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

долото 1Д320СГ, при этом механическая скорость бурения

увеличивается в 1,4, а рейсовая — в 1,7 раза. По сравнению

с серийными трехлопастными долотами 3JI-320 указанные выше

показатели соответственно возрастают в 2,4; 1,3 и 1,6 раза. Долота РДГ-13-5-5 применялись при бурении 80 скважин

на 33 площадях. Отработка долот велась главным образом в роторном режиме в отложениях мела п верхней перми. Эконо­ мический эффект от внедрения одного долота при применении его в роторном режиме составил 600 руб.

Анализ результатов испытаний промышленной партии до­

лот РДГ-13-5-5 позволил сделать следующие выводы.

1.На основании комплекса исследовательских и конструк­

торских работ создана эффективная конструкция лопастного

гидромониторного долота режущего типа с прерывистым

лезвием.

2.В условиях Днепровско-Донецкой впадины наиболее целесообразно применять разработанные долота при проходке глубоких скважин для разбуривания мягких, средних и пере­

межающихся по крепости отложений юры и триаса.

3.Учитывая технико-экономические показатели, получен­

ные при бурении долотами РДГ-13-5-5, можно рекомендовать

эти долота к серийному производству.

На основании полученных результатов и рекомендаций

Министерства геологии УССР Каменец-Подольский завод твер­

досплавного инструмента выпускает долота РДГ-13-5-5 по техническим условиям ТУ 423-69 [92] с 1969 г.

Для проверки рекомендуемых режимных параметров от­ работки долот на площадях Миргородскойконторы бурения треста «Полтаванефтегазразведка» в одинаковых геолого-тех­ нических условиях были опробованы партии долот РДГ-13-5-5

в роторном и турбинном режимах.

Анализ результатов показал, что при бурении долотами

РДГ-13-5-5 в роторном режиме проходка на долото увеличи­

вается в 1,9 раза, механическая и рейсовая скорость — соот­ ветственно в 1,7 и 1,8 раза.

Увеличение технических показателей работы долот в ро­ торном режиме объясняется двумя основными причинами. Снижение числа оборотов долота приводит к тому, что твердый

сплав изнашивается при окружных скоростях, не превышаю­

щих 1,5—2,5 м/ч, когда температура нагрева рабочей поверх­

ности не приводит к ее разупрочнению. Вследствие этого зна­ чительно повышается проходка на долото.

Кроме того, снижение числа оборотов долота позволяет уве­ личивать осевую нагрузку на него, обеспечивая тем самым уве­ личение механической скорости бурения.

103

Сравнение технико-экономических показателей отработки долот ротором н турбобуром приведено в табл. 13.

Анализ данных табл. 13 показывает, что себестоимость проходки 1 м скважины ротором снижается с 11,7 руб. до- 6,1 руб., т. е. почти вдвое по сравнению с отработкой долот в турбинном режиме. Экономия на 1 м проходки скважины

составляет 5,6 руб. При этом снижение стоимости (хотя и ме­ нее значительное) отмечается и при работе серийных трехшаро­ шечных долот 1Д320СГ.

Г л а в а VI

РАЗРАБОТКА НОВОГО МАТЕРИАЛА ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

ДЛЯ ОСНАЩЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДОЛОТ РЕЖУЩЕ-ИСТИРАЮЩЕГО ТИПА

Многочисленные исследования механизма разрушения гор­ ных пород относятся главным образом к схеме вдавливания

пуансона с плоским основанием без учета влияния танген­

циального усилия. В то же время для долот истирающе-режу-

щего типа интересно было бы проанализировать именно эту за­ дачу. Выполненные В. Н. Бугаевым [89] исследования при слож­ ной схеме пагружения показали существенное изменение как механических свойств горных пород, так и формы зоны разруше­ ния в этом случае. При наличии тангенциального усилия форма

104

зоны разрушения становится овальной. Угол скола по направлению действия сдвигающе­

го усилия более пологий, а с противополож­

ной стороны — крутой. Контактные усилия

разрушения значительно снижаются, умень­

шается объем зоны разрушения, и для по­

схема постановки задачи. В работе [94] доказано, что если

штамп перемещается по поверхности упругого тела с малой

скоростью (по сравнению со скоростью распространения звука

в упругой среде), то при решении задачи можно пренебречь

динамическими явлениями.

