CC BY
19Pozdnyakov A. A. Ph.D. in Physics and Math., associate professor, Head of Department, «KogalymNI-PIneft», Ltd, phone: (3452) 281-243, e-mail: PozdnyakovAA@tmn.lukoil.com
Koreshkov R. V., leading specialist, «KogalymNIPIneft», Ltd, phone: (3452) 281-243, e-mail: KoreshkovRV@tmn. lukoil. com
УДК 622.24.051.55
ИЗНОС ОПОР ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ
Н. Н. Закиров
(Тюменский государственный нефтегазовый университет)
Ключевые слова: опора, цапфа, подшипник, износ, скалывание, выкрашивание, разрушение Key words: вearing, bit leg axle, bearing box, run out, spading, pitting, crash
Опора долота является одним из наиболее важных узлов в конструкциях шарошечных долот. Она обеспечивает действие кинематических схем долота и создает условия для эффективной работы вооружения. Сложность повышения надёжности опоры долота заключена в ограничении объема под узлы трения. Поэтому известные конструкторские решения в машиностроении не всегда приемлемы для их реализации в специфических условиях [1].
Односторонняя нагруженность беговых дорожек (цапф) со стороны забоя вызывает усиленный износ их в секторе с дугой 120-160°. Установленные в отечественном долотострое-нии допуски на изготовление подшипников долот позволяют иметь посадочные зазоры, при которых угол зоны нагружения даже у новых долот находится в пределах 90-180°, а число воспринимающих нагрузку тел качения составляет 25-52 % от общего числа. По мере изнашивания подшипников и увеличения зазоров, угол зоны нагружения и число работающих тел качения будет уменьшаться. При этом будет возрастать удельное давление на беговые дорожки цапфы и скорость изнашивания её со стороны забоя возрастет. Важной отличительной особенностью опоры является и то, что посадочные зазоры всех трёх подшипников различны, поэтому роликовые подшипники, как правило, работают с перекосом (±10-15°). Такой перекос может увеличивать контактные напряжения по краям роликов на 20-25 % относительно среднего напряжения при отсутствии перекосов, что часто приводит к выкрашиванию краёв роликов.
Учитывая одностороннюю нагруженность опоры и работу подшипников качения без сепараторов, тела качения в зоне нагружения вращаются в противоположных направлениях друг относительно друга, а следовательно, изнашиваются вдвое быстрее, чем в случае наличия сепаратора. В результате возрастает работа трения и износ тел качения.
Выходя из зоны нагружения, особенно при большом суммарном зазоре между роликами вследствие изнашивания, тела качения теряют скорость и связь с шарошкой. В этот момент ролики в ненагруженной зоне при изношенном подшипнике имеют возможность разворачиваться или располагаться под углом к образующей подшипника, что может привести к заклиниванию шарошек или скольжению и раскалыванию тел качения. При выходе тел качения в зону нагружения, в результате большой разницы между скоростями движения беговых дорожек и тел качения, будет происходить интенсивное проскальзывание соприкасающихся поверхностей и усиленный износ роликов по диаметру и их длине. При достижении определённой ширины беговой дорожки и длины ролика последний будет разворачиваться и приводить к заклинке шарошки. При наличии в опоре подшипников скольжения, они также изнашиваются в процессе работы долота, но характер их изнашивания будет отличным от такого в подшипниках качения и выражается, прежде всего, в схватывании и вырывах в поверхностных слоях [2].
Сложность изучения механизма изнашивания опор заключается в том, что опора - это многорядный неразъёмный подшипник, где от работоспособности каждого подшипника зависит долговечность долота в целом. Загруженность подшипников опор неравномерна, чем и вызывается неоднородность сработки, неравномерность изнашивания подшипников. Абразивному и ударно-абразивному изнашиванию подвергаются все поверхности, омываемые буровым раствором, содержащим абразивные частицы. Интенсивность износа на различных участках поверхностей трения во времени различна и определяется размером и твёрдостью абразива, видом смазки, твёрдостью поверхности опоры. Причём ударно-абразивному изнашиванию могут подвергаться различные участки опоры долота, даже в ненагруженном состоянии, проявляющиеся в виде внедрения зёрен абразива в контактиру-
№ 4, 2011
Нефть и газ
65
ющие поверхности опоры.
