МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХОМЕНКО Володимир Львович

УДК 622.24.051

ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ

ПЛАНЕТАРНИХ ДОЛІТ БЕЗУДАРНОЇ ДІЇ

Спеціальність 05.15.10 – буріння свердловин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі техніки розвідки родовищ корисних копалин

Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Давиденко Олександр Миколайович,

завідувач кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин

Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Москальов Олександр Миколайович,

професор кафедри гірничих машин Національного гірничого

університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук

Мартиненко Іван Іванович,

заступник начальника Управління гідрогеології,

технічного та нормативного забезпечення Державного комітету

природних ресурсів України (м. Київ)

Провідна установа: ВАТ "Український нафтогазовий інститут"

Міністерства палива та енергетики України, науково-дослідний відділ буріння нафтових та газових свердловин (м. Київ?).

Захист дисертації відбудеться " 16 " червня 2004 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету за адресою 49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19.

Автореферат розісланий " 14 " травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Збільшення обсягів буріння без відбору керна, викликане гарною вивченістю родовищ корисних копалин, що знаходяться на відносно невеликій глибині, і збільшенням обсягу буріння експлуатаційних свердловин на нафту і газ, що знаходяться на великих глибинах, підвищує вимоги до техніко-економічних показників роботи доліт. Специфіка буріння глибоких свердловин така, що вимагає в першу чергу високих значень проходки на породоруйнівний інструмент. Більша частина всього обсягу буріння без відбору керна приходиться на шарошкові долота. Між тим шарошкові долота, що чинять переважно ударний вплив, не мають досить високу стійкість і недостатньо ефективно руйнують цілий ряд гірських порід. У свою чергу конструктивні недоліки знижують галузь застосування й обсяг буріння долотами, що здійснюють безударне руйнування гірської породи. Одним з найбільш перспективних напрямків удосконалення породоруйнівних інструментів є сполучення достоїнств планетарної конструкції шарошкових доліт із ріжучою чи стираючою дією, що чинять інші типи доліт. Це викликає потребу в більш глибокому дослідженні схем розташування озброєння, розподілу навантажень у породоруйнівному інструменті й аналізі взаємодії в парі "планетарне долото-гірська порода" і в розробці на цій основі комплексу теоретичних, конструктивних, технологічних і експлуатаційних рішень, що дозволили б підвищити техніко-економічні показники застосування планетарних доліт безударної дії.

Таким чином, обґрунтування конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії є актуальною задачею, вирішення якої дозволить якісно підвищити текінко-економічні показники роботи доліт безударної дії.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов’язана з науковим напрямком кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин НГУ та є складовою наукових досліджень, виконаних в межах госпдоговірної теми 040324 "Оптимізація технології алмазного буріння на засадах використання термомеханічного фактора" за номером держреєстрації № 0104U000791.

Мета роботи. Обґрунтування конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії, які мають високу зносостійкість на основі вивчення основних закономірностей взаємодії в парі "планетарне долото-гірська порода".

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Дослідити вплив проковзування сателітів відносно вибою та стінок свердловини на кінематичні характеристики планетарних доліт безударної дії.

2. Встановити основні закономірності зношування в парі "планетарне долото-гірська порода".

3. Встановити закономірності розподілу тиску й осьового зусилля під торцем працюючого породоруйнівного інструмента з різним профілем сателітів у планетарних долотах.

4. Розробити методику проектування конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії, що забезпечує підвищення зносостійкості інструмента.

Об'єкт досліджень – закономірності взаємодії в парі "планетарне долото-гірська порода".

Предмет досліджень – конструктивні параметри планетарних доліт безударної дії.

Ідея роботи – вирівнювання швидкостей руху, питомих навантажень і створення переривчастого контакту одиничних породоруйнівних елементів з гірською породою за рахунок забезпечення їх планетарного руху.

Методи досліджень. Поставлені задачі вирішувалися комплексним методом дослідження, який включає узагальнення і аналіз літературних і патентних джерел, лабораторне й аналітичне дослідження процесів що відбуваються при роботі планетарних доліт безударної дії, із застосуванням методів фізичного і математичного моделювання, програмування на ЕОМ, виробничі випробування. Експериментальні досліди виконувалися в лабораторних умовах із застосуванням спеціально розробленого стенду. Обробка отриманих даних та перевірка адекватності аналітичних залежностей здійснювалися на ЕОМ в пакетах Excel, Statistica і Mathcad з використанням методів математичної статистики.

