Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

(V,24>

Одна из первых попыток изучения температурного режима ра­боты долот была сделана С. М. Кулиевым, Г. Г. Габузовым, Б. И. Есьманом и А. Г. Мдивани. Было рассмотрено уравне­ние теплового баланса при работе лопастного долота на забое:

Qr — Qn Н — Qjk "Ь Qn>

где Qт, Qп, Qx, Qx — тепло, выделяющееся в результате преодоле­ния сил трения; нагрева призабойной зоны; бурового раствора; самого долота соответственно.

Наблюдениями установлено, что через сравнительно неболь­шой промежуток времени после начала бурения температура в> скважине практически стабилизируется. Поэтому можно принять, что максимальная температура нагрева долота не является функ­цией времени, а лопасть долота следует рассматривать как плос­кую стенку толщиной 26, единица объема которой dv в единицу времени йх выделяет постоянное количество тепла qv. Тогда, по­лагая, что тепло Qn, которое идет на нагрев призабойной зоны, полностью отбирается циркулирующим буровым раствором, выра­жение (V.24) можно упростить и записать его в виде

(V.25J

dQT — d-f — <iQ;K i

Решение уравнения (V.25) приводит к выражению, определяю­щему распределение температуры по толщине стенки с внутрен­ним источником тепла:

(V.26)

где 4н — забойная температура при установившемся тепловом ре­жиме; К — опытный коэффициент; X— теплопроводность материа­ла долота; а— коэффициент теплоотдачи от лопасти к буровому раствору; х — текущая координата.

(V.27)

Температура на поверхности лопасти /л определится при под­становке в уравнение (V.26) х=б:

*■» ~ *зн + Kqv a *

Из рассмотрения полученных зависимостей следует, что темпе­ратура нагрева долота повышается с увеличением температуры циркулирующей жидкости, интенсивности трения qv, толщины ло­пасти и с уменьшением теплопроводности металла и интенсивно-.

сти, затрачиваемой на преодоление сил трения при разрушении данной породы, и зависит от осевой нагрузки на долото, частоты •его вращения, коэффициента трения, физико-механических свойств породы и материала долота, характера разрушения породы (объ­емное, усталостное, истиранием), шероховатости контактных по­верхностей, диаметра долота.

Такое большое число’ факторов, от которых зависит темпера­тура нагрева долота, приводит к тому, что найти аналитическую зависимость для этого случая очень сложно. Поэтому было решено определить температуру работающего долота в реальных условиях екважины с помощью термокрасок, которые определенным обра­зом наносились в специально разработанные термоиндикаторы с капсулами. Так,, в лопасти каждого из трех долот диаметром 267 мм было вмонтировано 48 капсул с набором термокрасок, рез­ко меняющих свой цвет при температуре окружающей среды от ■45 до 610 °С. Расположение капсул позволяло определять темпе­ратуру как по длине лопасти, так и на различных расстояниях от оси долота.

Эксперименты с лопастными долотами проводили при бурении турбобурами при осевой нагрузке 75—90 кН и подаче, насосов 40 л/с. Плотность раствора колебалась в пределах 1,27—1,33 г/см3, вязкость 40—60 с, время механического бурения каждым долотом — составляло 120 мин. Данные о работе опытных долот показали, что вблизи оси долота температуры относительно низкие (не бо­лее 45 °С), немного отличающиеся от забойной температуры буро­вого раствора. Это, по-видимому, объясняется близостью этих участков к отверстиям долота, где вследствие высокой скорости истечения циркулирующей жидкости создается достаточно охлаж­денная зона.

Примерно в таких же температурных условиях находятся уча­стки лопасти, удаленные от забоя более чем на 60 мм; температу­ра нагрева этих участков также не превышает 45 °С, что, по-види­мому, объясняется их нахождением в зоне повышенной турбули — зации. ’

Наименьшее расстояние от точки с зафиксированной темпера­турой до кромки долота равнялось 25 мм. Здесь температура дос — 4 тигала 120—180 °С. Таким образом было реально доказано, что по мере приближения к контактным поверхностям температура ло­пасти резко возрастает. Опираясь на исследования JI. А. Алексее­ва и М. Я. Берковича, И. Ф. Пономарева, О. В. Иванова и А. Н. Ягодина, Е. М. Кузмака и др., приняли, что температура на­грева непосредственно на контактных поверхностях долота равна 800 °С, а на расстоянии 3 мм — 500 °С.

Интервал изменения температур и характер распределения их по лопасти для всех долот мало отличаются друг от друга. Это подтверждает сделанное предположение, что при данных конкрет­ных условиях бурения в призабойной зоне наступает стационар­ный тепловой режим и максимальная температура нагрева не яв­ляется функцией времени. В наиболее тяжелых температурных

условиях находится нижняя часть лопасти шириной 10—12 мм, условно названная критической зоной.

