., N=40 об/мин, Q=8 л/с на глубине 2141 м.
При анализе образцов металла на растровом микроскопе было выявлено следующее: при небольшом увеличении в 35 и 400 крат - поверхность первого образца более ровная, плотная. Поверхность второго образца отличается: она рыхлая и неоднородная. При 10- и 15-тысячекратном увеличении отчетливо видна структура металла, т. е. при разном режиме работы при прочих равных условиях фрезеруемый объект по-разному реагирует на воздействие вооружения инструмента.
В целом по результатам анализа отработанных фрезеров, износа их вооружения и исследований полученной стружки можно сделать следующие выводы:
1. Анализ условий взаимодействия вооружения скважинных фрезерных инструментов при операциях
ЕТ-Э1/2-е сильно«
©
V
ний-116
П-86 /ИН-90х6К1:16
ФКР-140-1 Nn2G.P1
ц е нц атов НИ» ни й -116
Рис. 2. Пример компоновки низа бурильной колонны для фрезерования
щ
инструмент и оборудование
а)
в)
б)
• '1
Щт Ж*-*»
Рис. 3. Фотографии стружки, полученной при различных режимах резания
с обсадной колонной показывает, что это сложный многофакторный процесс.
2. При работе фрезеров происходят изменения механических свойств и структуры материала вооружения, что предопределяет характер его изнашивания.
Изучение изменения структуры и твердости сталей, твердого сплава с изменением температуры позволит прогнозировать режим взаимодействия в системе «бурильный инструмент - крепь скважины».
3. Необходимы исследования по улучшению режимов работы вооружения в направлении изменения скорости обтекания резца промывочной жидкостью, улучшения смазочных свойств и теплоемкости последней, выбора нагрузки, скорости резания и т. п.
Литература
1. Фещенко В.Н. Токарная обработка / В.Н. Фе-щенко, Р.Х. Махмутов. М.: Высшая школа, 2005. 303 с.
2. Худобин Л.В. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: справочник. М.: Машиностроение, 2006. 544 с.
3. Булыжев Е.М. Ресурсосберегающее применение смазочно-охлаждающих жидкостей при металлообработке/Е.М. Булыжев, Л.В. Худобин М.: Машиностроение, 2004. 352 с.
4. Ишбае
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.