Совершенствование конструкции алмазных коронок на основе анализа работы трения при бурении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.243.13 ББК 33.13 Б 90

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.11

Бучковский Е.В., Будюкова Т.Ю.

Б 90 Совершенствование конструкции алмазных коронок на основе анализа работы трения при бурении: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2012. — № 1. — 16 с.— М.: издательство «Горная книга»

ISSN 0236-1493

Рассмотрены исследования по выбору рациональных конструктивных параметров алмазных коронок и режима бурения, в зависимости от распределения осевого усилия между объёмными алмазами, особенно при бурении глубоких разведочных скважин снарядами со съемными керноприемниками КССК. Получено выражение распределения нормального давления вдоль радиуса алмазной коронки, а так же выражение для удельной работы трения АТ за один оборот алмазной коронки при бурении. Получены расчетные зависимости распределения нормального давления (q) и работы трения (АТ) вдоль радиуса ступенчатой коронки при различных значениях объёмных зерён алмазов, контактирующих с забоем. Намечены пути совершенствования инструмента, модернизированы коронки типа 17-А4 для бурения в породах средней твердости снарядами со съемными керноприемниками.

УДК 622.243.13 ББК 33.13

ISSN 0236-1493 © Е.В. Бучковский, Т.Ю. Будюкова, 2012 © Издательство «Горная книга», 2012 © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2012

УДК 622.243.13

© Е.В. Бучковский, 2012

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АЛМАЗНЫХ КОРОНОК НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАБОТЫ ТРЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ

Рассмотрены исследования по выбору рациональных конструктивных параметров алмазных коронок и режима бурения, в зависимости от распределения осевого усилия между объёмными алмазами, особенно при бурении глубоких разведочных скважин снарядами со съемными керноприемниками КССК. Получено выражение распределения нормального давления вдоль радиуса алмазной коронки, а так же выражение для удельной работы трения АТ за один оборот алмазной коронки при бурении. Получены расчетные зависимости распределения нормального давления (д) и работы трения (АТ) вдоль радиуса ступенчатой коронки при различных значениях объёмных зерён алмазов, контактирующих с забоем. Намечены пути совершенствования инструмента, модернизированы коронки типа 17-А4 для бурения в породах средней твердости снарядами со съемными керноприемниками. Ключевые слова: алмазная коронка, объёмные алмазы, КССК, кернопри-емник, забой, удельной работы трения, ступенчатая алмазная коронка, пилот матрицы, породоразрушающий инструмент, стойкости коронки, механическую скорость бурения, расход алмазов, скважина.

При выборе рациональных конструктивных параметров алмазного породоразрушающего инструмента (коронок) и режимов бурения с его применением важно знание характера распределения осевого усилия между объёмными алмазами, особенно при бурении глубоких разведочных скважин снарядами со съемными керноприемниками КССК. Большое значение этому вопросу придавали многие научно-исследовательские организации и исследователи: С — ПГИ (С.Н. Тараканов), ВИТР (В.П. Онищин, П.П. Пономарев, Н.Е. Тихонов), «Тульское НИГП» (Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин), ВНИИБТ, (Е.И. Королько, Р.М. Эйгелес, Г.С. Геворков, А.М. Владимирский), ИСМ (И.Ф. Вовчановский) [1, 2].

Однако точки зрения этих исследователей крайне противоречивы. По мнению С.Н. Тараканова и И.Ф. Вовчиновского при работе коронок режуще — истирающего типа распределение удельных контактных нагрузок под торцем матрицы обратно пропорциональ-

но расстоянию рассматриваемом точки торца от оси вращения коронки. В.П. Онищин считает, что у коронок с круглым профилем торца контактные нагрузки имеют минимальные значения на перифериях и максимальные на вершине торца. П.П. Понамарёв полагает, что контактное давление возрастает от периферии инструмента к центру по гиперболе. Исследователи ВИИБТ считают, что при ступенчатой конструкции породоразрушающего инструмента распределение усилий по алмазам равномерное. А.М. Владимирским отмечается, что контактные нагрузки при работе коронки с плоским торцом возрастают с увеличением расстояния от оси вращения.

