Пути повышения эффективности работы буровых шарошечных долот

Большое значение на стадии проектирования имеет учет особенности взаимодействия вооружения шарошек с забоем в процессе бурения. В диссертационной работе приведены результаты исследования взаимодействия вооружения шарошек с забоем и кинематики буровых шарошечных долот с целью получения базовых зависимостей основных характеристик от определяющих их факторов для решения задачи повышения равномерности нагружения вооружения шарошек по венцам и опор по подшипникам на стадии проектирования долот.

Современные буровые  шарошечные долота имеют повенцовое размещение элементов вооружения на шарошках. Элементы вооружения на разных венцах располагаются не по образующим конусов шарошек, а в "свету" друг друга. Элементы вооружения четырехвенцовой шарошки при внедрении в горную породу испытывают нагрузки Р₁, Р₂, Р₃ и P₄ на каждый венец соответственно. При этом 

                    P₁+P₂+P₃+P₄ = G_c                                    (13)

где G_c - осевая нагрузка, приходящаяся на одну секцию (шарошку).

Размещение элементов вооружения в "свету" приводит к неравенству нагрузок по венцам. В пределе до 85% нагрузки на секцию может передаваться только на один элемент вооружения одного из венцов, что вызывает его перегрузку. Если такой элемент вооружения находится на одном из крайних венцов, то имеет место максимальная неравномерность нагружения радиальных подшипников. В рассматриваемой задаче участие замкового подшипника  в передаче радиальной нагрузки не принимается во внимание. Для снижения неравномерности нагружения необходимо распределить вооружение в венцах так, чтобы исключить работу крайних венцов по одному в фазах максимального нагружения их элементов вооружения и сузить интервал перемещения точки приложения равнодействующей всех сил P вдоль радиуса долота. Для решения этой задачи была экспериментально определена зависимость положения элементов вооружения относительно разрушаемого забоя, в котором они воспринимают максимальную нагрузку, от определяющих его факторов.

Для выполнения проектировочных  расчетов предложен статистический метод определения ожидаемых значений передаточного отношения i_j. В основу метода положены результаты анализа стендовых определений передаточных отношений, выполненных во ВНИИБТ, РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина и УГНТУ г. Уфа. В качестве основных факторов приняты:

1. геометрическое передаточное отношение i

                                                                                   (14)

где r и R - радиусы шарошки и долота соответственно;

2. относительное смещение осей шарошек в плане k₀

                                                                                (15)

где k - смещение оси шарошки в плане

3. угол наклона оси шарошки к оси долота α ;
4. относительные количества элементов вооружения z_0j в периферийных венцах шарошек  

                                                               (16)

где z - числа зубьев в периферийных венцах шарошек.

По результатам анализа  получено расчетное уравнение в  виде

где А – коэффициент  регрессии                                   (17)

Определение числа зубцов рейки  позволяет уточнить ожидаемые передаточные отношения шарошек по формуле

                                                                              (18)

При аппроксимации экспериментальных данных были проверены линейная и квадратичная зависимости анализируемого признака от статистически значимых факторов. Установлено, что квадратичная зависимость полнее соответствует экспериментальным данным.

 Были исследованы процессы разрушения подшипников скольжения в опоре буровых шарошечных долот при проводке скважин. Раздельно исследовалось разрушение радиальных и упорных подшипников скольжения.

Шарошечные долота с  герметизированными опорами имели  высокую неустойчивость показателей работы, которая проявлялась в виде высокой дисперсии их стойкости. Прежде всего, это касается долот с опорами типа АУ. В связи с этим нами проведено выявление причин, которые могут обусловить снижение стойкости опор. Для этого были проанализированы данные исследований износа долот с опорами типа АУ, отработанных в промысловых условиях в ОАО «Башнефть» и ОАО «Самаранефтегаз».

Анализ распределения шарошек  долот по величинам износа радиальных подшипников скольжения опор показал, что при ненарушенной герметизации опор около 85% больших подшипников скольжения (БПС) и 97% малых подшипников скольжения (МПС) имеют суммарный износ, не превышающий 0,30 мм. Подшипников с сохраненной герметизацией и износом более 0,50 мм не оказалось. Если принять в качестве предельного износа величину, соответствующую износу 97,5% шарошек, тогда величина предельного износа равна 0,36 мм. При нарушенной герметизации около 75% опор имеют кратно больший износ, чем максимальный при ненарушенных уплотнениях. Логично предположить, что стойкость долот Т_д коррелируется со скоростью изнашивания опор. Для определения коэффициента корреляции в качестве аргумента принята наибольшая скорость изнашивания α_max одного из радиальных подшипников скольжения. Данные о работе долот с ненарушенной герметизацией были сгруппированы по виду привода и по объединениям. Регрессионный анализ данных роторного бурения позволил определить коэффициент корреляции R = 0,90, а для турбинного бурения - R = 0,94. Более высокий коэффициент корреляции позволяет утверждать, что влияние α_max на Т_д не зависит от  вида привода при многократном изменении частоты вращения.