Тангенциальная составляющая пропорциональна всюду по

поверхности контакта интенсивности нормальной нагрузки Р,

Получив значения <D(z) и ф(г), можно определить компоненты напряжений, а затем и главные напряжения, которые [951 запишутся следующим образом:

На основании уравнений, (57) были построены поля главных

нормальных напряжений oi для различных значений коэффи­

циента трения: 0,2; 0,4; 0,8. Соответствующие графики приве­ дены на рис. 57.

Анализ полученных уравнений показывает, что появление тангенциальной составляющей резко меняет характер напря-

105

женного состояния. Силовое поле характеризуется крайней

неоднородностью. Возникает область интенсивного развития

растягивающих напряжений. Следовательно, в равных усло­

виях разрушение начнется при меньших значениях действую­

щих усилий.

В полупространстве имеются три области с разным характе­

ром напряженного состояния (см. рис. 57, а): область сжатия,

область растяжения и область, где главные нормальные напря­ жения принимают как положительные, так и отрицательные значения.

Рассмотрение полей напряжений показывает, что с умень­

шением коэффициента трения сокращается область действия

растягивающих напряжений, резко снижается уровень пос­ ледних, изменяется структура напряженного состояния этой области. В то же время существенного изменения области дейст­ вия отрицательных напряжений не отмечается. Поэтому можно

ожидать, что при снижении коэффициента трения будет уменьшаться эффективность процесса разрушения. Такой

вывод в значительной мере условен, так как сделан без учета

обстоятельств, сопутствующих снижению коэффициента тре­

ния. Прежде всего, следует ожидать снижения расхода энер­ гии, идущей на разрушение породы, уменьшения износа во­

оружения долота. Оценить же общее изменение удельной энер­ гоемкости нй данном этапе не представляется возможным.

Однако утверждение о том, что с уменьшением коэффициента трения следует ожидать снижения проходки за оборот, являет-

100

ся достаточно обоснованным. В пользу приведенных соображе­

ний свидетельствуют данные применения при алмазном буре­

нии с целью перехода на высокообортный режим смазывающих

добавок к промывочным растворам, которые выполняют в зна­

чительной степени роль антифрикционных. Если стойкость ин­ струмента в этом случае растет значительно, то механическая

скорость увеличивается гораздо медленнее, чем число оборотов [91]. На рис. 58, а, б приведены изолинии октаэдрических нор-

а

б

а — при tg Yi =0,4; ■б —при tgv^O .S .

107

мальных напряжений для случаев, когда коэффициент трения

равен соответственно 0,4 и 0,8. Анализ полей напряжений по­ казывает, что при совместном действии нормальной и танген­ циальной нагрузок в полупространстве наблюдается зона все­ стороннего растяжения, приуроченная к области, прилегающей

к задней границе резца. С ростом тангенциального усилия раз­

меры ее увеличиваются, и область максимальных значений

оокт смещается под резец.

В этой связи представляется возможным объяснить экспе­ риментальные данные, полученные В. Е. Копыловым [96] при исследовании разрушения горных пород единичным ал­

мазом, свидетельствующие о том, что разрушенные частицы отделяются от породы со стороны, противоположной направле­

нию движения алмаза. Именно с этой стороны развита зона

максимальных растягивающих напряжений.

Возвращаясь к сказанному о влиянии коэффициента трения

на производительность бурения, можно также констатировать,

что повышение коэффициента трения должно увеличивать эф­

фективность процесса разрушения путем создания более бла­

гоприятного для этой цели напряженного состояния в массиве. Интересно отметить, что с таким предложением выступал

25 лет назад П. Ф. Рощин [97]. Он писал: «По нашему мнению, можно решить эффективное разрушение породы при бурении трением, для чего необходимо пойти по пути увеличения коэффи­ циента трения за счет создания инструмента с шероховатой поверхностью».

Опыты, проведенные П. Ф. Рощиным в лабораторных усло­ виях, подтвердили правильность основных предпосылок, од­

нако дальнейшего развития эти работы не получили. Причины

тому — отсутствие необходимых высокоизносостонкпх мате­ риалов и слабая изученность теплофизики процесса трения резца о породу.

