авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Конструкторские и технологические методы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот большого диаметра

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЯСАШИН ВИТАЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

КОНСТРУКТОРСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Специальность 05.02.13. Машины, агрегаты и процессы

(нефтяная и газовая промышленность)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009г.

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе

«Научно-Производственное Объединение «Буровая техника» – ВНИИБТ и

Российском Государственном Университете Нефти и Газа им.И.М.Губкина

Научный консультант:………..доктор технических наук,

…………………………………....Кершенбаум Всеволод Яковлевич.

Официальные оппоненты:…...доктор технических наук, профессор,

…………………………………...Богомолов Родион Михайлович;

…………………………………...доктор технических наук,

…………………………………...Близнюков Владимир Юрьевич;

…………………………………...доктор технических наук,

…………………………………...Блинков Олег Геннадьевич.

Ведущее предприятие:………..Открытое Акционерное Общество

…………………………………..«Сарапульский машзавод».

Защита состоится «.…» июня 2009 г. в 11–00 на заседании диссертационного Совета Д.520.027.01 при ОАО НПО «Буровая техника» – ВНИИБТ по адресу: 115114, г. Москва, ул. Летниковская, д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Буровая техника» – ВНИИБТ.

Автореферат разослан «.…» мая 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета,

доктор технических наук..………………….………...Д.Ф.Балденко.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В буровом комплексе особое место занимают буровые шарошечные долота, конструктивные особенности которых (вооружение, опора, узел промывки) предопределяют эффективность всего бурового процесса в целом.

Вооружение бурового долота – это элемент, непосредственно взаимодействующий с разрушаемой породой на забое и работающий в условиях сложного нагружения. Конструкция вооружения характеризуется в первую очередь его геометрией, которая при обеспечении прочностных требований должна реализовывать максимально возможные моментные характеристики и удельные нагрузки инструмента на забой для повышения эффективности разрушения породы.

В практике эксплуатации и серийного производства буровых шарошечных долот применяются в основном два типа вооружения: зубчатое и твердосплавное.

Стойкость опорного узла породоразрушающего бурового инструмента, в первую очередь, зависит от величин и характера распределения испытываемых нагрузок, а также в не меньшей степени – от физико-механических характеристик его материала. Для бурового инструмента большого диаметра, особенно типа «М» с явно выраженным агрессивным вооружением, шарошки изготавливаются в процессе стационарного стального литья, что снижает прочностные характеристики материала опоры. В результате центральная часть отливки шарошки (область опорного подшипникового узла) получает наихудшую структуру металла, несплошности и негативные включения. При эксплуатации это приводит к износу и заклиниванию опоры, а шарошку – к поломке и даже к ее потере.





Выпускаемые в настоящее время шарошечные гидромониторные долота имеют центральную, боковую или комбинированную систему промывки. Недостаточно эффективные решения по промывке при бурении приводят к образованию сальника на вооружении долота, особенно при бурении глинистых пород. Это затрудняет удаление разбуренной породы с забоя скважины и уменьшает эффективность его разрушения, что резко снижает технико-экономические показатели работы долот.

Известно, что работа гидромониторных долот зависит от эффективности использования энергии промывочной жидкости при бурении и от конструкции промывочного узла, способного с наименьшими гидравлическими потерями направить струю жидкости в нужную область забоя скважины.

Вопросы совершенствования системы промывки особенно актуальны для долот больших размеров (393,7мм и выше), так как при бурении скважин увеличенных диаметров растет объем разбуриваемой породы и осложняется удаления ее с забоя. Все это повышает значимость технических решений новых конструкций промывочных узлов.

Таким образом, реализация новых разработок в области вооружения, опоры и промывочного узла при их использовании, как в отдельности, так и в одной конструкции долота, повышает эффективность работы породоразрушающего бурового инструмента и технико-экономические показатели проводки скважины в целом.

Цель работы.

Повышение технико-экономических показателей бурения за счет комплексной разработки новой конструкции вооружения буровых шарошечных долот большого диаметра, повышения стойкости опоры и оснащения бурового инструмента эффективным промывочным узлом.

Основные задачи исследования.

-Анализ конструкции и технологии изготовления вооружения шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.

-Анализ конструкции и технологии изготовления подшипникового узла шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.

