книги из ГПНТБ / Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин

Т а б л и ц а 41

пределенными равномерно на поверхности трения (рис. 52, а). Светлые участки — заполированные зерна карбида вольфрама

с более высокой отражательной способностью, а темные —

места вырывания и скалывания зерен. Такой износ можно назвать механическим, или избирательно-абразивным. Отме­ ченный вид износа имеет место при работе инструмента на не­ больших окружных скоростях с хорошим теплоотводом при отсутствии или незначительном влиянии физических процессов, возникающих в зоне контакта и приводящих к изменению

прочностных характеристик рабочего слоя твердого сплава.

Как было показано выше, в данном случае, соответствующем прямолинейным участкам кривых сор == }(Р, V), инструмент работает в реяшме мокрого трения.

При высоких окружных скоростях, когда инструмент на­ чинает работать в режиме сухого трения (см. рис. 51, зона II),

поверхность трения образца носит иной характер. Как видно

из рис. 52, б, вся поверхность пересечена глубокими бороздами, расположенными в направлении действия сил резания. При­

чину указанного явления следует искать в изменении свойств

твердого сплава в зоне резания вследствие развития высоких температур на поверхности трения.

Экспериментальные данные, показали, что наиболее значи­ тельные температуры (в пределах 1000° и более) возникают

непосредственно в зоне контакта твердого сплава с породой.

При этом градиент температуры по длине штабика достаточ­ но велик, а область развития высоких температур не превы­

шает 1 мм.

С ростом температуры микротвердость твердого сплава зна­ чительно снижается и при температуре более 400° становится ниже микротвердости кварца (рис. 53). Кроме того, теплопро­

водность и термический коэффициент линейного расширения

91

вать непосредственное абразивное воздействие на рабочую по­

верхность твердого сплава. Если температуры в контактной

зоне будут расти и далее, то возможно пластическое деформи­

зивное царапание твердого сплава породообразующими мине­

ралами. Поэтому этот вид износа следует именовать физи­ ко-механическим, или термоабразивным.

Итак, при резании (истирании) горных пород наблюдают­ ся два механизма износа твердых сплавов: при малой интен­

сивности тепловых процессов в зоне контакта — м е х а н и ­

ч е с к и й , связанный с избирательным истиранием более мяг­ ких кобальтовых участков, обнажением зерен WC и после­

дующим механическим разрушением их вследствие скола или

усталостного выкрашивания; при высокой интенсивности теп­

93

чениях через пленку отчетливо видны зерна карбида вольфра­

ма. Поверхность пленки исчерчена царапинами, совпадающими с

направлением вектора окружной скорости. На отдельных участ­

ках поверхности трения пленка разрушена и образует окна.

Структура твердого сплава в окнах имеет осповидный ха­

рактер. Поверхность пленки очень напоминает зеркало сколь­

жения в зоне тектонических разрывов.

При рассмотрении пленки в поляризованном свете в ней отмечаются вторичные кристаллические образования. Не ис­

ключено, что это кристаллы лейцита. Интересно, что при появлении пленок меняется характер изношенной поверхности твердого сплава, а интенсивность износа уменьшается.

При разрушении пленок зерна WC вырываются из контакт-

пого слоя в результате адгезии. В этом случае и наблюдается осповидный характер поверхности трения.

Необходимо отметить также, что толщина пленки увели­ чивается в направлении от передней границы штабика к зад­

ней. Установлено образование пленок на передней и боковой

наружной поверхности штабика. При этом высота пленки

не превышает 0,5—1 мм, а прочность значительно ниже прочно­

сти поверхностной пленки.

Отмеченное явление образования пленки на поверхности

твердого сплава очень интересно с точки зрения снижения из­

носа образцов, однако требует дополнительных исследований. Возможность образования поверхностных пленок окислов п адгезионных пленок веществ, состоящих из элементов, вхо­

дящих в состав взаимодействующих тел, отмечается в работах

Т. Н. Лоладзе [85], Ф. Боудена, Д. Тейбора [86], Л. А. Чатыняна [87] и др.

В заключение следует отметить, что наблюдаемые типы поверхностей при механическом и физико-механическом видах износа хорошо согласуются с данными Н. Н. Зорева [88]

иБ. И. Костецкого [64], полученными для металлорежущего

инструмента.

Рассмотренные выше материалы теоретических разработок

иэкспериментальных исследований, охватывающие два важ­ нейших аспекта проблемы повышения эффективности глубо­

кого бурения, позволили наметить пути промышленной реали­

зации научных результатов. Для обеспечения высоких темпов

проходки на нижних интервалах следует либо увеличивать уровень мощности, передаваемый от долота к массиву, либо

бурить тем способом, при котором влияние забойных условий минимально. Таким способом разрушения является резание.

Исследования последних лет [13, 59, 62, 89, 90] подтверждают

этот тезис.

