Технічні науки/3. Галузеве машинобудування

Семеген О.М., к.т.н. Семеген М.М.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Україна

Дослідження спрацювання зубків бурових шарошкових доліт

Шарошкове бурове долото є породоруйнівним інструментом, яке знайшло широке застосування при бурінні свердловин різного призначення. Породоруйнівний інструмент працює у вибої в абразивному середовищі в складних експлуатаційних умовах, при прикладанні значних динамічних навантажень, сприймаючи осьові навантаження до 40 кН при частоті обертання до 20 с^-1 [1]. Промислові спостереження за роботою шарошкових доліт виявили, що передчасний вихід їх з ладу по причині спрацювання озброєння шарошок складає 15 – 20% [2], що є суттєвим. Руйнуючи гірську породу під час буріння свердловин, яка має певні абразивні властивості та перекочуючись по вибою з проковзуванням зубки шарошки піддаються абразивному спрацюванню. Високі швидкості проковзування зубків шарошкових доліт по породі приводять до місцевого нагрівання їх в зоні контакту з породою до 1000⁰С, що не тільки збільшує інтенсивність абразивного спрацювання, але й сприяє утворенню тріщин при наступному різкому охолодженні в промивній рідині [3].

Аналіз проведених досліджень вказує, що темп проходки долота залежить не тільки від режимів буріння, початкової геометрії та конструктивних особливостей їх робочих елементів, властивостей гірської породи, яка руйнується, але і від того, яку форму отримують поверхні озброєння шарошок бурових доліт в процесі спрацювання під час промислової експлуатації.

Беручи до уваги умови експлуатації шарошкового бурового долота та їх вплив на його працездатність та відповідно в кінцевому результаті на ефективність буріння свердловин, задача вивчення ефективності роботи озброєння шарошкових доліт, зокрема впливу зношування зубків на глибину заглиблення їх в гірську породу та її руйнування, а також вдосконалення конструкції породоруйнівних зубків з раціональним розміщенням на їх поверхні та в об’ємі озброєння твердого сплаву є актуальною.

Дослідження спрацювання озброєння шарошкових доліт у вигляді фрезерованих дослідних зубків проводились на пристрої для визначення параметрів ударно-абразивного спрацювання елементів озброєння бурового інструменту, який дає можливість моделювати умови спрацювання дослідних взірців наближених до реальних у вибої, що розроблений в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу на кафедрі технології нафтогазового машинобудування [4]. Осьове навантаження на взірці приймалось рівним 0,5·10⁴ - 1,5·10⁴ Н. Конструктивні та геометричні параметри досліджуваних взірців вибирались з врахуванням конструктивного виконання та розмірів зубків шарошкових бурових доліт, які використовуються в промисловості. Матеріал взірців долотна сталь 15ХН3МА. Армування взірців, рисунок 1, здійснювалось литим карбідом вольфраму трубчасто-зерновим в трубці з вуглецевої сталі за допомогою струмів високої частоти, крапельним методом.

Рисунок 1. Структура поверхні досліджуваного взірця армованої релітом

Марка реліту ЛКВ-«ТЗУ»-04.ТУ У 24.6-33876998-001:2006, мікротвердість реліту 2100 – 2800 кг/мм², величина зерна 0,4 мм. При наплавленні струмами високої частоти використовувалось промислове устаткування ВЧИ–63/0,44. Наплавлювана поверхня нагрівалась до температури 1073-1173 К після чого наносилась наплавлювана суміш, що складалась з реліту та добавок шихти. Поверхні армування релітом на кожному наступному досліджуваному взірці поступово збільшувалась у трьох напрямках відносно вершини взірця по висоті, ширині та діагоналі робочої частини взірця. Ширина мінімальної армованої поверхні складала 0,14 – 0,17 висоти робочої поверхні зубка, що обумовлено технологічними можливостями при наплавленні струмами високої частоти. Оскільки на такій віддалі від вершини зубка товщина армованої зони і зони основного металу однакові, що забезпечує перехід від спрацювання з загостренням до спрацювання з притупленням. В кожному наступному досліджуваному взірці площа армування збільшувалась згідно прийнятих схем.

Після армування взірців проводилась хіміко-термічна обробка, яка складалась з наступних операцій: цементація з безпосереднім гартуванням, високий відпуск, друге гартування, низький відпуск.

Дослідження взірців проводилось до величини спрацювання рівній 1/2 їх вихідної висоти. В процесі абразивного спрацювання взірців кількісна оцінка спрацювання здійснювалась методами лінійного, вагового і об´ємного аналізів. Вплив форми спрацьованої армованої поверхні досліджуваних взірців визначався величиною занурення зубців у гуму заданої твердості, яка моделювала механічні властивості гірської породи при постійному осьовому навантаженні через певні проміжки часу їх спрацювання. Міра збереження початкових руйнуючих характеристик взірців визначалась постійністю глибини їх занурення. Величина спрацювання взірців визначалась, як різниця двох зважувань взірців. Використовуючи методику розрахунку складу двокомпонентної речовини з різним значенням густини визначався об’єм, який займає твердий сплав у взірці та відповідно масову складову твердого сплаву у досліджуваному взірці. Проводячи відповідні виміри у часі та розрахунки згаданих величин отримаємо інформаційну картину спрацювання взірців та ефективності використання твердого сплаву при різних схемах армування в поєднанні з конструктивним виконанням досліджуваних взірців.

В результаті досліджень встановлено, що розміщення твердого сплаву на армованій поверхні озброєння бурового долота впливає на характер його спрацювання при бурінні гірських порід м’якої та середньої твердості, що дає можливість проводити подальшу дослідну роботу в напрямку підвищення ефективності буріння при постійному осьовому навантаженні на долото. Швидкість ударно-абразивного спрацювання взірців в початковий період часу проходить з більшою швидкістю, в пізніші проміжки часу швидкість спрацювання зменшується. Одним із ефективних показників, які можуть бути характерні, як для процесів руйнування гірської породи, так і для процесів спрацювання та проектування породоруйнівного інструменту є величина питомого навантаження, яке передається на вибій під час буріння.

Література:

1. Марик В.Б. Актуальні проблеми тришарошкових доліт / Є.І. Крижанівський, В.Є. Довжок, Р.Й. Гук // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. – 2003. - №2(7). – с. 109-113.

2. Марик Б.В. Підвищення стійкості тришарошкових доліт проти спрацювання / В.Б. Марик, С.Д. Проць // Нафтова і газова промисловість.-1997.-№3.-с. 9-12.

3. Шрейнер Л.А. Влияние промывочных жидкостей на износ долот / Л.А. Шрейнер // Промывочные растворы для бурения скважин.-М.: Гостоптехиздат, 1962.-с. 75-79.

4. Семеген О.М. Пристрій для дослідження параметрів ударно-абразивного зношування елементів озброєння бурового інструменту / О.М. Семеген, З.М. Одосій, М.М. Семеген // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2012. - 2(43). - с. 37-43.