Породоразрушающий элемент бурового долота и способ его изготовления

Породоразрушающий элемент бурового долота и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: породоразрушающий инструмент при бурении скважин любого назначения. Сущность: износостойкий элемент 5 расположен слоем под набегающей 3 гранью на расстоянии 0,4-1,0 мм от ее поверхности. Объем V2 слоя 5 и объем Vi рабочей головки 2 связаны соотношением V2 (0,25-0,35)Vi. При изготовлении формирующую набегающую грань литейной формы располагают в плоскости, параллельной оси вращения линейной формы. Вращение производят в направлении от формируемой набегающей грани. Частоту вращения литейной формы определяют из зависимости: (о- Kfln(R/Ro), ,22г2Ооэ -рП 1/с; V- кинематическая вязкость стали, мм/с; г - радиус зерна износостойкого материала, мм; РЗ - плотность зерна, г/мм3; р - плотность заливаемого металла, г/мм3; t - время кристаллизации поверхностного слоя, с; R0 и R - расстояние от оси вращения до основания и вершины литейной формы соответственно , мм. 2 с.п. ф-лы, ил., 1 табл. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Е 21 В 10/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4887002/03 (22) 04.12.90 (46) 15.04,93. Бюл. М 14 (75) В.А.Ясашин, А.Н.Николаев, Т.Ф,Минеев, E.Á.Ùåðáàêoâ, А.С.Тужиков и Д.Ю.Сериков (56) Крылов К.А. и др. Повышение долговечности и эффективности буровых долот, М., Н,83, с. 118, р. 43. (54) ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

БУРОВОГО ДОЛОТА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: породоразрушающий инструмент при бурении скважин любого назначения. Сущность: износостойкий элемент 5 расположен слоем пЬд набегающей

3 гранью на расстоянии 0,4-1,0 мм от ее поверхности. Обьем Vg слоя 5 и обьем Ч1

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту и может быть использовано при бурении скважин любого назначения.

Цель изобретения — повышение эффективности породоразрушающего элемента за счет повышения сопротивляемости изгибающим нагрузкам и самозатачивание в процессе бурения, На фиг.1 представлено продольное сечение породоразрушающего элемента по прототипу; на фиг.2 — продольное сечение предлагаемого породоразрушающего элемента.

Породоразрушающий элемент содержит ножку 1 и рабочую головку 2 с набегающей 3 и сбегающей ° 4 гранями в износостойкий материал, расположенный внутри рабочей головки под набегающей. Ы 1808964 А1 рабочей головки 2 связаны соотношением

Vz = (0,25-0,35)V1. При изготовлении формирующую набегающую грань литейной формы располагают в плоскости, параллельной оси вращения линейной формы. Вращение производят в направлении от формируемой набегающей грани, Частоту вращения литейной формы определяют из зависимости: м= К In(R/Rp), где К- р/(, (рз p)t), /c;

v — кинематическая вязкость стали. мм/с; г —радиус зерна износостойкого материала, мм; рз — плотность зерна, гlмм; р — плот3,. ность заливаемого металла, г/мм; t — время з. кристаллизации поверхностного слоя, c; Rp и R — расстояние от оси вращения до основания и вершины литейной формы соответственно, мм. 2 с.п. ф-лы, ил., 1 табл. гранью 3 слоем 5 на расстоянии 0,4 — 1,0 мм от ее поверхности.

Расположение износостойкого материала слоем только под поверхностью набегающей грани позволяет повысить сопротивляемость рабочей головки изгиба- Ж ющим нагрузкам, за счет того, что в данном О случае большая часть обьема рабочей голо- (,Ь вки, составляющая 0,65-0,75 всего объема ф „ ее выполнена из стали неохрупченной вторичными карбидами, образуюшимися при растворении поверхностного слоя зерен изб носостойкого материала в процессе изготовления породоразрушающего элемента.

