Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации шарошечных долот с открытой опорой показывает, что они имеют ограниченное применение. Это связано, прежде всего, с недостаточно глубокой очисткой буровых растворов от абразивных частиц. Более широкое использование полимерных растворов может существенно раздвинуть границы их практического использования [1], однако на практике использование таких растворов ограничено.
Проблема надёжной герметизации опор долота пока не решена. Новые конструкции далеко не всегда возможно использовать в силу ограниченных размеров, в которые конструктор должен вписать узел герметизации опоры долота. Кроме того, наличие абразива в промывочных жидкостях, высокой температуры при глубоком бурении и динамических нагрузок существенно затрудняет герметизацию опор долота. Как известно, шарошка в процессе бурения совершает вращательное движение вокруг своей оси, подвержена перемещению в осе-
наука — производству Ж
при весьма значительных осевых нагрузках. Поэтому при трении обрезиненного тарельчатого уплотнения и металлического кольца будут преобладать ненасыщенные упругие деформации. Это дает основание воспользоваться приближенным соотношением для оценки интенсивности износа уплотнений [3].
Л = 0,бота,/106- Е. п, (1)
где
п — число оборотов шарошки, об/мин;
атах — максимальные напряжения сжатия тарельчатого уплотнения, кг/см2;
Е — модуль нормальной упругости резины, МПа.
Тарельчатая пружина, входящая в состав обре-зиненного уплотнения, изготавливается из листовой стали. Она имеет нелинейную характеристику. Усилие сжатия пружины можно определить по формуле:
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ
вом и радиальном направлениях. Уплотнение должно быть не только эластичным, чтобы амортизировать все перемещения шарошки, но и достаточно износостойким.
Перечисленные факторы приводят к быстрой разгерметизации опоры шарошки и её износу. В этой связи предложена система двухуровневой герметизации опоры долота, предназначенная для предотвращения вытекания смазки и попадания в герметичный объем абразивных частиц и промывочной жидкости (рис. 1). Герметизирующий узел состоит из цапфы 1, шарошки 2, обрезиненного тарельчатого уплотнения 3, поджимного эластичного кольца 4 и дополнительного кольцевого плавающего металлического уплотнения 5.
Металлическое и обрезиненное тарельчатое уплотнения поджимаются к шарошке с натягом в осевом направлении. Условия смазки рабочих поверхностей уплотнений не одинаковы. На участках площади контакта, примыкающих к уплотняемому объему (ближе к оси вращения), взаимодействие трущихся поверхностей может происходить при достаточно хорошей смазке. По мере удаления трущихся участков в радиальном направлении от оси вращения, условия смазки поверхностей ухудшаются. Поэтому периферийные участки торцевых уплотнений могут работать в условиях граничной смазки или в условиях сухого трения [2].
Обычно поверхности торцевых уплотнений обрабатывают до Ра = 0,025-0,05 мкм. Это необходимо для получения оптимальных характеристик по макрогеометрии (радиусы волн поверхности будут достаточно велики, а высота волн мала). Кроме этого, всегда стремятся контактирующим поверхностям с уплотнениями придать высокую твердость (НРС 55-62). Исходя из этого, пластические деформации в зонах трения уплотнений возможны только
. = 4Ек0(Нк0 - Хк} + 8)/кД2,
(3)
Н.Н.ЗАКИРОВ
Тюменский государственный нефтегазовый университет
Р = 4Е8Х0[(Н - Х)(Н - Хд/г) + Ь2]/(1 - |2)Д2А, (2)
где Е — модуль нормальной упругости стали, МПа;
8 = 1,0 мм — толщина пластины; Н = 0,5 мм — величина сжатия пружины до полного заневоливания;
Хд = 0,8Н = 0,4 мм — осадка пружины; | = 0,3 — коэффициент Пуассона; Д = 75 мм — наружный диаметр уплотнения; 8 = 55 мм — внутренний диаметр уплотнения; Д/8 = 1,36.