Наукові положення, що захищаються в дисертації.

1. Зносостійкість планетарних доліт залежить від величини коефіцієнту проковзування сателітів відносно вибою та стінок свердловини, керувати яким можна зміною осьового навантаження та частоти обертання породоруйнівного інструмента.

2. При планетарному виконанні породоруйнівного інструменту підвищення зносостійкості забезпечується створенням рівнозносного профілю торця сателітів, який може бути визначений аналітичним шляхом.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Уперше показано, що, керуванням коефіцієнтом проковзування сателітів відносно вибою і стінок свердловини, досягається зниження зношування планетарних доліт безударної дії за рахунок вирівнювання швидкостей руху одиничних породоруйнівних елементів, розташованих на різних відстанях від осі сателіта і рівномірний розподіл тиску під торцем працюючого інструмента.

2. Уперше запропоновано залежність, що описує зношування профілю робочої поверхні сателіту планетарного долота в процесі буріння в залежності від властивостей гірських порід, параметрів режиму буріння та геометричних параметрів долота.

3. Уперше запропоновано математичний вираз для визначення профілю торця сателіта планетарного долота безударної дії, який забезпечує рівномірне зношування всіх породоруйнівних елементів.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується значним обсягом і даними аналізу теоретичних і експериментальних досліджень, базуються на фундаментальних положеннях механіки руйнування гірських порід, триботехніки і багатофакторного кореляційного аналізу з застосуванням ЕОМ, задовільною збіжністю теоретичних і експериментальних досліджень.

Наукове значення роботи полягає в тому, що розроблено науковий підхід до проектування планетарних доліт безударної дії. Теоретично й експериментально обґрунтовано, що проектування доліт безударної дії, в планетарному виконанні, дозволяє домагатися рівномірних умов роботи породоруйнівних елементів, розташованими на різних відстанях від осі сателіта, що полягають у рівномірному розподілі шляху тертя й осьового навантаження між ними. Установлено кореляційний зв'язок між коефіцієнтом проковзування породоруйнівних сателітів відносно вибою і стінок свердловини і параметрами режиму буріння.

Практичне значення роботи полягає в розробці–

науково обґрунтованої методики проектування конструктивних параметрів планетарних доліт, а саме: розмірів і кількості ступіней у долоті, розмірів і кількості сателітів на кожній ступіні, форми профілю породоруйнівних сателітів;–

рекомендацій із застосування планетарних доліт безударної дії;–

на рівні винаходів нових конструкцій породоруйнівних інструментів.

Особистий внесок автора: полягає в постановці і вирішенні задач досліджень; у формуванні моделі взаємодії гірських порід і планетарних доліт безударної дії; у розробці методичних рекомендацій до проектування конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії; у постановці і проведенні лабораторних і стендових досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові і практично результати дисертаційної роботи розглядалися на науково-технічних конференціях (Національна гірнича академія України 1998, Національна гірнича академія України 1999, Інститут геотехнічної механіки 1999, Національна гірнича академія України 2000, Національна гірнича академія України 2001, Інститут геотехнічної механіки 2001, Інститут надтвердих матеріалів 2002) і засіданнях кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин Національного гірничого університету.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 10 друкованих працях у наукових фахових виданнях і 1 патенті України.

Обсяг і структура роботи

Дисертаційна робота складається з вступу, шістьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел і додатків. Містить 137 сторінок машинописного тексту, у тому числі 42 малюнка, 11 таблиць, список використаних джерел з 142 найменувань, а також 9 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ присвячено аналітичному огляду конструкцій планетарних доліт безударної дії і планетарних породоруйнівних інструментів.

При аналізі стану питання через невелику кількість робіт, присвячених планетарним долотам безударної дії, необхідно розділяти роботи, присвячені долотам безударної дії і планетарному породоруйнівному інструменту.

При аналізі робіт в області застосування планетарного породоруйнівного інструмента в першу чергу необхідно відзначити цілу плеяду дослідників, що займалися розробкою шарошкового інструмента. Це пояснює як його виняткове різноманіття – долота, бурильні голівки, розширювачі, агрегати РТБ і т.д.; так і детальна вивченість особливостей шарошкового буріння. Відзначимо роботи В.С.Федорова, В.М.Виноградова, Р.М.Эйгелеса та ін. Їхніми дослідженнями доведена висока ефективність такого планетарного інструмента для руйнування гірської породи, що пояснюється ударною дією, яку він чинить на гірську породу, а також його високою зносостійкістю завдяки непостійному контакту породоруйнівних елементів з гірською породою, що поліпшує умови очищення інструмента від вибуреної гірської породи й охолодження породоруйнівних елементів.

