книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

Е. М. Кузмак указывает на возможность получения микроожо­ гов на поверхности зубьев долота, отмечая, что температура в ме­

туры на поверхности зубьев шарошечного долота не произведено. Л. А. Алексеевым н М. Я. Берковичем [2] проведено исследование микрошлнфов зубьев отработанных долот с целью выявления из­ менения физико-механических свойств и структуры стали поверх­ ностных слоев под влиянием повышенных температур. При этом изучались долота типа 1 В-1901 и 1В-190СТ, отработанные в тур­ бинном бурении в известняках тульского и турнейского горизонтов Сергеевской площади Башкирской АССР, а также отработанные в лабораторных условиях микродолота диаметром 32 мм. При ис­ следовании шлифов было обнаружено наличие трех слоев в струк­ туре стали зуба: белый слаботравящийся слой, расположенный у самого края режущей кромки зуба, темный слой и основная структура. Для каждого из слоев характерна своя микротвердость. Отмеченное изменение структуры .и микротвердости наблюдалось в основном на рабочих поверхностях зубьев периферийных венцов, что объясняется их наибольшей нагруженностью.

И. Г. Крагельский [40] и А. Д. Курицына объясняют наличие трех слоев на поверхности трения (мгновенным воздействием высо­ ких температур и высокими скоростями охлаждения, в результате чего поверхностный слой получает вторичную закалку, а подпо­ верхностные слои — отпуск.

Если слаботравящийся белый слой является слоем вторичной закалки, то, следовательно, температура в контакте зуба долота с породой достигла примерно 800° С.

Такое термоциклическое воздействие на рабочие поверхности зубьев долота влияет на их износостойкость. Известно, что нагрев стали до температуры более 200° С снижает ее твердость и проч­ ностные характеристики. Следовательно, микроожоги с темпера­ турой в контакте более 200° С будут способствовать износу воору­ жения долота. Е. М. Кузмак отмечает, что микроожоги способ­ ствуют возникновению и развитию усталостных трещин на рабочих поверхностях зубьев вследствие циклического характера разогрева и охлаждения.

Учитывая, что при работе долота на стенде наблюдается искрообразование и, если считать это процессом образования расплав­ ленных окислов, то температуру нагрева в результате энергии тре­ ния можно считать около 1350° С. В этом случае на поверхности металла шарошки и армированного слоя при нагреве и охлажде­ нии должны возникать в микрообъемах структурные превращения, которые вызывают напряженное состояние и трещинообразование.

Таким образом, основными факторами, вызывающими поверх­ ностное разрушение армированного слоя, т. е. трещинообразование

ивыкрашивания, являются: а) высокая температура, возникающая

впроцессе циклического контакта армированной поверхности

111

зубьев с разбуриваемой породой, достигающая, по всей вероят­ ности, величины температуры окисла железа (1350°С); б) неблагоприятньГе физические свойства — низкая пластичность твердого сплава, резкое различие коэффициентов теплопроводности и рас­ ширения при нагреве для твердого сплава, армированного слоя и армируемой стали.

Появление белых и темных полос снижает износостойкость до­ лота. Большие внутренние напряжения, вызванные высокоскорост­ ным нагревом и охлаждением тонких поверхностных слоев и из­ менениями структуры, делают белый слой очень хрупким. Большая хрупкость этого слоя ведет к его выкрашиванию даже при незна­ чительных ударных нагрузках. Хрупкость белого слоя и внутрен­ ние напряжения в поверхностных слоях являются источниками воз­ никновения и развития трещин на рабочих поверхностях зубьев долота. Отслаивание белого слоя ведет к оголению отпущенного размягченного слоя, который затем легко подвергается износу.

По-видимому, при бурении наклонных скважин температура на­ грева долот должна быть больше, чем при бурении вертикальных скважин. Это может быть объяснено тем, что в наклонных скважи­ нах тыльная часть шарошек фрезерует стенку ствола, а корпус до­ лота находится в интенсивном трении со стенкой скважины. Оба эти явления приводят к дополнительному нагреву шарошек и лап, который является одной из причин выкрашивания и откола тыль­ ной армировки периферийного венца шарошек и слома козырьков лап.

Указанные выше исследования посвящены лишь косвенному определению температуры, возникающей на контакте рабочих по­ верхностей (вооружения) долота. Каких-либо исследований по определению температуры, возникающей в элементах опоры трех­ шарошечного долота, как косвенным методом, так и методом не­ посредственных измерений не проводилось. Однако известно, что примерно 70ч-80% трехшарошечных долот выходят из строя в ре­ зультате преждевременного износа опоры шарошек, в то время как их вооружение еще сохранило работоспособность.