Находясь в непосредственном контакте с породой, эта зона плохб" омывается циркулирующим раствором, поэтому коэффици­ент теплоотдачи а на этом участке имеет наименьшее значение. Значение а будет тем меньше, чем хуже очистка забоя. Отсюда следует, что, несмотря на охлаждающее влияние бурового. раство­ра, на рабочих кромках лопасти долота температура наибольшая и она может достичь значений, при которых твердость и прочност­ные свойства стали будут снижаться, вызывая тем самым пониже­ние износостойкости и работоспособности долота.

При определении температуры нагрева шарошечных долот опи­санные выше термоиндикаторы были установлены в четырех до­лотах типа Б11С. Термоиндикаторы вставляли в 12 больших и 9 малых роликов, для чего в теле каждого из них до закалки вы­сверливали специальное отверстие. На каждую шарошку прихо­дилось по одному-два экспериментальных ролика. Во избежание ошибок при определении температуры нагрева роликов с помощью термокрасок вначале была установлена температура нагрева эле­ментов опоры в процессе сборки долота при сварочных работах и были приняты все меры к тому, чтобы предохранить термоиндика­торы от влияния сварки.

Шарошечными долотами бурили в двух скважинах с использо­ванием турбобуров. Всего было испытано четыре долота, причем время механического бурения составляло от 3 до 4 ч при нагруз­ках на долото от 60 до 140 кН. Показатели бурового раствора: рас­ход 26—38 л/с; плотность 1,32—1,35 г/см3; вязкость по СПВ-5 60— 80 с; температура на устье 4^—44 °С. . .

После отработки экспериментальных долот опоры их шарошек, разобрали и ролики с термоиндикаторами извлекли для исследо­вания. Результаты расшифровки термоиндикаторов показали, что температура нагрева больших роликов достигла 310—400 °С, а малых роликов 300—360°С. Высокая температура нагрева больг ших роликов по сравнению с малыми может быть объяснена тем, что они подвергаются относительно большей контактной нагрузке. Аналогичный характер нагрева имеют и беговые дорожки ша­рошки.

Совершенно иная картина наблюдается при нагреве беговых дорожек цапф. Будучи неподвижными, они контактируют с эле­ментами тел качения постоянно по нижнему нагруженному участ­ку, составляющему 1/3—1/4 беговых дорожек. Этот участок под­вергается значительным контактным нагрузкам и тепловым — воз­действиям, вследствие чего износ происходит в основном только по этому участку и здесь наблюдаются явления выкрашивания и тре — щинообразования.

Тепловой износ зубьев шарошечных долот рассматривали JI. А. Алексеев, М. Я. Беркович, М. Р. Мавлютов. Согласно их представлениям следует различать действие тепла трения при аб­разивном износе и при тепловом. Тогда как в первом случае это

действие всего лишь сопутствующий, а не определяющий процесс, то во втором случае это уже определяющий фактор, изменение которого может повлиять и на вид износа. Тепловые процессы в слабой степени проявляются при ударах и в сильной степени при трении, причем тепловой износ возникает при больших скоростях скольжения и больших удельных нагрузках. Поэтому следует счи­тать, что тепловой износ зубьев долот возникает главным образом при внедрении зуба в разрушаемую породу и при проскальзыва­нии его относительно забоя.

При этом в поверхностных слоях металла возникают интен­сивные пластические деформации сжатия и сдвига, которые при­водят к термически разупрочненному состоянию зуба и его тепло­вому износу. Для теплового износа зуба характерны трещинооб — разования, выкрашивание стали зуба и зерен твердого сплава.

В стендовых и производственных условиях были выполнены исследования при бурении с продувкой воздухом, которые подтвер­дили возможность возникновения в шарошечном долоте при определенных условиях такого теплового режима, при котором по­является повышенный износ его рабочих элементов. При этом, поскольку в шарошечных долотах обычной конструкции подшип­ники непосредственно не охлаждаются, то выделяющееся в них тепло отводится только через шарошки и цапфы. К шарошкам, кроме того, поступает еще тепло и от работающих зубьев, а тепло ■от цапф за счет теплопроводности передается в лапы долота.

От внешних же поверхностей шарошек и лап тепло отводится посредством теплообмена с окружающей средой, т. е. за счет ох­лаждающего влияния промывочного агента.

По мнению Б. Б. Кудряшова, О. В. Зоре, Б. С. Филатова и А. С. Бронзова, цапфы опор шарошек являются теми элементами, температура которых определенным образом может характеризо­вать тепловой режим долота в целом. Именно поэтому они анали­тическим путем ищут расчетную зависимость для определения температуры в цапфе долота 1Ц, которая для условий продувки сухим воздухом выглядит следующим образом:

(V.28)

где Л — коэффициент теплопроводности материала лапы; h — средняя толщина лапы; fu—площадь сечения основания цапфы; <а — коэффициент теплоотдачи в призабойной зоне скважины; fл— площадь охлаждаемой наружной поверхности лапы; k ■— коэффи­циент, учитывающий потери мощности на трение в опорах; z — число шарошек (цапф); N—потребляемая долотом мощность. Па­раметры охлаждающей среды: G — расход; ср — удельная весо­вая теплоемкость; to — начальная температура (над долотом).

