CC BY
9УДК 622.24.051
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРУЖЕННОСТИ ВЕНЦОВ ШАРОШЕК БУРОВЫХ ДОЛОТ
THE STUDYLOAD OF THE CUTTERSOF DRILL BITS
В. А. Пяльченков, В. В. Долгушин, Г. А. Кулябин, В. Г. Кузнецов, Е. Г. Гречин
V. A. Pyalchenkov, V. V. Dolgushin, G. A. Kulyabin, V. G. Kuznetsov, E. G. Grechin
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Ключевые слова: бурение; долото; шарошка; вооружение; опора; нагрузка Key words: drilling; bit; cutter arms; a support; a load
Надежность и долговечность бурового оборудования и инструмента зависит от многих факторов [1, 2]. Одним из важнейших является величина усилий, действующих на рабочие элементы. Для буровых долот такими элементами являются зубки шарошек, непосредственно воздействующие на разрушаемую породу. Исследованиям закономерностей взаимодействия вооружения шарошечных долот с забоем посвящено значительное число как аналитических, так и экспериментальных работ [3, 4, 5]. Перспективным, на наш взгляд, для прямого экспериментального измерения усилий, действующих на элементы вооружения шарошечных долот, является метод дифференциации забоя [6]. Исследование заключается во вращении долота под нагрузкой по металлическому забою, закрепленному на измерительном устройстве. Создание осевой нагрузки и вращение долота осуществляются с помощью специального стенда [3]. Стенд позволяет проводить испытания долот различных типоразмеров, изменять осевую нагрузку на долото от 0 до 200 кН и угловую скорость долота от 0,16 до 11,34 с-1, что соответствует реальным условиям роторного бурения. Забой составлен из концентрических колец. Для раздельной регистрации усилий, действующих на венцы каждой шарошки, забой разделен на два сектора: рабочий (измерительный) сектор I и нерабочий сектор II (рис. 1). При вращении долота по забою шарошки последовательно контактируют с кольцевыми вставками рабочего сектора забоя I.
Рис. 1. Принципиальная схема замера и регистрации усилий, действующих на зубья шарошек:
1, 2, 3 — кольцевой забой рабочего сектора; 4, 5, 6, 7 — тензометрические балки; 7, 8, 9 — вкладыши; 10 —усилитель; 11, 12 — осциллографы; 16, 17 — преобразующая аппаратура; X1,X2,X3 — ось шарошки
№ 4, 2016
Нефть и газ
81
Угол рабочего сектора выбирается так, чтобы в рабочем секторе одновременно могла находиться только одна шарошка долота. Остальные шарошки долота в данный момент времени находятся в нерабочем секторе забоя II, неподвижно закрепленном на корпусе измерительного устройства. Каждый венец шарошки опирается на свой кольцевой участок 1, 2, 3 рабочего сектора. Вертикальные составляющие реакций взаимодействия зубьев шарошки с забоем, параллельные оси вращения долота, деформируют тензометрические балки 4, 5, 6. Чувствительными элементами для регистрации тангенциальных составляющих реакций взаимодействия зубьев шарошки с забоем, направленных перпендикулярно оси вращения долота, служат специальные вкладыши 7, 8, 9, консольно закрепленные в корпусе измерительного устройства. Деформации балок и упругих вкладышей преобразуются тензометрическими датчиками в электрические сигналы, пропорциональные величинам осевых и тангенциальных реакций взаимодействия зубков шарошек долота с забоем, которые регистрируются и обрабатываются с помощью специальной аппаратуры. На рис. 2 приведен пример осциллограммы, на которой записаны осевые усилия, действующие на различные венцы шарошек.
Рис. 2. Осциллограмма изменения осевых составляющих усилий:
1 —усилие на периферийном венце; 2 —усилие на среднем венце; 3 —усилие на вершинном венце; 4 —линия разграничения участков отдельных шарошек
Основной объем исследований выполнен на долотах Ш215, 9К-ПВ, предназначенных для бурения в крепких породах с очисткой забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью. Допускаемая предельная осевая нагрузка на долото составляет 250 кН, рекомендуемые угловые скорости долота — от 0,8 до 1,2 с-1. Выбор данного типа долота в качестве основного объекта исследования обусловлен тем, что вооружение шарошек этого долота изготовлено из твердосплавных зубков одного типа Г26 с полусферической головкой, что позволяет при исследованиях исключать возможное влияние формы зубков на исследуемые параметры. Кроме того, опорные узлы шарошек этих долот выполнены по широко распространенной схеме: большой роликовый подшипник — шариковый замковый подшипник — малый роликовый подшипник. Это позволяет распространить результаты исследований данных долот на долота других типов, имеющих такую же схему опорных узлов. На рис. 3 приведены схемы вооружения шарошек исследуемых долот и дифференциации забоя по венцам.
