Современные конструкции вооружения шарошечных долот.
Оглавление
Введение 3
4.Современные конструкции вооружения шарошечных долот. 4
4.1.Подшипниковые системы 4
4.1.1.Роликовые подшипниковые системы 5
4.1.2.Шейки вала -несущие 6
4.1.3.Конструкция опорных подшипников 6
1.1.4. Открытые несущие системы 7
1.2. Уплотнительные системы 7
1.2.1. Подшипниковые уплотнения 8
1.2.2. Уплотнения 8
1.2.3. Круглые кольца 9
1.2.4. Смазка уплотнений 10
1.3. Смазочные системы и смазки 10
2. Технологии изготовления фрезерованного и твердосплавного вооружения шарошечных долот. 13
2.1. Твердосплавное вооружение 13
2.2. Фрезерованное вооружение 14
3. Основные направления развития вооружения шарошечных долот. 16
Заключение 19
Литература 20
Введение
Горные породы, слагающие разрез скважины, различны по составу, обладают различными свойствами и их разрушают резанием, скалыванием, истиранием, дроблением. Характер разрушения зависит от твердости и пластичности пород. Породы мягкие и пластичные наиболее эффективно разрушаются резанием, а твердые и хрупкие – дроблением. Поэтому для разрушения пород с определенными механическими и абразивными свойствами применяются соответствующего типа инструменты.
Основным инструментом для механического разрушения горных пород в процессе бурения скважины является долото. Термин "долото" сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единственным способом проходки скважины было ударное бурение, при котором буровое долото имело сходство с плотничным инструментом того же наименования. В современной практике применяются различные виды и типы долот. Энергозатраты, качество работы и скорость бурения напрямую зависят от правильной подборки долота, от качества его изготовления и свойств материала, из которого он изготовлен.
Целью данной работы является изучение шарошечных долот
Основными задачами являются:
Анализ современных конструкций
Анализ технологии изготовления
Анализ основных направлений развития
Современные конструкции вооружения шарошечных долот.
Подшипниковые системы
Подшипниковые системы с коническими роликами рассчитаны на удовлетворительное рабочее состояние, когда режущая структура долота изношена. Для достижения этого стандарта характеристик подшипников современные цели по сроку службы уплотнений и подшипников - это 1 миллион или более оборотов без поломки, в отличие от ≈300 000 или меньше в недавнем прошлом. Для достижения этой цели продолжаются исследования в области подшипников, уплотнений и смазочных материалов, а также материалов, улучшающих срок службы уплотнений и подшипников.
В конусных долотах используются в основном два типа подшипников: роликовые и опорные, иногда называемые подшипниками скольжения. Каждый тип обычно состоит из нескольких отдельных компонентов, в том числе:
Первичные подшипники
Вторичные подшипники
Система уплотнения (рис.1)
Особенности, которые сопротивляются упорной нагрузка
Рисунок 1 – вид в разобранном виде компонентов уплотнения и подшипника [1].
Первичные подшипники настолько большие, насколько это возможно, в пределах доступного пространства. Вторичные подшипники - это меньшие подшипники уменьшенного диаметра, расположенные рядом с внутренней областью вершины в конусе. Вторичные подшипники обеспечивают дополнительную несущую способность. Первичные и вторичные подшипники могут быть индивидуально роликовыми или опорными. Нередко несущая система состоит из двух комбинаций.
Уплотнения предотвращают попадание шлама и буровых растворов в систему подшипников и предотвращают выход смазки из системы подшипников. Упорные шайбы расположены на конце шейных опор и между первичной и вторичной опорными поверхностями, чтобы противостоять осевой нагрузке.
Большинство долот с роликовым конусом включают в себя то, что кажется шариковым подшипником. Это особенность удержания конуса. Шарики предотвращают отделение зубцов от их шеек вала. Наконец, система смазки содержит смазку, которая в течение всего срока службы системы подшипников обеспечивает смазку подшипников и уплотнений. Эти функции описаны ниже.