При этом А = 0,4. Таким образом Р = 22,45 кг. Наибольшие нормальные напряжения развиваются в меридиальном сечении пружины:
Здесь, для соотношения Д/8 = 1,36: к0 = 0,8; к1 = 0,4; к = 0,4. 0
я = 4 ■ 21000■(0,5■0,8- 0,4 ■ 0,4 +1)/0,4 ■ 752 = 18,5кг/мм2
Рис. 1.
Узел герметизации опоры долота III 215,9М-ГАУ-НМ
а
Приняв число оборотов циклов нагружения 104 и воспользовавшись (1), получим:
1п = 0,6■ 18,53/10* ■ 3200■ 200 = 1,73■ 10-9.
Путь трения Ь определяется из допустимой величины осевого перемещения системы «шарошка-уплотнение». Величина этого перемещения связана с износом упорного подшипника и принята 0,0008 м.
Исходя из этого:
Ь = 0,0008/1,73■ 109 = 462427,74м.
Линейная скорость на периферийном радиусе обрезиненного уплотнения: V = 2пЯп = 6,28 0,0275■ 200 = 47,1 м/мин.
Долговечность обрезиненного уплотнения Т:
Т = 462427,74/47,160 = 163,63 час.
Кольцевое металлическое уплотнение поджимается к шарошке также с усилием 22,45 кг. Нормальные напряжения на трущейся поверхности кольца:
о = 22,45/Бк = 22,45/562,2 = 0,0397 кг/мм2,
Бк = п(Д2 - (12)/4 = п(632 - 572)/4 = 562,2 мм.
И далее:
4 = 06 0,0397/106 ■ 21000■ 200 = 0,53■ 10-13,
Ь = 0,0001/0,53■ 10-13 = 1,886108,
V = 2пЯп = 6,28 0,03■ 200 = 37,68 м/мин.
Долговечность металлического кольцевого уплотнения:
Т = 1,886■ Ш/37М 60 = 83422 час.
Расчеты показывают, что двухуровневая система уплотнений удовлетворяет заданному ресурсу работы долота.
Одним из важных узлов в конструкции шарошечных долот является также опора шарошек. Она обеспечивает действия кинематических схем долота и создаёт условия для эффективной работы вооружения.
Расчет усилий на подшипники в опорах шарошечных долот представляет собой статистически
неопределимую задачу. Решение этой задачи представляет значительные трудности, т.к. требует описания процессов взаимодействия шарошки с разбуриваемой породой и упругой системой «долото — забойный двигатель — буровая колонна».
Схему силового взаимодействия можно считать статически определимой, если полагать, что вертикальная нагрузка создается весом утяжеленных бурильных труб, а горизонтальная — крутящим моментом забойного двигателя или ротора. Причем, минимальный радиальный зазор в замковом шарикоподшипнике заведомо больше радиальных зазоров в периферийном и концевом подшипниках. Это дает основание полагать, что шариковый замок разгружен от восприятия радиальной составляющей нагрузки. Соответственно, вся осевая составляющая нагрузки воспринимается шариковым замком или упорным подшипником скольжения [4]. Рассмотрим методику расчета усилий в опоре на примере разработанного экспериментального долота III 215,9М-ГАУ-НМ .
Представим шарошку как совокупность трех конусов (рис. 2):
2lkl, 2lk2, 2lk3, — длины образующих конусов;
а, 0, п — геометрические параметры шарошки;
в = 57° — угол наклона шарошки к оси долота;
Lg — расстояние от геометрической вершины шарошки до точки приложения равнодействующих сил;
P1, P, P3 — силы реакции со стороны породы на соответствующие конусы шарошки;
q — удельная единица сил реакции, приходящаяся на единицу длины образующих.