Долота безударної дії можуть бути армовані твердими сплавами, надтвердими матеріалами, алмазами та т. ін. Матеріал армування визначає призначення, галузь застосування, режим роботи, умови використання та принципи проектування доліт.

Долота, армовані твердим сплавом, зазвичай застосовують в в’язких пластичних породах, де завдяки ріжучій дії ними вдається добиватися більш високих швидкостей буріння, ніж при використанні шарошкових доліт. В їх розробку значний вклад внесли В.П.Дверій, П.І.Букрєєв та ін.

Використання доліт и бурильних головок, що армовані алмазами або надтвердими матеріалами, якісно змінило технологічний процес проведення свердловин. Впровадження їх в практику буріння стало одним з вирішальних факторів підвищення швидкостей проходки та ефективності капітальних вкладень на бурові роботи в цілому. В першу чергу їх використовують при бурінні глибоких свердловин, зокрема при розвідці нафтових и газових родовищ.

З моменту початку свого застосування в якості породоруйнівних елементів алмази привертали підвищену увагу багатьох фахівців. Серед них можна виділити Ф.А.Шамшева, С.М.Тараканова, Н.І.Корнилова, М.І.Ісаєва, В.П.Барона, Г.О.Блинова, Ю.А.Оношко, В.І.Васильєва, С.А.Волкова, Н.В.Соловйова, А.В.Касаточкина, А.А.Бугаева, В.М.Лівшиця та ін. Завдяки їм удалося наблизитися до розуміння основних процесів, що відбуваються в парі "алмаз-порода". Хоча необхідно відзначити, що до вироблення єдиного погляду на ці питання ще далеко.

Алмазне буріння має ряд специфічних особливостей, які необхідно враховувати при розробці нового інструмента. По-перше, алмаз є самим міцним матеріалом, застосовуваним для армування породоруйнівного інструмента, тому основною перевагою алмазного інструмента є висока проходка на нього. По-друге, алмази, застосовувані для армування породоруйнівного інструмента, мають відносно невеликі розміри, у порівнянні з одиничними породоруйнівними елементами, застосовуваними для армування інших типів доліт, тому заглиблення за один оберт і як наслідок швидкість буріння ними також менше. По-третє, незважаючи на свою високу міцність алмази сприйнятливі до ударних навантажень, і в силу цього алмазний породоруйнівний інструмент працює в основному тільки в режимі різання, мікрорізання і стирання.

Спроб сполучити переваги планетарного інструмента з достоїнствами доліт ріжучої дії можна привести дуже мало. Укажемо на роботи Г.Камерона і Б.Хаффнера, В.П.Дверія, П.С.Литвиненка, А.О.Кожевникова, Карагандинського політехнічного інституту. Однак ці роботи (за винятком робіт КПІ) зводяться в основному тільки до ідей і патентів і не одержали належного теоретичного і практичного підтвердження.

Проведений аналіз цих робіт показав, що застосування планетарного підходу з урахуванням вищенаведених особливостей буріння долотами безударної дії дозволить більш повно використовувати достоїнства твердосплавного, і особливо алмазного та надтвердого озброєння, а також буде сприяти якісному стрибку в підвищенні ефективності породоруйнівного інструмента.

В другому розділі викладені теоретичні й експериментальні дослідження кінематичних характеристик планетарних доліт безударної дії.

Схематично долото планетарного типу безударної дії приведене на рис. 1.

При роботі такого інструмента без проковзування сателітів щодо стінок свердловини одиничні породоруйнівні елементи здійснюють плоскопаралельний рух по гіпоциклоїдних траєкторіях.

Такий рух давно відомо у вищій математиці. Його зокрема вивчали видатний мусульманський астроном и математик XIII сторіччя Мухаммед Насреддін ат-Тусі, Николай Копернік, німецький художник Альбрехт Дюрер, а також Ісак Ньютон, Готфрид Вільгельм Лейбниць, Леонард Ейлер, Даниил Бернуллі.

Використовуючи полярну систему координат виразимо шлях який проходить одиничний породоруйнівний елемент, що знаходиться від центра сателіта на відстані ri через радіус долота R, кут повороту долота ? і а – відношення радіуса сателіта r до радіуса долота

. ()

На рис. 2 наведені траєкторії руху одиничного породоруйнівного елемента при різних значеннях а.