Роликовые подшипниковые системы
Роликовые подшипники являются распространенной системой подшипников, поскольку они могут надежно выдерживать большие нагрузки и в целом хорошо работают в условиях бурения ( рис. 2 ). Они обычно используются на долотах большего диаметра (> 14 дюймов), которые имеют больше физического пространства для размещения роликов. Для увеличения срока службы подшипников ведущие производители постоянно проводят исследования материалов, размеров и формы подшипников.
Рисунок 2 – Типичное расположение подшипников качения[1].
Шейки вала -несущие
Опорные подшипники состоят по меньшей мере из одной вращающейся поверхности, отделенной от цапфы пленкой смазочного материала. Поверхности специально разработаны таким образом, что пленка смазки разделяет их; если бы они касались друг друга, сопрягающиеся подшипниковые компоненты могли бы сломаться или, возможно, перегореть. Пока обеспечивается удовлетворительное смазывание и нагрузка остается в пределах проектных пределов, опорные подшипники чрезвычайно эффективны.
Конструкция опорных подшипников
Цилиндрические подшипники должны обеспечивать сбалансированную геометрию подшипников и достаточную прочность шейки и должны максимально увеличивать толщину смазочной пленки высокого давления, образующейся во время гидродинамической смазки. На толщину смазочных пленок ( рис. 2 ) влияют:
Площадь поверхности
Диаметр цапфы и конуса
Зазоры между шейкой вала и конусом
Производственные допуски должны быть точными, чтобы поверхности работали правильно. Скруглённость поверхностей шейки и конуса важна, и если какая-либо часть подшипника будет закругленной, это отрицательно скажется на эффективности режима смазки.
Металлургия подшипника должна быть сбалансирована, чтобы минимизировать тепловыделение при граничной смазке. Конусоносные поверхности стальные. На шейке вала установлены мягкие посеребренные рукава. Серебро легко полируется, а незначительные неровности поверхности при обработке быстро сглаживаются. Такая гладкость обеспечивает работу с низким коэффициентом трения и равномерный поток смазки по поверхности подшипника ( рис. 3 ).
Рисунок 3 – Разрез типичной шейки вала несущие втулки.
1.1.4. Открытые несущие системы
Незапечатанные роликовые подшипники, называемые открытыми подшипниковыми системами, обычно используются в битах большого диаметра (> 20 дюймов). Эти долота часто используются для бурения от поверхности до относительно небольших глубин с помощью простой системы бурового раствора (например, морской воды). Это применение сверления не требует использования уплотнений в долотах. Они используют буровую жидкость для охлаждения, очистки и смазки подшипников.
1.2. Уплотнительные системы
В общем, системы уплотнений классифицируются как статические или динамические. Роликовые конические биты используют оба типа уплотнений. Динамические уплотнения включают уплотнение на поверхностях, которые движутся относительно друг друга, как в случае с подшипниковым уплотнением. Части уплотнения или поверхности, которые не перемещаются относительно друг друга во время работы долота, такие как уплотнение между гидравлическим соплом и долотом для предотвращения утечки вокруг соединения, являются статическими уплотнениями.
1.2.1. Подшипниковые уплотнения
Роликовые конические подшипники работают в исключительно суровых условиях. Буровой раствор и большинство черенков чрезвычайно абразивны. Буровые растворы часто содержат химические вещества, и рабочие температуры могут быть достаточно высокими, чтобы разрушить эластомеры, из которых изготовлены уплотнения. Импульсы давления часто возникают в скважинных буровых растворах, которые прикладывают боковую нагрузку на уплотнения, которым необходимо сопротивляться.
На чисто практическом уровне уплотнения подшипников выполняют две функции: предотвращают попадание посторонних материалов, таких как грязь, шлам, химикаты и вода, в подшипники и предотвращают выход смазки подшипника из долота.
Визуализируйте разницу в характере этих двух обязанностей. С внутренней стороны уплотнение исключает выход чистой, функциональной смазки из долота, в то время как с внешней стороны уплотнение исключает попадание грязи и химикатов в долото. Разделение этих двух чрезвычайно разных функций происходит в небольшой точке между двумя сторонами уплотнения. Если любая из этих функций выходит из строя, подшипники и долото могут быть предназначены для выхода из строя.
