опыт
Н.Н. ЗАКИРОВ
Тюменский государственный нефтегазовый университет
Рис. 1.
Износ и поломка зубков шарошечного долота 215,9М3-ГНУ-Я04 в интервале бурения 2077 - 2301 м
При разработке буровых шарошечных долот приходится решать многие задачи, опираясь на технологические основы бурения, производственный опыт и наработки конструкторских бюро и научно-исследовательских организаций.
Существенное влияние на надежность и производительность работы долота оказывают контактная прочность вооружения, равномерность распределения нагрузки на каждый венец шарошки, износ опорных поверхностей, температурный режим узлов трения и величина зазоров в опорах долота. Оценка этих факторов позволяет своевременно внести необходимые корректировки в техническую документацию и обеспечить повышение надежности долота на стадии конструкторских работ.
Тяжелые условия работы долот на забое приводят к интенсивному разрушению вооружения. Установлено, что наибольшая интенсивность изнашивания зу-
девременным поломкам зубьев. Поэтому приработку долот на забое производят при нагрузках в 2 — 3 раза меньших, чем рабочие. Это обеспечивает постепенное выравнивание высоты зубьев по венцам.
В процессе работы долота цементированный слой зуба, как правило, изнашивается. Неравномерное распределение толщины цементированного слоя по поверхности зуба и по телу шарошки является еще одной причиной зарождения усталостных трещин и поломки вооружения. Обломки зубков скапливаются на забое скважины, т.к. не могут быть вынесены буровым раствором на дневную поверхность. Наличие на забое металлического скрапа резко снижает эффективность работы последующих долот. Кроме перечисленных причин, на величину износа зубьев шарошек большое влияние оказывает смещение осей шарошек, конструктивные особенности вооружения, направление промывочных насадок, механические
КОНТАКТНАЯ ПРОЧНОСТЬ ВООРУЖЕНИЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ
бьев шарошек происходит в период приработки. Процесс начинается с мелкого выкрашивания вершин двухгранного угла зубьев, вызванного разновысотно-стью зубьев по венцам, неравномерностью загрузки зубьев по венцам или перенапряжением отдельных зубков (при зубковом вооружении).
Выкрашивание зубьев и зубков периферийных венцов связано с контактированием зуба с забоем и стенкой скважины. Двухстороннее нагружение обусловливает износ и выкрашивание прежде всего уголков зубьев и зубков, обращенных к стенке скважины. Во время приработки наиболее вероятно появление усталостных трещин, которые приводят к преж-
свойства разбуриваемых пород и параметры режима бурения [1].
Нарушение режимов бурения и приработки долота может привести не только к выкрашиванию отдельных участков зуба или выкрашиванию периферийных зубков, но и к поломке зубков других венцов шарошки. На рис. 1 показан износ вооружения лицензионного долота 215,9М3-ГНУ-Р04 (Восточно-Сургутское месторождение, куст 325, скважина 902). Такое значительное разрушение вооружения долота наблюдалось после 17 часов работы на забое.
Шарошки долота, работающие при переменной нагрузке, испытывают значительные динамические нагрузки. Реализация мощности забойных двигателей происходит через небольшие контактные поверхности. Крутящий момент может достигать 2500 — 4000 Нм. Тяжелые условия работы долота вызывают значительный износ не только зубкового, но и фрезерованного вооружения шарошки. Зубья, изготовленные из высоколегированных цементируемых сталей, имеют достаточно высокую контактную прочность, но все же износ зуба сопровождается микрорезанием, выкрашиванием, обминанием и имеет усталостную природу. Допускаемые контактные напряжения зависят от того, какая степень ударно-абразивного износа зуба будет допустима к концу срока службы долота.
При оценке контактной прочности фрезерованного зуба экспериментальных опытных долот III 215,9М-ГАУ-НМ (рис. 2) производства Верхнесергинского долотного завода ООО «Уралбурмаш» исходили из того, что к концу срока службы долота допускается
46
7-8/ 2003
опыт J«
ограниченное выкрашивание зуба, а обминание поверхностных слоев ножек зубьев не допускается [2]. Такие условия могут быть выполнены, если окружные скорости не более 3 м/с, временное сопротивление разрыву долотной стали ов ~ 1000МПа и число циклов напряжений не более N = (1-3)106. При этом полагается, что глинистые растворы имеют незначительное количество абразивных примесей.