Pi= 2lki q; (4)
P2 = 2lk, q; (5)
Рз= 2lk3- q. (6)
Из условия равновесия шарошки:
zj=g g
zMg = g
X= Pj sina - P2 sin(0 - а) - P3 sin(0 - а + п);
Y = Q0 = Pj cosa - P2 cos(0 - a) - P3 cos(0 - a + п);
QmLg = Pj lki + P(2lki + k/cos0)cos0 + P3[2lk1cos(0 + п)+ 2lk2cosn+ lk3).
Используя (4), (5), (6), запишем:
X = q[2lk1 ■ sina - 2lk2 sin(0 - a) - 2lk3■ sin(0 - a + п)]; (7)
Y = Q0 = q[2lkl-cosa - 2lk2 cos(0 - a) - 2lk3-cos(& - a + п)];
Lg = q/Qrn(2'2ki+ 2lJ2lki + ¡k/cos0) ■cos0 +
2lk3[2lkicos(0 + п)+ 2lк£osп + lk3]}. (8)
Здесь Q0 — составляющая осевой нагрузки долота, приходящаяся на шарошку.
Подставляя a = 9°, 0 = 25°, п = 64°, 2lkl = 61 мм, 2lk2 = 35 мм, lk2 = 17,5 мм, 2lk3 = 18 мм, lk3 = 9 мм и принимая Q0 = 1/3 осевой нагрузки на долото и коэффициент динамичности = 1,25, получим:
22
4/2003
наука — производству
= 20000-1,25/3 = 8333 кг;
X = -17,821т,
V = Ош = 96,956д;
Т = 85,946 кг/мм
Ь0 = 6925,1-д/0ш-
Ьд1 = Ьд/зтв = 85,2 мм■
Расчет по (8) дает несколько завышенное значение для Ь0, т.к. Ьд ~ Дд/4~ 54 мм.
Из рис. 2 видно, что:
XI = У со^р + X 008(90 - в);
VI = Уипр + X ш(90 - в);
х1 = 8333 008570 - 1531,6 соз330 = 3249,6 кг;
У1 = 8333 ип57° + 1531,6 з1п330 = 7816,2 кг.
Для определения реакций Я1 и Я2 на радиальных подшипниках запишем:
ЪУ1 = Я,+ Я2 + У1 = 0 (9);
Ш0 = Я111 + Я}2 + Уг1,01 = 0 (10)
Подставляя в (9) и (10) значения 11 и 12, из рис. 2, получим:
Я, = У{Ь01 - 11)/(12 - 11) = 3821,25 кг;
Я2 = У,- Я,= 3995 кг■
Динамическая составляющая осевой нагрузки по-разному влияет на распределение реакций в концевом и периферийном радиальных подшипниках ввиду особенностей расположения зубков на
шарошке. Истинные реакции в опорах Ы1 и Ы2 можно определить с учетом следующих соотношений:
Я/Я^ 1,25 Я2/Я1; ^2= Я.!+ Я2
Очевидно:
N = 1,25 Я2М/Я,;
N(1,25 Я2М/Я, + 1) = Я,+ Я2;
2,,3М, = Я1 + Я2;
М,= 3398,3 кг;
М2 = 4441 кг■
Полученные расчетные значения долговечности двухуровневой системы герметизации опоры шарошечных долот и усилий возникающих в опорах долот применялись при изготовлении на ОАО «Урал-бурмаш» экспериментальных шарошечных долот 111215,9МС-ГАУ-НМ, испытание которых успешно прошло в филиале «Тюменбургаз» ДООО «Бургаз» на Северо-Уренгойской площади.
Литература
1. Шарипов А.У. Проектирование и регулирование основных показателей бурения глубоких скважин. М., ВИНИТИ, 1995.
2 Бородин И.Н., Закиров Н.Н., Симисинов И.Л., Солдатов Е.П. Разработка системы двухуровневой герметизации опоры шарошечных долот. Отчет по НИР. ЗапСибБурНИПИ. 1995.
3. Крагельский И.В. Трение и износ. М., Машиностроение, 1968.
4. Харламов В.В. и др. Отчёт по НИР. Институт машиноведения, УрО АН СССР. Свердловск. 1990.
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.