95

Стойкость долота определяется способностью контактных

поверхностей его породоразрушающих элементов сохранять

рабочее состояние на протяжении определенного интервала вре­

мени или проходки. Минимально необходимая продолжитель­

ность интервала, при котором применение долота данного типа

рационально, может быть установлена на основании анализа

технико-экономических показателей бурения при существую­ щем уровне технической оснащенности. Работоспособность вооружения определяется при прочих равных условиях проч­ ностными характеристиками инструментальных материалов,

применяемых для оснащения режущих кромок. Прочностные х а ­

бойная температура входит как составной элемент в формулу.

Рост забойных температур с увеличением глубины скважин

снижает уровень мощности, который может быть передан мас­

сиву через породоразрушающие элементы долота, без разуп­

рочнения контактных поверхностей, вооружения, что ограни­ чивает возможности форсирования режима.

Поэтому первое направление повышения эффективности глу­ бокого бурения состоит в изыскании путей снижения темпе­ ратур в зоне резания. В то же время применение более прочных и термостойких материалов позволит работать при повышенных

температурах на поверхности трения. Поэтому второе направ­

ление включает вопросы создания новых инструментальных

материалов. Материал может быть новым не только по своему вещественному составу, но и по структуре, обеспечивающей, например, снижение уровня развития теплофизичесшгх про­ цессов в зоне резания.

Естественно, результаты исследований по первому направ­ лению должны быть использованы при созданпп породораз­

рушающего инструмента с новым материалом, полученным в

итоге работ по второму направлению.

При ведении исследовательских работ по первому направле­ нию представляются перспективными два пути: улучшение

теплоотвода из зоны резания; снижение доли мощности, рас­

ходуемой на теплообразование при трении, без уменьшения эффективности резания.

Улучшение теплоотвода из зоны резания может быть дос­

тигнуто за счет более совершенной конструкции режущей

части долота, интенсификации режима промывки, искусствен­ ного охлаждения долота, непосредственного подведения охлаж-

96

дающего агента в зону резания, применения специальных растворов с высокими теплоемкостью и теплопроводностью. Снижение доли мощности, расходуемой на теплообразование,

обеспечивается путем уменьшения коэффициента трения в зоне

контакта. Один из возможных вариантов решения этой задачи— переход на силовой режим бурения. Правомерность

такой рекомендации обосновывается тем, что на износостой­

кость вооружения в большей степени, чем осевая нагрузка,

влияют окружные скорости. Поэтому необходимо снижать

число оборотов и увеличивать осевую нагрузку. Соответст­

вующие нараметры выбираются для конкретных условий

бурения.

Второе направление — создание новых материалов повы­

шенной износостойкости — очень перспективно. Для оснаще­ ния бурового инструмента на протяжении десятков лет приме­ няются одни и те же марки твердых сплавов вольфрамо­ кобальтовой группы и в последние годы—алмазы. В настоящее

время в различных отраслях науки ведутся обширные работы

по созданию новых композиционных материалов. Работы в этой области обещают большие выгоды. Ниже приводятся ма­

териалы исследований по двум указанным направлениям.

Г л а в а У

РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДОЛОТ РЕЖУЩЕГО ТИПА

И ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА РЕКОМЕНДАЦИЙ

§ 1. КОНСТРУКЦИЯ ДОЛОТА

При создании новой конструкции долота * в основу были по­ ложены следующие требования.

1. Конструктивно породоразрушающая часть долота долж

на иметь минимальную и достаточную площадь контакта с по­

верхностью забоя. Минимальную — для обеспечения требуе­

мых для объемного разрушения контактных давлений при обыч­

ных осевых нагрузках и достаточную — для поддержания

высокой износостойкости.

* Конструкция долота разработана инженером Э. Д. Скляровым.

2. Породоразрушающая часть долота для обеспечения вы­ соких контактных нагрузок должна быть прерывистой. Каждый

из выступов лезвия оснащается твердым сплавом так, чтобы в процессе работы у долота не было необходимости изнашивать промежутки между твердосплавными вставками для обнажения их. Кроме повышения контактного давления, такая конструк­ ция позволяет снизить моментоемкость долота и значительно улучшить охлаждение породоразрушающих элементов.

3.Для обеспечения высокой износостойкости число твердо­

сплавных элементов, работающих в одной линии резания,

должно увеличиваться от центра к периферии.

4.Форма твердосплавнох! вставки должна быть клинооб­ разной и располагаться в лопастях под определенным углом,

величина которого близка к углу равнодействующей сил взаи­ модействия долота с породой. Это обеспечивает более эффектив­ ное разрушение забоя и повышает эксплуатационную проч­ ность твердосплавных вставок.

