2. Основные закономерности изнашивания сталей при трении о горные породы применительно к бурению скважин.

Под изнашиванием понимается постепенное изменение формы и размеров детали или инструмента в процессе рабо­ты. Результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения частиц твердого тела или остаточной деформации его по­верхности, называется износом.

Используются два показателя изна­шивания:

1) интенсивность изнашивания — износ, приходящийся на единицу работы трения;

2) скорость изнашивания: износ в единицу времени

а = W/t₀, (5.1)

где а — скорость изнашивания; W — износ в любых единицах, например, в мг, мм, мм³ и т.д.; ₀ ~~ время изнашивания твердого тела.

Вид и показатели изнашивания зависят от большого числа факторов, к основным из которых относятся: свойства тру­щихся поверхностей (шероховатость, соотношение твердостей, режим трения, вид и свойства среды, в которой рабо­тают детали или инструменты).

Режим трения характеризуется контактным давлением, скоростью относительного перемещения изнашиваемых по­верхностей, характером приложения нагрузки, частотой взаимодействия и др. Первые две характеристики режима могут быть заданы обобщенным показателем — удельной мощностью трения

N_yA = fpv (5.2)

где f — коэффициент трения; р — давление на поверхностях трения; v, — скорость относительного перемещения изнаши­ваемых поверхностей.

Среда характеризуется, главным образом, смазывающей и охлаждающей способностями. От смазывающей способности зависит величина N_yA, так как чем лучше смазывающая способность среды, тем ниже коэффициент трения. Вся работа трения, в конечном счете, переходит в тепло, вызывая нагрев рабочих поверхностей и изменяя их свойства.

Изу­чение изнашивания сталей проведено по схеме изнашивания вращающегося диска применительно к условиям работы бурильного и шарошечно­го породоразрушающего инструментов, для которых характе­рен периодический контакт с горной породой.

Схема изнашивания приведена на рис. 5.1. Изнашивание ведется при равномерной подаче горной породы со скоростью v_n и при непрерывной записи момента трения. В качестве показа­теля принята скорость изнашивания металла

а = dR/dt, (5.3)

где R — радиус диска, т.е. а - скорость уменьшения радиуса диска, а в качестве параметра режима работы — удельная мощность трения N_VA:

(5.4)

где М - момент трения; n - частота вращения диска, об/с; b — ширина рабочей поверхности диска.

Рис. 5.1 Схема изнашивания вращающегося диска для изуче­ния абразивного изнашивания металлов и абразивности горных пород:

1 — образец; 2 — образец горной породы; 3 — подвод охлаждаю­щих жидкости или воздуха

Рис. 5.2. Характерные за­висимости скорости из­нашивания закаленной стали от удельной мощ­ности при трении об об­ломочные 1 и кристалли­ческие горные породы ( I, II, III — области изна­шивания)

По результатам испытаний строятся зависимости от _уд, характерный вид которых приведен на рис. 5.2.

В изученном диапазоне изменения удельной мощности трения до 8 Вт/мм² выделены три области изнашивания стали по существенному изменению характера зависимости а=f(N_уд)

В первой области изнашивания (N_уд < 0,4 Вт/мм ) скорость линейно зависит от удельной мощности трения

а = A₀N_уд, (5.5)

где А₀ — экспериментальный параметр. Эта область характерна для нормальных (не ава­рийных) условий работы деталей горного оборудования и бу­рильного инструмента.

Вторая область изнашивания (от N_удt до N_уд2) обусловлена началом уменьшения твердости стали под действием тепла трения . Поэтому эту область изнашивания нередко называют тепловой. Переход от первой области ко второй для обломочных горных пород характеризуется скачком скорости изнашивания, а зависи­мость (N_yд) принимает вид

а = a N_уд + В (5.6)

где А и В — экспериментальные параметры уравнения изна­шивания, зависящие от абразивности горной породы.

В случае кристаллических осадочных горных пород при переходе из первой области изнашивания во вторую наруша­ется линейность зависимости а от N_yд, которая принимает вид

a = AN^k_yA, (5.7.)

где А и k — экспериментальные параметры, также зависящие от абразивности породы.

