Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

22.10.2023

Размер:

12.58 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 137 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Г л а в а IV

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗНОСА ДОЛОТ РЕЖУЩЕГО ТИПА

В предыдущих главах была показана перспективность

использования при проходке глубоких скважин породоразру шающего инструмента режущего и истирающе-режущего типов

и объяснены причины, ограничивающие область их применения.

Поскольку главным препятствием служит низкая износо

стойкость вооружения, наши дальнейшие исследования были

связаны с изучением закономерностей износа долот режущего

типа й факторов, его определяющих. В этой связи необходимо

было решить широкий круг задач методического и научного

плана.

В настоящее время нет общепринятого метода исследования

износостойкости твердых сплавов при трении их о горные

породы и стандартного оборудования для этой цели, поэтому

необходимо было разработать методику проведения лаборатор

ных исследовании, рабочие схемы и тшмерительпые узлы экспе

риментальной установки и создать саму установку.

§1. РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ МЕТОДИКИ

ИСОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Разрабатывая методику и создавая экспериментальную

установку для проведения исследований износостойкости ин струментальных материалов, необходимо учитывать основные положения к методам испытания на изнашивание, рассмотрен ные в монографиях и статьях [63—65 и др.], и особенности

работы твердосплавного инструмента.

Одним из основных требований, предъявляемых к методам

испытаний на изнашивание, является необходимость моделиро вания процесса работы инструмента. В данном случае должно осуществляться механическое, гидравлическое и тепловое по

добие. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы испыта

ния проводились на натурных образцах, ибо если даже один

из элементов трущейся пары отличается по материалу от натур ного, то нарушается соответствие важнейших параметров, входящих в теплофизический, физико-динамический и другие критерии.

Таким образом, принципиальная схема экспериментальной установки должна обеспечить моделирование процесса работы

породоразрушающих элементов долота и, кроме того, постоян

ство условий трения.

С учетом рассмотренных выше принципов для нашего случая

за основу рабочей схемы экспериментальной установки принята

схема Е. Ф. Эпштейна — Г. Сиверса ]66[. Эта же схема взята

за основу и при аналитическом решении задачи о температурном поле отдельного породоразрушающего элемента долота.

Определив метод и выбрав рабочую схему испытаний, необ

ходимо решить вопрос о величине и диапазоне изменения тех

режимных параметров, при которых будут производиться эксперименты.

Исследование влияния параметров на основные закономер ности процесса разрушения горной породы и износостойкость

породоразрушающих элементов долота весьма желательно вести

при тех значениях величин, которые имеют место в практике проходки глубоких скважин на нефть и газ.

Опыт применения различных типов долот истирающс-

режущего типа (в том числе и алмазных) показывает, что режи

мы, обеспечивающие получение высоких технико-экономиче ских показателей, характеризуются следующими параметрами:

осевым усилием Р 0с — 8 —16 т;‘ числом оборотов долота	п —
500—600 об/мин; количеством промывочной жидкости	—

20 —25 л/с. Средняя механическая скорость бурения изменяется

в пределах 1 —4 м/ч.

Произведем расчет удельных параметров режима бурения для шестилопастного долота истирающе-режущего типа диа метром 200 мм, породоразрушающими элементами в котором являются цилиндрические штабики диаметром 10 мм из высоко стойкого материала. Получены следующие данные:

Окружная скорость на периферии долота *, м/с			0,55—6,28
Толщина стружки, снимаемой за один оборот до
лота одним породоразрашающим элементом,			2—12
рк/об	........................................................-. . .
Удельная осевая контактная нагрузка на поро			100—	200
доразрушающем элементе, кг/см2 ....................
Количество промывочной жидкости на 1 см3 вы			2—4
буренной породы, л/с см3 ................................
* С учетом роторных режимов
На основании этих данных выбраны режимные параметры
экспериментальной		установки.	на	рис. 34,
Стенд, принципальная схема которого дана
представляет	собой	дальнейшее усовершенствование ранее

созданных установок [67, 68] и состоит из рабочей камеры 2,

вращателя 1, вращающего керн горной породы 5, пульта управ

ления 7 с вмонтированными в нем насосом 9 и емкостью для

промывочной жидкости 8. Испытуемые образцы 4 закрепляются

с помощью цанговых патронов на специальной головке 5-

При проведении экспериментов в условиях повышенных

температур в схему добавляется электропечь 10 для подогрева'

промывочной жикости и теплообменник 6 для ее охлаждения-

Техническая характеристика стенда следующая:

