Способ армирования породоразрушающего инструмента

Способ армирования породоразрушающего инструмента

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к проектированию , конструированию и разработке долот режуще-скалывающего действия и их применению при бурении скважин, и позволяет повысить эффективность способа армирования породоразрушающего инструмента за счет оптимального распределения резцов различных типов и формы. Это достигается тем, что определение силовых и энергетических параметров производят по рабочей поверхности при разных типах и формах резцов. Выделяют участки оптимальной силовой и энергетической загруженности . Размещение резцов осуществляют по выделенным участкам в соответствии их формы и типа характеристикам этих участков . При работе регулирование распределением силовых и энергетических параметров путем комбинирования резцов различных типов и формы позволяет увеличить энергонапряженнЩ ть резцов на участках наибольшего сопротивления пород разрушению За счет снижения ее н а участках относительно меньшего сопротивления . Это приводит к более рациональному распределенгкд зй гоййпряженности на инструменте, что прйвод ит к увеличению его долговечности. 6 табл., 6 ил.

сОюз сОВЕтских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ, РЕСПУБЛИК (, Ы,, 1к754873 А1 (5!)5 Е 21 В /О

ГОСУДАР СТВЕ ННЫ И КОМИТЕТ

Г10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ТЕНИЯ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К.АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ л

К °

I»

Изобретение относится к породоразру- Другим нчедостаткоцм уксазанных способов: 4

° шающему инструменту, а именно к проекти-:: . является необоснованная концентрация ре- (Л рованию, конструированию и разработке - жущих элементов на торце бурового долота ф, долотрежуще-скалывающего действия и их:,, безучетахарактеркавзаимодмейСтвиярезцбвк ©ф применению при бурении скважин.:. : : и механизма разрушецния"горной породы. на

Известен способ армирования долот, "- различных участках. " заключающийся в размещении резцов в .;..,:,-::::- ;::.::: .:.:".. :.:.,:.. -::::-,."- --- =:,:. ::: .:.:::. :. с " .. шахматном порядке. по цепочке, порадиуСу . "указанные недостатки vàñvè÷íî устраи по концентрическим окружностям .: ::--: няются в известйом спохсобте путем увеличе- ...а

Размещение резцов по перечисленным . ния концентрации азлмазов-в нАружной способам неэффективно. Способы разме-". части торца йородторазрхуйййощего инструщения резцов из условия равномерного пе- .- . мента; применяя при "этом более крупные,, рекрытйя . забоя приводит к - . алмсазы; и использочванием аелмэзсов разлйчи реждевременному износу резцов на от-" ных ранзмеров и качнеств",опфехдеттляЕмных кондельных участках и выходу из строя породо- струкцией алмазной матрицы, котокрчзыйк по разрушающего инструмента при, технической сущности и достчигаемому реиспользовании вооружения на 20,—. 30),. (21) 4808648/03 (22) 04.04.90 (46) 15.08.92. БюмлМЗО (71) Уфимский нефтяной институт (72) M.Р.Мавлютов, Л,А.Алексеев, P.Ã.Ãàíèев, Х.И.Акчурин и Д.М.Ахметшин (56) Царицын В.В, Алмазное бурение. M.:Недра, 1975, с.17, (54) СПОСОБ АРМИРОВАНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА (57) Изобретение относится к породоразру-. шающему инструменту, а именно к проектированию, конструированию и разработке долот режуще-скалывающего действия и их применению при бурении скважин, и позволяет повысить эффективность способа армирования породоразрушающего инструмента за счет оптимального раСпределения резцов различных типов и формы.

Это достигается тем, что определение сило2

t" вых и энергетических параметров производят по рабочей поверхности при разйы ти-

" пах и формах ре:з цов Вы деляют уча.стки

ОПтИМаЛЬНОй СИЛОВОЙ И ЗкНЕРГЕтИЧЕтСКОй Загруженности. Размещенние резцов осуществ-ляют по выделеннычм участктам в сОотвнетствии их формы и типа харакгеристикам этих уча стков, При работе регулирование распреде-- лением силцовйх"х и энергетических параметров путем комбинирования резцов, различных типов и формы позволяет увеличйть знергонапряЖЖнохСятоьх резцов на участках наибольшего сопротйвления пород разрушению За счет сйижт"ениуя ее на участКаХ ОтНОСИтЕ ЛЬН О МтЕй ЬВ1Е ГО СОПР ОтИВ ЛЕния. Это приводит. к более рациональному распртеделениФ зН»ергонйапряженноксти на .инструменте. что х привнодт ит ic óàåëè÷åíèþ его дол говечностй. 6 табл., 6 ил. .."