Размещение износостойкого материала именно под набегающей (а не сбегающей) гранью вызвано необходимостью упрочнения именно этой поверхности породоразрушающего элемента, поскольку именно она является наиболее нагруженной и испытывает

1808964 наибольшое воздействие породы. В то же время такое размещение износостойкого материала способствует проявлению эффекта самозатачивания рабочей головки при бурении, Это объясняется тем, что темп износа неупрочнен ной сбегающей гранй будет выше, чем у набегающей, В результате этого будет сохраняться удельная контактная нагрузка на забой.

Необходимость расположения зерен износостойкого материала на заданном расстоянии (0,4-1,0 мм) от поверхности набегающей грани объясняется следующими . соображениями. Зерна износостойкого материала (например релита или BK) получают дроблением исходных материалов, в процессе которого в зернах зарождаются трещины, в результате чего зерна, являясь хорошим износостойким материалом, в то же время являются хрупкими и не выдерживают ударные и изгибающие нагрузки. Поэтому, если верхнюю границу слоя износостойкого материала вывести на поверхность набегающей грани, то при бурении будет наблюдаться быстрое . выкрашивание верхних зерен под воздействием ударных и знакопеременных нагрузок.

При этом будут обнажаться нижележащие слои зерен и работа всего износостойкого слоя будет сопровождаться его выкрашиванием.

Кроме того, защитный слой металла величиной 0,4 — 1,0 мм предохраняет зерна износостойкого материала от окисления и выкрашивания в процессе химико-термиче.ской обработки, которой подвергаются стальные породоразрушающие элементы.

Величина защитного слоя металла определялась экспериментально путем испытаний породоразрушающих - элементов в виде зубковф20 мм на удар со знакопеременным изгибом в присутствии абразива.

Результаты испытаний приведены в таблице. Критериями потери работоспособности зубков были выбраны уменьшение высоты рабочей головки размеры площадки притупления после 10 тыс. нагружения.

В этой же таблице содержатся и доказательства правомерности выбранного интервала соотношения объемов рабочей головки

Ч1 и слоя иэносостойкого материала V2, а также доказательство влияния совокупности заявленных признаков на поставленную цель.

Как видно из таблицы,при малом объеме слоя, когда Чг = 0,15V> и его верхняя граница расположена на поверхности набегающей грани, наблюдается значительная потеря высоты рабочей головки зубка и сильное притупление, Это объясняется тем, что в процессе испытаний незащищенный металлом матрицы тонкий слой релита быстро алывался, а неармированная часть рабочей головки зубка интенсивно изнашива5 л ась.

Некоторое снижение интенсивности изнашивания рабочей Роловки при увеличении расстояния верхней границы слоя износостойкого материала от поверхности набега10 ющей грани до 0,1 мм и последующий рост при увеличении этого расстояния до 1,4 мм объясняется тем, что до определенного предела слой металла матрицы, являясь как бы демпфером, снижает воздействие ударных

15 нагрузок на зерна, а последующее его увеличение приводит к ослаблению набегающей грани и, как следствие, к ее интенсивному износу.

При большом объеме слоя износостойкого материала Ч = 0,55Ч1, верхняя граница которого лежит на поверхности набегающей грани высокая интенсивность изнашивания объясняется высокой хрупкостью рабочей головки из-за большой насыщенно25 сти ее зернами релита и неспособностью в связи с этим, противостоять ударным знакопеременным нагрузкам. Снижение интенсивности изнашивания при увеличении слоя металла матрицы и дальнейший ее рост при

З0 превышении заявленного предела объяснялось выше.

Таким образом были определены интервалы величины расстояния верхней границы защитного слоя от поверхности

З5 набегающей грани 0,4 — 1,0 мм и соотношение объемов слоя износостойкого материала и рабочей головки V2 = (0,25 — 0,35Ч ).

Совокупность этих параметров обеспечивает повышение долговечности и эффективно40 сти породоразрушающего элемента.

Необходимо отметить, что при испытании таких зубков наблюдалось их самозатачивание с сохранением площадки притупления, объясняемое более быстрым

45 изнашиванием неармированной сбегающей грани по сравнению с набегающей.

