Войтенко П.І., Білінський В.М., Гаврилів Ю.Л.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Дослідження енергетики руйнування гірських порід в процесі спрацювання зубів бурових доліт з різними схемами армування

Метою даного дослідження є забезпечення збереження початкової руйнівної здатності елементів озброєння бурового шарошкового долота в процесі їхнього спрацювання при бурінні в гірських породах м’якої і середньої твердості за рахунок самозагострюваності зубів шляхом раціонального розміщення твердого сплаву на їхніх поверхнях. Для цього нами розроблена конструкція спеціального пристрою для створення умов спрацювання окремих зразків зубів шарошкового долота наближених до реальних в забої при бурінні свердловин ( А.с. № 1021997 СССР, МКИ³ G 01 N 3/56).

Рис.1 Пристрій для моделювання абразивного спрацювання зразків зубів в умовах забою, наближених до реальних

Диск із зразками зубів знаходиться на осі у вільному для обертання стані і обертається колесом, яке складається з двох підпружинених дисків, утворені якими впадини наповнюються абразивом і створюються умови, наближені до реальних – зуби вінця знаходяться в зачепленні з умовною забійною рейкою.

Через певні періоди взаємодії умовної забійної рейки з зубами останні додатково випробовувались на здатність зберігати руйнівні властивості статичним вдавлюванням в мармурові плити з шліфованою поверхнею. При цьому фіксувалось навантаження граничного стану, вимірювалась глибина та площа утворюваної лунки, об’єм зруйнованої породи, а також вираховувалась питома об’ємна робота руйнування при статичному вдавлюванні з використанням машини універсальної УММ-5. Твердість мармуру по штампу Р_ш складала 1000-1500 МПа. Результати досліджень представлені на рис. 2.

Навантаження, кН
Глибина лунки, мх10^-3
Площа лунки,м^2х10^-3
Об’єм зруйнованої гірської породи, м^3^х10^-6
Питома об’ємна робота руйнування. Дж/м^2х10^6	Кількість взаємодій

Рис. 2 Залежності навантаження граничного стану (а), глибини (б) та площі (в) лунок, об’єму зруйнованої породи (г) і питомої об’ємної роботи руйнування (д) від кількості взаємодій з забойною рейкою при статичному вдавлюванні у мармурову плиту.

Порівнювалась енергетика руйнування мармуру в процесі спрацювання зубів неармованих (1), армованих за серійною технологією (2) та армованих за діагональною (3) і Г-подібною (4) схемами. (рис. 2). З приведених графіків видно, що темп збільшення притуплення зубів з Г-подібною і діагональною схемами менший ніж зубів з традиційною схемою наплавлення, чому відповідає зміна темпу збільшення навантаження граничного стану. При вдавлюванні в мармур зубів, спрацьованих на половину початкової висоти (~12 мм), навантаження граничного стану відповідно складали: неармованих – 42 кН, армованих за традиційною схемою – 47 кН, з діагональною схемою – 38 кН і з Г-подібною схемою – 35 кН.

Глибина лунок, а також площа зруйнованої поверхні залежить від площі контакту при вдавлюванні зубів в гірську породу. Збільшення площі контакту призводить як до збільшення навантаження граничного стану, так і до збільшення площі зруйнованої породи, в той же час глибина лунок при цьому зменшується. Найоб’єктивніше характеризує енергоємність руйнування гірської породи питома об’ємна робота руйнування (Дж/м³). Найбільше зростання питомої об’ємної роботи руйнування спостерігається при статичному вдавлюванні по ходу спрацювання зубів, армованих за серійною технологією, найменше – зубів з Г-подібною та діагональною схемами армування.

Аналогічні дослідження проводились при повторному вдавлюванні взірців зубів в ті ж лунки в гірській породі. При повторному вдавлюванні відбувалось руйнування двох видів: значне із збільшенням навантаження граничного стану і площі лунки та незначне (доруйнування), при якому площа лунки не збільшувалась або збільшувалась не суттєво.

Як при вдавлюванні в шліфовану поверхню мармуру, так і при повторному в ті ж лунки видно, що характерне спрацювання зубів з загостренням армованих раціональними схемами сприяє ефективнішому їх відпрацюванні при руйнуванні породи з меншими енергетичними затратами. Забезпечення самозагострювання при спрацюванні озброєння шарошкових бурових доліт, оснащеного раціональними схемами армування, дає можливість підвищувати ефективність буріння при постійному осьовому навантаженню на долото.