1754873

20 условию йф Й„,; < йф, (1) 30

Руд ф РМ< Руд "Р (2) 40

50

55 зультату является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Недостатком укаэанного способа являeTcR выбор размеров и качеств алмазов в зависимости от конструкции алмазосодер- 5 жащей матрицы, что не связано ни с механизмом, ни с особенностью разрушения горных пород на разных участках забоя, ни режимами взаимодействия алмазов с породой, ни с физико- механическими свойствами разрушаемых пород, что приводит к снижению механической скорости VMex и долговечности породоразрушающего инструмента. Кроме того, решение задачи износостойкости не связано с мехайической 15 скоростью бурения, а основной показатель бурения — сроки строительства скважины зависит, прежде всего, от механической скорости и при решении задачи сокращения сроков стооительства скважин необходимо совместно рассматривать проблему повы.шейия и увеличения долговечности долота.

В известном способе нет задачи уменьшения сопротивляемости горных пород механическому разрушению в зависимости от форм и типа инденторов и их расположения на торце породоразрушающего инструмен.та...

Также в известном способе не учитываются воэможности бурового комплекса, что в совокупности с перечисленными недостатками приводит к йеэффективной реализации подводимой на забой энергии, В известном способе при размещении резцов не учитывается характер распреде- 35 ления силовых и эйергетических параметров по рабочей поверхности в завйсимости от формы элементов вооружения.

Цель изобретения — повышение эффективности способа оптимального распределения типа и формы резцов по рабочей поверхности породоразрушающего инструмента.

Поставленная цель-достйгается тем, что определяют распределение силовых и энергетических параметров по участкам рабочей

noseðõêîñòè породоразрушающего инструмента при разрушении горньiх пород с onределенными физико-механическими свойствами, различными типоразмерами вооружения, причем изучение проводят только экспериментальным путем; для каждого типа вооружения, режимов разрушения свойств пород строят характеристики йзменения силовых и энергетических параметров по мере удаления от оси скважины и выделяют участки потенциального износа по критическим значениям тех или иных параметров; выбирают тип и форму резцов из полученных зависимостей, обеспечивающие минимальное значение тех или иных параметров на участке потенциальнс го износа и преждевременного выхода из строя вооружения проектируемого долота. и размещение резцов осуществляется путем их комбинирования, определяют геолого-технологические условия работы долота, Необходимость выполнения перечисленных операции заключается в следую щем.

Эффективность разрушения горной породы на разных участках забоя в значительной степени определяется характером распределения силовых и энергетических параметров взаимодействия по рабочей поверхности породоразрушающего инструмента.

Расчетная " величина удельной мощно сти, реалйзуемой на каждом участке рабочей йоверхности, должна удовлетворять где NyaIЭФ вЂ” удельная мощность на участке рабочей поверхности, при достижении которой начинается эффективное объемов разрушение горной. породы;.

Nyai —. реализуемая на участке мощность;

Nya " — предельная удельная мощность йа участке, при достижении которой начийается катастрофическое изнашивание (разрушение) вооружения.

Для удельной нагрузки условие (1) можно запйсать так;

Характер распределения удельной нагрузки и момента (модности) по рабочей поверх ноcти, породо разрушаю щего инструмента следующий; удельная нагрузка имеет максимальную величину в центре и периферии, крутящий момент — на периферии рабочей поверхности. Иначе Pyai"Р может быть достигнуто при Nyaya < Nyaya"Р и, наоборот, Йуд " может быть достигнуто при

kyat< yai Р

Кроме того, эффективность работы, энергетическая загрузка породоразрушающего элемента в значительной степени определяетСя его геометрическими параметрами (величиной, формой рабочей поверхности и т.п.). Следовательно, путем комбинирования различных типов резцов можно регулировать (оптимизировать) распределение силовых и энергетических параметров по рабочей поверхности

5 1754873 6 породоразрушающего инструмента, чтб в" разруШения конкретного типа горных поконечном итоге повлияет на эффективность род. Далее излучается характер распредепроцессаразрушения;те.увеличенйемеха- " . ления силовых "- и; энергетических нической скорости и повышения долговеч- параметров по рабочей поверхйо ности долота;: ::: : --:."":;- :. -: 5 румента для"каждой формы:элемейта вооруЗаявляемый способ армирования буро- . жения.. Путем сопоставления по тученных вых долот позволит" увелйчи1ь мехаййче- " зависимостей расйределения параметров скую скорость бурения за счет уменьшения .. взаимодействия с торной породой выбираудельной энергоемкости разрушения тор- ется оптимэмьная форма резца, Произвоных пород на участках, сдерживающих уг-"10 дится анализ распределения параметров лубление всего долота.:: .....:, .:::: .,: взаимодействия с учетом условйй для опреВыполнение всех операций при арми- .. деления аномальныхучастков. Выделенйые ровании долота по заявляемому способу по участки осйащаются резцами другой.формы определенной последовательности позво-" или типа, обеспечивающими оптймальную"

- лит комплексно рас*сматривать горно -геоло- 15 загруженность" всей торцевой поверхности гические и технико-технолотические ". породоразрушавщего инструмента... условия работы долот; что оказывает поло -" :-: Пример. Способ. армирования порожительное влияние на повышение долго- . доразрушающего инструмента для рассматвечности и увеличение механической рйваемого примера показан в виде скорости.. 20 структурной схемы на фиг.1.

