Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Многочисленные исследования [9, 50, 83, 92, 94 и др.] указы­вают на сложный характер зависимости износа вооружения ша­рошечных долот от осевой нагрузки на долото и скорости его вра­щения. Нагрузка, недостаточная для получения объемного раз­рушения горной породы, приводит к интенсивному износу воору­жения, причем скорость изнашивания в этом случае возрастает с увеличением скорости вращения колота. После того как нагрузка на долото достигнет величины, обеспечивающей объемное разру­шение породы, интенсивность изнашивания вооружения падает. При разбуривании высокоабразивных горных пород при больших скоростях вращения долота износ увеличивается быстрее, чем по­вышается п. В мягких малоабразивных породах скорость изнаши­вания вооружения изменяется прямо пропорционально скорости вращения долота.

Промысловые наблюдения за износом вооружения трехшаро­шечных долот диаметром 269 мм типа С на площади Котур-Тепе в породах средней твердости и абразивности показали [27] уве­личение средней скорости изнашивания вооружения в 1,58 раза при возрастании скорости вращения долота в 2,74 раза (с 240 до 650 об/мин).

При бурении в твердых породах теоретически контактные на­пряжения на поверхности зубца могут достигать 100—300 кГ/мм2 и выше; фактические же (с учетом неровностей поверхностей зубьев и забоя)—еще больше. Также велики и изгибающие на­пряжения. Контактные и изгибающие напряжения можно считать циклическими напряжениями и принимать их максимальные зна­чения прямо пропорциональными осевой нагрузке на долото. Тог­да число циклов нагружений, которое может выдержать материал зубьев до наступления усталостного разрушения, выразится так:

(112)

а время до наступления усталостного разрушения зубьев

м.. г.. .

(113)

пш пи — 1

где а — возникающие напряжения; z — показатель степени, опре-

деляемый из опытов; Сц — константа материала при данных усло­виях испытаний; пш — скорость вращения шарошки.

Следовательно, долговечность вооружения до наступления усталостного разрушения должна находиться в степенной зависи­мости от осевой нагрузки на долото и в первой степени от скоро­сти его вращения.

Исследования теплового режима при трении скольжения сталей и твердых сплавов о монолитный абразив позволили получить сле­дующую зависимость:

(114)

где’t — температура в зоне контакта в °С; иск — скорость сколь­жения образца по абразиву в м/сек; q — удельная нагрузка в кГ/см2′, Ви 6 и с — величины, зависящие от абразивности породы, материала изнашиваемого образца и свойств охлаждающей жид­кости, При изнашивании образца из твердого сплава ВК8-В по искусственной абразивной породе, состоящей из 50% кварцевого песка и 50% портландцемента, Bt = 31,34; 6 = 0,5 и с = 0,585.

Температура при трении по сухому абразиву, замеренная на расстоянии 1,5 мм от поверхности трения, изменялась в пределах от 113° С при иск = 0,26 м/сек и <7 = 24,6 кГ/см2 до 720° С при г^ск = 2,01 м/сек и <7 = 111,5 кГ/сек2. х

Высокие температуры, развивающиеся в зоне контакта, не только оказывают значительное влияние на интенсивность абра­зивного износа, но и способствуют наступлению усталостного раз­рушения зубьев.

Фирма «Юз» провела серию лабораторных экспериментов по исследованию влияния скорости вращения долота на износ его зубьев [112]. Разбуривался серый гранит долотами W7R (диа­метром 200 мм) с промывкой водой при G=13,61 и 22,68 Т. Вы­
сота зубьев периодически измерялась, и работа долота прекраща­лась, когда оно теряло в диаметре 0,456 мм или имело сильно из­ношенные зубья. Опора в этих экспериментах не лимитировала долговечность долот.

