| Конструкторские и технологические методы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот большого диаметра
Диссертация
Автор: Ясашин, Виталий Анатольевич
Название: Конструкторские и технологические методы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот большого диаметра
Справка: Ясашин, Виталий Анатольевич. Конструкторские и технологические методы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот большого диаметра : диссертация доктора технических наук : 05.02.13 / Ясашин Виталий Анатольевич; [Место защиты: ОАО "НПО "Буровая техника" - Всероссийский научно-исследовательский институт буровой техники"] - Москва, 2009 - Количество страниц: 463 с. ил. Москва, 2009 463 c. :
Объем: 463 стр.
Информация: Москва, 2009
Содержание:
РАЗДЕЛ
I АНАЛИЗ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕД0ВАНР1Я
11 Конструкция и технология изготовления вооружения породоразрушающего бурового инструмента И
12 Конструкция и технология изготовления опорного подшипникового узла породо-разрувнающего бурового инструмента
13 Конструкция и технология изготовления промывочного узла породоразрушающе-го бурового инструмента
14 Постановка задачи исследования
РАЗДЕЛ П МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
21 Разработка экспериментальной установки и изготовление опытных образцов цен-тробежно-объемно-армированных венцов
22 Металлографический анализ, исследование микротвердости зон центробежно-объемного армирования
23 Исследование абразивного изнашивания центробежно-объемно-армированного вооружения
24 Исследование долговечности центробежно-объемно-армированного вооружения при центральном ударе и знакопеременном динамическом изгибе
25 Исследование ударно-абразивного изнашивания центробежно-объемно-армирова-нного вооружения
26 Исследование прочности соединения «венец-шарошка» в конструкции сборной шарошки породоразрушающего бурового инструмента
27 Обработка результатов эксперимента
РАЗДЕЛ Ш РАЗРАБОТКА ОСНОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНО-ОБЪЕМНО-АРМИРОВАННОГО ВООРУЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЕГО КАЧЕСТВА
31 Определение основных параметров процесса центробежно-объемного армирования малых объемов на одном уровне
32 Совершенствование конструкции центробел<но-объемно-армированного вооружения
33 Исследование металлографии и микротвердости зоны армирования вооружения Разработка модели композиционного материала
34 Разработка процесса плакирования твердого сплава при центробежно-объемном армировании
35 Расчет на прочность центробежно-объемно-армированного вооружения Определение и исследование физико-механических характеристик центробежно-объемно-армированного композиционного материала
351 Определение эффективного модуля упругости
352 Определение допускаемого напряжения изгиба
353 Методика расчета центробежно-обьемно-армированного зубчатого вооружения
36 Исследование абразивной стойкости центробежно-объемно-армированного вооружения
37 Исследование стойкости центробежно-объемно-армированного вооружения при повторно-переменном динамическом нагружении и его ударно-абразивной стойкости
38 Проектирование и создание опытно-промышленного участка по производству центробежно-объемно-армированного вооружения породоразрушающего бурового инструмента
ВЫВОДЫ
РАЗДЕЛ
IV РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СБОРНЫХ ШАРОШЕК ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА С ЦЕНТРОБЕЖНО-ОБЪЕМНО-АРМИРОВАЬШЫМ ВООРУЖЕНИЕМ
41 Разработка конструктивных схем сборного породоразрушающего бурового инструмента с центробежно-объемно-армированным вооружением
42 Констрзгкторско-технологическое обеспечение прочности в соединении с натягом при продольной сборке
43 Аналитическое исследование прочности соединения с натягом центробежно-объемно-армированных венцов с корпусом шарошки породоразрушающего бурового инструмента
44 Разработка методики расчета параметров соединения породоразрушающего венца с шарошкой при прогнозировании процесса схватывания
45 Статические и динамические исследования прочности соединения породоразрушающего венца с шарошкой
ВЫВОДЫ
РАЗДЕЛ
V ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО УНИВЕРСАЛЬНОГО ЦЕНТРАЛЬНОГО ГИДРОМОНИТОРНОГО ПРОМЫВОЧНОГО УЗЛА ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
51 Конструктивные особенности насадок промывочного узла долот большого диаметра
52 Теоретические предпосылки совершенствования конструкции центрального гидромониторного узла породоразрушаюш,его бурового инструмента
53 Разработка конструктивной схемы универсального центрального гидромониторного промывочного узла породоразрушающего бурового инструмента большого диаметра
ВЫВОДЫ
РАЗДЕЛ
VI СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