Регулирование распределением сило -" Определяют механическйе свойства исвых и энергетических параметров путем" следуемой на разрушение. породы, комбинирования резцов различной формы позволяет увеличить энергойапряженность "": Твердость по штампу

А резцов на участках наибольшего сопро- 25 Рщ, МПа; 8,8 — 11 тивления пород разрушению зэ счет сниже-: . Предел текучести Ро, ния ее (A ) на участках относительно МПа, — .:. 5,3-6,5 меньшего сопротивления, что в конечном Условйый коэффициент счете приводит к более рациойальйому uic- текучести, К 2,8- 3,8 пользованию подводимой нэ забой энер- 30 гии. Далее экспериментально определяется роме того, возможность регулирова- . распределение параметров взаимодейст ния распределением силовых и энергетиче- .: вия по рабочей поверхности для резцов Г14, ских параметров дает возможность . Г51 и Г53(см. табл;3). облегчения условий работы резцов в зоне 35 Для исследования распределения перехода от торца долота к калибрующей удельной нагрузки (Pyg определяются для части, что в итоге, снижает интенсйвйбсть -: каждого учэстка"рабочей поверхности долопотери диаметра долота и предупреждает - та от цент ; табл.4). По возможные осложнения, связанные с поте- - полученным результатам вычйСляются рей диаметра: 40 удельные нагрузки.

Следует подчеркнуть, что управление " .: Для определенйя частбты вращения ираспределением по забою параметров вза 3,25 с "данные по распределению удельных имодействия резцов с породой проявляется нагрузок прйведены "в табл.2. лишьприусловииучетапредполагаемыхре- . Дальнейший анализ распределения жимов работы долота и свойств разрушае- 45 удельных нагрузок rio рабочей поверхности мой горной породы. В противном случае,:: -:долота с различными"тййами вооружейия при изменении режимов бурения или про-: ведут при неизменной величине удельной ходке пород со свойствами, резко отличаю-: . нагрузкй на долото (Р до= 450 МПа), для чего щимися от использованных при строятся номограммы Руд от Р до(фиг2 — 4). проектировэнйи, возможно нежелательное 50 перераспределение параметров взаимо-: -:: Наосновеполученныхномограммопредействия и ухудшение показателей работы деляем Руд для всех тиров резцов при обпородоразрушающего инструмента. — :. ; " .щей удельной нагрузке 450 МПа (см. табл,3

В первую очередь для реализации cd- ":: и фиг,5). соба армирования породоразрушающего 55 -" Как вйдно из фиг.5, удельная нагрузка инструмента необходимо определить физи- распределяется по рабочей поверхности неко-механические свойства горных пород. По . равномерно. Наибольшие значения „ e стным еоретическим предпосылкам - ных нагрузок сосредоточены в центре и на выбирают наиболее близкие формы рез- периферийных участках Долота. Для долот с цов, соответствующих для эффективного различными формами Элементов вооруже1754873

45

55 ния при неизменной удельной нагрузке на долото и частоте вращения. распределение удельной нагрузки по участкам рабочей поверхности неодинаковы. Так, при частоте вращения долота 3,25 с и удельной нагрузке для долот с резцами Г 51, причем на первом участке рабочей поверхности Руд значительно меньше, чем на других долот, а на пятом участке минимальное значение

Руд5 для резцов Г 14.

По результатам- айализа, очевидно, одной из причин изнашивания торца породоразрушающего инструмента с образованием кольцевой выработки является неравномерное распределение Руд.

Для того чтобы повысить равномерность изнашивания, необходимо уменьшить сопротивление породы механическому разрушению на критических участках, что достигается путем армирования участков потенциального опережающего износа такими элементами вооружения, которые обеспечивают сниженйе значения удельных нагрузок на рассматриваемых участка х.