В последующие годы неоднократно предлагались материалы для оснащения бурового инструмента [98—101 и др. ], исполь­ зующие принцип повышения коэффициента трения путем соз­ дания шероховатой поверхности. В качестве наполнителя ре­ комендовались карбиды [98, 101], зерна низкокобальтового

твердого сплава и рэлита [99], алмаза [100, 101] и т. д. Однако

и эти работы не нашли дороги к широкому промышленному применению.

При бурении разведочных скважин съемы стружки за обо­ рот исчисляются микронами или первыми десятками их, а удельные нагрузки невелики. Следовательно, при соответству­

ющих конструктивных решениях для оснащения породораз­ рушающего инструмента могут быть использованы довольно

108

хрупкие материалы. Пример тому — применение алмазов в бу­

рении. Учитывая этот факт, а также преобладающую роль

стойкости породоразрушающего инструмента (даже в ущерб ме­

ханической скорости бурения) при проходке глубоких сква­ жин, вполне целесообразной явилась попытка создания инстру­ ментального материала [102] на основе использования стойкой спеченной твердосплавной связки. Для обеспечения лучшего сцепления породоразрушающего элемента с забоем в эту связку

введен сверхтвердый наполнитель. Поскольку зерна наполни­

теля значительно тверже связки, при износе последней поверх­

ность трения породоразрушающего элемента будет иметь мно­

жество дискретных контактов (зон сцепления), создающих

высокий уровень напряжений в подрезцовом пространстве.

В качестве наполнителя можно использовать такие сверхтвер­

дые материалы, как карбид бора и кремния, а также алмазы,

кубический натрий бора и др. Применение названных веществ обусловлено их высокой микротвердостью и хорошей тепло­

стойкостью.

На рис. 59 приведены графики зависимости микротвердости

некоторых сверхтвердых материалов от температуры [85],

из которых видно, что для всех рассматриваемых веществ рост

температуры пагубно сказывается на прочности. Однако сле­

109

этом желательно было бы размещать отдельные зерна в со­ ответствии с рациональной схемой взаимодействия пуансо­

нов при одновременном внедрении их в материал, о чем писа­ лось в гл. III.

Однако, учитывая, что при наличии сдвигающего усилия уменьшаются геометрические размеры зоны разрушения, оп­ тимальное расстояние с точки зрения наиболее эффективного взаимодействия зон должно быть уменьшено. Параметр схемы —

рациональное соотношение размеров сторон треугольника—дол­

жен быть определен для различных типов пород. Такая работа

еще не проведена. Технологически вполне возможно обеспе­

чить размещение зерен сверхтвердого материала по схеме, близ­

кой к оптимальной.

Наличие дискретного контакта улучшает условия охлажде­ ния резца и смачивания породы в зоне резания.

Введение сверхтвердого наполнителя в твердосплавную связку сопряжено с рядом трудностей, так как при обычном

спекании твердых сплавов и свободной усадке наполнитель не

позволяет получить плотной структуры. Поэтому решено было

использовать метод горячего прессования. При этом способе

вследствие наличия жидкой фазы у не требуется никакой до­

полнительной связки и возможно получение практически

беспористого изделия. Кратковременность процесса (1—3 мин) при несколько повышенной по сравнению со спеканием при свободной усадке температурой способствует быстрому про­

хождению области диффузии и спекания кобальта и собственно

спекания сплава. Обогащенный карбидом вольфрама эвтекти­

ческий расплав — жидкая фаза — растекается под давлением и быстро проникает между зернами карбида матрицы и сверх­ твердого вещества.

При прессовании в графитовых прессформах из-за образо­ вания защитной атмосферы отпадает необходимость в создании специальной среды.

Такой сцособ для изготовления аналогичных материалов

суспехом применяли Г. А. Меерсон и Г. В. Самсонов [99].

Влитературе также есть сведения о применении способа горя­

чего прессования для получения алмазно-металлических ка­

рандашей с твердосплавной матрицей [103]. Однако Фтот инстру­

мент оказался малопроизводительным, так как обнажение

очередных алмазных зерен было весьма затруднительным. При­

менение такого технологического процесса позволило полу­

чить карбид-кремниево-твердосплавный композиционный ма­

териал в виде цилиндрических штабиков диаметром 10 мм и вы­

сотой 15 мм с высотой импрегнированного слоя 5 мм. Кроме того, для испытаний прочностных характеристик нового мате­

110