По видимому противоречивость мнений указанных исследователей, объясняется тем, что они складывались, как правило, в результате только изучения форм износа инструмента и отчасти теоретических исследований и не имели экспериментальной проверки, так как не существует простого и надёжного способа измерений контактных нагрузок под торцом алмазного породоразрушающего инструмента в процессе его работы.

Ближе к теоретическому решению этого вопроса подошли исследователи Ю.Е. Будюков, В.И. Власюк, В.И. Спирин, которые получили выражение распределения нормального давления вдоль радиуса алмазной коронки.

1

= ? <, (т+у;2)) , (1)

I к, ■ а, (1 + у;2)

1

где # I — нормальное давление Н; Q — осевая нагрузка Н; й г —

/

диаметр I — го алмазного зерна, м; у — первая производная функция кривой у = / (Я), описывающей профиль коронки (Я — текущий радиус коронки, м); п — количество рядов алмазов на коронке, шт; К г — количество алмазов в I — м ряду, шт.

Эта зависимость является в какой — то мере универсальной, так как позволяет определить нормальное давление для любой алмазной коронки, у которой образующая рабочий поверхности представляет непрерывную кривую у = / (Я), где Я — текущий радиус коронки.

При этом количество алмазов, находящихся в контакте с забоем может рассматриваться как некоторая функция времени и

изменяться по величине от общего количества объёмных алмазов в инструменте до весьма незначитель — ного.

Выражение для удельной работы трения АТ за один оборот алмазной коронки при бурении из её определения, может быть представлено в виде

А = 2/,Я, (2)

где f — коэффициент трения.

подставив значение #; из (1) в формулу (2), будем иметь

Л= , (3)

I к, • Л, -У,2

1

_

где ¥1 =(1 + У'2 )2,

Рассмотрим распределение нормального давления и работы трения за один оборот алмазной ступенчатой коронки (17А4 или К-16 — 76), которые являются основными типами при бурении КССК в Норильской ГРЭ.

В соответствии с исследованиями ВНИИБТ и ОАО «Тульское НИГП» о выборе профиля алмазных коронок [1] можно принять, что у ступенчатых алмазных коронок для КССК типа 17А4 — 76 у = 0 , тогда для этого случая формула (3) примет вид

^ а. (4)

IК,

1

Предварительно по формуле (1) произведём расчёты нормального давления при осевой нагрузке 1600 Н, в общем количестве объёмных зерён 212 штук и при условии, что у = 0 . Тогда получим для общего количества объёмных зерён, контактирующих с забоем: 212 (100%), 106 (50%) и 53 (25%) нормальное давление соответственно: 75, 47; 150, 94; 301,88 Н/зерно. Статическая прочность природных алмазов после обработки их в азоте при температуре 11500С (режим термообработки алмазных коронок) составляет по исследованиям Н.И. Корнилова 530 Н.

Используя формулу (4) произведём расчёт работы трения за один оборот алмазной коронки 17А4 — 76 при осевой нагрузке 1,6104Н, значение Я1, равных (2,0; 2,2; 2,4; 2,6....3,8)-10—2М, значе-

ниях Кг в I -ом ряду (от наружного диаметра) равных (36, 36, 36, 36, 36, 21) и общем количестве объёмных алмазных зерён — 212 шт. (100%), 106 шт. (50%), 53 шт. (25%). Данные расчётов показаны на рис. 1 в виде графиков, из анализа этих графиков следует.

1. Уменьшение количества алмазных зерён, одновременно вступающих в контакт с забоем приводит к значительным перегрузкам отдельных алмазов. При уменьшении количества контактирующих с забоем алмазов в 2 и 4 раза по сравнению с их общим количеством удельные нагрузки на алмазные зёрна возрастают соответственно в 2 и 4 раза, что способствует интенсификации износа алмазных зерён всего объёмного слоя коронки.