82
Нефть и газ
4, 2016
Исследования проводились на металлическом забое, изготовленном из малоуглеродистой конструкционной стали. Закономерности распределения усилий по элементам вооружения, полученные при исследованиях на металлическом забое, будут, на наш взгляд, сохраняться и при бурении в крепких и очень крепких горных породах. Это подтверждается сравнением результатов аналитических и экспериментальных исследований [3, 7, 8] с результатами, полученными нами при исследовании отработанных долот в промышленных условиях [9]. С целью сокращения времени приработки долота металлический забой изготовлялся с профилем, воспроизводящим профиль приработанного забоя. Перед началом записи долото прирабатывалось к забою в течение 10-20 оборотов долота при осевой нагрузке 80 кН и угловой скорости долота 1,31 с-1 до образования на забое лунок глубиной 1-2 мм. Такой режим приработки обеспечивает контакт с забоем зубков всех шарошек и исключает возможность контакта с забоем корпусов шарошек. Осевая нагрузка на долото при проведении исследований не превышала 160 кН. Частота вращения долота выбиралась в зависимости от цели проводимого исследования и находилась в пределах от 0,16 до 11,34 с-1.
Результаты исследований распределения осевой нагрузки по венцам каждой шарошки долота Ш215,9К-ПВ позволяют сделать вывод о том, что средняя загруженность венцов различных шарошек значительно отличается друг от друга (таблица). Наибольшая доля всей осевой нагрузки, действующей на долото приходится на средний венец первой шарошки. Относительная загруженность этого венца при нагрузке на долото 80 кН и угловой скорости долота 3,3 с -1 составляет 19,1 % от общей осевой нагрузки на долото. Это значительно превосходит относительную загруженность соседних с ним периферийного и вершинного венцов, воспринимающих соответственно 10,6 и 13,4 % всей осевой нагрузки на долото. Аналогичная картина наблюдается и для других шарошек исследуемого долота (см. таблицу).
Показатель загруженности венца Порядковый номер венца
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Среднее значение усилия, кН 9,9 18,1 12,5 8,3 11,3 8,8 10,0 5,2 5,4
Среднее значение усилия, % 10,6 19,1 13,4 8,7 12,2 9,5 10,8 9,9 5,8
Средний максимум усилия, кН 13,6 25,0 21,2 12,6 16,0 14,8 12,7 16,6 8,7
Средний минимум усилия, кН 6,4 10,8 3,5 4,1 6,4 2,6 7,5 3,8 1,8
Амплитуда усилия, кН 7,2 14,2 17,7 8,5 9,6 12,2 5,2 12,8 6,9
Для удобства все венцы шарошек пронумерованы по порядку от периферийного венца первой шарошки (венец 1) до вершинного венца третьей шарошки (венец 9). Суммировав относительные нагрузки, действующие на венцы одной шарошки, можно установить, что наиболее нагруженной является первая шарошка, воспринимающая 43,1 % общей нагрузки на долото, второе место по уровню загруженности занимает вторая шарошка (30,4 %), и наименее нагруженной является третья шарошка (26,5 %).
Экспериментальные исследования силового взаимодействия вооружения долота Ш215, 9К-ПВ с металлическим забоем показали высокую степень достоверности и сходимости результатов, получаемых при переходе от опыта к опыту, что говорит о правильности выбранной методики и ее надежности. По результатам исследования был предложен и реализован способ уменьшения неравномерности распределения осевой нагрузки по элементам вооружения долота [10, 11, 12]. Разработанная методика позволяет весьма быстро получать большой объем информации о загрузке всех элементов долота и может использоваться для оптимизации конструкции, как вооружения, так и опорных узлов шарошечных долот.