Інтеграл (1) у загальному випадку не виражається через елементарні функції аргументу . Однак, він має окремий випадок, при якому рішення можна знайти в загальному вигляді. Це рішення становить великий інтерес для вивчення роботи планетарних доліт безударної дії.

При розгляді руху породоруйнівного елемента, що лежить на периферії сателіта (ri=r=a) вираз для визначення шляху, пройденого породоруйнівним елементом у залежності від кута повороту долота при чистому перекочуванні сателітів по стінках свердловини після інтегрування прийме вигляд

. ()

Отриманий вираз дозволяє визначати максимально можливий шлях для породоруйнівних елементів при теоретичній (без проковзування) частоті обертання долота.

Через те, що в загальному випадку за один оберт долота одиничний породоруйнівний елемент робить не ціле число віток гіпоциклоїди, то за різні оберти він буде проходити різний шлях тертя. Тому в розрахунках зручніше користатися середнім сумарної шляхом, що з урахуванням того, що кут між двома сусідніми початковими точками віток гіпоциклоїди дорівнює і за один оберт долота породоруйнівний елемент робить віток гіпоциклоїди, визначимо як

. ()

Шлях, який проходить породоруйнівний елемент, що розташований на осі сателіта (ri=0)

. ()

Визначимо максимально можливу нерівномірність розподілу швидкостей між одиничними породоруйнівними елементами, що рухаються з найменшою швидкістю (на осі сателіта) і з найбільшою (на периферії сателіта), як відношення шляхів прохідних цими елементами за один оберт долота. Коефіцієнт збільшення швидкості

. ()

Швидкість руху породоруйнівного елемента, що знаходиться на відстані ri від осі обертання сателіта в будь-який момент часу визначимо як

. ()

У реальних свердловинних умовах при роботі планетарного долота спостерігається проковзування сателітів відносно вибою і стінок свердловини.

Схема руху одиничного породоруйнівного елемента при русі з проковзуванням наведена на рис. 3.

Для характеристики ступеня проковзування сателітів використовуємо коефіцієнт проковзування, що визначимо як відношення фактичної частоти обертання сателіта до теоретичної частоти обертання при русі без проковзування

. ()

Тоді залежність шляху, що походить одиничний породоруйнівний елемент у залежності від його відстані від осі сателіта, коефіцієнта проковзування і кута повороту долота має вигляд

. ()

Для знаходження інтеграла (8) чисельними методами був використаний метод Симпсона, реалізований за допомогою програми Microsoft Excel.

Подальший аналіз показав, що залежність середнього шляху одиничного породоруйнівного елемента від його відстані ri до осі сателіта за один оберт долота (а він прямо пропорційний середньої швидкості руху) можна з високим ступенем точності апроксимувати параболою вигляду

, ()

де А – коефіцієнт, що залежить від значень параметрів вхідних у вираз (9); С – постійний коефіцієнт, .

Для вивчення впливу параметрів режиму буріння на коефіцієнт проковзування були проведені стендові дослідження.

Результати стендових досліджень впливу осьового навантаження і частоти обертання на коефіцієнт проковзування для долота з вертикальним розташуванням осей сателітів наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Залежність коефіцієнта проковзування від осьового навантаження

і частоти обертання долота

№ досвіду | Частота обертання долота, хв-1 | Осьове навантаження, Н | Середня частота обертання сателітів, хв-1 | Коефіцієнт проковзування | Стандарт | Середня помилка m | Коефіцієнт варіації K, % | Відносна помилка , %

