Введение к работе
Актуальность темы
Буровые шарошечные долота - основной инструмент, с помощью которого осуществляется разрушение породы и ведется строительство глубоких скважин в нефтяной и газовой промышленности, а также бурение скважин в угольной промышленности и в геологоразведке.
Буровые долота работают в очень тяжелых условиях - при нагрузках, исчисляемых десятками тонн, давлении до 500 атмосфер, при частоте вращения шарошек до 1000 об/мин., в высокоабразивной среде, в которой быстро изнашиваются даже твердосплавные зубки, армированные алмазами.
За два последних десятилетия показатели работы буровых долот многократно возросли. Средняя проходка на долото уже исчисляется сотнями метров. Однако, зарубежные и отечественные потребители, получая все более мощные буровые установки, настоятельно требуют дальнейшего повышения показателей работы долот, поскольку стоимость каждого пробуренного метра исчисляется тысячами рублей и любое увеличение долговечности долот в эксплуатационном бурении позволяет экономить многие миллионы рублей.
При бурении пород от средних до очень крепких абразивных до 70% отказов долот происходит из за выхода из строя части породоразрушающих зубков и разрушения корпусов шарошек. Это связанно с развитием при бурении высоких внутренних напряжений, возникающих в шарошках при холодной запрессовке с натягом множества твердосплавных зубков в отверстия на их конусах. При этом снижение установленной величины минимального натяга способствует вылету зубков из отверстий при работе долота, а повышение величины натяга способствует резкому росту напряжений, развитию трещин вокруг зубков и разрушению корпусов шарошек.
Кроме того, при применяемых форсированных режимах бурения происходит абразивный износ тела шарошек вокруг зубков, приводящий к росту их выступания над телом шарошки, а значит увеличению интенсивности нагружения. Износ тела шарошки при этом уменьшает длину запрессованного хвостовика, а значит снижает величину сил трения покоя, удерживающих зубки. Износ поверхностей шарошек на 23мм, как правило, выводит долото из строя.
Повышение долговечности твердосплавных зубков буровых долот зависит от целого комплекса конструктивных и технологических факторов, влияющих на стойкость и надежность работы зубков и шарошек в целом. Улучшение какого-то одного фактора способно лишь частично повышать ресурс работы долота, поэтому повышение эффективности его работы возможно только с одновременным проведением комплекса взаимосвязанных исследований, и в том числе касающихся снижения напряжений, возникающих при запрессовке большого числа зубков в отверстия на венцах шарошки.
Решение указанных недостаточно изученных проблем повышения долговечности шарошечных долот на основе совершенствования технологий сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками вызвано острой производственной необходимостью, актуально для отечественного и зарубежного долотостроения.
Цель работы
Повышение эффективности и конкурентоспособности работы буровых шарошечных долот за счет совершенствования технологий сборки и упрочнения шарошек с твердосплавными зубками.
Методы исследования
В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований НДС зубка и шарошки при запрессовке и в процессе эксплуатации, использована методология системного подхода к изучению основных факторов, влияющих на долговечность твердосплавных зубков.
Экспериментальные исследования проводились на основе разработанных оригинальных методик, основных положений технологии машиностроения, методов математической статистики. Исследования НДС зубков и шарошек выполнялись на конечно-элементных моделях с помощью программного пакета ANSYS.
Конечная оценка эффективности полученных результатов исследований выполнялась при проведении промысловых испытаний буровых шарошечных долот.
Достоверность и объективность полученных результатов исследований, стендовых и промысловых испытаний подтверждены корректным совпадением теоретических и экспериментальных данных, а также применением компьютерных систем сбора и обработки данных.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Разработать компьютерную модель процесса запрессовки твердосплавных зубков в зависимости от конструктивных и технологических факторов.
-
Разработать критерий трещиностойкости материала шарошки в зависимости от величины напряжений, возникающих от запрессовки зубков и от величины нагружения зубков на забое.
-
Сформировать селективную сборку по группам, обеспечивающую снижение предельных напряжений.
-
Исследовать влияние на НДС параметров запрессовки зубков с применением ультразвуковых колебаний.
-
Разработать методику неразрушающегося контроля напряжений в корпусе шарошки в зависимости от технологии сборки.
-
Разработать технологию упрочнения за счет нанесения износостойких покрытий на наружные поверхности шарошек.
-
Разработать научно обоснованные рекомендации и внедрить предложенную технологию сборки и упрочнения шарошек в производство.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния технологических факторов на НДС корпуса шарошки при запрессовке твердосплавных зубков;
методики конечно-элементного моделирования процесса запрессовки «зубок - корпус шарошки» с учетом дополнительного нагружения зубков во время эксплуатации.