1.2.2. Уплотнения
Во вращающемся подшипнике две рабочие стороны уплотнения называются статическим активатором и поверхностью динамического износа. Эти две части находятся прямо напротив друг друга, причем активирующая часть опирается на сальник, а поверхность динамического износа опирается на вращающийся блок. Чтобы активирующая часть уплотнения функционировала должным образом, она должна иметь поверхность, с которой нужно реагировать. Это обеспечивается канавкой в форме канавки, называемой сальником.
Изнашиваемая часть уплотнения должна выдерживать тепло и истирание, возникающие при прохождении над ней вращающейся поверхности. При правильном функционировании блок питания не является зоной повышенного износа. В идеале он просто прижимается к сальнику и обеспечивает энергию толчка, которая поддерживает прочный контакт между поверхностью износа и вращающимся конусом.
1.2.3. Круглые кольца
Кольцевые уплотнительные кольца используются во многих применениях с роликовым конусом. Уплотнительные кольца изготовлены из эластомеров (синтетических каучуков), которые выдерживают температуры, давления и химические вещества, встречающиеся в условиях бурения. Это традиционная, но надежная система уплотнений.
Уплотнительное кольцо установлено в сальнике для формирования системы уплотнения. Сальник удерживает уплотнительное кольцо на месте и имеет такой размер, чтобы уплотнительное кольцо сжималось между сальником и ступицей подшипника, на котором требуется уплотнение. Он прижимает внутреннюю стенку уплотнительного кольца к ступице и наружный диаметр уплотнительного кольца к сальнику. Эти последние силы предотвращают поворот уплотнения в сальнике и его износ на наружных поверхностях при вращательном контакте с сальником ( рис. 6 ).
Рисунок 4 – разрез конуса с уплотнительным кольцом и сальником.
1.2.4. Смазка уплотнений
Уплотнения должны быть смазаны для предотвращения высоких скоростей износа и чрезмерных температур, которые могут привести к повреждению материала уплотнения. Смазка для подшипников также смазывает уплотнения.
1.3. Смазочные системы и смазки
Смазочные материалы играют жизненно важную роль в работе подшипников. Они обеспечивают смазку как подшипников, так и уплотнений, а также обеспечивают среду для передачи тепла от подшипников. Для достижения этих функций смазочные материалы специально разрабатываются и постоянно совершенствуются. Системы смазки разработаны для обеспечения резервного хранения, положительной подачи в систему подшипников, способности к тепловому расширению и выравниванию давления с помощью жидкостей на внешней поверхности долота.
Системы смазки включают резервуар для подачи, достаточно большой, чтобы обеспечить доступность смазки для всех функций смазки в течение всего срока службы долота. Небольшой положительный перепад давления в системе обеспечивает поток от резервуара к подшипникам. Система вентилируется для выравнивания внутреннего и внешнего пластовых давлений. Без выравнивания перепад давления между внешней и внутренней частью долота может быть достаточным для повреждения уплотнения, что приведет к повреждению подшипника.
Высокие температуры бурения и высокое давление в системе смазки, а также потенциальное воздействие воды и химикатов требуют высокой эффективности смазочных материалов. Большинство битовых смазок специально разработано. Ведущие производители долот нанимают ученых для разработки и испытания смазочных материалов. Лучшие смазки для буровых долот устойчивы к температурам> 300 ° F, и многие из них нормально функционируют при температурах до ≈0 ° F. Они гидрофобны (отталкивают воду) и сохраняют свою стабильность, если вода проникает внутрь. Качественные смазки также устойчивы к химическим веществам, обычно встречающимся в буровых растворах, экологически безопасны и не содержат свинцовых добавок, которые традиционно помогали выдерживать высокие давления.
Поставка смазки. Роликовые конусы обычно содержат один резервуар для смазки в каждой ветви ( рис. 5 ). Таким образом, для трехконусного долота имеется три резервуара. Каждый из них должен иметь достаточный запас смазочного материала для работы подшипникового узла, который он обслуживает в течение всего срока службы долота.