Зависимость долговечности долота от скорости его вращения показана на рис. 42, из которого видно, что с ростом п долговеч-

Снорость вращения долота, об/пип Рис. 42. Зависимость долговечности долота, обусловленной стойкостью’ вооружения, от ско­рости вращения, по данным стендовых, испы­таний. • / — при G = 13,61 Т; 2 — при 0=22,68 Т.

ность долота, обусловленная стойкостью его вооружения, снижа­ется. Это снижение тем резче, чем меньше скорость вращения долота. Чем выше осевая нагрузка на долото, тем ниже долго­вечность долота,

Рассматриваемая зависимость может быть описана уравне­нием (93); значения величин С и хи входящих в это уравнение,, приведены в табл. 19.

г • 1 :

Таблица 19

	G = 13,61 Т	G=22,68 тс, „=75—300 об/мин
Показатели	/1—50^—500 об! мин	„=50—300 об! мин
С…… X! ……	8290 1,51	1890 1	1220 1,34

Проведенные Р. А. Бадаловым исследования работы трехшаро­шечных долот диаметром 298 мм в горизонте КС при роторном

бурении {п—117—320 об/мин и Q=25 л/сек) позволили ему по­лучить следующее уравнение [7, 8]: ‘

Tz — cG~k, (115)

где &=0,42; величина с зависит от л, уменьшаясь с ростом л; Tz — время работы долота, обусловленное износом его вооруже­ния.

Обработав данные, приведенные в статье [7], мы получили

TOC o "1-5" h z с = Щ — щп, (116)

где Щ=40,64 и ц=0,057; поэтому формулу (115) можно перепи­сать так:

Т? = М^Ж — (117>

При данной G формула (lit) принимает вид уравнения (95).

В американской буровой практике Tz в функции Gun выра­жается следующей зависимостью [111]:

у (Gnp-G)(fi + 1) (П8)

, 2аул 1 v •

где a, f — коэффициент, учитывающий конкретные условия работы долота и называемый коэффициентом абразивности; Gm — макси­мальная допустимая нагрузка на долото, обусловленная его проч­ностью; Fi — отношение ширины основания зубца к его началь­ной тупизне. При данной п формула (118) принимает вид урав­Нения (94).

Согласно формуле (118), Tz уменьшается с увеличением G и л, причем быстрее, чем растут эти параметры режима бурения; при G = Gnp наступает мгновенное разрушение зубьев (считается, что Gnp соответствует £д= 1,8 тс/см).

Таким образом, Tz, так же как и Tf, в большой мере зависит от осевой нагрузки на долото и скорости его вращения, умень­шаясь с ростом G и л. В то же время углубление скважины за один оборот долота Sj обычно существенно уменьшается с ростом л и ум растет медленнее л; с ростом же G обычно Si и им возра­стают быстрее G (или прямо пропорционально G).

Следовательно, при проектировании режимов бурения следует форсировать работу долота преимущественно по осевой нагрузке на долото, а не по скорости его вращения; G является одним из определяющих факторов для п. ■

Чем бы ни обусловливалась долговечность долота (опорой или вооружением) в промысловой практике для выражения ее зави­симости от G и л можно пользоваться эмпирическими формулами, имеющими одинаковую структуру, которые должны быть наибо­лее удобными и достаточно точными для данных целей их исполь­зования, а значения входящих в них величин (коэффициентов и показателей степени) должны находиться для конкретных условий практики. ,

При недостаточной очистке забоя от выбуренной породы зубья долота, прежде чем вступить во взаимодействие с материнской по­родой, проходят через слой шлама, дробят его и в результате изнашиваются дополнительно. При недостаточной подаче промы­вочной жидкости в призабойную зону в ней увеличивается содер­жание твердой фазы и снижается подвижность этой жидкости, уменьшается ее охлаждающая способность [60].