Цель предложенного способа — повышение долговечности и эффективности породоразрушающего элемента за счет

50 размещения износостойкого материала только под набегающей гранью и экономия износостойкого материала.

На фиг,З представлена схема расположения литейных форм относительно оси

55 вращения по прототипу; на фиг.4 — схема действия сил на зерно износостойкого материала и траектория его движения, Сущность способа армирования по прототипу состоит в том, что при одновременйой подаче расплавленного металла и зерен

1808964 износостойкого материала во вращающуюся литейную форму 6, зерна, имеющие плотность приблизительно в два раза большую, чем плотность металла, под действием центробежных сил устремляются к вершине 7 литейной формы 6, заполняя рабочую головку 2 (фиг.1), образующегося породоразрушающего элемента.

Однако, в известном способе не учитывалось влияние частоты вращения, действующих на зерно сил и расположение поверхностей литейной формы, образующих рабочую головку (фиг.Зб) на характер размещения износостойких зерен в объеме рабочей головки. В связи с этим; при реализации данного способа наблюдается хаотическое распределение износостойкого материала в обьеме породоразрушающего элемента после его кристаллизации. При этом зерна оказываются или в ножке породоразрушающего элемента, или заполняют весь обьем рабочей головки (фиг.Зв, r).

Для исключения таких случаев необхо) димо установить взаимосвязь между параметрами процесса. Исходя из сущности процесса центробежного армирования, можно сделать вывод о том, что математи ческое описание этого процесса сводится к описанию движения зерна в жидкой стали под действием центробежных сил, На зерно износостойкого материала, находящееся в жидкой стали во вращающейся системе, представляющей собой, в общем случае, цилиндр, ось которого распо ложена горизонтально и перпендикулярно оси вращения, действуют следующие силы (фиг,4); Рц — центРобежнаЯ Сила; Р 7 и Pr2— силы гидродинамического сопротивления;

PT — сила тяжести; Р, — выталкивающая сила и PK — сила Кориолиса.

Принимая во внимание тот факт, что наибольшее влияние на характер перемещения зерна оказывают силы Рц и Рг7, исходя из условия равновесия сил, действующих на зерно, уравнение его движения запишется в следующем виде

Q= F или

V(— p ) цу= R = 6 л r rg V (7), гдеQ —; F— сила вязкого сопротивления Стокса; r — радиус зерна; рз — плотность зерна;Р— плотность стали; в — частота вращения литейной формы; R — радиус вращения; Ч— скорость движения зерна; y = vp — динамическая вязкость стали; V — объем зерна.

Обозначив V - и, проведя необхоdR

dt димые преобразования, получим:

V(Рз — p ) йР d t = 6 ж r q

dR (2) Если приняв, что V- л r, то с учетом

4 э

10 с7 =и оуравнение(2) преобразуется к виду: — лг (р) — р)йР d t =блгир (3) 15 Интегрируя обе части уравнения, получим, 1и — = 0,22

Ro vp или

In+ v p

022 г2(рз — р) t (4) 25

1 где К— и вычисляр 22 r2 (з ) с сек ется для каждого конкретного случая, 50 Пример. Необходимо изготовить породоразрушающий элемент или, конкретнее, зубок бурового долота 9 20 мм и высотой 30 мм из стали 20ХНЗЛ, с рабочей головкой, армированной износостойким ма55 териалом "релит", грануляции 0,63-0,9 мм и при этом обеспечить защитный слой металла над армированной зоной 0,4 — 1,0 мм, а сами армирующие зерна расположить слоем под набегающей гранью, Если принять во внимание, что параметр с(сек) — это время, эа которое кристаллизуется поверхностный слой металла, поступившего в литейную форму, то, оче30 видно, что полученная зависимость (4) позволяет определить частоту вращения литейной формы, при которой зерно износостойкого материала под действием центробежных сил достигает вершины литейной

35 формы, т,е. расстояние от Rp до R, преодолевая сопротивление расплавленного металла, обусловленное его вязкостью. При этом, если учесть, что величины и, рз, p r u t для каждого конкретного случая есть вели40 чина постоянная, то зависимость (4) можно привести к виду:

