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

может создавать защитный барьер (паровой), препятствуя про­ никновению жидкости под резец. Однако такое явление на­

блюдается лишь в том случае, если порода сама по себе не на­ мокает прн контакте с промывочной жидкостью в других точ­ ках.

В действительности все горные породы, поверхность кото­

рых нарушена резцами при снятии стружки, в той или иной

где p-мокр и Цсух — коэффициенты мокрого и сухого трения.

Величина отношения 0МОКП для различных пород изменяет-

Рсух

ся от 0,2 до 0,8, т.е. в среднем 0 =0,5 .

Следовательно, при сохранении постоянными теплофнзи-

ческих характеристик только за счет уменьшения коэффи­

циента трения тепловой поток Qi [см. (46)] уменьшается про­

порционально [см. (50)], уменьшая тем самым величину удель­

ного износа о . Подобное уменьшение равноценно уменьшению

(пропорционально 0) окружной скорости пли усилия пода­

чи в формуле (47).

Еще более существенным оказывается влияние смачива­ ния породы на величину теплового потока Qi при изменении теплопроводности пропитанного водой слоя породы и коэффи­ циента теплоотдачи. Если коэффициент теплопроводности про­

питанной породы приближается к его значению для воды, то величина теплового потока, проходящего череп инструмент,

уменьшается.

Таким образом, суммарное уменьшение теплового потока, идущего на нагревание инструмента, в результате уменьшения

коэффициента трения и изменения теплофизических характерис­

тик весьма значительно. При этом температура изнашиваемого слоя может снижаться в 2—3 раза. Так, если при сухом трении температура контакта достигает 1000—1500°, то в случае про­

питанного водой слоя породы она снижается до 400 —500°, а средняя в изнашиваемом слое — до 300 —400°.

Указанные температуры неспособны воздействовать на по­

верхность трения твердого сплава и разупрочнятьее. Износ в

86

данном случае мало зависит от режимных параметров и опре­

деляется лишь характеристикой пары трения.

Очевидно, данный режим может быть нарушен, если слой

породы, пропитанный водой, будет сниматься за время поворота

резца на угол б между соседними породоразрушающими эле­

ментами, находящимися в одной линии резания, т. е. если

пропитка породы будет отставать от ее съема резцом при раз­

рушении.

Глубина пропитанного слоя

где б — угол между соседними породоразрушающимп элемен­

тами; г — средний радиус выбуриваемого кольца; V — окруж­

ная скорость; е — скорость пропитки породы.

При величине подачи на оборот s и числе резцов в одной линии резания к толщина смоченного слоя, остающегося под

резцом,

Из выражения (52) следует, что возрастание окружной ско­

рости резца и величины подачи приводит к уменьшению мок­

рого слоя под резцом.

При условии

(53)

под резцом оудет постоянно сухой слои породы.

Для песчаника при s=0,005 мм/об; к—1; б = 2 л ; г = 4 2 мм окружная скорость, при которой начинается резкое снижение износостойкости твердого сплава, составляет примерно 2,5 м/с.

Подставляя эти значения в формулу (53) получим скорость

При такой скорости пропитки для подачи 0,007 мм/об предель­

ная окружная скорость

87

адля подачи 0,010 мм/об

[F]= 2л -42-0,04-1 = 1,25 м/с.

0,010

Расчетные зависимости (a\i=f(P , У) приведены на рис. 51.

Таким образом, зависимость износа твердого сплава от

режимных параметров (окружной скорости и осевого усилия) может быть записана в виде

1

со = A i ~ В ! Ад pPF (54) ^1+ ^-2

Нормальный износ инструмента наблюдается при работе его в режиме мокрого трения, когда в формуле (54) коэффи­ циент трения р ^Цмокр! а коэффициент теплопроводности гор­

ной породы приближается к значению его для воды, т. е.

Это сохраняется при условии

т. е. до тех пор, пока слой мокрой породы остается под рез­

цом.

88

в формуле (54) составляют: A i = 1 • 1010 кГс-см/см3; i5i=2 -102

мин/см.

На втором участке кривых (см. рис. 51, зона I I ) , соответ­ ствующем условию (53), когда начинается интенсивное изна­

шивание твердого сплава, коэффициенты A i и В i соответствен­

но равны: Ai = l -1010 кГс-см/см3 ; S i= 4 - 1 0 2 мин/см.