В табл. 20 приведены средние показатели работы и износа во­оружения долот 2К-214СГ, отработанных в роторном бурении (га = 90 об! мин) на площадях Восточного Ставрополья при различ-

Таблица 20 Средние абсолютные показатели работы и износа Относительные пока­затели работы и износа Стратиграфи­ ческий горизонт Интервал одинаковой буримости пород, м G, тс Q. л! сек механиче­ ская скорость, м/ч скорость изнашива­ния воору­жения (по коду), В/ч механиче­ ская скорость скорость изнаши­ вания вооружения Площадь П р а вобережная Верхний мел 2330—2500 18 18 46 53 2,40 2,38 0,092 0,051 1,00 0,99 1,00 0,56 Нижний мел 2680—2840 2970—3070 3070—3140 18 18 18—19 18—20 18—19 18—20 46 58 39 53 39 53 2,46 4,26 2,90 3.12 2,50 3.13 0,195 0,340 0,320 0,210 0,330 0,290 1,00 1,73 1,00 1,08 1,00 1,25 1,00 1,75 1,00 0,66 1,00 0,89 Площадь Зимняя Ставка Верхний мел 2320—2540 16—18 15— 18 16— 18 39 53 58 2,94 3,33 . 4,36 0,232 0,073 0,070 1,00 1,13 1,48 1,00 0,32 0,30

ных Q, а на рис. 28 — графики изменения этих показателей при отработке долот в верхнемеловых отложениях на площади Зим­няя Ставка. Во всех рассматриваемых случаях увеличение Q при­вело к снижению скорости изнашивания вооружения, но в каждом случае снижение этой скорости было различным. В породах, в которых увеличение Q не привело к росту им или увеличивало ом незначительно, происходило резкое улучшение очистки забоя скважины от выбуренной породы и снижение скорости изнаши­вания вооружения. Когда увеличение Q вызывало значительный рост ом, интенсивность изнашивания вооружения долот возрастала

(интервал 2680—2840 м) или сохранялась на прежнем уровне (верхнемеловые отложения площади Зимняя Ставка при измене­нии Q от 53 до 58 л/сек). По-видимому, в этих случаях для сни­жения скорости изнашивания вооружения, так же как и для уменьшения скорости изнашивания опор, расход промывочной жидкости должен быть выше.

В турбинном бурении увеличение Q сопровождается ростом п долота и, следовательно, повышением скорости изнашивания воору­жения. Если же сохранить п прежним (путем повышения G), то произойдет рост скорости изнашивания вооружения в результате увеличения G. В случае, если повышение Q не сопровождается соответствующим увеличением G, может произойти существенное снижение показателей работы долот. Это наглядно видно из табл. 21, в которой приведены показатели работы и износа воору-

Таблица 21 Параметры Показатели работы долот при расходе промывочной жидкости, л/сек 33 48 55 Осевая нагрузка на долото, тс………………… 15—18 16—18 12—16 Средняя проходка на долото, м. . . . . 23,8 13,8 9,7 Среднее время работы дебюта, ч…. 1,75 1,6 1,4 Средняя механическая скорость, ж/ч. . . 14,2 11,5 7,0 Средняя скорость изнашивания вооруже­ния по высоте, % в 1 ч……………………………….. 17,8 24,0 30,5

жения 15 долот Б-243СГ, отработанных в породах нижнего мела (интервал 2550—2850 м) на площади Приграничная при различ­ных подачах промывочной жидкости (турбобур ТС5—8").

Степень очистки забоя скважины от выбуренной породы зави­сит не только от Q, но и от схемы ее подачи на забой.

От скорости и схемы движения промывочной жидкости на за­бое зависит также степень охлаждения вооружения долота. К со­жалению, в этой области до настоящего времени не проводились непосредственные исследования. Имеются только отдельные раз­розненные наблюдения за износом вооружения долот, полученные при рассмотрении влияния конструкции промывочных устройств на показатели работы долот.