1 | 75 | 1000 | 56,67 | 0,358 | 0,018 | 0,011 | 5,09 | 2,94

2 | 2000 | 53,33 | 0,337 | 0,018 | 0,011 | 5,41 | 3,13

3 | 3000 | 50,00 | 0,316 | 0,000 | 0,000 | 0,00 | 0,00

4 | 4000 | 48,33 | 0,305 | 0,018 | 0,011 | 5,97 | 3,45

5 | 5000 | 48,33 | 0,305 | 0,018 | 0,011 | 5,97 | 3,45

6 | 150 | 1000 | 106,67 | 0,337 | 0,009 | 0,005 | 2,71 | 1,56

7 | 2000 | 101,67 | 0,321 | 0,009 | 0,005 | 2,84 | 1,64

8 | 3000 | 98,33 | 0,311 | 0,009 | 0,005 | 2,94 | 1,69

9 | 4000 | 95,00 | 0,300 | 0,000 | 0,000 | 0,00 | 0,00

10 | 5000 | 91,67 | 0,289 | 0,009 | 0,005 | 3,15 | 1,82

11 | 225 | 1000 | 151,67 | 0,319 | 0,006 | 0,004 | 1,90 | 1,10

12 | 2000 | 145,00 | 0,305 | 0,000 | 0,000 | 0,00 | 0,00

13 | 3000 | 140,00 | 0,295 | 0,000 | 0,000 | 0,00 | 0,00

14 | 4000 | 136,67 | 0,288 | 0,006 | 0,004 | 2,11 | 1,22

15 | 5000 | 133,33 | 0,281 | 0,006 | 0,004 | 2,17 | 1,25

16 | 300 | 1000 | 193,33 | 0,305 | 0,005 | 0,003 | 1,49 | 0,86

17 | 2000 | 186,67 | 0,295 | 0,005 | 0,003 | 1,55 | 0,89

18 | 3000 | 180,00 | 0,284 | 0,000 | 0,000 | 0,00 | 0,00

19 | 4000 | 173,33 | 0,271 | 0,005 | 0,003 | 1,68 | 0,97

20 | 5000 | 170,00 | 0,268 | 0,000 | 0,000 | 0,00 | 0,00

21 | 375 | 1000 | 233,33 | 0,295 | 0,004 | 0,002 | 1,24 | 0,71

22 | 2000 | 225,00 | 0,284 | 0,000 | 0,000 | 0,00 | 0,00

23 | 3000 | 216,67 | 0,274 | 0,004 | 0,002 | 1,33 | 0,77

24 | 4000 | 211,67 | 0,267 | 0,004 | 0,002 | 1,36 | 0,79

25 | 5000 | 208,33 | 0,263 | 0,004 | 0,002 | 1,39 | 0,80

На підставі проведених теоретичних і експериментальних стендових досліджень кінематичних характеристик планетарних доліт були зроблені наступні висновки:–

найбільший вплив на зміну коефіцієнта проковзування чинять частота обертання й осьове навантаження на інструмент, вплив витрати промивної рідини незначно і при визначенні технології буріння планетарними долотами їм можна знехтувати; –

залежність коефіцієнта проковзування від осьового навантаження апроксимується прогнозної кривої до значень, отриманим у результаті експериментів рівнянням вигляду

; –

залежність коефіцієнта проковзування від частоти обертання апроксимується прогнозної кривої до значень, отриманим у результаті експериментів рівнянням вигляду

; –

залежність коефіцієнта проковзування при одночасній зміні осьового навантаження і частоти обертання апроксимується прогнозної кривої до значень, отриманим у результаті експериментів рівнянням вигляду

; –

залежність коефіцієнта проковзування від кута нахилу осі сателіта до осі породоруйнівного інструмента апроксимується прогнозної кривої до значень, отриманим у результаті експериментів рівнянням вигляду

; –

у планетарних долотах, на відміну від доліт, що серійно випускають нині, породоруйнівні елементи рухаються не по кругових траєкторіях, а по гіпоциклоїдам, що приводить до відсутності елементів, які рухаються з нульовими швидкостями і значним вирівнюванням швидкостей елементів, що знаходяться на різній відстані від осі долота;–

змінюючи коефіцієнт проковзування можна досягати створення рівних умов для роботи всіх породоруйнівних елементів долота.

В третьому розділі присвячено визначенню основних аналітичних відносин для побудови математичної моделі зношування планетарних доліт безударної дії.

При моделюванні роботи долота в свердловині велике значення має розподіл тиску по робочій поверхні інструмента. Епюри реакції вибою дозволяють визначити ділянки, що працюють у несприятливих умовах і піддані аномальному зношуванню. Їхній аналіз указує напрямок подальшого удосконалювання породоруйнівного інструмента.

Для доліт з рухом породоруйнівних елементів по окружності питання про розподіл тиску під торцем працюючого інструмента вивчене досить добре. Можна вказати на роботи В.С.Владиславлева, І.Ф.Вовчановського, В.Р.Пуняк та ін.

Для побудови епюри тисків у планетарних долотах використовуємо метод розрахунку сполучень, який застосовують у триботехніці. Правомірність застосування цього методу при рішенні бурової проблематики підтверджується роботами Г.О.Блинова, Н.В.Соловйова, Р.К.Богданова та ін.

