Файл: Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин.pdf

с момента начала опыта на расстоянии первого шага (0,5 мм для резца и 2 мм для породы) от поверхности трения. Темпера­

тура резца и породы на достаточно малом расстоянии от поверх­

ности трения интенсивно возрастает и стабилизируется на опре­

деленном уровне через короткий промежуток времени (1—3 с).

Анализ полученных материалов показал, что основное коли­

чество тепла, выделяемого при работе твердосплавного инстру­ мента, концентрируется в последнем.

На рис. 41 приведено распределение температуры по длине образца для твердого сплава и песчаника. Температура резца быстро убывает с увеличением z и на некотором расстоянии от поверхности трения (2 —4 мм) стабилизируется, оставаясь при­ мерно равной температуре окружающей среды. Полученные данные достаточно близки к расчетным и, как будет показано

далее, к экспериментальным.

§ 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В РЕЗЦЕ

Для измерения температур использовались хромельалю-

мелевые термопары с диаметром проволоки 0,1 мм и постоянной

времени 6 с. При длительности опыта 3 —6 мин такая инерцион­ ность, учитывая постановку задачи, вполне приемлема.

В процессе проведения экспериментов температуры опреде­ лялись в зависимости от окружной скорости резания, осевой нагрузки на резец и места расположения термопары (горячего

72

спая). При этом режимные параметры были такими, как и при изучении износа.

Первые опыты проводились для определения времени на­

ступления теплового баланса. Установлено, что температура

резания (температура на поверхности трения) в начальный пе­

риод резко нарастает, а затем стабилизируется, т. е. инстру­

мент начинает работать в установившемся тепловом режиме.

Полученные значения т согласуются с данными метода мате­ матического электромоделирования.

Вторая серия экспериментов была посвящена изучению

распределения температуры по длине образца. Опыты прово­

дились при расположении термопар в точках, удаленных на раз­ личные расстояния от поверхности трения. Полученные данные

(кривая 3) в сопоставлении с результатами аналитических рас­

четов (кривая 2) и данными математического электромоделиро­

вания (кривая 1) отражены на рис. 42.

Анализ графиков указывает на хорошую сходимость резуль­ татов, полученных различными способами.

Наибольший практический интерес представляет темпера­

тура резания, зарегистрированная на поверхности трения.

Именно эта темпераура и стала предметом дальнейших ис­

следований.

Экспериментально изучалось влияние окружной скорости и осевого усилия на величину температуры. Температура изме­ рялась при окружных скоростях 0,4; 1,36; 2.14; 3,38 и 4,28 м/с и осевых нагрузках 170, 210 и 270 кг.

На рис. 43 приведена зависимость температуры от скорости,

полученная при нагрузке 210 кг. Как видно из приведенных графиков, температура линейно возрастает с увеличением ок­

ружной скорости. При этом темп роста зависит от места рас­

положения горячего спая термопары, т. е. от удаления точки измерения от поверхности трения z. Так, если на поверхности

трения при скорости резания 3,88 м/с температура равнялась

1050°, то на расстоянии z = l ,2 —1,3 мм она составляла 150°, т. е. перепад температур был 900°. В то же время при скорости 1,36 м/с перепад температур составлял лишь 300°.

Зависимость температуры от осевой нагрузки представлена

на рис. 44. Анализ графиков показывает, что увеличение тем­

пературы пропорционально увеличению осевой нагрузки.

Большей окружной скорости соответствует более интенсивный рост температуры. Эксперименты, проведенные при различных скоростях и осевых нагрузках, подтвердили, что оба эти фактора существенно влияют на величину температуры.

73-

Зная зависимость температуры от скорости, можно опреде­

лить изменение температуры по радиусу долота. Каждой точке

лопасти, удаленной от центра на определенное расстояние, соответствует свое значение температуры. На рис. 45 приведено

изменение температуры вдоль лопасти долота. Для построения

графика выполнены расчеты окружных скоростей на различном

расстоянии от центра долота и в соответствии со скоростями на

основании экспериментальных данных определены температуры в отдельных точках.

Как видно на рис. 45, при работе долота диаметром 320 мм ® роторном режиме температура на периферийной части лопасти

риферии для турбинного

(1) и роторного (2) ре­ жимов бурения.