Объем рабочей камеры, л ........................................					25
Внутренний диаметр камеры, м м ............................				.	350
Диаметр керна породы, м м .................................			мм		114
Размеры твердосплавных образцов,				10X10x40;
					5X5X35
Способ удаления		продуктов разрушения — про			или 0 10

мывка					0,005—2
Пределы подач, мм/об ............................................
Путь трения за один опыт, м ....................................			циркулирующей		до 600
Система	нагрева — непрерывно
горячей жидкостью				°С	250
Максимальная температура рабочей жидкости,
Расход рабочей жидкости, к г / ч ............................					120
Давление	рабочей	ж и д к о с т и , бар	промывочного........................		до 100
Скорость ж и д к о с т и		на выходе и з			4—5
отверстия, м/с		........................................
Диапазон окружных скоростей, м/с . . . . . .				0,14—8,56
Максимальное усилие подачи, к г ........................					2000
Максимальный крутящий момент на шпинделе,					750
кГс-см	....................................................................

Рабочий процесс протекает в герметичной камере, -.заполнен ной непрерывно циркулирую

щей промывочной жидкостью. Экспериментальная установ

ка создана на базе радиально

сверлильного станка 2А-55, имеющего широкий диапазон изменения режимных парамет ров. Для измерения горизон

тальной и вертикальной состав

ляющих силы резания разрабо

тке. 34. Принципиальная схе ма стенда для исследования износа инструментальных ма териалов.

•63


таны специальные тензометрические системы.				Запись		пара
метров рабочего процесса		осуществлялась на		осциллографе
Н-105 с тензометрическим		усилителем	ТУ-6М.		Измерение
температур, развивающихся в режущем элементе						при
различных режимах испытаний, проводилось					при	по
мощи термопар, смонтированных внутри			самого	исследуемого
элемента на разном расстоянии от поверхности				трения.		Для
регистрации	использовались многопредельные			самопишущие
приборы с	регулируемой скоростью протяжки			бумаги.

При проведении экспериментов число опытов для каждого

режима было не менее четырех. Коэффициент вариации не пре вышал 25%, а показатель точности — 6%. Обработка осцил

лограмм производилась по общепринятой методике. Разрабо

танная методика и созданная на этой основе аппаратура позво лили изучить широкий круг вопросов. Результаты исследований излагаются ниже.

§ 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ОДИНОЧНОМ РЕЗЦЕ

БУРОВОГО ДОЛОТА И ПОРОДНОМ МАССИВЕ ПРИ РЕЗАНИИ

Процесс распространения теплоты сосредоточенных источ ников в той или иной системе твердых тел математически опи сывается уравнениями теплового баланса и теплопровод ности [69].

Для процесса резания уравнение теплового баланса может

■ быть представлено	в виде
	(?о = <2д+(?т>	(8)
тде Qx — теплота,	эквивалентная работе	деформации снима

емого слоя; QT— теплота, эквивалентная работе трения на кон

тактных поверхностях инструмента.

Суммарная тепловая мощность Q0 не вполне эквивалентна

механической мощности процесса резания, так как часть пос

ледней переходит в поглощенную энергию изменений кристал

лической решетки. Однако различие между Qo и Qa j- QT незначительно [69].

Вторым уравнением теплофизики резания является диф

ференциальное уравнение теплопроводности [70], которое мо жет быть записано для каждого из твердых тел, участвующих

в процессе резания (трения).

Решение этих уравнений положено в основу аналитического расчета температур, возникающих в твердосплавном резце при трении о горную породу.

На первом этапе рассматривается задача трения вращающе

гося полого твердосплавного кольцевого цилиндра с толщиной стенки R 0—r0 (рис. 35) о полуплоскость. Ось цилиндра направ

лена по нормали к поверхности последней. Принятая схема

(для теплового расчета) весьма близка к осуществляемой на

экспериментальном стенде СИЗ-Ш , что дает возможность на практике проверить аналитические зависимости.

Получив в результате решения соответствующей краевой

задачи распределение тепловых потоков на единицу поверх

ности между полым цилиндром (Д ж полуограниченным масси

вом Q2 при заданном суммарном тепловыделении Q0 на поверх

ности трения, можно перейти к решению задачи о температуре

в резце, к которому с торца подводится поток тепла (Д. Указан

ные краевые задачи с предположением нестационарного			тепло
обмена при теплоизолированных боковых поверхностях			форму
лируются следующим	образом.
1. Для нахождения распределения потоков между трущи
мися телами (цилиндром и полуплоскостью) уравнение			тепло
проводности в цилиндрических координатах имеет вид
			(9)
где Т — температура;	т —время;	а *— температуропровод
ность; г — расстояние	от оси вращения до расчетной		точки,

Рис. 35. Схема разрушения	Рис. 36. Систе
образца породы твердо	ма отсчета.
сплавными штабиками (для	х, у, z — координаты
теплового расчета).	расчетной	точки;
1 — керн горной породы; г —ис	I —размер	стороны
1 — керн горной породы; г —ис	квадрата	штабика.
пытуемый образец.
5 Г. В. Арцимович		65

изменяющееся в пределах от г0 до i?0. На рис. 36 показана при нятая система отсчета.