-Анализ конструкции и технологии изготовления промывочного узла шарошечного породоразрушающего бурового инструмента.

-Исследование, обоснование и разработка путей повышения эффективности породоразрушающего бурового инструмента конструкторско-технологическими методами.

Методы исследования.

В работе использованы теоретические, экспериментальные и промышленные методы исследования. На первой стадии при анализе условий промышленного использования инструмента применялись расчетно-аналитические методы исследования новой конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения и прочности соединения породоразрушающих венцов с корпусом сборной шарошки, а также особенностей промывки для долот большого диаметра. На втором этапе, с использованием метода моделирования, проводились экспериментальные исследования, позволившие проверить результаты теоретических исследований. Далее результаты исследований проверялись в ходе стендовых и промышленных испытаний новых конструкций бурового инструмента.

Научная новизна.

1. Разработан комплексный подход к повышению эффективности буровых долот большого диаметра конструкторско-технологическими методами за счет оснащения их более агрессивным вооружением, повышением стойкости опорного подшипникового узла за счет использования сборных шарошек и улучшением условий промывки путем разработки более эффективного промывочного узла.

2. Создана методика расчета и определены основные параметры процесса центробежно-объемного армирования для размещения упрочняющей зоны армирования в требуемой координате зуба вооружения с получением аналитического выражения процесса.

3. Разработана математическая модель формирования центробежно-объемно-армированного композиционного материала с определением его физико-механических характеристик.

4. Разработаны методы проектирования новой конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения, включающие расчеты его на прочность и получение требуемых геометрических размеров.

5. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено повышение прочности соединения с натягом за счет адгезионного взаимодействия сопрягаемых поверхностей центробежно-объемно-армированного венца с корпусом шарошки в сборной ее компановке.

Практическая ценность.

1. Разработаны новые конструкции, повышающие эффективность породоразрушающего бурового инструмента большого диаметра за счет оснащения его более агрессивным центробежно-объемно-армированным вооружением, повышения стойкости опорного подшипникового узла сборных шарошек и улучшения условий промывки путем оснащения универсальным центральным гидромониторным промывочным узлом.



2. Разработаны новые конструкции центробежно-объемно-армированного вооружения породоразрушающего бурового инструмента, повышающие его стойкость в 1,5 раза.

3. Разработаны новые сборные конструкции шарошек, повышающие на 25% стойкость опорного узла бурового инструмента.

4. Разработана новая конструкция универсального центрального гидромониторного промывочного узла, повышающая на 15-20% эффективность работы буровых долот большого диаметра. Конструкция внедрена в 29-ти типоразмерах буровых долот большого диаметра от 393,7 мм до 660,4 мм на ОАО «Сарапульский машзавод».

5. Разработан и создан на ЗАО «Завод экспериментальных машин» комплект оборудования и технологической оснастки для производства центробежно-объемно-армированного вооружения породоразрушающего бурового инструмента на специально созданном опытно-промышленном участке.

7. Проведены стендовые и промышленные испытания опытных партий породоразрушающего бурового инструмента, показавшего свою высокую эффективность (буровые долота Ш215,9МЗ-ГВ, Ш490С-ЦВР1, Ш490С-ЦВР-1М; буровая машина «Стрела-77»; породоразрушающие резцы различных типов и др.).

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались, получив одобрение, более чем на 30-ти всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, семинарах, совещаниях и выставках по проблемам породоразрушающего бурового инструмента.

Среди них можно выделить: Всесоюзные и Республиканские конференции г. Баку 1978г., 1980г.; Всесоюзные научно-технические семинары на долотных заводах г. Дрогобыч 1979г., г. Сарапул 1990г.; I, III и IV Всероссийское совещание руководителей предприятий оборонно-промышленного и нефтегазового комплексов (ВПК - ТЭК) г. Воткинск 1998г., 2000г., г. Москва 2001г.; Конференция в Японии г. Нагоя 1990г. и Польше г. Щецин 1997г. Конференции на базе вузов: Пензенского технического университета и ПДНТП 1979 – 1982г.; ИФИНГ г. Ивано-Франковск 1987г.; РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина I – VII конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» 1997 – 2007г.г. Международные выставки: «Нефтегаз – 1996», «Нефтегаз – 1998», «Нефтегаз – 2000», в Чехии в 1982г., выставка «Европейская неделя качества в России» 2001г., г. Москва. На заседаниях кафедры «Технология газонефтяного и нефтехимического машиностроения», «Технология машиностроения и сертификация в нефтяной и газовой промышленности» и «Управление качеством, сертификация и стандартизация нефтегазового оборудования» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина в период с 1977г. по настоящее время. На Ученом Совете ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ в 2009 году.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 74-х печатных трудах автора и 35-и авторских свидетельствах и патентах на изобретение, в том числе в 2-х научно-технических обзорах (брошюры) и 41-й статье в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки России.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, семи разделов, выводов, библиографического списка литературы, включающего 307 наименований, и приложения. Работа изложена на 219 страницах машинописного текста и включает 123 рисунка и 24 таблицы.

