Тема 4: Конструкция скважины.

Практическое занятие №8: Расчет крутящего момента и мощности на долоте.

Оценка долговечности вооружения и опор шарошек и решение

о классе долота.

Цель работы: Расчет крутящего момента и мощности на долоте и выборе ГЗД.

Оценка долговечности долота.

Исходные материалы: ГТН, приложение№3.

Ход выполнения работы:

1.Краткое объяснение преподавателем методики расчета задач.

2.Самостоятельное изучение теоретического материала8.

3.Выполнение расчета по заданию

Теоретический материал:

Расчет крутящего момента и мощности на долоте. Приближенная формула для расчета крутящего момента М_Д на долоте следующая:

M_Д = m_оG_пD, (8.6)

где т_о - удельный момент, необходимый для вращения долота при единичной нагрузке долота единичного диаметра, Нм/кН·мм; G_п - предельная осевая на­грузка на долото, кН. G_п зависит от диаметра долота. Ниже приведены G_п для некоторых долот.

Диаметр долота, мм 190,5 215,9 244,5 269,9 295,3

G_п, kH 200 250 270 320 400

Значение удельного момента т₀ зависит только от типа вооружения долота.

Тип долота М,МЗ МС, С, МСЗ, СЗ СТ Т, ТЗ, ТКЗ К

т_о, Нм/кН·мм 0,048 0,043 0,029 0,026 0,021

Мощность для вращения долота определить по формуле:

N=π n_ДМ_Д/30, (8.7)

Расчет по формулам 8.6) и (8.7) дает завышенные результаты, т.к. при бурении нагрузка на долото обычно меньше предельной. Если известна ожи­даемая максимальная величина в соответствии с запроектированным режимом бурения, то в названные формулы подставляется эта величина.

По рассчитанной мощности для вращения долота подбирается гидравлический забойный двигатель.

. Оценка долговечности вооружения и опор шарошек и решение о классе долота

Долото для заданного интервала бурения (режимной пачки) должно удовлетворять следующим условиям:

1. соответствовать твердости горных пород;

1. обеспечивать наиболее высокую область разрушения пород по сравне­нию с альтернативными долотами;

2. вооружение шарошечного долота первого класса должно обеспечивать использование ресурса опоры, т.е. стойкость его вооружения при абразивном изнашивании должна быть не менее стойкости опоры.

Р асчет долговечности вооружения выполняется только для долот первого класса, т.к. долговечность вооружения второго класса при абразивном изнашивании заведомо больше долговечности современных опор.

Схема к расчету изнашивания зуба долота по высоте приведена на рис. 10.3. На рисунке h_з и b₀ - начальные высота и притупление зуба, h - износ зуба по вы­соте; b - притупление изношенного зу­ба; γ - половина угла при вершине зуба. Сведения о вооружении долот первого класса приведены в табл.10.4.

Рис. 8.3. Расчетная схема

Величина угла γ зависит только от типа вооружения:

Тип М и МС С СТ Т

γ, градус 18...21 21...22 22...23 24...26

На долговечность рассчитывается один зуб долота, имеющий средне­взвешенные геометрические размеры. Дифференциальное уравнение, связы­вающее время и скорость изнашивания, имеет вид

dt = dh/a, (8.8)

где t - время; а - скорость изнашивания вооружения по высоте.

Для определения времени Т изнашивания элемента вооружения на вели­чину h принимаем начальные условия t = 0, h = 0.

Таблица 8.4 Характеристики вооружений шарошечных долот первого класса

Размер и тип долота	Сумма длин зубьев, Σli, мм	Сумма зубьев, Σz	Высота зубьев на основном конусе, h3, мм	Начальное притупление зубьев, bo, мм	Сумма венцов на шарош­ках, mв
190,5М	90	67	10,5	1,5	7
190,5МС	116	76	11,6	1,5	7
190,5СТ	90	87	9,0	1,6	8
190,5Т	90	129	7,4	1,5	8
215.9М	140	72	13,0	1,75	9
215,9МС	132	73	11,0	1,75	9
215,9С	113	123	11,5	1,75	9
215.9СТ	116	115	9,5	1,75	9
215.9Т	112	131	9,5	1,75	9
244.5М	147	71	17,7	1,5	9
244,5МС	150	98	. 13,1	1,5	10
244,5С	150	177	11,8	1,5	11
244.5СТ	150	178	12,2	1,5	11
244,5Т	152	179	10,0	1,5	11
269,9М	160	75	17,7	1,5	8
269,9МС	163	ПО	13,5	1,5	10
269,9С	158	167	10,3	1,5	И
269,9Т	157	239	8,4	1,5	10

Решения уравнения (10.8) следующие: для осадочных обломочных горных пород

(8.9)

для осадочных кристаллических горных пород

(8.10)

где А, В и k - параметры зависимости а от N_уд (здесь N_уд - удельная мощность трения стали о горную породу), которая для обломочных пород имеет вид

a=AN_yд + B, (8.11)

а для кристаллических пород:

a = AN_yд^k. (8.12)

Коэффициенты А, В и k определить по средним значениям показателей абразивности и , полученным при N_yд = 1 Вт/мм² и N_yд = 5 Вт/мм² соответст­венно. Для этого составить и решить систему из двух уравнений для расчета А, В в случае обломочных горных пород или А и k случае кристаллических гор­ных пород. Интенсивность мощности трения N_i определить по формуле

N_i = N_дА_с / (k₀lΣz), Вт/мм, (8.12)

где А_с - доля мощности, реализуемая долотом на трение-скалывание породы; k_о - коэффициент формы зуба долота (принять k₀ = 1,4); l - средне взвешенная длина рабочей поверхности зуба, Σz - суммарное число зубьев на шарошках.

Величина А_с зависит от скалывающей способности долот, которые делятся со­ответственно на три подгруппы:

1. с низкой скалывающей способностью (типы СТ, Т, ТЗ, ТКЗ, К и ОК), принять А_с = 0,30;

2. со средней скалывающей способностью (типы МС, С, МСЗ, СЗ), принять А_с = 0,40;

3. с высокой скалывающей способностью (типы М и МЗ), принять А_с = 0,45.

Величину l можно определить по приближенной формуле:

где Σl_i сумма длин зубьев по одному с каждого венца; т_в - сумма венцов на шарошках долота.

Вооружение долота считается изношенным, если

h = h_п = 0,75h₃. (8.13)

Рассчитанное время Т_0,75 изнашивания вооружения на величину h_п срав­нить со стойкостью опор, приведенной в табл. 8.3. Величину стойкости опоры следует привести к заданной частоте вращения долота по формуле

Т₀ = Т₂ + (п₂ -п)(Т₁ – Т₂)/(п₂-п₁), (8.14)

где Т₂ и Т₁ - меньшее и большее значения стойкости опоры; п₂ и п₁ - большее и меньшее значения частот вращения, взятые из табл. 8.3.

Если Т₀ > Т_0,75 , то износостойкость вооружения долота 1-го класса не обеспечивает использование ресурса опор и предпочтение отдается долоту 2-го класса.

Если Т₀ ≤ Т_0,75, то предпочтительным является долото 1-го класса как бо­лее дешевое.

Контрольные вопросы.

1. От чего зависит значение удельного момента.

2. Отчего зависит предельная осевая нагрузка.

3. Как рассчитывается нагрузка на долото.