1808964

10

20,5— сек

30

co= KIInIRiR,j, Для этого сначала вычисляем коэффициент К, исходя из следующих данных: кинематическая вязкость хромоникелевой стали 20ХНЗЛ при температуре 1650 С равна 0,005 см /c; р=7,8 г/см ъ 16,4 г/смз; г=0,07 см и ь0,01 — 0,02 с. Таким образом, из (5) поЛучим

Далее по элементарным формулам рассчитываем R, исходя из заданного количества зубков Р 20 мм, получаемых за одну заливку, предположим 25 шт.

20х25 80 о — мм, тогда R = Ro+ 30 = 80+ 30 = 110 мм

Таким об азам из (5) получим и = К In =20,5(ln —. = 11,5

11 1

8 се к

- 694 /мин.

Для того, чтобы получить заданное расположение зерен износостойкого материала, а именно слоем под набегающей гранью необходимо по известной формуле m = 0,49г

«рзЧ, где Ч вЂ” объем слоя, 0,45- коэффициент, соответствующий концентрации зерен в матрице 45 Д, определить массу зерен и расположить поверхность литейной формы, формирующую набегающую грань в плоскости, параллельной оси вращения, а вращение производить в направлении от этой поверхности. Тогда под действием. силы

Кориолиса зерна релита будут прижиматься к этой поверхности (фиг.4).

Таким образом. после предварительнога подогрева комплекта литейных форм до

3 = 400 — 600 С (авт.св. % 685429, кл. В.32 D

19/02), их устанавливают на стол центробежной машины и при вращении с частотой

Гi со =700 об/мин в заданном направлении производят синхронную подачу расплавлейного металла и зерен износостойкого материала.

После заливки формы ее вращение продолжают до момента кристаллизации отливки.

Предложенный способ позволяет изготавливать породоразрушающие элементы с асимметричной рабочей головкой и армировать только одну иэ ее граней, в частности рабочую или набегающую.

Предложенное техническое решение позволяет повысить долговечность породоразрушающего элемента на 30-40 и сократить расход износостойкого материала в

1,5-1,7 раза.

Формула изобретения

1. Породоразрушающий элемент бурового долота, содержащий ножку и рабочую головку с набегающей и сбегающей гранями и износостойкие элементы, расположенные. внутри рабочей головки, отл и ча ю щи и с я тем, что, с целью повышения долговечности элемента за счет более высокой его сопро-. тивляемости изгибающим нагрузкам и повышения эффективности работы элемента путем его самозатачивания, износостойкие элементы расположенй слоем под набегающей гранью на расстоянии 0,4-1,0 мм от ее поверхности, причем объем слоя иэносостойких элементов Ч2 и объем рабочей головки Ч связаны между собой соотношением

Ч2 = (0,25 — 0,35)Ч1.

2, Способ изготовления породоразрушающего элемента бурового долота, включающий установку литейной формы с основанием и вершиной в горизонтальной плоскости, ориентацию ее в радиальном направлении относительно вертикальной оси вращения основанием к последней и смещение основания на расстояние R в сторону вершины, затем вращение линейной формы и синхронную подачу в литейную форму расплавленного металла и зерен износостойкого материала, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет размещения износостойкого материала только под набегающей гранью, формирующую набегающую гранью располагают в плоскости, параллельной оси вращения литейной формы, вращение которой производят в направлении от формирующей набегающей грани с частотой, определяемой из следующей зависимости:

ОЯ r2 (рз — р)z

1 кинематическая вязкость стали, мм /c;

r — радиус зерна износостойкого материала, мм; рз — плотность зерна г/мм; з. р — плотность заливаемого металла, г/мм;

t — время кристаллизации поверхностного слоя;

Ве и R — расстояние от оси вращения до основания и вершины литейной формы, соответственно, мм.

1808964

1808964

Pg p

Фиа4

Составитель В.Ясашин

Техред М,Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор

Заказ 1262 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскэя наб., 4/5

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