Большая работа по изучению влияния жидких сред на износ сталей и твердых сплавов проведена JI. А. Шрейнером, А. И. Спи — ваком, К. М. Садиленко, М. Р. Мавлютовым, Г. В. Конесевым и др. Так, исследования [103, 104 и др.] позволили установить, что уменьшение износа сталей и твердых сплавов происходит в результате повышения охлаждающих и смазывающих свойств жидкой среды, а увеличение износа — в результате повышения коррозионных и диспергирующих свойств этой среды. В зависимо­сти от преобладающего влияния тех или иных свойств жидкая среда может не изменять скорости изнашивания сталей и твердых сплавов или может влиять на эту скорость в ту или иную сторону.

Однако существующая методика [56] позволяет оценить влия­ние различных промывочных агентов на износ сталей и твердых сплавов, но не дает возможности раздельно оценивать их смазы­вающие и охлаждающие способности. А между тем, если для сни­жения износа опор долот первостепенное значение имеют смазы­вающие свойства промывочных жидкостей, то для снижения из­носа вооружения большое значение приобретают и их охлаждаю­щие свойства. Поэтому для раскрытия физической сущности про­цесса снижения или увеличения износа вооружения долот в при­сутствии промывочных жидкостей различного состава и для созда­ния новых более эффективных добавок необходимо иметь возмож­ность оценивать раздельно смазывающие и охлаждающие свойст­ва промывочных жидкостей.

Получить такую возможность можно, например, путем замера коэффициента трения ц промывочной жидкости и температуры tF в зоне контакта стального (или твердосплавного) образца при скольжении его по абразиву с охлаждением исследуемой жидко­стью. —

Количество теплоты, образующейся при трении образца из ста­ли или твердого сплава по абразивной-горной породе в присутст7 вии промывочной жидкости, может быть определено по формуле

■ , Qt = “ffi* . (119)

где р. — коэффициент трения образца о породу, зависящий от смазывающих свойств промывочной жидкости; уск — скорость скольжения образца по породе в м/ч; PN — сила давления на об­разец в кГ.

Для определения количества теплоты, отдаваемой образцом в обтекающую его промывочную жидкость в единицу времени, можно — воспользоваться уравнением, вытекающим из основного за­кона теплообмена Ньютона,

Qt = **(tF-tx), (120)

где а* — коэффициент теплоотдачи или конвекции для данных ус­ловий теплообмена; tF — температура поверхности образца; tm — температура обтекающей промывочной жидкости.

Для упрощения решения задачи, учитывая незначительные и одинаковые во всех опытах поперечные размеры изнашиваемых образцов, можно принять, что температура на поверхности образ­ца равна средней температуре, зафиксированной термопарой в зо­не контакта.

Если принять, что при установившемся процессе теплообмена вся выделяющаяся теплота отводится испытываемой промывочной жидкостью, то, приравняв правые части уравнений (119) и (120), можно определить величину коэффициента а *, который будет ра­вен

= ^СК

427 (tF-tx) V ‘

Коэффициент а * может быть использован для относительной оценки охлаждающих способностей промывочных жидкостей: чем

больше величина коэффициента а *, тем лучше охлаждается обра­

зец в рассматриваемых условиях и тем выше охлаждающие свой­ства промывочной жидкости.

Если решить уравнение (121) относительно tF, то получим

tF = tM + kxA, • (122)

где

Л ^ (123)

427

(124)

Ц _ tF’

При проведении сравнительных испытаний A—const и, следо­вательно, при одинаковых значениях tm в сравнительных испы­таниях температура изнашиваемого образца будет тем ниже, чем меньше величина коэффициента к. ж. В свою очередь, величина km снижается с уменьшением коэффициента трения р, который харак­теризует в какой-то мере смазывающие способности промывочной жидкости, и с увеличением коэффициента а *, который при задан­ных условиях характеризует охлаждающие способности этой жид­кости. Поэтому коэффициент кж можно использовать для общей относительной оценки смазывающих и охлаждающих способностей промывочных жидкостей; чем меньше величина km, тем лучше промывочная жидкость с рассматриваемой точки зрения.