Вторая область изнашивания характерна для работы эле­ментов вооружения породоразрушающих инструментов

Третья область изнашивания (на рис.5.2 при N_yд > N_yд2) наблюдалась только при разрушении наиболее твердых по­род. Под действием тепла трения изнашивание металла приобретает катаст­рофический характер, а скорость изнашивания резко возрас­тает. Эта область изнашивания возникает при нарушении режима смазывания и охлаждения

Скорость изнашивания твердого сплава при разрушении горных пород в 60—100 раз меньше, чем скорость изнашива­ния закаленной стали, и прямо пропорциональна удельной мощности трения. Однако при N_уд > 0,4 Вт/мм² наблюдается резкое увеличение скорости изнашивания твердого сплава, связанное с выкрашиванием, а далее и с хрупким его разру­шением. Следовательно, твердый сплав, как и закаленная сталь, не может надежно работать при больших удельных мощностях трения.

Абразивность горных пород обусловливает долговечность бурильного и породоразрушающего инстру­ментов и, следовательно, оказывает большое влияние на вы­бор техники и технологии бурения. Для определения показа­телей абразивности применяют два метода: метод изнашива­ния эталонного стержня (метод «сверления») и метод изна­шивания вращающегося диска (рис. 5.1).

Рис. 5.3. Схема изнашивания эталонно­го стержня (схема «сверления»):

1 — стержень из стали «серебрянка»; 2 — образец горной породы

Метод изнашивания эталонного стержня разработан в Институте горного дела им. А.А. Скочинского. Схема метода приведена на рис. 5.3 В качестве эталона металла принят стержень 1 из стали «серебрянка» диаметром 8 мм с плоски­ми торцами. В одном из торцов на глубину 10 — 12 мм про­сверлено отверстие диаметром 4 мм. При испытаниях каж­дым концом стержня по 10 мин «сверлят» плоскую поверх­ность горной породы 2 при частоте вращения 400 об/мин и под нагрузкой Р — 157 Н. Показатель абразивности подсчи­тывают по формуле

(5.8)

где W, — износ обоих торцов за одно парное испытание, мг; n — число парных испытаний. По показателю а_э все горные породы разделены на восемь категорий абразивности. Изменение : от 5 мг/10 мин (1 категория) до 90 мг/10 мин и более (8 категория).

Метод «сверления» широко распространен в горнорудной промышленности для установления абразивности рабочих элементов породоразрушающих инструментов с непрерывным контактом с горной породой (лопастные долота, твердосплавные коронки и т.д.)

Метод изнашивания вращающегося диска разрабатывался по инициативе Л.А. Шрейнера применительно к работе инст­рументов с периодическим контактом элементов вооружения с забоем, характерным для шарошечных инструментов. Диски готовят из долотных сталей или твердого сплава, т.е. из того металла по отношению к ко­торому определяют абразивность горной породы. Диаметр диска 30 мм, ширина рабочей поверхности 2,5 мм. Промывка и охлаждение - водой.

Показатели абразивности определяют по областям изна­шивания.

Разработана классификация в горных пород по показателям абразивности по отношению к цемен­тированной закаленной стали марки 20ХНЗА. Все горные породы разделены на 12 категорий, которые объединены в три группы по четыре категории в каждой.

К группе малоабразивных горных пород относятся галоид­ные, сульфатные и карбонатные отложения без существен­ной примеси кварца и халцедона.

К группе пород средней абразивности относят те же от­ложения, что и в первой группе, но с примесью кварца и халцедона до 30 % (кварц и халцедон алевритовой фракции), а также глины и аргиллиты.

К группе высокоабразивных горных пород относят карбо­натные и обломочные отложения с примесью кварца и хал­цедона песчаной фракции, алевролиты и мелкозернистые песчаники. Средне- и крупнозернистые кварцевые песчаники относятся к 12 категории. Скорость изнашивания стали по этой классификации изменяется от 0,006 до 10 мм/час и более.

Определение показателей абразивности методом изнаши­вания вращающегося диска приближенно моделирует изна­шивание стального вооружении шарошечных долот и позво­ляет проводить прямые оценочные расчеты его долговечности при промывке скважины водой и водными растворами.

В промысловой практике широкое примене­ние находят показатели абразивности горных пород, выра­женные в категориях. При наличии кернового материала и результатов его испытания на абразивность нетрудно сделать переход к категориям по эмпирическим формулам.

Нагружение элементов вооружения инструмента для соз­дания разрушающих напряжений в горной породе создается осевой нагрузкой G, например, весом бурильной колонны к которыми присоединено долото Разрушение горной породы характеризуется макси­мальной глубиной внедрения рабочих элементов горную породу при единичных воздействиях и величиной углубления скважины за один оборот инструмента Н₀. Последнее можно назвать проходкой за один обо­рот или интенсивностью разрушения забоя.