Автором совместно с группой инженеров [45, 46] разработан способ и впервые экспериментально определена максимальная тем­ пература нагрева элементов опоры трехшарошечных долот нор­ мального и уменьшенного диаметров. Для этого были использо­ ваны термокраски, основные данные о которых приведены

втабл. 1 2 .

Вкачестве термоиндикатора использовался тонкий лист ла­ туни, на которой полосами наносили все типы термокрасок.'Затем полученный лист был нарезан на полосы необходимых размеров, которые устанавливались в специально высверленных отверстиях больших н малых роликов долота (рис. 34).

После вставки термоиндикатора в полученную камеру, послед­ ний прикрывался медной пробкой под прессом с тем, чтобы пред­ отвратить проникновение глинистого раствора и обеспечить на­

112

дежную герметизацию. С целью лучшей теплопередачи зазоры ме­ наду термоиндикатором и стенками канала засыпаются мелкими опилками и стружками латунного листа.

Для проведения первой серии экспериментов термоиндикато­ рами были заряжены 12 больших и 9 '-малых роликов, которые ус­ танавливались в четырех и трехшарошечных долотах Б-269С. Ввиду того что, после установки роликов с термоиндикаторами и сборки шарошек, долота в процессе их изготовления подвергались нагреву при сварке пробки и лап, то во избежание ошибок при определе­ нии температуры нагрева роликов с помощью термокрасок необхо­ димо было установить температуру нагрева элементов опоры в случае вышеуказанных сварочных работ. С этой целью по опи­

Испытания экспериментальных долот Б-269С с термоиндикато­ рами проводили при бурении наклонных скв. 258 и 226 на площади Песчаный-море в интервале глубин 2371ч-2414 и 2790ч-2806 м. Ос­ новные данные об условиях, при которых обрабатывались экспери­ ментальные долота с термоиндикаторами, и показатели их работы приведены в табл. 13.

После отработки экспериментальных долот опоры шарошек были разобраны и ролики с термоиндикат-орами извлечены для расшифровки последних. Во время автогенной резки лап по швам, шарошки с опорами погружали в специальные ванны с водой с целью снижения их нагрева. Когда опоры шарошек были разо­ браны, то выяснилось, что из 2 1 экспериментальных роликов, в ко­

в негодное состояние. Поэтому изменившиеся цвета термокрасок расшифровывали по термоиндикаторам остальных 1 2 эксперимен­ тальных роликов (7 больших и 5 малых). Результаты этой рас­ шифровки представлены в табл. 14.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при помощи термокрасок описанным способом вполне можно

Таблица 14

* Ролики или разрушены, или термоннднкаторы в них размыты раствором.

определить максимальную температуру нагрева элементов трех­ шарошечного долота.

Вторую серию аналогичных экспериментов проводили с трех­

площади Карадаг-дамба в интервалах глубин 332743336 и 36594- 4-3685 м (см. табл. 13).

При работе трехшарошечного долота периферийные ролики под­ вергаются большему нагреву, чем ролики внутреннего ряда. Так, максимальная температура нагрева больших роликов долота Б-269С достигла 3 1 0 4 -4 0 0 ° С, а малых роликов — 300-s-360° С. В случае бурения трехшарошечным долотом Б-214МГ максималь­ ная температура нагрева больших и малых роликов достигла со­ ответственно 380ч-470 и 3 3 0 4 -3 8 0 ° С.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ СТЕНКИ СТВОЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ

| ОТКЛОНЯЮЩЕЙ СИЛЫ

Процессы бурения вертикальных скважин при переходе от мяг­ ких пород к крутопадающим твердым пропласткам и наклонных скважин при работе на прямой трубе и с отклонителем, помимо разрушения забоя, всегда сопровождаются фрезерованием стенки скважины боковой поверхностью долота. Последнее происходит в результате наличия отклоняющей силы, которая возникает в пер­ вом случае от реакции крутопадающего твердого пропластка; во втором случае — от нормальной составляющей веса системы до­ лото—забойный двигатель и в третьем случае — от момента упру­ гих сил, возникающего в сечении изгиба отклонителя.