Відповідно до цього підходу тиск у даній точці обернено пропорційний її шляху тертя L. Тоді з урахуванням залежності (9) маємо

, ()

де Ид-п – величина зношування в парі "долото-порода"; kд і kп – коефіцієнти, що характеризують зносостійкість відповідно долота і породи й умови роботи даної пари тертя.

На рис. 4 наведені побудовані по цьому рівнянню схематичні залежності розподілу тиску для доліт з різними коефіцієнтами проковзування.

Аналізуючи епюри тисків для доліт із планетарним виконанням робочого органа, і порівнюючи їх з долотами безударної дії, що серійно випускаються, можна зробити наступні висновки:–

епюра розподілу тисків у планетарних долотах має гіперболічний характер з вершиною в центрі сателіта;–

навантаження в планетарних долотах розподілені значно більш рівномірно, ніж у звичайних;–

у планетарних долотах відсутні зони з нульовими швидкостями, де руйнування породи відбувається не за рахунок мікрорізання, а роздавлюванням породи і як наслідок відсутнє перенавантаження породоруйнівний елементів;–

керуючи коефіцієнтом проковзування можна домагатися вирівнювання розподілу навантажень по поверхні сателіта, аж до створення умов, коли всі породоруйнівні елементи сателіта будуть навантажені однаково, поза залежністю від їхнього видалення від осі сателіта.

На підставі залежності розподілу тисків по радіусі сателіта був проаналізований розподіл осьового навантаження між сателітами розташованими на різних ступінях долота.

Осьове навантаження на сателіт Fос можна визначити розглядаючи зношування за проміжок часу t

, ()

де nд – частота обертання долота.

Тоді навантаження на долото

, ()

де – кількість сателітів на j-ій ступіні; N – кількість ступіней у долоті.

У багатоступінчастих планетарних долотах осьове навантаження на сателіти, розташовані на різних ступінях, розподілена нерівномірно. Сателіти, що знаходяться на ступінях розташованих ближче до вибою навантажені більш сильно. Таким чином, зі збільшенням кількості ступіней у планетарному долоті зростає нерівномірність розподілу навантажень між різними ступінями.

В четвертому розділі розроблена математична модель взаємодії планетарних доліт безударної дії з вибоєм свердловини.

Математичне моделювання синтезує різнобічні результати досліджень і дозволяє використовувати їх для виявлення оптимальних конструктивних параметрів інструмента і режимів буріння в умовах ряду обмежень: технологічних, конструктивних і економічних. Практична значимість математичного моделювання полягає в можливості відтворення будь-яких заданих умов навантаження.

При розробці такої моделі використовуються наступні фундаментальні залежності:

1. Залежність, що характеризує елементи озброєння долота: початкова функція довільного по радіусі контуру долота;

2. Залежності, що характеризують режим роботи озброєння:

1) функція розподілу питомого навантаження (нормального тиску) по робочій частині долота;

2) функція розподілу швидкостей руху породоруйнівних елементів у залежності від їхнього положення на торці долота (видалення від осі сателіта, на якому розташований досліджуваний елемент);

3) функція розподілу осьового зусилля.

Закон розподілу тиску по торці працюючого породоруйнівного інструмента з криволінійним профілем має вигляд

. ()

Осьова навантаженням на сателіт дорівнює

, ()

де – кут між нормаллю до поверхні тертя і напрямком зближення контактуючих поверхонь.

Координати зношеного профілю робочої поверхні сателіта планетарного долота в процесі буріння визначимо, інтегруючи (14) і знайшовши вираз зношування долота за даний проміжок часу

, ()

де К – постійна, що характеризує геометричні параметри долота й умови роботи, дорівнює .

Схема зношування сателіта, отримана в результаті аналізу роботи планетарного долота із сателітами виконаними з кулястим профілем робочої поверхні з центральним кутом 180 (=90) і з центральним кутом 150 (=75) наведена на рис. 5.

У результаті аналізу розподілу тиску по поверхні тертя сателіта й осьового навантаження між сателітами, розташованими на різних ступінях планетарних долотах були зроблені наступні висновки:–

профілі, по яких нині серійно виконується долота безударної дії, піддані аномальному зношуванню і не можуть бути використані при проектуванні профілю породоруйнівних сателітів планетарних доліт безударної дії;–

для досягнення тієї ж швидкості буріння, що й долотами з рухом породоруйнівних елементів по окружності, планетарним долотам потрібно 60-70 % від осьового навантаження на звичайні долота;–

сателіти, що знаходяться на різних ступінях планетарних доліт навантажена нерівномірно, чим ближче ступінь знаходиться до центра долота, тим сильніше навантажені сателіти, розташовані на ній.