Автор выражает благодарность сотрудникам РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, с которыми проводились работы по теме диссертации: Крылову К.А., Бугаю Ю.Н., Николаеву А.Н., Серикову Д.Ю., Щербакову Е.Б., Бикбулатову И.К., Гинзбургу Э.С. Кроме того, сотрудникам следующих научно-исследовательских и учебных институтов: ВНИИБТ, ВНИИнефтемаш, Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Пензенский государственный технический университет. Отдельная благодарность руководителям долотных и машиностроительных предприятий: ОАО «Волгабурмаш» – Ищуку А.Г., ОАО «Сарапульский машзавод» – Макарову Н.Г., ОАО «Уралбурмаш» – Блинкову О.Г., ОАО «Дрогобычский долотный завод» – Илыку Т.А., «Экспериментальный завод ВНИИБТ» – Ворсобину М.Н., а также ЗАО «Завод экспериментальных машин» – Буцыну А.П. и Мартынову В.Н. Особую признательность автор выражает своему научному консультанту доктору технических наук, профессору В.Я.Кершенбауму.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность научно-технических проблем, рассмотренных и решенных в диссертации, цель, основные задачи и методы исследования.

Большой вклад в создание новых типов породоразрушающих буровых инструментов был внесен: Абрамсоном М.Г., Агошашвили Т.Г., Башкатовым Д.Н., Бикбулатовым И.К., Блинковым О.Г., Богомоловым Р.М., Браженцевым В.П., Буяновским И.Н., Вадецким Ю.В., Бикбулатовым И.К., Виноградовым В.Н., Владиславлевым Ю.Е., Гинзбургом Э.С., Гусманом А.М., Гусманом М.Т., Жидовцевым Н.А., Ильским А.Л., Иоаннесяном Ю.Р., Иоаннесяном Р.А, Кершенбаумом В.Я., Кершенбаумом Я.М., Константиновым Л.П., Короблевым Г.А., Крыловым К.А., Кузмаком Е.М., Линдо Г.В., Матвеевым Г.И., Мокшиным А.С., Палий П.А., Симоновым В.В., Сорокиным Г.М., Травкиным В.С., Хачатуровым С.С., Цветковым Ю.Н., Чайковским Г.П., Шрейбером Г.К., Эйгелесом Р.М. и многими другими учеными и инженерами.

Кроме того, следует отметить исследования: Якушева А.И., Берникера Е.И., Бобровникова Г.А., Федорова Б.Ф., Проскурякова С.Г., Демкина Н.Б., Бежелуковой Е.Ф., Курносова Н.Е., Крагельского И.В., Кочергина К.А., Чичинадзе А.В., Голего Н.Л., Айнбиндера С.Б., Костецкого Б.И., Семенова А.П., Томлинсона, Боудена, Финча и других, связанные с формированием соединения с гарантированным натягом и изучением процесса схватывания сопрягаемых поверхностей.

Первый раздел представляет анализ особенностей конструкции и технологии изготовления шарошечного породоразрушающего бурового инструмента, условий его работы, характера изнашивания. Так как буровые долота чаще всего не подвергаются восстановлению и не используются вторично, то требования, предъявляемые к их конструкции, технологии изготовления и эксплуатации, носят особый специфический характер.

Эффективность шарошечного породоразрушающего бурового инструмента определяется в основном работоспособностью трех его основных элементов: вооружения, опоры и промывочного узла.