Рисунок 5 – Типичная система подачи смазки в роликовый конус [1].
Выравнивание давления и сброс. Колонна буровых растворов и шламов, содержащихся в скважине, оказывает очень высокое давление на долото, работающее на дне скважины. Эти высокие давления применяются к системе уплотнения и должны сопротивляться смазке в системе уплотнения и подшипника. При установке смазочный материал находится под атмосферным давлением и не может обеспечить значительного сопротивления давлению на дне скважины. Соответственно, внутренние давления в системе смазки уравновешиваются с внешними битовыми давлениями для предотвращения разрушения уплотнения, вызванного перепадом давления. Выравнивание осуществляется с помощью небольшого предохранительного клапана, установленного в системе резервуара для смазки.
2. Технологии изготовления фрезерованного и твердосплавного вооружения шарошечных долот.
Вооружение современных шарошечных долот представлено двумя большими классами: шарошки с фрезерованными стальными зубьями и шарошки с твердосплавными вставными зубками.
Однако необходимо отметить, что в последние годы предпринимаются успешные попытки объединить преимущества обоих классов в одной конструкции. Примером этого являются долота, выпускаемые фирмой Reed по технологии PMC (Powder Metal Cutter), шарошки которых, выполненные методом порошковой металлургии, имеют зубья, по своей геометрии аналогичные фрезерованным, но полностью облицованные твердым сплавом типа ВК. Из-за своей сложности данная технология пока не получила широкого распространения, хотя достоинства ее очевидны.
В настоящей главе рассматриваются наиболее интересные современные решения в области вооружения шарошечных долот.
2.1. Твердосплавное вооружение
Твердосплавное вооружение современных шарошечных долот отличается большим разнообразием форм твердосплавных зубков и применением новых материалов для их изготовления, а также решениями по размещению зубков на поверхности шарошек[2].
Зубок черпакообразной формы фирмы Hughes Christensen
Наряду с классическими клиновидной и конической формами зубков все более широкое применение получают зубки асимметричных форм. Впервые зубки черпакообразной формы (Scoop Chisew были применены фирмой Hughes Christensen в долотах для бурения мягких пород.
Зубки "Самара" и "Самара - 1"
Дальнейшее развитие эта идея получила в отечественных зубках «Самара» и «Самара-1» по а.с. №2006566.
По принципу конструирования зубки «Самара» отличаются от прототипа формой вогнутой и выпуклой граней. Передняя вогнутая грань имеет сферическую форму, что позволяет полнее использовать эффект черпака и повышает способность к шламоотделению, особенно при использовании долота в пластичных породах.
Алмазные асимметричные зубки периферийного венца
В своей новой серии высококачественных долот, получившей название Magnum, фирма Smith выдвинула следующую концепцию совершенствования твердосплавного вооружения.
4. Вооружение Trucut
Необходимо отметить, что подобное техническое решение впервые было раскрыто в отечественном изобретении «Шарошка бурового долота» по а.с. №1810463 с приоритетом от 29.12.90 г.
5. Вооружение GT
Дополнительные калибрующие венцы, но оснащенные зубками остро клиновидной формы (аналогичными отечественным зубкам формы Г25) с рабочими кромками, ориентированными по окружности шарошки, использует в своих долотах и фирма Hughes ChnStensen.
Армирование шарошек алмазными зубками
В зависимости от степени абразивности разбуриваемых пород зубки дополнительного калибрующего ряда могут выполняться как твердосплавными, так и с рабочей головкой из поликристаллического алмаза, причем количество алмазных зубков может составлять от -33 до 100 % от их общего количества. В этом случае алмазными зубами армируются и обратные конусы шарошек.
2.2. Фрезерованное вооружение
Несмотря на то, что современные долота с твердосплавным вооружением в состоянии успешно разбуривать любые горные породы - от мягких до очень крепких, фрезерованные долота продолжают находить широкое применение.