5. Периферийная часть долота также должна быть оснащена твердосплавными элементами. При этом необходимо обеспе­

чить минимальную потерю диаметра при бурении и предупре­

дить возможность повреждения колонны при спуске долота

вскважину.

6.Форма лопастехх должна гарантировать достаточно хо­

рошее центрирование долота в скважине.

7.Для обеспечения интенсивной и своевременной очистки забоя от шлама долото должно быть снабжено гидромонитор­ ными элементами. Последние необходимо располагать на рас­ стоянии 50—60 мм от забоя. Струи жидкости должны перекры­ вать всю площадь забоя. Диаметр насадки определяется ис­ ходя из имеющегося насосного хозяххства, глубины скважины, характеристики бурильной колонны, эффективной скорости ис­

течения потока и т. и. Насадки должны изготавливаться из

износостойкого материала и быть сменными для подбора необ­

ходимого диаметра в соответствии с указанными выше тре­ бованиями.

8.Для оснащения режущей части долот должны быть при­ менены низкокобальтовые твердые сплавы группы В К или

другие сверхтвердые материалы (например, алмазно-твердо­

сплавные, карбидкремниево-твердосплавные композиции).

В соответствии с указанными требованиями были разрабо­

таны долота и расширители с общим шифром РДГ — режущее долото гидромониторное. Ниже приводится описание конструк­

ции одного из долот этой серии (рис. 55).

К корпусу 1 долота привариваются три лопасти 5 , 7 и 10, имеющие длину, равную радиусу долота, и две укороченные

88

л-л

в

0160

лопасти 6 п 8. Корпус долота состоит из муфты и головки скрепленных резьбовым соединением с последующей сваркой для обеспечения герметичности. Режущие лезвия лопастей оснащены твердосплавными вставками 11 *. Периферийная

часть укороченных лопастей оснащена твердосплавными

пластинками 9.

Породоразрушающие элементы находятся в специальных выступах, образуя прерывистое лезвие. Вставки по длине лез­ вия расположены с переменным шагом, обеспечивающим коэф­

фициент перекрытия забоя режущими элементами от 5 до 1

в направлении от периферии к центру забоя. Прерывистое лез­ вие позволяет при сравнительно небольшой нагрузке на долото увеличить контактные давления на режущих элементах и сни­

зить моментоемкость долота. Кроме того, улучшаются условия

охлаждения породоразрушающих элементов, что повышает их

износостойкость.

При бурении лопасти образуют форму забоя — усеченный конус. Это улучшает центрирование долота и позволяет более

рационально распределить гидравлическую мощность, под­

* Форма вставок разработана канд. техя. наук Е. И. Асыченко.

99

7

водимую к долоту, при принятой схеме размещения гидромони­

торных насадок под различными углами к оси долота (10,

30, 45°). Угол встречи исходящей струи жидкости с поверх­

ностью забоя составляет 75—90°, что обеспечивает максималь­

ное использование гидромониторного эффекта. Расстояние от

торца насадок до поверхности забоя 50—60 мм. Насадки 2

размещаются в росточке головки корпуса, уплотняются резиновыми кольцами 3 и фиксируются пружинными коль­

цами 4.

Калибрующая часть каждой из пяти лопастей оснащена

тремя рядами цилиндрических твердосплавных штырей 12,

расположенных в шахматном порядке, с перекрытием. Такая

конструкция периферии способствует хорошей сохранности на­

ружного диаметра долота в процессе бурения.

Твердосплавные элементы изготавливаются из низкокобальтного сплава ВК6, что позволяет повысить стойкость во­ оружения долота. Крепление их в лопастях осуществляется пайкой с применением припоя Л62 на установках ТВЧ.

Учитывая износ твердосплавного вооружения в процессе

При передаче в массовое производство конструкция долота

претерпела некоторые изменения. Биконические периферий­

ные вставки были заменены пластинчатыми ввиду большей

стойкости последних при работе на периферии. Кроме того,

выступы с твердосплавными вставками и корпус лопасти на

высоте 30—50 мм были защищены наплавкой зернистого рэлита или сормайта во избежание размыва этих мест отраженной от забоя гидромониторной струей промывочной жидкости. Мера оказалась эффективной, размыв корпуса лопастей не наб­ людался.

§ 2. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Промышленная партия долот РДГ-13-5-5 выпущена Каменец Подольским заводом твердосплавного инструмента им’

Г. И. Петровского. С 1967 по 1971 г. заводом изготовлено и от­

правлено буровым организациям около 1000 долот РДГ-13-5-5.

В табл. 12 приведены показатели работы различных долот

при бурении скважин на площадях трестов «Полтаванефтегаз-

разведка» и «Черниговнефтегазразведка» Министерства гео­ логии УССР. Средняя проходка на долото РДГ-13-5-5 в 3,1 ра­ за превышает среднюю проходку на серийное трехшарошечное

100