61 Цель и методика проведения стендовых испытаний
62 Результаты стендовых испытании
ВЫВОДЫ
РАЗДЕЛ Vn ПРОМЫШЛЕТШЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОГО ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
71 Цель и методика проведения промышленных испытаний
72 Результаты промышленных испытаний
ВЫВОДЫ ОСНОВНЫЕ
ВЫВОДЫ
Введение:
В настоящее время Российская Федерация занимает лидирующее место среди стран, добывающих нефть, газ и другие полезные ископаемые. Успешное развитие экономики страны невозможно без наращивания темпов развития нефтяной, газовой, угольной и других отраслей промышленности, добывающих полезные ископаемые.Планируемые темпы развития добычных отраслей требуют увеличения объемов бурения. В комплексе технических средств бурения среди газонефтепромыслового оборудования одно из центральных мест занимает породоразрушающий инструмент, а именно буровое долото. В нашей стране и за рубежом 90% всего объема бурения осуществляется шарошечным породоразрушающим буровым инструментом [71,160].Увеличение объемов добычи полезных ископаемых по новому ставит вопрос по интенсификации научных исследований, разработке и быстрейшему внедрению в промышленность новых, более эффективных конструкций газонефтепромыслового оборудования.По вопросам совершенствования конструкции и технологии изготовления породоразрушающего инструмента при бурении на нефть, газ, уголь и другие полезные ископаемые у нас в стране известны следующие организации: ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, ОАО «ВНИИнефтемаш», РГГРУ, Самарский государственный университет. Самарский аэрокосмический университет им.С.П.Королева, Институт горного дела им. А.А.Скочинского п ряд других научно-исследовательских и учебных институтов.Среди промышленных объединений и заводов-изготовителей следует отметить: ОАО «Волгабурмаш», ОАО «Сарапульский машзавод» и ОАО «Уралбурмаш».За рубежом лидирующее положение в данном вопросе занимают следующие фирмыпроизводители: «Hughes», «Smith», «Varel», ОАО «Дрогобычский долотный завод» и другие..В настоящее время широко известны теоретические и экспериментальные работы, проведенные в данной области: Абрамсоном М.Г., Агошашвили Т.Г., Башкатовым Д.Н., Бикбулатовым И.К., Богомоловым P.M., Браженцевым В.П., Буяновским И.Н., Вадецким Ю.В., Виноградовым В.Н., Владиславлевым Ю.Е., Гинзбургом Э.С., Гусманом A.M., Гусманом М.Т., Жидовцевым Н.А., Ильским А.Л., Иоаннесяном Р.А., Иоаннесяном Ю.Р., Кершен-баумом В.Я., Кершенбаумом ЯМ., Константиновым Л.П., Кораблевым Г.А., Крыловым К.А., Е.М.Кузмаком, Линдо Г.В., Матвеевым Г.И., Матвеевым Ю.Г., Мокшиным А.С., Палий П.А., Симоновым В.В., Сорокиным Г.М., Травкиным B.C., Торгашовым А.В., Цветковым Ю.Н., Чайковским Г.П., Шрейбером Г.К., Эйгелесом P.M. и многими другими учеными и инженерами.На их основе созданы новые типы и конструкции породоразрушающих буровых инструментов.Работа породоразрзгшающего бурового инструмента, в частности бурового долота, определяется в основном работоспособностью его трех основных элементов: вооружения, опоры и промывочного узла [160,244,245,273,282].Вооружение бурового долота — это элемент констрз^кции, непосредственно взаимодействующий с разрушаемой породой на забое и работающий в условиях сложного нагруже-ния.Существз^ощие конструкции и технологические процессы изготовления вооружения серийного породоразрушающего инструмента весьма трудоемки и не всегда обеспечивают требуемое качество, особенно при производстве инструмента с твердосплавным вставным вооружением. Исследования результатов бурения инструментом с твердосплавным вооружением показали, что износ вооружения, в частности, скальшание и выпадение твердосплавных зубков из долот, происходит в самом начале долбления. Выход из строя долот при этом происходит в результате потери работоспособности вооружения. В исследованных долотах наблюдалось до 70% скола и до 20% выпадения твердосплавных зубков на долото. Также установлено, что весьма нерационально используется твердый сплав, идущий на армирование шарошек. Две трети твердосплавных зубков после запрессовки находятся в теле шарошки, выполняя лишь роль державки, не участвуя в процессе разрушения породы на забое. Вместе с отработанными долотами они чаще всего поступают в переплавку.Аналогичная ситуация сложилась не только в области глубокого бурения на нефть и газ, но и при проходке скважин (гезенков) на угольных месторождениях страны. Статистика промышленного бурения инструментом, оснащенным шарошками с зубчатыми поверхностно-армированными венцами показывает, что стойкость опоры шарошки в два раза превышает стойкость вооружения, а для шарошек ряда проходческих комплексов - в три раза [132,133].' BonpocaNra упрочнения вооружения породоразрушающего инструмента, его армирования, занимался целый ряд исследователей: Кузмак Е.