2. Наибольшее значение работы трения при бурении коронками 17А4 — 76 наблюдается на отрезке радиуса Я = (3,0 + 3,8) 10-2м,

т.е. на ступенчатой части матрицы коронки при различных числах алмазных зерён, находящихся в контакте с забоем — 100, 50 и 25%

д, Н Ат, Дж

0 2,2 2,6 3,0 3,4 3,8 Кн •Ю-2, м

Рис. 3.3. Распределение нормального давления (д) и работы трения (АТ) вдоль радиуса ступенчатой коронки при различных значениях объёмных зерён алмазов, контактирующих с забоем:

а — 1,2,3 — работы трения при количестве контактирующих зерён 100, 50, и 25% соответственно от общего количества объёмных зерён; б — 4,5,6 — нормального давления при количестве контактирующих зерён 100,50 и 25% соответственно от общего количества объёмных зерён

от их общего количества в инструменте. Это приводит к более интенсивному износу ступенчатой части матрицы относительно её пилота, что подтверждается характером износа алмазных ступенчатых коронок 17А4, отработанных в Норильской ГРЭ.

3. Необходимо, чтобы число алмазов, вступающих в контакт с горной породой было постоянным и возможно большим или равным его общему количеству в инструменте. Для этого следует повышать точность изготовления однослойного породоразру-шающего инструмента, добиваясь максимального уменьшения разновысотности алмазов, расположенных по одной окружности, а также секторов матрицы коронки и качественного нарезания резьбы коронки и расширителя.

4. С целью получения равномерной стойкости коронки по всему рабочему торцу необходимо армировать ступенчатую часть матрицы алмазами более высокого качества, чем алмазы её пилотной части.

В ОАО «Тульское НИГП» разработана оригинальная и высокопроизводительная технология изготовления алмазных коронок в графитопласмассовых формах, позволяющая исключить разновы-сотность алмазов и секторов коронок в процессе их термо и механической обработки. Поэтому коронки 17А4 производства этой организации работают по режиму, характеризующемуся графиками 1 и 4 рис. 1 и аномального износа при бурении практически не имеет. Что нельзя отметить, рассматривая работу алмазных коронок других поставщиков, технология изготовления инструмента которых менее совершенна и как следствие коронки имеют разно-высотность алмазов и секторов и повышенный износ при бурении.

Проведенный анализ распределения контактного давления и работы трения при работе алмазных коронок, позволяет наметить пути совершенствования этого инструмента. В частности с использованием результатов вышеописанных исследований модернизированы коронки типа 17 — А4 для бурения в породах средней твердости [1, 2] снарядами со съемными керноприемниками. Применение модернизированных алмазных коронок, получивших наименование 17 — А4 — 0, в сопоставимых условиях при бурении плановых скважин снарядами со съемными керноприемниками в Норильской ГРЭ позволило сократить расход дефицитных алмазов на 34% и повысить механическую скорость бурения на 11%.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. Алмазный породораз-рушающий инструмент: — Тула: ИПП «Гриф и К», 2005 — 288с.

2. Бучковский Е.В. Особенности технологии алмазного бурения глубоких разведочных скважин снарядами со съемными керноприемни-ками. Доклады Х международной конференции «Новые идеи в науке о Земле» 12 — 15 апреля М. РГГРУ, 2011

УДК 622.243.13 © Е.В. Бучковский, Т.Ю. Будюкова, 2012

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ИЗНОСА БУРОВОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Рассмотрен повышенный износ подрезных алмазов коронок, при спуско-подъёмных операциях в глубоких скважинах. Проведен анализ факторов, влияющих на износ коронок при спуско-подъёмных операциях и принят метод ранжирования факторов (априорное ранжирование), основанный на экспертной оценке факторов, а для оценки значимости этого коэффициента применяется критерий Пирсона. Получены результаты априорного ранжирования факторов, влияющих на износ алмазных коронок при СПО в процессе бурения скважин КССК-76, в частности они были применены при модернизации алмазных коронок типа К-30 для бурения мягких неустойчивых пород снарядами со съемными керноприемниками. Установлено, что применение новых алмазных коронок К-30-0 эффективнее по сравнению с бурением стандартными коронками К -30. Ключевые слова: априорное ранжирование, критерий Пирсона, износ подрезных алмазов коронок, КССК, модернизации алмазных коронок, бурение скважин, спуско-подъёмные операции, обсадные трубы, скважина, коэффициент конкордации, защитные элементы матрицы коронки, модернизированные алмазные коронки.

При спуско-подъёмных операциях (СПО) в глубоких скважинах наружные подрезные алмазы коронок, двигаясь по стенке скважины, подвергаются абразивному износу вследствие прямого динамического контакта с породами или обсадными трубами ствола скважины. Путь движения подрезных алмазов при спус-