Полная наплавка зубьев
Главная задача в совершенствовании фрезерованного вооружения состоит в повышении его износостойкости, что достигается применением новых наплавочных материалов и новых схем наплавки. Также широкое применение в современных долотах получило усиление периферии и обратных конусов фрезерованных шарошек твердосплавными зубками, т.е. реализуется концепция комбинированного вооружения. Вместо частичной наплавки боковых набегающей и (или) сбегающей граней зуба все ведущие фирмы-производители долот перешли на полную наплавку всех четырех граней и притупление зубьев достаточно толстыми (до 3 мм и более) слоями твердого сплава.
Зубья фирмы Hughes Christensen
Для лучшей защиты от износа наиболее уязвимых кромок зубьев фирма Hughes Christensen в своих долотах использует запатентованную геометрию зубьев с так называемым «обратным радиусом» (рис. 3.10), что позволяет на этих участках получать увеличенную толщину наплавки без нарушения геометрии зуба.
Зубья фирмы Smith Tool
Сходного результата фирма Smith Tool достигает за счет радиусных кромок зубьев и увеличенной толщины наплавки притуплена зуба (рис. 3.11).
Наплавочный материал Security DBS
Современные наплавочные материалы представляют собой сложные двух-четырехкомпонентные комбинации округлых зерен спеченного твердого сплава типа ВК, дробленых зерен карбида вольфрама (релита) и мелких зерен макрокристалл и чес кого карбида, обладающих наибольшей износостойкостью. Для наплавки поверхности обратного конуса шарошек применяются смеси, состоящие преимущественно из макрокристаллического карбида вольфрама. Еще дальше в разработке наплавочных материалов про двинулась фирма Security DBS, применившая в качестве наплавочного материала зерна натуральных алмазов, облицованные твердым сплавом.
3. Основные направления развития вооружения шарошечных долот.
Боковые вибрации также известны как изгибные вибрации. Они вызывают изгиб или разрыв бурильной колонны, что приводит к серьезному повреждению бурового долота и неоднородных скважин. Следовательно, боковые колебания являются наиболее разрушительными колебаниями, влияющими на процесс вращательного бурения. Результирующее явление называется немного вихрем. Вихревое долото - это эксцентричное движение бурового долота в скважине. Обычно это сопровождается многими другими характеристиками, такими как частые сильные удары и удары по всей забойной сборке (КНБК) в стволе скважины.
2. Факторы, приводящие к небольшому кружению.
Выявлены два основных фактора, приводящих к завихрению бурового долота. Это может быть вызвано: (а) изгибом бурильной колонны или (б) несбалансированным буровым долотом. Гомогенная скважина может ухудшить условия вихревого движения.
Эти две разные причины породили похожее явление, т.е. немного кружиться Янсен заявил, что явление завихрения долота возникает, когда буровые коронки имеют дисбаланс в конструкции бурового долота во время изготовления или когда имеется небольшой изгиб в хомутах сверла из-за сильных боковых вибраций. Оба этих недостатка приводят к тому, что боковые колебания преобладают и вызывают закручивание долота на более высоких рабочих диапазонах. Уоррен и соавт. проанализировали коммерчески доступные биты и обнаружили, что они имеют дисбаланс в диапазоне от 2 до 10% с 2% только для очень высокого коммерчески классифицированного бита. Дисбаланс на долоте приведет к отклонению от центра вращения во время бурения. Это приведет к появлению высокой центробежной силы, которая увеличит боковую нагрузку долота и, в конечном итоге, приведет к увеличению отверстия и завихрению долота.
3. Анализ бит вихревых экспериментов в литературе.
Лабораторные испытания проводятся для непосредственного анализа явления завихрения бурового долота. Расположение лаборатории было решено на основе следующего анализа. Янсен предположил, что динамика изгиба бурильной колонны в прямом вихре может быть продемонстрирована несбалансированной массой на нижнем долоте.
Следуя этой идее, в исследовании Dykstra и C-Min Liao et al. Использовались несбалансированные роторы для представления эксцентричной бурильной трубы.
Дикстра проводил испытания на буровых воротниках и изучал влияние боковых ударов и обратного вихря. Обсуждение основывалось на том факте, что источником вибрации является долото, и, следовательно, центробежные силы, возникающие при вращении несбалансированной бурильной колонны, могут быть одним из основных источников вибрации.