М., Крылов К.А., Лившиц Л.С., Хача-туров С. и другие. Опыт показал, что весьма перспективным, в данной области, является метод центробежного армирования, позволяющий совмещать процессы формирования и армирования вооружения [17,62,63,111,113,116,117,121,156,252], а также, позволяющий получать вооружение шарошек бурового инструмента на основе композиционных материалов, роль которых, на сегодняшний день, в технике все возрастает.В ранее проведенных исследованиях, в плане внедрения метода центробежного армирования, поставленная задача была решена лишь для производства долот большого диаметра с зубчатым вооружением и центробежно-армированных зубков. Промышленные испытания долот большого диаметра с центробежно-армированным вооружением показали значительное увеличение проходки и механической скорости бурения по сравнению с серийными долотами. Долота с центробежно-армированными зубками позволили при их изготовлении экономить до 70% твердого сплава ВК. Таким образом, на основе данного метода были созданы инструменты с центробежнообъемным армированием вооружения больших объемов на двух и более зфовнях для производства буровых долот с многовенцовыми шарошками и инструменты с центробежно-объемно армнроваными зубками для долот со вставным вооружением. На базе проведенных исследований нами было принято решение о продолжении работ по созданию новых конструкций породоразрушающего бурового инструмента с центробежно-армированным вооружением.Проведенный анализ указал на возможность создания более эффективного нового и улучшения уже существующего породоразрушающего бурового инструмента с центробеж-но-армированым вооружением, развивая его в центробежно-объемно-армированное вооружение малых объемов на одном уровне.Известно, что работоспособность конструкции оборудования в целом, состоящего из различных элементов и узлов, зависит от работоспособности каждого узла в отдельности. В вдеале они должны быть равностойкими в одной конструкции. В этой связи, параллельно с работами по повышению стойкости вооружения бурового инструмента при оснащении его центробежно-объемно-армированным вооружением, проводились исследования по повышению стойкости опорного узла. Было предложено повысить стойкость опоры шарошки бурового инструмента за счет конструктивного выполнения ее сборной. Особенно удачным данное решение оказывалось для бурового инструмента большого диаметра, шарошки которого чаще всего изготавливались в процессе стационарного литья. При литье, именно в центре отливки (в зоне опорного узла) при кристаллизации стали, физико-механические характеристики металла намного (до 30%) устзшают характеристикам металла штампованного, что снижает стойкость опорного узла бурового инструмента. При конструктивной реализации шарошки сборной, при оснащении ее центробежно-объемно-армированным породоразру-шающим зубчатым венцом, корпус ее выполняется штампованным, что повышает качество металла опорного узла, а значит и его стойкость.Проведенные нами исследования позволили разработать констрзчстивные схемы сборных шарошек породоразрушающего бурового инструмента, породоразрушающие венцы ко-торых закрепляются на корпусе шарошек посредством соединения с гарантированным натягом повышенной прочности за счет активации процесса схватывания на сопрягаемых поверхностях [130].В данной области широко известны работы отечественных и зарубежных исследователей: Айнбиндера СБ., Бежелуковой Е.Ф., Берникера Е.И., Бобровникова Г.А., Голего Н.Л., Демкина Н.Б., Костецкого Б.И., Кочергина К.А., Крагельского И.В., Курносова Н.Е., Проскурякова Г., Семенова А.П., Федорова Б.Ф., Чичинадзе А.В., Якушева А.И., Томлинсона, Бо-удена, Финча и других.Завершающим этапом проведенных комплексных исследований по разработке высокоэффективного бурового инструмента являлись работы по созданию конструкции нового универсального гидромониторного промывочного узла для бурового инструмента большого диаметра. Проведенный анализ конструктивных схем буровых долот с центральной, гидромониторной и комбинированной схемой промывки позволил определить основные предпосылки разработки новой конструкции промывочного узла для долот большого диаметра.Проводимые исследования велись в плане комплексного подхода к повышению эффективности работы породоразрушающего бурового инструмента констрз^торско-технологическими методами за счет разработки нового типа вооружения, повышения стойкости опоры и оснащения бурового инструмента эффективным промывочным узлом.