Однако использование формулы (V.28) серьезно затрудняется тем, что для определения входящей в нее величины а необходимо иметь специальные критериальные зависимости, которые могут (быть получены только экспериментальным путем.

Нельзя не отметить, что, по данным специально проведенных этими авторами экспериментов, температура в цапфах долот 112ТСКБ с продувкой опоры через лапу оказалась более чем на. порядок ниже, чем в долотах 1В11Т обычной конструкции.

Б. Б. Кудряшов и Н. Д. Михайлова вывели формулу, позволя­ющую определить температуру торца tr коронки, развивающую­ся от работающих твердосплавных резцов либо от алмазов ил» дробин. Формула эта имеет вид

t* =

+

(V.29)>

2Gc„

п]/ГХ1 (aiDi + сc2D2) (D — £>f)

2q

где q — количество тепла, выделяющегося в единицу времени при разрушении забоя; D, Ъ2 ~

t,°C

800

460

Рис. 18. График изменения тем­пературы рабочей части долота с увеличением расстояния от поверхности трения по данным: 1 — электромоделирования; 2 — расче­тов по формулам; 3— экспериментов

наружный и внутренний диаметры короночного кольца; аь аг — коэф­фициенты теплоотдачи соответст­венно в зазорах между коронкой и стенками скважины, между корон­кой и керном. _

Как показали выполненные ими же опыты, температура на торце коронки при продувке воздухом до­стигает 450—500 °С, что близко со­впадает с расчетами по формуле (V.29). Вместе с тем было выясне­но, что характер охлаждения корон­ки в значительной мере зависит от 3.0 z, мм свойств промывочного агента; в частности, было установлено, что эффективному охлаждению способ­ствуют высокая теплоемкость и низ­кая вязкость.

Строгое аналитическое решение задачи о температуре режущей, кромки коронки было дано

А. Н. Щербанем и В. П. Черняком [-69] и затем ими же было про­верено на экспериментальном стенде Института сверхтвердых материалов АН УССР, который позволял имитировать условия за­боя бурящейся скважины. Кроме того, решение этой задачи дублировалось при помощи электромоделирования.

Результаты, полученные этими тремя способами, показаны на рис. 18, из которого видно, что они весьма мало отличаются друг от друга. Вместе с тем данные опытов выявили, что температура в работающей коронке достигает постоянной величины через 15’—• 20 с после начала эксперимента, что позволяет считать процесс теплообмена при работающей коронке практически стационар­ным. При этом максимальная температура, равная приблизитель­но 1000°С, развивается в месте контакта долота с породой, что хорошо согласуется с данными других исследований.

По оценке А. М. Абдулзаде и И. К. Аббасова, при таких вы­сокооборотных способах бурения, как турбинное или электробуре­ние, температура на контактной поверхности секторов алмазного долота с породой может достичь 450—700°С. В условиях столь высоких температурных напряжений материал секторов долота теряет свои прочностные свойства и подвергается пластическому износу.

Г. Г. Габузов [11] теоретическим путем нашел выражения для вычисления тепловой мощности Q, развиваемой на забое алмаз­ным Qj и трехлопастным Q2 долотами:

Qi = 0, бцРЯд/i; Qg = 0,45рРРдя,

где р, — коэффициент трения; Р — осевая нагрузка; — радиус долота; п — частота вращения долота. .

Исходя из физического уравнения в виде

Т’к = f(Q> а» s, Тж).

и используя я-теорему, P. X. Санников и М. Р. Мавлютов нашли •следующие два критерия:

Тка5 ., Тж aS.

= idem; ———— idem,

Q Q

где Q —т интенсивность тепла трения; a — коэффициент теплоотда­чи; 5 — поверхность теплоизлучения; Тж — температура охлажда­ющей среды.

Исследованиями в УФНИ [2] было установлено, что в процес­се работы долота любого типа на его контактной поверхности об­разуется область с повышенной температурой, где наблюдается также повышенный износ вооружения. На этом основании сделан вывод, что для достижения равномерного износа вооружения нет обходимо обеспечить равномерную не энергетическую, а тепло­энергетическую загрузку с учетом ряда таких факторо^, как пере­менная энергоемкость разрушения горной породы, схема охлаж­дения, форма корпуса долота и т. д.

Все изложенное выше позволяет заключить, что температура на рабочих элементах долота любого типоразмера достигает та­ких значений, которые должны учитывать при. выборе материала и конструкции породоразрушающего инструмента, но, имея ло­кальный характер, в общем балансе теплового режима циркуля­ционной системы они могут не приниматься во внимание.

Комментарии запрещены.