Начальные условия:

T i= 0 при т = 0

(10)

(г= 1 ,2 соответственно для образца твердого сплава и горной

породы).

Граничные условия задачи (9) в указанном выше предполо

жении состоят из уравнения теплового баланса на поверхности контакта трущихся тел

	rdr ■	■ J	дт*	rdr = Q0,	(И )
	rdr ■	■ J	аГ	rdr = Q0,	(И )
То	2=0	Го	2 = 0
где А, — теплопроводность;
равенства температур на поверхности трения
	J* T1\z=s) rd r =		\|° Т 2\|г=0rdr\		( 12)
	г 0		Го
постоянства	температуры-на		боковых	гранях:

r iU * „ — Т0;	(13)
!г=Г0 — Tq.	(14)
Кроме того, Тъ конечно при г—со	и г = 0 ; Тг конечно при

Z = 00 и z= 0.

2. Для резца (твердосплавного штабика) в тех же предполо

жениях (теплоизолированная боковая поверхность)

	(д2Т д2Т .	д2Т \
II	[ дх1 1 дуг 1	dz2 J®1*

Начальное условие:

Т =0 - при т = 0 .

Граничные условия:

II	О	х=0,	х=1\
II Бч		У = о,	у=1.
		1 1
		И х тг1 dxdyz= Qo-
		0 0	( 2 = 0

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

Величина Т конечна при z = oo.

Я7*

В установившемся тепловом режиме (T = c o n st)-^ = 0 в обеих

задачах.

Практический интерес представляет стационарный случай

(r= co n st), для которого	решение	задач (15) — (19)		имеет вид
Q пт/'2	я 2	тг	—У 2 у г	(20)
Т = Т 0 а----ш —	sin — .г sin — ye		l .	(20)

Величина теплового потока, поступающего в исследуемый

образец Qt, определяется решением задач (15) — (20).

Для стационарного случая

	0	860Mi ,		(21)
	V l ~~	Xi + A 2	’

где	N — мощность, расходуемая		непосредственно на	трение,
кВт;	Aj, А2 — теплопроводность твердого сплава и горной по
роды.
Для случая, когда на боковых гранях имеет место тепло
обмен с окружающей средой постоянной температуры				Т0, что
наблюдается в реальном процессе,			вместо граничных	условий

(17) и (18) будем иметь граничные условия третьего рода:

н	-ИОII	II О
н	'

jly ~ h(T T0)jJу==0 — 0»

у— 1

сс 1

где h —— , — ( а —коэффициент теплоотдачи).

(22)

(23)

Решение для задачи (15) при условиях (22) и (23) отыски

вается в виде

u = P (x )’ V(y)-W(z),

где и — безразмерная		температура,	равная	— Т 0	•
				У Г
и =	-VZ	А3е »Р*)	+ Л2е-*РУ).		(24)
и =	А1	А3е »Р*)	+ Л2е-*РУ).		(24)
	А1

Из граничных условий (18), (22), (23) определяются постоян

ные А ъ А 2, А 3:

	Q1			(А + Ф)2		(25)
		4Т s in p z + —			(1 — cos pZ) 2	(25)
		4Т s in p z + —			(1 — cos pZ) 2
				Р
	Ая =	Аа =	- А 1£ т Ц ф = п /1 ) .			(26)
Тогда
тт	Q \ e 72 [ h sin P x -f (5 cos $ x ]				[ h sin $y + P cos $ y ]	(^ 0
u —			p	j	~	(^ 0
		w iT	sin pz	(1 — cos-pZ;Г
Формула для		определения температуры записывается				так:
Т — То -1	У 2 Q Le ~ y z		[ft sin рз: + Р cos рж] [ft sin Ру + Р cos Ру] 6
Т — То -1	2)^	‘		[ft sin PZ — Р (1 — cos PZ)]3
где \|3 есть	решение уравнения					(28)
где \|3 есть	решение уравнения
		ctg pZ		2pft		(29)
		ctg pZ		ft3 — p3 ’		(29)
				ft3 — p3 ’
				2p		(30)
			v =	7 f ‘		(30)
			v =	7 f ‘