В зависимости от осевой нагрузки Л.А. Шрейнер выделил три характерных вида разрушения горной породы, которые на рис.5.4, а обозначены соответственно /, II, III.

Вид /. Интенсивность разрушения горной породы прямо пропорциональна G и весьма мала. Происходит истирание породы, а поэтому вид разрушения на­зван поверхностным истиранием.

Вид II. Развитие усталостных явлений при многократных воздействиях инструмента на горную породу, приводит к усталостныму разрушению.

Вид III. Осевая нагрузка соответствует или превышает не­обходимую для создания напряжений под вооружением, пре­вышающих сопротивление горной породы разрушению. Ин­тенсивность разрушения горной породы по мере дальнейшего

3

По принципу воздействия на горную породу все механические породоразрушающие инструменты для бу­рения скважин можно разделить на режуще-скалывающие, дробящие и дробяще-скалывающие.

схема взаимодействия элементов вооруже­ния дробяще-скалывающих долот (рис. 3.4 в). Зуб долота вдавливается в породу силой Р_z и одновременно участвует в обусловленных кинематикой долота скольжении со скоро­стью v, и вращении с угловой скоростью . В это же время соседний зуб движется к поверхности породы со скоростью

Рис. 3.4. Схемы воздействия элементов воору­жения породоразрушающих инструментов на горную породу при бурении:

а — резание — скалывание; б — дробление; в — дробление — скалывание

_у и наносит удар по поверхности породы. В следующие мо­менты времени нагрузка перераспределяется с первого зуба на второй, и далее первый зуб выходит из контакта с горной породой. Общим для всех схем взаимодейст­вия является условие P_z 0. Под действием этой силы осуще­ствляется вдавливание вооружения в горную породу как при дроблении, так и при резании.

При экспериментальном изучении деформи­рования и разрушения горных пород вдавливанием элементы вооружения породоразрушающих инструментов рассматри­ваются как инденторы. Они разделены на две большие груп­пы: с плоской рабочей поверхностью (притупленный клин) и со скругленной рабочей поверхностью (зубки с цилиндриче­ской и сферической рабочими поверхностями).

Шарошечные долота выполняются двух клас­сов и типов от М до ОК согласно ранее приведенной в табл.6.1, информацией как с обычной, так и с гидромониторной системами промывки.

Основные элементы шарошечного долота рассмотрим на конкретном примере (рис.7.1). Шарошечные долота выпус­кают главным образом в секционном исполнении. Каждая секция включает лапу 1, на цапфе 2 которой с помощью подшипников 3 установлена шарошка 4, имеющая вооруже­ние в виде зубчатых или сплошных венцов 5. Секции соеди­нены между собой сваркой. На верхнем конце сваренных секций (долота) выполняется конус и нарезается присоедини­тельная резьба. Двухрядный шариковый подшипник собран через отверстие, которое закрывается пальцем 6.

Центральная промывка, показанная на рис.7.1, включает внутреннюю полость 7, сужающийся подво­дящий канал 8 и цилиндрическое промывочное (продувочное) отверстие 9.

Рис.7.1. Трехшарошечное до­лото для очень твердых абра­зивных горных пород

В долотах для бурения с продувкой воздухом в лапах и цапфе сверлят отверстия 10 и 11 для охлаждения подшипников и защиты их от засорения шламом.

Качение шарошек по забою обеспечивается установкой их на цапфах с возможностью вращения, трением элементов вооружения о забой и сопротивлением горной породы скалыванию внедрившимися в нее элементами вооружения.

При перекатывании шарошки с одного элемента вооруже­ния на другой создается дробящий эффект, а при проскаль­зывании вооружения относительно плоскости забоя создается скалывающий эффект.

Обеспечение и регулирование дробящей способности доло­та рассмотрим в соответствии со схемой на рис. 7.2. При перекатывании шарошек с зуба на зуб происходит верти­кальное перемещение корпуса долота и связанного с ним бу­рильного инструмента. Потенциальная энергия перемещающегося

Рис. 7.2. Схема к определению вертикального перемещения долота:

1, 2, 3 — номера венцов шарошки

и сжатого в вертикальном направлении низа буриль­ного инструмента является источником динамического воз­действия долота на забой скважины.