image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 5-6 2021

Бурение

»  01.5-6.2021 10:00 Анализ возможностей повышения работоспособности шарошечных долот
Шарошечный способ бурения горных пород на открытых разработках, в геологоразведке, при строительстве является наиболее рациональным и экономичным. Принимая во внимание сложность взаимодействия «долото – порода», необходимо учитывать два взаимосвязанных процесса – разрушение породы в призабойной части скважины и износ самого долота. Поэтому исследования по оптимизации конструкции долот проводятся по направлениям усиления опорного узла долота при одновременном снижении в нем коэффициента трения и оптимизации формы зубков с учетом горно-геологических условий работы долот. Наиболее интенсивной нагрузке при работе долота подвергаются породоразрушающие зубки, внедряющиеся в породу и производящие ее скол. Поэтому системный подход к выбору формы зубков, а также исследование влияния физико-механических свойств пород на параметры бурового оборудования являются основными задачами, которые необходимо решить для уменьшения износа механизмов при сохранении в породе напряжений, необходимых для ее разрушения. Установлено, что подшипники качения испытывают большой спектр нагрузок при качении шарошек по забою: при перекатывании шарошки с зубка на зубок, при наличии неоднородностей в породах забоя и при изменении физико-механических свойств породы. Исследования в лабораторных условиях с использованием оптически чувствительных материалов позволили выявить высокую значимость радиуса закругления рабочей кромки зубка, особенно в начальный момент внедрения в породу, когда на острие имеет место максимальная концентрация напряжений, угла установки зубков, особенно в периферийных венцах шарошки, а также длины рабочей части зубков, внедряющейся в породу. Установлено, в частности, что при уменьшении длины рабочей части зубков происходит практически кратное уменьшение напряжений. Исследования также показали, что данный метод изучения процесса работы и износа шарошечных долот позволяет получить достаточно большой объем информации на различных стадиях износа инструмента в отличие от натурных наблюдений, дающих возможность зафиксировать только конечный результат на определенном этапе работы.

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день шарошечный способ бурения скальных пород на открытых горных разработках, а также в геологоразведке и строительстве является наиболее рациональным и экономичным, вследствие чего разработка новых элементов бурового оборудования, а также совершенствование используемого является весьма актуальной задачей как с практической, так и с экономической точки зрения.

Буровое шарошечное долото – технологически сложная конструкция, поскольку в ней должны быть учтены два взаимосвязанных процесса – разрушение породы в призабойной части скважины и износ самого долота. При работе долото испытывает высокие нагрузки с повышенной вибрацией, обусловленные высокой прочностью и трещиностойкостью пород, а также геологическими неоднородностями. При этом выход долота из строя может быть вызван либо износом опоры, либо разрушением элементов его вооружения.

Таким образом, оптимизацию конструкций долот необходимо вести по двум направлениям, добиваясь усиления опорного узла шарошек при одновременном снижении в нем коэффициента трения и оптимизации формы зубков с учетом горно-геологических условий работы долот.

 

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ, ТРЕБУЮЩИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ РАБОЧЕГО РЕСУРСА ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ

Наиболее интенсивной нагрузке при работе долота подвергаются породоразрушающие зубки, внедряющиеся в породу и производящие ее скол. Выбор формы зубков и материала, из которого они изготовлены, а также определение физико-механических свойств пород и параметров бурового оборудования являются главными задачами, которые необходимо решить в целях уменьшения износа механизмов при сохранении в породе напряжений, необходимых для ее разрушения. Основным требованием к породоразрушающей части горного оборудования является повышение износостойкости, поскольку стоимость шарошечных долот во всех странах достаточно высока.

В [1] приведены данные, что в 80 % случаев отказ шарошечного бурового инструмента обусловлен разрушением подшипниковых узлов.

В то же время ряд авторов, к примеру [2], считает, что слабым звеном современных шарошечных долот с твердосплавным вооружением остается их периферийное вооружение. Рейкообразование на периферии скважины приводит не только к снижению эффективности разрушения забоя, но и к образованию на стенках скважины спиральных выступов, которые уменьшают диаметр скважины в свету и затрудняют фрезерование стенки периферийным вооружением при искусственном искривлении скважин.

Подшипники качения шарошек испытывают сложную циклическую нагрузку:

• на тело качения подшипника при качении шарошки по забою;

• при перекатывании шарошки с зубка на зубок;

• обусловленную изменением физико-механических свойств горной породы.

Все это доказывает, что для повышения рабочего ресурса необходимы более детальные исследования узлов шарошечных долот.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования в лабораторных условиях на оптически чувствительных материалах [3] позволили сделать следующие выводы:

• радиус закругления рабочей кромки зубка крайне важен, особенно в начальный период внедрения в породу, когда на острие имеет место максимальная концентрация напряжений. Так, экспериментальным путем установлено, что при внедрении зубка с радиусом закругления режущей кромки
R / D = 0,5 горизонтальная нагрузка на породу возрастает приблизительно до 8 раз, что способствует эффективному сколу породы при той же осевой нагрузке;

• большое значение имеет угол установки зубков, особенно в периферийных венцах шарошки, влияющий на напряженно-деформированное состояние породоразрушающих элементов. Экспериментально определено, что при одной и той же нагрузке зубки, установленные под углом 25° к нормали, работают в худших условиях, чем при угле 45°;

• фактор формы зубков необходимо учитывать при разработке долот. Приближение к сферической форме позволяет существенно снизить концентрацию напряжений в зубке. При внедрении в породу зубков с радиусом закругления R / D, равным 0,6 и 0,75, коэффициент концентрации напряжений уменьшился приблизительно в 1,21,3 раза.

На рис. 1–2 показан процесс исследования взаимодействия рабочих органов бурового инструмента (зубков) и разрушаемой породы. Хорошо видно влияние формы (размеров) зубка и места (условий) его работы на эффективность разрушения –
концентрацию напряжений. Отчетливо видно, что с уменьшением диаметра внедряемого инструмента (рис. 1б) эффективность работы по разрушению породы возрастает. На рис. 2 показано, что эффективность разрушения также возрастает при наличии свободной поверхности.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Следует отметить, что при исследовании взаимодействия бурового долота с породой одновременный учет всех факторов, влияющих на напряженное состояние инструмента и породы, не представляется возможным. Поэтому необходимо последовательно оценить влияние каждого фактора и тем самым определить степень функциональной зависимости и возможность ее приближения к оптимальным значениям. Это дает возможность выявить причину процессов, наблюдающихся при бурении, и выработать методологические подходы к разработке бурового инструмента.

Ключевые слова: горный массив, шарошечное долото, напряженное состояние зубков, форма зубков.
Ссылка для цитирования: Браженцев А.В., Кусов А.Е., Яковлев В.М., Ипанов Д.А. Анализ возможностей повышения работоспособности шарошечных долот // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2021. № 5–6. С. 22–24.




← Назад к списку


im - научные статьи.