Из полученных экспериментальным путем зависимостей распределения удельных нагрузок выбирается вариант размещения резцов и определяется теоретическое распределение удельной нагрузки по торцу породорэзрушающего инструмента йри замене элементов вооружения на участках резцами такой формы, которые обеспечивают минимальное "значение удельной "нагрузки на рассматриваемом участке, при этом снижая энергоемкость разрушения(см. приложение, табл.3). Следовательно, в"данном случае долото можно армировать по следующему варианту:

Для оценки действительйого распределения удельной нагрузки на рабочей поверхности и анализа механической скорости бурения долочФмй афмированй ыми по предлагаемому способу проведено опытное бурение;

На фйг.б показано распределение удельной нагрузки по рабочей поверхности при Рудо = 450 МПа и n = 3,25 с для долота армированного по предлагаемому способу, а также для долот с резцами Г 51, Г 14 и Г

53.

Эффективность применения резцов различных типов при армировании буровых долот определяется также удельной энергоемкостью процесса механического разру8 шения горных:пород. Поэтому для принятия окончательного решения по определению оптимального варианта армирования долота необходимо учитывать распределение не

5 только силовых. но и энергетических параметров разрушения горных пород.

Например, анализ распределения удельной работы разрушения можно провести по распределению мощности (момента)

10 на участках долота. Анализ проводится аналогично описанному и римеру.

Изобретение по сравнению с прототипом позволяет увеличить долговечность долота путем комбинирования

15 резцов различной формы таким образом, чтобы на участках потенциального преждевремеййого выхода из строя элементов вооружения в результате высоких удельных нагрузок Руд > Руд"Р устанавливают

20 резцы; удовлетворяющие условию Руд <

Руд"Р. За счет обеспечения более равномерного распределения Руд по рабочей поверхности увеличивается долговечность долота по предлагаемому варианту размещения

25 элементов. вооружения по поверхности.

Механическая скорость бурения увеличивается за счет обеспечения эффективности разрушения горной породы на участках, где Руд < Рудзф, В предлагаемом изобрете30 нии при увеличении долговечности механическая скорость не снижается, а даже несколько увеличивается (см. табл.2), Формула изобретения

Способ армирования породоразрушающего инструмента, включающий определение силовых и энергетических параметров взаимодействия резцов инструмента с горной породой, размещение резцов на рабочей поверхности в соответствии с характеристиками взаимодействия и закрЕпление резцов; отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет оптимального. распределения резцов различных типов и формы, оп ределение силовых и энергетических параметров производят при разных типах и формах резцов, затем выделяют участки onтимальной силовой и энергетической загруженности, а размещение резцов осуществляют по выделенным участкам в соответствии их формы и типа характеристикам Этих участков, iu

Таблица 1

Та блица 2 Таблица 3

Осевая наг зка на частках; к

Тип вооружения

Р2

Г14

Г51

Г53

Меха ническая скорость бурения, VMex м/с

0,84

1,04

1,6

0,61

0,87

2,11

0,94

1,52

2,5

2,0

2,52

3,35

0,8

2,02

3.47

1,44

2,36

3,12

1Л

1,38

1,84

0,36

0,87

1,5

0,65

1,06

1,41

0,74

О,ч4

1,25

0,26

0,32

1,13

0,42

0,7

0,93

0,56

0,71

0,95

0,32

0,8

1,37

0,45

0,73

0,97., 1,41

",. 1,81

2,42 . 1,0

2,45

4,23

0,88

1;43

1,9

Общая нагрузка на долото, Р ; кн.

6,80

8,61

11,47

2,54

6,36

11,0

3,7

6,03

7,97

Частота вращения долота и, c ".

3,25

3,25

3,25

3,25

3,25

3,25 .

3,25

3,25

3,25

1754873

Таблица 4.Е

0прецеленив физико -механических свойств горньх пороц

ПервоначальйМ вь бор соответствующих форм элементов вооружения

I реэця Г 5I реэць Г 53 резцц Г I4 1

Составление номограмм

Совмещение, сопоставление характерисТик резцов. различной формн

Рнбор форин резцов цля кажцого участка, уцовлетворяющего условию мя : г м - "4 » и

Р ы.-..

Варианты р мещения резцов

t !

В2

П ове ка выполнения ц гих словий

Фиг./

Изучение распрецеления силовых и энергетических параметров по участкам рабочей поверхности пороцоразрушающего инструмента

1754873

400 r0g Рио, /й7а 700

Фиг.2

° °

1Т54873 аппо

1.

1, о 1

500 400 ЛЮ 600 700, P1/la 900

ФггЗ

Юо

<0О и0О М0 400 Руо ИПа бала

Фиг4

1754873

°

00

ОВ

4б8 %о /д

1754873

i754 05 46В R4 к0

Фи& 6

Соста вител ь А. Скалунов

Редактор M.Öèòêèíà Техред M,Моргентал .. Корректор C.К3ско

Заказ 2874 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Рэушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101