Исследование влияния условий эксплуатации буровых долот с открытой опорой на характер и величину ее износа показало, что на цапфах концевого подшипника скольжения имеются раковины, мелкие трещины и сколы, а на втулках - поперечные трещины. Износ втулок концевого подшипника скольжения сопровождается трещинообразованием с последующим полным разрушением. Характер износа и состояние рабочих поверхностей цапф лап показал, что беговые дорожки периферийного роликового и шарикового подшипников, а также подшипника скольжения изнашиваются как и у долот с опорами качения, в основном, с нижней нагруженной стороны. Измерение износа цапф лап показало, что наибольший износ имеют беговые дорожки периферийного роликового подшипника цапф, износ сопровождается пластическими деформациями. Наплавленный на концевой подшипник скольжения твердосплавный слой часто имеет трещины, очаговые выкрашивания и отслаивания, чётко выраженный износ торцевой поверхности. Бурты опор шарошек, сопрягающиеся с опорой скольжения, подвержены наибольшему износу. При этом износ по диаметру тел качения из разных секций носит достаточно равномерный характер. Анализ отработанных шарошечных долот серий ГАУ и ГНУ свидетельствует о наличии аналогичных видов повреждаемости подшипников в разгерметизированных опорах шарошек и о превалировании окислительного (подшипники скольжения) и усталостного (подшипники качения) изнашивания в опорах шарошек, сохранивших герметичность [3].
В герметизированных опорах изнашивание проявляется в меньшей мере и вызывается появлением в полости шарошки продуктов изнашивания (частицы наклепанного, цементованного слоя, золы, образующейся при сгорании смазки, а также при разгерметизации опоры). В процессе работы опоры на сопряжённых поверхностях элементов с различной интенсивностью протекают окислительный и тепловой виды изнашивания, но основным видом изнашивания в герметизированных и негерметизированных опорах является усталостное выкрашивание.
Причина - циклические, контактные физико-химические взаимодействия. Проявляется после накопления определённого числа циклов нагружений, зависящих от исходной усталостной прочности материала, свойств смазочной среды, величины и направления скоростей качения и скольжения, шероховатости поверхностей, цикличности нагрузки и др. [2].
Наибольшему изнашиванию подвержены беговые дорожки роликового подшипника и подшипника скольжения, а интенсивность изнашивания цапфы замкового подшипника остаётся на одном уровне с момента приработки до периода повышенного износа. Установившийся режим изнашивания для цапфы роликового подшипника при негерметизирован-ной опоре ограничен до 100 тыс. оборотов, а к концу третьего периода (150 тыс. оборотов), как правило, начинаются интенсивные выкрашивания. Этому способствует также динамичность нагрузки, наличие абразивной среды и т. д.
Схватывание поверхностей цапфы и шарошки в подшипниках скольжения опор долот сопровождается вырывом частиц металла с одной поверхности и налипанием их на другой, что ведёт к заеданию пары трения. Схватывания возникают при перегрузке, перегреве или при недостаточной смазке подшипников скольжения.
Наряду с постепенным изменением формы и размеров, в результате различных видов изнашивания, опорные поверхности долота подвергаются также разрушению выкрашиванием. Цапфа долота подвержена разрушению больше других элементов опоры, причём различные её участки подвергаются разрушению с различной интенсивностью. Обычно скалываются бурты цапф, причём не только на нагруженной, но и на ненагруженной (у замка пальца) стороне.
Исследования показали, что скалывания буртов отмечается у 40,8% обследованных цапф. Наиболее интенсивному скалыванию подвергается бурт, расположенный между большой роликовой и шариковой дорожками. Шарошки долота с нарушенной, в результате скалывания буртов, базой отжимаются при бурении к центру забоя; диаметр скважины при этом уменьшается, хотя износ вершин калибрующих зубьев ещё невелик.