Анализ полученных по формуле (53) зависимостей показы­

вает, что значение коэффициента А постоянно для определенной

пары трения и служит мерой прочности испытуемого материала.

§7. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЗМА ИЗНОСА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

ПРИ ТРЕНИИ О ГОРНЫЕ ПОРОДЫ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ

Известно, что при бурении режущие элементы долота оста­

ются острыми лишь в начальный период работы. В процессе

взаимодействия долота с забоем породоразрушающие эле­

менты изнашиваются, контактная площадь последних увели­ чивается, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на

производительности. Уже было показано, что основной расход

мощности (более 97 %) связан с преодолением сил трения, дейст­ вующих на контакте резца с породой, при этом выделяется большое количество тепла. Поскольку теплопроводность твердо­ го сплава (—70 ккал/м • ч • град) в десятки раз превышает тепло­

проводность горных пород(—2—4 ккал/м-ч-град), естественно

ожидать, что основной тепловой поток идет через инструмент. При этом между интенсивностью тепловых процессов и изно­ состойкостью твердого сплава обнаружена определенная вза­

имосвязь.

Для выявления характера отмеченной связи, очевидно, необходимо, во-первых, определить температуру нагрева ин­ струмента в процессе работы и ее распределение в инструменте

и, во-вторых, выяснить влияние температуры на физико-меха­

нические свойства. Проведя соответствующие эксперименты,

можно будет определить характер (механизм) износа твердого

сплава, что, в свою очередь, позволит наметить пути повыше­

ния износостойкости вооружения, рекомендовать рациональ­ ные режимы отработки инструмента и, следовательно, улуч­ шить технико-экономические показатели проводки скважин.

89

Решение этих вопросов требует проведения широких исследо­ ваний закономерностей взаимодействия рабочего элемента до­

лота с породой в забойных условиях.

Механизм износа твердого сплава исследовался путем изу­

чения поверхностей трения испытуемых образцов при различ­

ных увеличениях. С этой целью через определенные промежут­

ки времени работы штабика в различных режимах произво­

дилось макро- и микрофотографирование отдельных участков рабочей поверхности. Для фотографирования поверхностей тре­

ния применялся большой горизонтальный микроскоп отражен­

ного света с фотокамерой «Neophot-2» производства предпри­

ятия «Карл Цейсс».

Известно, что твердый сплав группы WC — Со имеет микро­

твердость в пределах 1400—1500 кг/мм2(при этомкарбидвольфра-

ма,составляющий основную массу сплава,—1700 кг/мм2). Данные,

приведенные в табл. 11, показывают, что микротвердость основ­

ных породообразующих минералов (кварц, полевые шпаты, пиро-

ксены и др.) значительно ниже микротвердости твердого сплава и тем более карбида вольфрама. Поэтому даже кварц с микро­

твердостью около 1200 кг/мм2 не может абразивно воздейст­

вовать непосредственно на зерна WC. Поскольку при бу­

рении одновременно с разрушением горной породы имеет место

износ твердого сплава, механизм взаимодействия пары

твердый сплав — горная порода носит иной характер и

определяется не только соотношением микротвердостей

структурных составляющих того и другого материала, но еще и другими факторами.

Анализируя структуру твердого сплава, можно высказать

следующее предположение. При трении резца о горную по­ роду мелкие частицы породообразующих минералов механи­ чески (абразивно) воздействуют на кобальтовые прожилки, окружающие зерна карбидов. Обнаженные в результате это­ го процесса зерна WC в дальнейшем могут скалываться, вырываться целиком или разрушаться под действием много­

кратной циклической нагрузки. Последнее находится в пол­

ном соответствии с выводами И. В. Крагельского [84], счи­ тающего главной причиной абразивного изнашивания не цара­ пание при снятии стружки, а усталостные разрушения в резуль­ тате многократного деформирования одних и тех же объемов материала.

Из приведенных рассуждений следует, что износ твердого

сплава связан в основном с механическим и усталостным раз­

рушением. Абразивное же царапание лишь способствует из­

носу. Рабочая поверхность инструмента в этом случае имеет

матовый вид с отдельными светлыми и темными пятнами, рас-

90