В п’ятому розділі викладена методика проектування конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії яка складається з наступних етапів:

1. У залежності від необхідного діаметра буріння вибирається кількість ступіней долота. Долота діаметром до 149,4 мм включно виконуються одноступінчатими, до 500 мм – двоступінчастими.

2. Вирішуючи систему рівнянь (16) визначаються розміри ступіней і кількість сателітів на кожній ступіні.

. ()

3. З урахуванням геологічного розрізу визначаються характеристики взаємодії пари "породоруйнівний сателіт-гірська порода" (kд, kп і kпр).

4. Використовуючи рівняння (17) визначаються профілі робочої поверхні породоруйнівних сателітів на кожній ступіні.

. ()

На рис. 6 схематично представлений профіль робочої поверхні сателіта, розрахований по виразу (17).

В шостому розділі приведені результати виробничих випробувань планетарного долота безударної дії.

Для виробничих випробувань використовувався експериментальний зразок планетарного долота безударної дії, спроектований у відповідності до розробленої методики проектування конструктивних параметрів і виготовлений у виробничому об'єднанні "Кіровгеологія". Долото озброєно твердосплавними вставками. Діаметр долота 97 мм.

Іспити проводили в Придніпровській геофізичній розвідувальній експедиції на свердловинах № 14, 15, 19, 23, 34, 36, 65, 78, 80, 88 на Західно-Вишневській площі південно-східної частини Дніпровсько-Донецької западини. Бурова установка УРБ-2,5А. Глибина свердловин 30-60 м. Буріння проводилося по різних піщаниках і алевролітах IV-VI категорій по буримості потужністю 20 м, що залягають в нижній частині розрізу. Група по абразивності ІІ-ІІІ. В якості промивальної рідини використовували технічну воду. Осьове навантаження 800-1200 даН. Частота обертання 197 хв-1. Витрата промивальної рідини 250-300 л/хв. За базу порівняння були прийняті долота ПБК-112, що використовуються в експедиції при бурінні в геологічних умовах, аналогічним тим, у яких було випробуване долото планетарного типу.

Усього при проведенні іспитів було пробурено 200 м. Середня механічна швидкість буріння планетарним долотом складала 43,6 м/ч. Середня механічна швидкість при бурінні долотами ПБК-112 в аналогічних умовах складала 41,4 м/ч.

Комісією в результаті іспитів були зроблені наступні висновки.

1. Проходка на експериментальний зразок планетарного долота в 2 рази перевищує проходку на долото ПБК-112, який прийнятий за базу порівняння. Знос долота рівномірний, ознак аномального зносу не спостерігається.

2. При бурінні планетарним долотом механічна швидкість буріння підвищується в 1,05 рази.

3. Вартість 1 м проходки експериментальним зразком планетарного долота складає 80від доліт ПБК-112.

4. Долото планетарного типу забезпечує ефективне буріння свердловин і може бути рекомендоване до широкого використання в практиці бурових робіт при бурінні свердловин безкерновим способом.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень дано рішення актуальної задачі, що полягає в обґрунтуванні конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії.

Найбільш важливі наукові і практичні результати досліджень, висновки і рекомендації полягають у наступному:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в таких роботах:

1. А.Н. Давиденко, В.Л. Хоменко. Определение количества сателлитов и расстояния между ними в планетарных долотах. Науковий вісник Національної гірничої академії України № . – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. – С. 88-89.

2. А.Н. Давиденко, В.Л. Хоменко. Влияние траектории движения породоразрушающих элементов в планетарных долотах на равномерность износа вооружения. Науковий вісник Національної гірничої академії України № 3. – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. – С. 96-98.

3. А.Н. Давиденко, В.Е. Ткаченко, В.Л. Хоменко. Влияние конструктивных параметров и величины проскальзывания на распределение скоростей в алмазных планетарных долотах. Наукові праці ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. Випуск 23. – Донецьк, ДонДТУ, 2001. – С. 14-18.

4. А.Н. Давиденко, В.Л. Хоменко. Экспериментальное изучение влияния параметров режима бурения на коэффициент проскальзывания сателлитов относительно стенок скважины в алмазных планетарных долотах. Наукові праці ДонДТУ. Серія гірничо-геологічна. Випуск 24. – Донецьк, ДонДТУ, 2001. – С. 19-23.