Процесс разрушения горных пород боковой поверхностью до­ лота под действием отклоняющей силы является почти не изучен­ ным явлением. В период освоения 'больших глубин, широкого при­ менения наклонного бурения и бурения многозабойных скважин такое положение не может считаться нормальным. Практика на­ стоятельно выдвигает необходимость проведения исследований для выявления факторов, оказывающих влияние на величину отклоня­ ющей силы на долоте и искривления ствола скважины, установле­ ния основных закономерностей процесса фрезерования стенки сква­ жины боковой поверхностью долота в зависимости от режимных параметров бурения и искривления.

Экспериментальная установка для исследования процесса фрезерования стенки скважины под действием отклоняющей силы

Для исследования процессов фрезерования стенки и искривле­ ния ствола скважины под действием отклоняющей силы автором совместно с группой инженеров [47] была разработана и собрана специальная экспериментальная установка (рис. 35), оборудован­ ная на базе вертикально-сверлильного станка марки 2135.

На приводе станка установлен электродвигатель, вращение от которого через клиноременную передачу передается контрприводу

(с коническими зубчатыми передачами) приводит во вращение шпиндель станка 3, на конце которого навернуты переводник 4 и долото 5.

117

Вследствие четырехступенчатых шкивов на контрприводе п на коробке передач с перебором шпиндель станка имеет восемь ско­ ростей вращения. При скорости вращения вала электродвигателя

рый при помощи четырех тяг 13 прикреплен к корпусу станка 1. Давление сжатого воздуха через шток вертикального пресса 14 и упорного подшипника 15, находящегося в масляной ванне, пере­ дается шпинделю станка 3, который приводится во вращение ре­ версивным механизмом 2. Величина осевой нагрузки на долото контролируется и определяется образцовым манометром 16. Вер­ тикальное перемещение шпинделя определяется при помощи ли­ нейки 17. Рукоятка 18 служит для вертикального перемещения шпинделя станка.

118

Испытуемый образец 19 устанавливается в порододержателе 8 и закрепляется зажимными болтами 20.

Для обеспечения фрезерования пород боковой кромкой долота под действием отклоняющего усилия порододержатель 8 болтами 21 укрепляется к передвижному столу 22. Передвижной стол уста­ новлен на четырех роликах 23 (с подшипниками) и имеет возмож­ ность под действием бокового усилия горизонтально перемещаться по двум дорожкам 24 (из углового железа), укрепленным к фунда­ менту 25. Четыре иоги передвижного стола 26 имеют ленточную резьбу. Поэтому станина передвижного стола при помощи четырех упорных гаек 27 может ‘быть вертикально перемещена.

Для создания отклоняющей силы на долоте и фрезерования по­ род боковой кромкой долота сжатый воздух из компрессора или баллона через регулятор давления 28 по линии 29 подается к го­ ризонтальному пневматическому прессу 30, шток 31 которого при­ креплен к упору передвижного штока 32. Величина отклоняющего усилия на долоте контролируется и определяется при помощи об­ разцового манометра 33. Величина фрезерования породы боковой кромкой долота определяется линейкой 34 и указателем 35.

Анкерный болт 36 служит для закрепления передвижного стола при разбуривании породы только под действием осевой нагрузки.

Установка позволяет разрушать породу при различных скоро­ стях вращения или только торцевой поверхностью долота под дей­ ствием осевой нагрузки, или только боковой кромкой долота под действием отклоняющей силы, или одновременно торцевой поверх­ ностью и боковой кромкой долота при совместном действии осевой нагрузки и отклоняющей силы.

В комплект контрольно-измерительных приборов, включенных в электрическую систему стендовой установки входили: записыва­ ющий ваттметр, записывающий амперметр, вольтметр, электриче­ ский регулятор давления с магнитопускателем.

Время на единицу внедрения долота в осевом и боковом на­ правлении засекалось двухстрелочным секундомером марки 51-СД. Кроме того, время проведения одного цикла опыта можно было определить по записям ваттметра и амперметра, ленть! которых в зависимости от схемы включения приборов вращались со ско­ ростью 1 и 3 см/мин. При проведении опытов промывку осущест­ вляли водой.

Зависимость механической скорости бокового фрезерования от отклоняющей силы

Первую серию экспериментальных исследований с целью уста­ новления закономерностей изменения механической скорости боко­ вого фрезерования от величины отклоняющей силы проводили при отсутствии осевой нагрузки на долото (РОс= 0; Рот^О ). Такой про­ цесс имеет место в случае зарезки второго ствола, а также, когда во время бурения после разрушения забоя долото поддерживается

119