методики, устройства и результаты процесса ультразвуковой технологии запрессовки твердосплавных зубков в отверстия на шарошке;
способ и технологический процесс холодного нанесения твердосплавного покрытия на поверхности шарошки;
способ неразрушающего контроля напряжений в корпусе шарошек.
Научная новизна
В работе сформулированы и научно обоснованы новые принципы и направления совершенствования технологии сборки буровых шарошечных долот:
1. Разработана методика расчета напряжений, возникающих при запрессовке твердосплавных зубков на венцах шарошек при сборке с учетом дополнительной величины нагрузок зубков на забое.
-
Предложены критерий трещиностойкости [Yтр]доп, определяемый по диаграмме растяжения реального образца каждой плавки стали и расчетный коэффициент трещинообразования Yтр, определяемый с учетом расчетных максимальных пластических деформаций, возникающих от совместного влияния напряжений от запрессовки зубков и нагружения их при работе на забое. Выполнение соотношения [Y тр]доп Y тр позволяет контролировать трещиностойкость каждой плавки стали перед запуском её в производство.
-
Аналитическими и экспериментальными исследованиями процесса запрессовки зубков с применением ультразвуковых колебаний (УЗК) установлено, что в сравнении с показателями обычной запрессовки с тем же натягом, максимальные напряжения в зубке снижаются на 13,4%, интенсивность напряжений в стенке отверстия - на 29%, контактное давление - на 16% (с погрешностью не более 1520%).
-
Предложена новая для долотостроения методика исследования допустимых напряжений в корпусе шарошки вокруг запрессованных зубков с помощью неразрушающего контроля на основе использования эффекта Баркгаузена.
-
Исследования технологии низкотемпературного (до 60С) высокоскоростного детонационного напыления поверхности шарошек мелкодисперсным твердым сплавом позволило в 2,5 раза повысить твердость корпуса поверхности шарошек, а значит и стойкость долот при бурении.
Практическая ценность и реализация работы
1. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по сборке прессового соединения твердосплавных зубков и корпуса шарошки.
-
Предложена технология сборки твердосплавных зубков с использованием шести групп селекции зубков перед запрессовкой, гарантирующая отсутствие выпадения зубков из гнезд при одновременном снижении возможности трещинообразования.
-
Предложена новая установка и технологическая оснастка для запрессовки твердосплавных зубков с применением ультразвуковых колебаний (патент РФ № 2 357 848 от 10.06.2009 г.).
4. Разработаны технология, оборудование, материалы и оснастка для низкотемпературного ( до 60С) нанесения мелкодисперсного твердосплавного покрытия на поверхности шарошки высокоскоростным детонационным методом, что позволило в 2,5 раза повысить твердость поверхности корпуса шарошки и увеличить долговечность вооружения в часах на 4090%.
5. Проведены эксплуатационные испытания двух наиболее распространенных представителей буровых долот 124,0AUL-LS51XF-R866 и 215,9VU-NLS43ZF-R206A, изготовленных в соответствии с рекомендациями. По сравнению с базовыми долотами они увеличили проходку в метрах на 2041% и стойкость в часах на 1821,8%. За счет этого получен экономический эффект соответственно 130 тыс. руб. и 45 тыс. руб. на долото.
6.По материалам диссертации получено 2 патента РФ на изобретения.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
международных интернет - конференциях молодых ученых и студентов «Микмус-2005» ИМАШ РАН (Москва, 2005 г.), «Микмус-2008» ИМАШ РАН (Москва, 2008 г.);
международной конференции «Актуальные проблемы современной науки», Поволжское отделение Российской инженерной академии (г. Самара, 2005г.);
международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самарский научный центр РАН (г. Самара, 2006 г.);
международной научно-практической школе - конференции, Федеральное агентство по науке и инновациям РАН (Москва, 2006 г.);
научно-практической интернет - конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении» СамГТУ (г. Самара, 2006 г.);
-международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы трибологии», изд. «Машиностроение» (Москва, 2007 г.);
на научно-технических и ученых советах СамГТУ, ОАО «Волгабурмаш», ОАО «Самаранефтегаз», ОАО «Уралбурмаш».
Публикации
Основное содержание диссертационной работы изложено в опубликованных 2-х статьях в рецензируемых журналах и сборниках, входящих в перечень ВАК, 7-и других публикациях, а также в 2-х описаниях к патентам РФ на технические решения, разработанные в процессе исследований и признанные изобретениями.
Объём и структура диссертации
Работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка литературы из 111 наименований. Общий объём работы 169 стр. текста, включающего 93 рисунка и 19 таблиц.