В частном случае при х —у = 0 и x = y — l (z=0), т. е., когда вычисляется температура на поверхности трения возле боковой

грани, выражение для определения температуры принимает

вид

I	„ ,	V2Qie~yzphK (ft3+ P 3)3		(31)
	- т 0 i		(hi _р*)4
Уравнение	(29)	решается относительно Р		графически.
Для этого оно записывается как
		tg pZ =	ft3 - рз	(32)
			2pft

и вводится обозначение
		pZ=<p.		(33)

После преобразования левую и правую части уравнения

(32) можно представить соотвественно как функции

	(34)
Функция	протабулирована в работе [71]. Задаются раз

личные значения	ф и выполняется построение графиков
Y x = f( ф) и Т 2=/(ф ),	причем значения Y г ж Y 2 откладываются по

оси ординат (рис. 37).

Проекции точек пересечения кривых У^и У 2 дают искомое

значение ф для различных h. Отсюда

\|3 = фД.	(35)
По приведенной выше методике были вычислены	значения
температуры при трении твердосплавного образца	(штабика)

о горную породу (песчаник). Для расчета принимались следу


ющие исходные данные:	Т0—20°С; А,=10 ккал/м2-ч-град				[72];
/=0,005 м. Величина температуры определена для				случая,
когда h изменяется в пределах 200 —400. Такие значения					вели
чины h соответствуют	коэффициентам		теплоотдачи		на
поверхности твердосплавного		образца,	равным	(5-20)-
• 103ккал/м2-ч-град, имеющим		место в условиях, аналогичных

опытным, в энергетических и других установках при высоко форсированном теплообмене [73].

Точное значение величины h, отвечающее условиям опыта, определялось исходя из экспериментальных данных о темпе ратуре резца. В качестве опорной точки, была выбрана

т,°с 1000-i

750-

500-

250-

О к -----------------		1---------------------	Г - ---------		О	5	10 15	2>мм
0,3	'	0,5	0,7	у

Рис.	37.	Графическое		ре	Рис.	38.	Распределение
шение		уравнения (32).			температур		вдоль	оси и
						ребра резца.

580		точка в теле резца с координатами £ = 1 ,5						X
		XЮ	3; г/=3,0-10		3; z = 0 ,6 - 10~3(размеры			в
		метрах).		Средняя	температура в этой точке
		820°С. Для нахождения величины А определя
		лись значения \|3,			у тригонометрических фун
		кций	и	температуры		для указанных коор
		динат	при h, равных			200,	300 и 400. Из
		графика Y =/(<р) и найдено значение h =330,
		соответствующее температуре 820°С.
		Следует сказать, что использование сим-
			j,	а
		плекса«=-^- в данном случае единственно
z-0,015	z =0,020	удобно по причине отсутствия точных зна
		чений величин коэффициентов теплопровод
Рис. 39.	Изотермы	ности и теплоотдачи и их зависимости от тем
в поперечных сече		пературы для условий опыта.
ниях	резца.	Расчет температуры производился на оси
		образца и его стенке в различных точках						по
высоте	(х=у =112;	х —у = 0;		z = 0 ; 0,005;		0,010;	0,015; 0,020м).

При этом данные получены для скорости вращения 2 м/с,

когда расход мощности составлял 0,3 кВт.		Результаты рас
четов приведены на рис. 38.
По той же методике были вычислены значения температуры
в теле твердосплавного резца	для точек	с координатами
х = у = 0,00125 м и х = у = 0 , 00375	м при указанных выше зна

чениях z. По результатам расчетов построены изотермы темпе

ратурных полей	в поперечных сечениях образца (рис.	39).
Из этого рисунка	видно, что значительный температурный	гра

диент возникает не только в продольном, но и в поперечном

сечении образца. Причем чем ближе к поверхности трения,

тем перепад температур от центра образца к периферии больше.

Так, если на поверхности трения перепад температуры состав

ляет 480°, то на расстоянии 10 мм — 70°.

Таким образом, при трении твердосплавного образца о гор

ную породу максимальные температуры возникают на поверх

ности трения в центре образца.

§ 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В БУРОВОМ ИНСТРУМЕНТЕ

И ПОРОДНОМ МАССИВЕ ПРИ БУРЕНИИ

Преимущество настоящего метода заключается в возмож

ности изучения формирования температурного поля на основе

модели при различных граничных условиях и исходных данных во времени и пространстве.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 137 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