При этом на основе метода центробежно-объемного армирования нами решалась задача создания зубчатого вооружения с центробежно-объемным армированием малых объемов на одном уровне, что позволяет распространить метод на изготовление различного типа породоразрушающего бурового инструмента при повышении его качества. На основе исследований формирования соединения с натягом и процесса схватывания применительно к классу долотных сталей нами разрабатывалась конструктивная схема сборной шарошки при гарантированном получении требуемой повышенной прочности соединения с натягом. Анализ гидродинамики процесса промывки при бурении позволил разработать новую конструкцию центрального гидромониторного промывочного узла.В работе использован комплексный метод исследования: расчетно-аналитический и экспериментальный. На основе первого проводились теоретические исследования по вопросу центробежно-объемного армирования вооружения бурового инструмента, качества соединения венцов с корпусом шарошек и разработки новой конструкции промывочного узла. С помощью второго, в качестве которого использовался метод моделирования в условиях лабораторных и стендовых испытаний, проверялись результаты аналитических исследований.Проводимые исследования сопровождались выбором и модернизацией существующих методик, включающих: изготовление лабораторных образцов со всем комплексом необ-ходимого оборудования и оснастки; исследование абразивной, ударно-абразивной и стойкости полученного воорулсения при действии знакопеременного и центрального удара; исследование металлографии и микротвердости зоны армирования; исследование статической и динамической прочности соединения с натягом, определение условий возникновения и активации схватывания поверхностей сопряжения для стали долотного класса 20ХНЗА; а таклсе комплекс исследований по разработке промывочного узла.В результате исследований для создания новой центробежно-объемно-армированной конструкции вооружения бурового инструмента была разработана математическая модель процесса центробежно-объемного армирования малых объемов на одном уровне и получено аналитическое выражение для частоты вращения, как главного параметра процесса, в зависимости от предъявляемых к качеству армирования требований. При разработке новых конструкций сборных шарошек проведенные исследования позволили получить выражение, математически моделирующее и качественно раскрывающее процесс повышения прочности в соединении с натягом за счет активации схватывания сопрягаемых поверхностей. Была разработана методика расчета параметров соединения венца с шарошкой при прогнозировании процесса схватывания за счет адгезионного взаимодействия сопрягаемых поверхностей. Были определены конструктивные параметры при реализации универсального центрального гидроьюниторного промывочного узла для породоразрушающего бурового инструмента большого диаметра. Исследования завершились проведением стендовых и промышленных испытаний опытных партий новых конструкций инструмента.Испытания опытных партий показали, что новая конструкция вооружения при конструктивном размещении твердого сплава в объеме рабочей части вооружения обеспечивает увеличение проходки на 50% и механической скорости бурения на 10-15% в сравнении с серийным зубчатым поверхностно-армированным вооружением, а в сравнении с твердосплавным — обеспечивает требуемую работоспособность вооружения при экономии до 70% твердого сплава. Конструктивная реализация сборных шарошек на 25% повышает стойкость опорного подшипникового узла. При этом инструмент новой конструкции работает без случаев срыва центробежно-объемно-армированных венцов с корпуса сборных шарошек, что говорит о достаточной прочности соединения венца с шарошкой. Применение промывочного узла новой конструкции позволяет на 16% повысить показатели проходки. Все это в целом повышает технико-экономические показатели бурения новых разработанных конструкций породоразрушающего бурового инструмента.Обсуждение результатов проведенных исследований на совещаниях, конференциях и семинарах по проблемам производства и эксплуатации породоразрушающего бурового инструмента сопровождалось рекомендациями по усилению научно-исследовательских, опытно-конструкторских и экспериментальных работ по дальнейшему совершенствованпю и распространению данных разработок (приложение 1,2,3).Исследования и разработки проводились самостоятельно в лабораториях РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, а также в содружестве с ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ, ОАО «ВНИИнефтемаш», Ивано-Франковским национальным техническим университетом нефти и газа, ПИИ, ЗАО «Завод экспериментальных машин». Экспериментальным заводом ВНИИБТ, ОАО «Сарапульский машзавод», ОАО «Дрогобычский долотный завод» и другими организациями.
|