Выполненный анализ износа долот показал, что:

1. скорость изнашивания малых радиальных подшипников скольжения опор типа АУ превышает скорость изнашивания больших радиальных подшипников скольжения;
2. высокий коэффициент корреляции между Т_д и α_max свидетельствует о решающей роли износостойкости малых радиальных подшипников скольжения опор типа АУ на стойкость долот в целом;
3. отказ герметизации и повышенный износ вооружения обусловлены нарушением расчетного изнашивания одного и более подшипников скольжения на ранней стадии работы долота;
4. для предотвращения разгерметизации опор необходимо применять уплотнения, работоспособность которых не зависит от радиальных и осевых перемещений шарошки и ее перекосов, обусловленных износом подшипников.

     При таких  постоянных факторах, как режим  отработки долот, не выходящий за пределы регламентируемого, и качество смазочных материалов, причинами раннего схватывания в подшипниках скольжения могут быть:

1. недозаправка опор смазочным материалом;
2. недостаточный зазор между цапфой и втулкой шарошки;
3. перекос оси шарошки относительно оси цапфы и неравномерное прилегание поверхностей трения цапфы и втулки.

Первая причина чисто  субъективная. Ее решение находится в области организации контроля за выполнением технологических операций.

Вторая причина требует изучения. Ее актуальность повышается в связи  с тенденцией к увеличению частоты  вращения долот. Недостаточный зазор  в подшипниках может проявиться косвенно при нагреве цапфы и шарошки.

Третья причина - перекос  оси шарошки относительно оси  цапфы при нагружении долота непосредственно влияет на распределение интенсивности нагрузки на поверхностях трения в подшипниках. Она проявляется в начальный период работы долота и может привести не только к существенному снижению его стойкости, но и к внезапному отказу долота. Неравномерность нагрузки по длине подшипников может быть обусловлена непараллельностью осей шарошки и цапфы во время работы подшипников опоры, которые определяются разностью зазоров в БПС и МПС, а также величиной и направлением эксцентриситета поверхностей БПС и МПС на цапфе, что возникает вследствие дефектов изготовления.

Было также проведено  исследование процессов разрушения упорных подшипников скольжения в опоре буровых шарошечных долот. В экспериментах испытывались образцы из разных материалов в разной смазочной среде. Для обеспечения плоскостности и параллельности контактирующихся поверхностей они шлифовались, полировались, в отдельных случаях даже притирались между собой. Кольца изготавливались разной толщины. Несмотря на разные способы обработки поверхностей, во всех экспериментах прихваты и задиры начинались с внутренних кромок и прилегающих к ним зон колец. Это явление доказывает, что несмотря на точное прилегание трущихся поверхностей в исходном состоянии, при начале трения происходит перераспределение удельной нагрузки с уменьшением от внутреннего к внешнему диаметру кольца. Перераспределение удельной нагрузки на контактной поверхности пар трения, очевидно, связано с износом элементов.

Если обозначить общее осевое усилие, действующее на пару через Р, то

  P=2π ρ q(R - r) (19)

 (20)

Из (20) следует, что при вращающейся паре трения (когда один элемент пары относительно другого элемента этой же пары совершает только вращательное движение) удельное давление q - величена переменная, которая меняется от центра вращения к периферии обратно пропорционально текущему радиусу на поверхности пары трения - ρ (r<ρ<R), что подтверждает данные экспериментов об опережающем разрушении внутренних кромок кольца.

Из (20) определяются минимальное и  максимальное значения удельного давления в кольцеобразной паре трения:

 (21)

 (22)

где q - текущее значение удельного давления на контактной поверхности пары трения, Р - общее осевое усилие, действующее на пару.

Величины удельного  давления, выраженные в формулах (21) и (22) являются теоретическим объяснением характера разрушения подшипников скольжения кольцеобразной формы при постепенном наращивании осевой нагрузки на них. При расчетах момента трения в осевых подшипниках скольжения, как и величины тепловыделения, во избежание ошибки, следует также исходить из эффекта перераспределения удельного давления. Из проведенных расчетов следует, что концевой упорный подшипник работает в самых тяжелых условиях, так как через его центр проходит ось цапфы. Это приводит к его преждевременному разрушению. Поэтому предпочтительнее размещать упорный подшипник на среднем торце цапфы.

Опыт разработки и  эксплуатации долот с герметизированными опорами показал, что положительных  результатов в решении этой проблемы можно достичь только путем комплексного рассмотрения всей системы герметизации долота, включающей конструкцию уплотнения зазора между шарошкой и цапфой, устройство по обновлению смазки в опоре и компенсации давления в ней. Нами разработано долото III 215,9 С-ЦАУ с новой системой принудительной смазки подшипников опор. Разработка направлена на повышение долговечности опоры долота путем обеспечения принудительной ее смазки. Долото разработано применительно к существующей - центровой - технологии ОАО «Уралбурмаш». Традиционно подобные долота изготавливаются по бесцентровой технологии. Термины центровая и бесцентровая технология относятся к технологии изготовления лапы долота. При центровой технологии лапу обрабатывают в центрах, а при бесцентровой – в специальном приспособлении, что значительно усложняет и удорожает производство.