Рассматривая основные типы вооружения бурового инструмента, можно по конструктивным особенностям разделить их на зубчатое поверхностно-армированное и твердосплавное. В первом случае призматический зуб формируется в процессе фрезерования или литья и далее упрочняется при нанесении на поверхность зуба карбида вольфрама – «релита». Во втором – твердосплавный зубок, выполненный из ВК, запрессовывается в корпус шарошки с гарантированным натягом.

Разница физико-механических характеристик основного материала (стали) и армирующего (твердого сплава), как для зубчатого поверхностно-армированного, так и для твердосплавного вооружения предопределяет его изнашивание. В основном все виды изнашивания вооружения сводятся к усталостному в процессе удара и к абразивному. Износ зубчатого вооружения сопровождается отслаиванием с поверхности зуба армирующего слоя, обнажением незащищенной стальной сердцевины и ее интенсивным износом, что приводит к притуплению зуба. Твердосплавной зубок при эксплуатации скалывается, сламывается или полностью выпадает из шарошки. Это приводит к скоплению на забое твердосплавного материала (скраба) и, как следствие, к снижению показателей бурения.

Приведенные выше рассуждения имеют отношение не только к буровым долотам, но и к подавляющему большинству породоразрушающих буровых инструментов. Это и различные буровые машины, и проходческие породоразрушающие комплексы и породоразрушающие резцы.

Проведенный нами анализ показывает, что существующие конструкции и технологические процессы изготовления вооружения бурового инструмента являются трудоемкими, металло- и станкоемкими. В ряде случаев нерационально использует дефицитный твердый сплав.

Нами разработан метод центробежного армирования вооружения шарошек буровых долот. Сущность метода состоит в совмещении процессов центробежного литья и армирования. В результате получается новая конструкция вооружения с размещением армирующих зерен твердого сплава не на поверхности зуба, а в объеме его рабочей части.

Известна попытка использовать этот метод для армирования зубчатого вооружения цельнолитых шарошек буровых долот и для получения центробежно-армированных зубков. Однако, стабильного качества армирования зубчатого вооружения, особенно у многовенцовых шарошек получено не было, и задача получения равностойких венцов с идентичными показателями качества армирования осталась нерешенной.

Предлагаемая работа рассматривает возможность конструктивного размещения упрочняющего материала в объеме рабочей части вооружения при центробежно-объемном армировании малых объемов на одном уровне для получения равностойких, с требуемыми качественными показателями армирования вооружения, отдельных центробежно-объемно-армированных венцов шарошек породоразрушающего бурового инструмента.

При этом наибольший эффект новой конструкции вооружения достигается для долот больших диаметров выше 393,7мм с вооружением типа «М» и «С». Проведенные нами исследования показали, что применение центробежно-объемно-армированного вооружения с заданными качественными характеристиками требует выполнения шарошек сборными. При этом важно отметить, что в новой сборной конструкции породоразрушающий зубчатый венец крепится на штампованный корпус шарошки. Это значительно повышает стойкость опорного узла в сравнении с серийно выпускаемыми долотами большого диаметра с литыми шарошками для долот типа «М» и «С». Одновременно должно выполняться условие обеспечения достаточной прочности соединения «венец-шарошка».

Наряду с вооружением, другим элементом, определяющим работоспособность породоразрушающего инструмента, является опора или подшипниковый узел. Как известно, по конструкции и технологии изготовления опорные узлы породоразрушающих буровых инструментов делятся на подшипники качения и подшипники скольжения. Подшипники качения с классической схемой «ролик-шарик-ролик» применяются для высокооборотных инструментов, в основном, при турбинном способе бурения, а подшипники скольжения применяются при низкооборотном роторном способе бурения.

Известно также, что при изготовлении буровых долот большого диаметра и особенно типа «М» с максимально развитым вылетом и формой зуба вооружения применяется технология литья шарошек по выплавляемым моделям. В результате центральная часть стационарно отлитой шарошки получает наихудшую структуру металла, обладает несплошностями и негативными включениями. В тоже время именно она является областью опорного подшипникового узла.

Поскольку физико-механические характеристики стационарно литого металла ниже, чем у штампованного на 25-30%, нами были проведены исследования для преодоления этого недостатка. В результате было установлено, что одним из эффективных путей повышения стойкости опорного узла является увеличение износостойкости подшипников за счет повышения физико-механических характеристик их материала путем применения новых сталей в шарошках сборной конструкции.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.