Значительное влияние на надежность и долговечность работы узлов трения долота оказывает температурный режим [4]. Источником тепловой энергии являются поверхности, контактирующие в процессе трения. При этом повышение температуры приводит к изменению физико-механических свойств материалов, а тепловые напряжения могут оказаться выше механических. Наиболее сильное изменение свойств материалов происходит в тонком поверхностном слое контактирующих поверхностей трения. Это приводит к изменению
66
Нефть и газ
№ 4, 2011
зазоров в трущихся соединениях, перераспределению нагрузок, напряжений и увеличению интенсивности износа узлов трения.
Правильным выбором конструктивных схем опор и зазоров по подшипникам, материалов элементов подшипников и технологии их химико-термической обработки, нанесением приработочных покрытий на внутреннюю поверхность шарошки для снижения тепловой нагрузки, подборки смазок, противоизносных присадок к ним и режимов отработки долот, можно регулировать износ опорных элементов и значительно увеличить долговечность долот [5].
Список литературы
1. Закиров Н. Н. Повышение эффективности работы и надёжности буровых шарошечных долот/Н.Н. Закиров,
B. П. Федотов, А. Б. Винников, И. Н. Бородин - М.: Недра, 2001. - 246 с.
2. Жидовцев Н. А. Долговечность шарошечных долот / В. Я. Кершенбаум, Э. С. Гинзбург, И. К. Бикбулатов, Е. Н. Бородина. - М.: Недра, 1992. - 272 с.
3. Губарев А. С. Условия эксплуатации пластичных смазок, виды повреждаемости подшипников опор шарошек/А. С. Губарев, И. А. Любинин, А. В. Торгашов, А. А. Логинов// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - № 1-2. - С.12-20.
4. Закиров Н. Н. Температурный режим работы узлов трения бурового долота // Бурение и нефть, 2004. - № 9. -
C. 12 - 14.
5. Закиров Н. Н. Композиционные гальванические покрытия для бурильного инструмента. - М. :Недра, 2002.-122 с. Сведения об авторе
Закиров Н. Н., д.т.н., профессор, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел. : 738598
Zakirov N. N., PhD, professor, Tyumen State Oil and Gas University, phone: 738598
УДК 622.276.031:531.5
ВЛИЯНИЕ ОСТАНОВОК НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН НА РАЗРАБОТКУ ОБЪЕКТА ЮС! МЕСТОРОЖДЕНИЯ ГРИБНОЕ
Л. А. Ваганов, И. Г.Телегин
(Тюменский государственный нефтегазовый университет;
Институт водных и экологических проблем СО РАН)
Ключевые слова: встречное заводнение, нестационарное заводнение, нефтеотдача Key words: оpposite waterflooding, non-stationary flooding, oil recovery
В настоящее время юрские отложения активно разбуриваются и разрабатываются в разных районах Западной Сибири, поэтому очень важно изначально выбрать правильную стратегию разработки для достижения заданного КИН и наилучшей экономической выгоды для недропользователя.
Общим для всех объектов юрской группы является небольшая расчлененность, низкая проницаемость, малая вязкость нефти и относительно высокий коэффициент вытеснения. На основе этой информации для данных пластов установлен, как правило, КИН в диапазоне от 0,4 до 0,6. В реальных условиях такой КИН достичь достаточно сложно. Например, на месторождении Новогоднее по объекту Ю! в 2010 году достигнут КИН, равный 0,04, при текущей обводненности 94,6% и разбуренности в 60%. Поэтому для рациональной разработки юрских объектов необходимо использовать все возможности для увеличения нефтеотдачи.
В данной работе анализируются перспективы применения встречного заводнения [1] и нестационарного заводнения (НЗ) [2] для увеличения нефтеотдачи.
1.Характеристика объектов исследования.
В качестве объектов сравнения выбраны промышленно разрабатываемые юрские отложения нефти месторождений Когалымской группы (Ватьеганское, Грибное, Повховское).
Критерием выбора объектов для исследования были следующие условия:
• объект должен быть представлен залежами относительно крупного размера, достаточного для формирования регулярной системы разработки;
• объект должен находиться в эксплуатации в течение относительно долгого периода времени для того, чтобы данные для анализа показателей разработки были достаточно представительными.
Сравнение основных геолого-физических показателей по объектам приведено ниже, (табл. 1).
№ 4, 2011
Нефть и газ
67