/ 4

ие превышает 450°. При отработке долота в турбинном режиме

значение температуры может превышать 1500°. Необходимо от­

метить, что применительно к режимам работы долот режуще­ го типа для глубокого бурения работы аналогичного направ­ ления весьма малочисленны [10, 77, 78]. Исследования G.M. Ку­ лиева и др. [10] проводились на буровых и вследствие огра­ ниченности технических возможностей и сложности выполнения работ непосредственно в скважине не позволили получить

данных, характеризующих температурный режим поверхности трения. Минимальное расстояние от поверхности трения со­ ставляло 15 мм. Поэтому и температуры, зафиксированные

при турбинном бурении, не превышали 200°. В исследованиях

В. В. Симонова и др. [77, 78] термопары монтировались на

действительной напряженности теплового режима контактной

зоны и возможных последствий такой ситуации.

В результате выполненных исследований определены основ­

ные закономерности, характеризующие интенсивность развития тепловых процессов в зависимости от реализуемой мощности на' бурение и режимных параметров.

Расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальным материалом. Применение метода математического электро­ моделирования расширило границы полученных решений.

Было установлено, что с увеличением мощности, реализуемой

на забое при резании, независимо от того, каким параметром режима это обусловливается, интенсифицируются тепловые

процессы. Теперь необходимо определить, какими последстви­

ями чревата интенсификация температур и какой из параметров режима бурения в большей степени содействует этому.

§ 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТ

РЕЖУЩЕГО ТИПА ПРИ ТРЕНИИ О ГОРНУЮ ПОРОДУ

При проведении испытаний на изнашивание особое внимание

необходимо уделять выбору материалов взаимодействующей

пары. При этом имеется в виду, что определение общих законо­

мерностей изнашивания и влияния режимных параметров на интенсивность и механизм изнашивания возможно при иссле­

довании одной наиболее типичной пары. Известно, что при

75

изготовлении долот режущего и истирающе-режущего типа наи­

более широко используется твердый сплав ВК6. Практика бу­

рения скважин в нефтегазовых районах страны показывает, что

к породам, наиболее интенсивно изнашивающим вооружение

буровых долот, прежде всего следует отнести песчаники. Таким образом, для проведения исследований была выбрана пара твер­

дый сплав ВК6 — песчаник.

В качестве испытываемых образцов использовались штабики

твердого сплава ВК6 в виде параллелепипедов квадратного се­

чения со стороной 10 мм и высотой 40 мм.

Для ликвидации неровностей, образующихся при спекании твердосплавных штабиков, и удаления поверхностных микро­

трещин и царапин все стороны (и торцы) их подверглись алмаз­

ной шлифовке. Этим самым достигалось также удаление излиш­

него кобальта, который иногда накапливался в поверхностных

слоях образца вследствие миграции жидкой фазы при спекании.

Износ твердосплавных материалов достигался путем бурения

по образцам песчаника, изготовленным в виде коротких цилинд­ ров из специально нарезанных плит.

Состав песчапика — кластические зерна кварца (около

48%), полевой шпат (около 2%), единичные обломки кварцита,

мусковит (около 4%), биотит (около 3%) и глинисто-карбонато- лимонитовый цемент базального типа (около 43%). Зерна квар­

ца угловатой, округло-угловатой и совершенно неокатанной формы. Размер зерен 0,01 —0,30 мм в диаметре. Цемент базаль­ ного типа, сложного состава, представлен микрочешуйчатым

зеленоватым монтмориллонитом, иногда пропитанным бурыми

тонкодисперсными выделениями гидроокислов железа (лимо­

нит) и кальцитом, местами с примесью гидроокислов железа.

Механические характеристики горной породы определялись по методике Л. А. Шрейнера [15]. Твердость по штампу данного песчаника составляла 86 кг/мм2, прочность на одноосное сжа­ тие — 830 кг/см2.

При проведении экспериментов фиксированию подлежат следующие параметры рабочего процесса: число оборотов шпинделя; величина подачи на оборот; глубина бурения (внед­

рения образца в коптртело); осевая нагрузка, развиваемая

механизмом подачи; окружное усилие. Обычно первые три параметра задаются для данной серии экспериментов.

В табл. 10 приведено количество оборотов и величины окружных скоростей, при которых производились эксперимен­

ты. Опыты проводились при трех подачах, что соответствовало

осевым усилиям в 170, 210 и 260 кг. Глубина бурения (погруже­

ние испытываемогообразца в горную породу) определялась по лимбу радиально-сверлильного станка.

76