Расчет зуба шарошки на контактную прочность затруднен из-за отсутствия методики, но все же оценку контактной прочности можно сделать, пользуясь общепринятыми подходами в машиностроении [3].
1. Коэффициент материала (Км) для цементированных высоколегированных сталей находится в пределах 8 — 12,7. Для шарошек с твердостью поверхности НЯС = 60, К » 10,8.
' м 7
2. Коэффициент числа циклов (К) выберем с учетом а = 10001100 МПа и числа циклов напряже-
NÖ = 60nTtg,
(1)
где п — число оборотов шарошки в минуту (200);
Т — время работы шарошки до износа (30 ч);
t
коэффициент эквивалентного времени ра-
боты. При тяжелых условиях работы шарошки можно принять 1Э = 1,0,
Nц ~ 0,36-106циклов.
В соответствии с числом циклов напряжений и пределом прочности долотных сталей (1000 — 1100 МПа) значение коэффициента Кц находится в пределах 2,0 — 2,5.
3. Коэффициент деформации (Кд) для переменного режима нагрузки и твердости поверхности НЯС > 40 можно принять равным единице.
4. Коэффициент зацепления зуба (К,) определяется углом зацепления зуба шарошки с забойной рейкой. Для многих буровых долот величина угла 14 — 28°. Для этих значений К3 = 0,78 — 1,29.
5. Коэффициент, определяющий допустимое окружное усилие, выразится произведением
к0= Kj ■ км ■ кц ■ кд ■ к3
(2)
где К] = 9,32 - 105 Па.
В выражении (2) необходимо учесть характер приложения нагрузки, который может быть оценен коэффициентом динамичности (К) Для шарошечных долот значение коэффициента динамичности выбирают в пределах 1,25 — 1,5. Таким образом, коэффициент, определяющий допустимое окружное усилие на шарошке, можно выразить соотношением
Код = к1 • км • кц • кд • кэ/ка-
(3)
Значение К0д для шарошек с фрезерованным зубом находится в пределах (1,5 — 2,0) - 107Па (150 — 200 кг/см2).
6. Допустимое окружное усилие
Р0Д = К0Д + 1, (4)
где йш — диаметр шарошки, см; 1д — передаточное отношение долота; вш - ширина зацепления зубьев шарошки с забоем, см.
вш lZJ + lZ2 + lZ3>
где l71 — длина зуба первого венца шарошки;
Z2
'Z3
длина зуба второго венца шарошки; длина зуба третьего венца шарошки.
7. Допускаемый крутящий момент
ма= P0Ädn/2-
8. Допускаемая мощность
(5)
N = МЙпш/71620, (6)
где пш — число оборотов шарошки в минуту.
Подставив реальные параметры экспериментальных трёхшарошечных долот Ш215,9М-ГАУ-НМ (d0 = 14 см; ia = 3,4; n0 = 200 об/мин) в формулы (4) — (6) при код= 150 — 200кг/см2, имеем: Р0д = 4328-5771 кг; Ма = 3029 — 4040 Нм; N = 62 -о 83 квт.
Проведённые исследования показали, что запас контактной прочности вооружения шарошечных долот минимальный, а пш = 200 об/мин является предельным, как и передаваемый на шарошку крутящий момент. Исходя из этого, для повышения контактной прочности вооружения долот целесообразно уменьшить суммарную длину зубьев фрезерованного вооружения.
Литература
1. Жидовцев Н.А., Киршенбаум В.Я., Гинзбург Э.С. и др. Долговечность шарошечных долот.-М.: Недра, 1986.
2. Закиров Н.Н., Бородин И.Н. Разработка трёхшаро-шечного долота 111215,9М-ГАУ-НМ.: Отчёт по НИР./ЗапСиб-БурНИПИ.-Тюмень,1996.
3. Справочник машиностроителя /Под ред. Н.С. Ачер-кана. Том 4, книга 1.-М.:ГНТИМЛ,1963. ■
Рис. 2.
Общий вид отработанной шарошки долота III 215,9М-ГАУ-НМ
7-8/ 2003
47
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.