С-Мин Ляо и соавт. разработали модель с уменьшенным порядком для системы бурильной колонны с дисбалансом массы на роторе. Испытания были направлены на анализ траектории долота в условиях изменяющегося дисбаланса массы бурового долота и рабочих скоростей.
7. Обсуждаем применимость недостаточно управляемых контрольных решений для уменьшения завихрений бурового долота
Под активированным управлением цель состоит в том, чтобы контролировать положение или заданное движение. Но не контроль скорости и положения вместе, который является целью контроля.
В режиме повышенного контроля цель управления состоит в том, чтобы сделать линеаризованную степень свободы, link1, для отслеживания подходящей траектории. Здесь целью контроллера является управление маятником только в положениях равновесия. Внешние помехи не влияют на канал 2. Положения каналов не синхронизируются во время операций управления.
Кроме того, контроллер обратной связи с полным состоянием разрабатывается путем первоначальной линеаризации модели в требуемых или установленных положениях равновесия. Таким образом, принцип управления может применяться только к простым линеаризованным моделям буровой системы и не может быть доказан практически на нелинейной лабораторной установке. Кроме того, проблема состоит в том, чтобы установить две траектории, которым нужно следовать при наличии неожиданного возмущения. Кроме того, контроль достигается в тематическом исследовании 1 только в течение короткого периода времени. Можно сказать, что управление практически невозможно в буровой системе, которая эксплуатируется в крайне непредсказуемой среде в течение длительного периода времени.
Управляющее решение на основе плоскостности в практическом примере 2 используется для моделирования маневра «отдых в покое». Следует отметить, что внешнее трение / демпфирующая сила не влияет на недостаточно приводной диск. Здесь снова положения и скорости приводимых в движение и приводимых в действие деталей не синхронизированы и сильно различаются во время применения закона управления.
Такая ситуация при вращательном бурении будет вызывать крутильную вибрацию из-за трения, создаваемого в буровом долоте стволом скважины, и может привести к более серьезным явлениям, таким как обратное завихрение.
Из приведенного выше анализа можно сделать вывод, что физические причины, вызывающие завихрение бурового долота, можно преодолеть только с помощью других физических решений; например, новые конструкции буровых долот или амортизаторы рядом с КНБК. Ведутся исследования по анализу методов контроля для сведения к минимуму влияния источников, ухудшающих вибрацию, таких как трение в буровых скважинах, внезапные / жесткие препятствия и т. д.
Заключение
Разрушение горных пород является основной операцией при добыче и переработке полезных ископаемых. В процессе бурения скважин важную роль играет качество проходки бурового долота и качество забоя. Правильный подбор буровых долот для соответствующей горной породы, соблюдение техники бурения и качественной промывки скважин позволяет добиться высокой скорости бурения с минимальными потерями бурового инструмента. Например: для мягких пород при неглубоких скважинах целесообразно использовать лопастные долота, а при бурении твердых и глубоких пород лучше подходят шарошечные или алмазные долота.
Интенсивное развитие промышленного и разведочного бурения в настоящее время связано с использованием различного оборудования и инструментов. Применение тех или иных технических средств или технологических мероприятий в конкретных геологических условиях, часто резко различающихся по физико-механическим свойствам пород, обусловливает сложность выбора буровых долот. Поэтому при бурении скважин следует строго соблюдать технику бурения и учитывать особенности типа бурового долота. При несоблюдении техники могут возникнуть осложнения в виде разрушений бурового долота, перегреве, смещения осей шарошечных долот, и вследствие этого, быстрое изнашивание инструмента и проведение дополнительных операций по извлечению поврежденного оборудования из скважины.
Также в итоге можно сказать, что развитие современных конструкций не стоит на месте, и задачи поставленные в данной работе выполнены, а именно:
Проведен анализ современных конструкций
Проведен анализ технологии изготовления
Проведен анализ основных направлений развития
Литература
Ларри В. Лейк, Руководство по нефтяной инженерии 2 ТОМ. 2006г.
Интернет источник: http://www.drillings.ru/voor