Если обозначить через AtF разность между температурами об­разца при установившемся тепловом режиме в процессе сравни­тельных испытаний двух промывочных жидкостей с различными составами, т. е.

A tF = tFt-tFl, (125)

то величина AtF будет зависеть от различий в смазывающих и охлаждающих свойствах сравниваемых жидкостей. Из уравнения (121) можно записать: для первой жидкости

для второй жидкости

. al(tfl—tm) = Ац 2. ‘ (127)

Путем вычитания уравнения (126) из формулы (127) можно

получить

h, = — (lb —’ Ы + ~т + (1 г!

а2 а2 а2 /

Вычтя из левой и правой частей этого равенства tFi, с учетом фор­мулы (125) получим

Mf = “4" (Н-2 — Hi) + f ——— 1) {tFl — *«)■ (128)

“2 “2 J

При а* = а* будем иметь

Д^„ = 4(И2-Ц1), (129)

“2

где А^р,— разница в температуре образца, обусловленная раз­личием смазывающих способностей сравниваемых промывочных

жидкостей.

При pj = р2 будем иметь AW=|T-l|(^-a ’ (130)

где Atра*—разница в температуре образца, обусловленная раз­личием охлаждающих способностей сравниваемых промывочных жидкостей.

Следовательно,

A tf = A tpp + A tpa*. (131)

Раздельную оценку относительного влияния смазывающих и охлаждающих способностей второй жидкости на изменение темпе­ратуры образца можно произвести, воспользовавшись следующими величинами:

Образцы прямоугольного сечения 10X4 мм из стали ШХ-15 (HRC-48) подвергались изнашиванию на лабораторной установке по схеме «скольжение» при удельной нагрузке 178 кГ/см2 и ско­рости скольжения 0,53 м/сек. В качестве абразива использовалась искусственная порода, состоящая из 50% кварцевого песка опре­деленной фракции и 50%. портландцемента. Образец охлаждался промывочными жидкостями с различными смазывающими добав­ками. Расход жидкости и ее температура были одинаковыми (^ж = = 19° С). Температура в зоне контакта изнашиваемого образца с породой измерялась с помощью комбинированной термопары и фиксировалась, как и сила трения, с помощью осциллографа. Эк­сперименты показали, что добавка в глинистый раствор омылен­ных жирных кислот (ОЖК) и окисленного петролатума в одина­ковом количестве снижает интенсивность абразивного износа, р и tF. Но если окисленный петролатум снижает износ за счет более резкого улучшения смазывающих свойств промывочной жидкости (243%) при ухудшении ее охлаждающих свойств (143%), то ОЖК улучшает смазывающие свойства (35%) и еще больше охлаждаю­щие (65%). Добавка ОЖК в промывочные жидкости более эф­фективна с точки зрения снижения износа вооружения долот при абразивном изнашивании, чем добавка окисленного петролатума.

Промысловые наблюдения за работой и износом долот 2К-214СГ в породах верхнего и нижнего мела на площадях Зим­няя Ставка и Правобережная при бурении с добавкой в промы­вочную жидкость окисленного петролатума и ОЖК подтверждают выводы, полученные при применении указанной методики. Уста­новлено, что добавка в глинистый раствор окисленного петрола­тума (СМАД-1) в количестве 5—45 л на 1 л проходки снижает скорость изнашивания вооружения от 3 до 35%, а добавка ОЖК в количестве 4—11 л на 1 м проходки снижает скорость изнаши­вания от 20 до 40%, т. е. добавка ОЖК более эффективно сни­жает износ вооружения, чем СМАД-1. . —

Таким образом, регулируя смазывающие и охлаждающие свой­ства промывочных жидкостей, можно значительно повысить рабо­тоспособность вооружения долот. v

Если в области исследования абразивного износа вооружения долот и разработки мер по его снижению проведена определен­ная работа и получены практические результаты, то вопросы ис­следования влияния промывочных жидкостей на усталостное раз­рушение вооружения требуют своего решения.

Комментарии запрещены.