Внутри ниппельной части долота имеется герметизированная камера, которая образована внутренними стенками ниппеля и корпусом центральной промывочной насадки, установленной в осевом отверстии долота с уплотнением. Трубчатая мембрана охватывает наружную поверхность корпуса насадки, а по концам обжимается хомутами. С помощью подводящих каналов герметизированная камера сообщена с подшипниками опоры. Заправка смазкой камеры опор осуществляется через отверстие и систему каналов. При работе долота имеющийся запас смазки в опорах пополняется через систему каналов из камеры. Подача смазки осуществляется под давлением путем ее вытеснения из герметизированной камеры мембраной. Привод трубчатой мембраны осуществляется за счет подачи через каналы насадки в кольцевой зазор между мембраной и корпусом насадки очистного агента. Мембрана выполнена из эластичного материала и позволяет при расширении вытеснить весь объем смазки из камеры, а при работе служит и компенсатором давления в опоре. Сопоставительный анализ с долотами серии ГАУ позволяет сделать вывод, что буровое долото III 215,9 С-ЦАУ более технологично в изготовлении, чем III 215,9 С-ГАУ и при этом обладает высокой надежностью принудительной смазки при гораздо большем ее объеме.

Одной из основных проблем в современном долотостроении является создание эффективных герметизированных опор шарошек долот для высокооборотного бурения, требующих новых работоспособных уплотнений опор. Возможным решением этой важнейшей проблемы являются конструкции разработанных нами уплотнительных устройств долот, в которых основным уплотнительным элементом является О - образное кольцо. В отечественных и зарубежных конструкциях торцовых уплотнений в качестве уплотнительных элементов используются кольца либо из высоколегированной стали с покрытиями различного типа, либо изготовленные из твердосплавных материалов, либо тарельчатые манжеты.

В разработанной нами конструкции уплотнительного устройства опоры долота для обеспечения  работоспособности элементов уплотнения применен  новый технологический прием - нанесение на контактные поверхности износостойкого керамического слоя. Конструкция уплотнения включает в себя подвижное (вращающееся) кольцо, зафиксированное при помощи эластичного О-образного кольца во вращающейся шарошке и неподвижное кольцо, закрепленное через эластичное плоское кольцо в проточке цапфы. Контактирующие поверхности колец имеют керамический слой микродугового оксидирования (МДО) толщиной 0,2 - 0,3 мм. Более толстые слои керамики подвержены трещинообразованию при некоторых изгибах колец, которые могут возникать при работе долота. Установка колец, контактирующих друг с другом через эластичные элементы, позволяет компенсировать осевые перемещения шарошки относительно цапфы, возникающие во время работы долота. Следует указать, что контакт двух колец происходит по пояску, расположенному на периферийной части колец. Обращенные друг к другу поверхности образуют острый угол, что позволяет находящейся в опоре смазке свободно проникать к зоне трения. Испытания уплотнения с керамическим слоем показали высокую долговечность контактирующих поверхностей, в некоторых случаях превышающую долговечность колец с твердосплавными покрытиями. Было разработано, изготовлено и испытано в стендовых условиях долото III 215,9 СЗ-ГВУ-МДО. Испытания опытного образца долота проводились на буровом стенде ОАО "Уралбурмаш". Стойкость опоры долота составила 38,5 часа, что в 1,4 раза превышает стойкость однотипных долот III 215,9 СЗ-ГВ с негерметизированной опорой. Износ опоры характеризуется усталостным износом беговых дорожек цапфы лапы и тел качения. Уплотнения на двух секциях из трех сохранились в работоспособном состоянии, разрушений износостойкого МДО-слоя не отмечено. Результаты стендовых испытаний свидетельствуют о перспективности данной конструкции уплотнения.

Разработано герметизирующее  устройство опор шарошечных долот для  повышенных частот вращения с применением  фторопласта. В полости, образованной расточкой в шарошке и цапфой, установлено фторопластовое кольцо, имеющее внешнюю коническую поверхность, и резиновый силовой элемент, прижимающий фторопластовое кольцо в радиальном направлении к поверхности цапфы и в осевом направлении к торцу расточки шарошки. При полном износе фторопластового кольца резиновый силовой элемент полностью вступает во взаимодействие с цапфой и работает как обычное резиновое уплотнительное кольцо. С этой целью в конструкции комбинированного радиального уплотнения предусмотрен минимально необходимый радиальный натяг между цапфой и резиновым силовым элементом не менее 15%, как и в серийных долотах. Работоспособность уплотнения в стендовых условиях оценивалась величиной момента трения, скоростью изнашивания фторопластовых колец и цапфы, а также визуальным осмотром элементов уплотнения. Стендовые испытания показали, что имеется техническая возможность создания комбинированного радиального уплотнения для долот, работающих при повышенных частотах вращения.