Список литературы
1. Методы обеспечения надежности эксплуатации скважинного оборудования / Р. Я. Кучумов, В. А. Пяльченков, Д. В. Пяльченков. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. - 148 с.
2. Организация ремонтных работ на скважинах в осложненных условиях разработки нефтяных месторождений / Р. Я. Кучумов, В. А. Пяльченков, Р. Р. Кучумов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - 155 с.
3. Пяльченков В. А. Повышение работоспособности шарошечных долот путем рационального распределения нагрузок по элементам вооружения: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина. - Москва, 1983. - 216 с.
4, 2016
Нефть и газ
83
4. Долгушин В. В. Развитие методологии моделирования процессов технологии бурения и скважинных механизмов: автореф. дис.... докт. техн. наук. -Тюмень, 2008. -260 с.
5. Пяльченков В. А. Повышение работоспособности шарошечных долот путем рационального распределения нагрузок по элементам вооружения: автореф. дис.. канд. техн. наук. -Москва, 1983. -23 с.
6. Устройство для исследования шарошечного долота; а.с. 840268 СССР: МКИЗ Е 21 В 9/08 / В. Н. Виноградов, В. А. Коротков, А. Н. Пашков, А. Ф. Брагин, В. А. Пяльченков. - № 2729036/22-03; заявл.23.02.79; опубл.23.06.81, Бюл. № 23. -4 с.: черт.
7. Пяльченков В. А. Влияние жесткости опорного узла на загруженность венцов шарошек долота // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 5-3. - С. 502-506 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Ьир://:£ипдатеп1а1-ге8еагсЬ.ги/ги/агис1еМеш?1ё=40330 (дата обращения: 18.07.2016).
8. Пяльченков В. А. Моделирование загруженности подшипников опоры шарошечного долота // Механика и процессы управления: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. - С. 105-109.
9. Пяльченков В. А. Критерии работоспособности вооружения буровых шарошечных долот // Известия вузов. Нефть и газ. -2016. -№ 1. - С. 110-116.
10. Пяльченков В. А. Способ уменьшения неравномерности распределения осевой нагрузки по вооружению шарошечных долот // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 12-5. - С. 945-949 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Ьир://£ипдатеп1а1-ге8еагсЬ.ги/ги/агис1еМеш?1ё=39656 (дата обращения: 13.01.2016).
11. Пяльченков В. А. Испытания шарошечного долота с уменьшенной неравномерностью распределения осевой нагрузки по элементам вооружения // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 1-1. - С. 48-52; [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Ьир:/Липёатеп1а1-ге8еагсЬ.ги/ги/агис1еМеш?1ё=39791 (дата обращения: 12.02.2016).
12. Буровое шарошечное долото; а.с.1461855 СССР: МКИЗ Е 21 В 10/16 / А. Ф. Брагин, В. А. Боднарчук, В. А. Пяльченков, Ю. И. Басанов, Г. В. Жуков. -№ 4213595/23-03; заявл. 20.03.87; опубл. 28.02.89, Бюл. № 8. -2 с.: черт.
Сведения об авторах
Пяльченков Владимир Алексеевич, к. т. н.,
доцент кафедры «Прикладная механика», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)283354, e-mail: pial228@rambler.ru
Долгушин Владимир Вениаминович, д. т. н., профессор кафедры «Станки и инструменты», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)283671, e-mail: dolgushinvv@tyuiu. ru
Кулябин Геннадий Андреевич, д. т. н., профессор кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390363
Кузнецов Владимир Григорьевич, д. т. н., профессор кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390363
Гречин Евгений Глебович, д. т. н., профессор кафедры «Прикладная механика», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)283378
Information about the authors
Pyalchenkov V. A., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Applied mechanics», Tyumen Industrial University, phone: 8(3452)283354, e-mail: pial228@rambler.ru
Dolgushin V. V., Doctor of Engineering, director of Institute of Engineering, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)283671, e-mail: dolgu-shinvv@tyuiu. ru
Kulyabin G. A., Doctor of Engineering, professor of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)390363
Kuznetsov V. G. , Doctor of Engineering, professor of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)390363
Grechin E. G. , Doctor of Engineering, professor of the chair «Applied mechanics», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)283378