5. В.Л. Хоменко. Определение равноизносной формы профиля торца сателлита в алмазных долотах планетарного типа. Науковий вісник Національної гірничої академії України № 5. – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2001. – С. 110-111.

6. В.Л. Хоменко. Основные этапы методики проектирования алмазных планетарных долот. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Гірничо-геологічна". Вип. 63. – Донецьк: ДонНТУ, 2003. – С. 90-93.

7. Пат. 37549 А Україна, МКИ Е 21 В 10/46. Бурове долото / Давиденко А.Н., Хоменко В.Л. № 99105546; Заявлено 12.10.99; Опубл. 15.05.01; Бюл. № 4. – 3 с.

8. А.Н. Давиденко, В.Л. Хоменко. Выбор формы и вооружения породоразрушающих сателлитов планетарных долот. // Труды 2-й научно-технической конференции "Эпштейновские чтения". – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. – С. 51-52.

9. А.Н. Давиденко, В.Л. Хоменко. Планетарный подход к проектированию алмазных долот. // Труды Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы геологии и рационального природопользования". Сб. научн. трудов НГА Украины. № 6, том . Бурение скважин, гидрогеология и экология. – Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. – С. 43-46.

10. В.Л. Хоменко. Определение конструктивных параметров алмазных долот планетарного типа. // Труды научно-практической конференции "Метан вугільних родовищ України". Гірнича механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки НАН України. – Київ-Дніпропетровськ, 2000. – Вип. 17. – С. 268-272.

11. А.Н. Давиденко, В.Л. Хоменко. Методика проектирования алмазных планетарных долот. // Тезисы докладов V Международной конференции "Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения" / ИСМ им В.Н.Бакуля НАН Украины. – Киев, 2002. – С. 166-168.

АНОТАЦІЯ

Хоменко В.Л. Обґрунтування конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.10 – буріння свердловин. – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена питанням розробки конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії з осями сателітів, розташованими паралельно осі інструмента.

На підставі аналізу кінематики планетарних доліт побудовані епюри розподілу тиску по поверхні породоруйнівних сателітів. Установлено, що великий вплив на роботу планетарних доліт безударної дії справляє явище проковзування сателітів щодо стінок свердловини.

Запропоновано рівняння для визначення форми профілю торця породоруйнівних сателітів у залежності від умов роботи. Запропоновано методику проектування конструктивних параметрів планетарних доліт безударної дії, що забезпечує створення доліт, у яких завдяки створенню рівних умов роботи для всіх одиничних породоруйнівних елементів відбувається максимально повне відпрацьовування сировини для армування.

Результати теоретичних досліджень знайшли підтвердження в ході практичних досліджень і з’явилися базою для створення методики проектування конструктивних параметрів планетарних доліт та конструкції планетарного долота, що була успішно випробувана в виробничих умовах.

Ключові слова: буріння свердловин, свердловина, долото, планетарне долото, конструктивні параметри, профіль торця.

АННОТАЦИЯ

Хоменко В.Л. Обоснование конструктивных параметров планетарных долот безударного действия. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.10 – бурение скважин. – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена вопросам разработки конструктивных параметров планетарных долот безударного действия с осями сателлитов, расположенными параллельно оси инструмента. На основании аналитического обзора обоснована перспективность использования планетарного принципа конструирования для проектирования долот безударного действия.

Проанализированы кинематические характеристики планетарных долот безударного действия, построены эпюры распределения давления по поверхности породоразрушающих сателлитов, что дало возможность утверждать, что условия работы единичных породоразрушающих элементов в планетарных долотах находятся в существенно меньшем диапазоне, по сравнению с долотами с движением породоразрушающих элементов по окружности. Установлено, что большое влияние на работу планетарных долот безударного действия оказывает явление проскальзывания сателлитов относительно забоя и стенок скважины. Управляя им с помощью технологических параметров режима бурения можно добиваться выравнивания условий работы единичных породоразрушающих элементов, расположенных на различном расстоянии от оси сателлитов.

Предложено уравнение для определения формы профиля торца породоразрушающих сателлитов планетарного долота безударного действия в зависимости от условий работы. Все единичные породоразрушающие элементы в сателлитах с таким профилем торца находятся равных условиях работы. Благодаря этому сателлиты будут сохранять свою первоначальную форму в процессе бурения. На основании аналитических исследований разработана математическая модель абразивного изнашивания в паре "породоразрушающий сателлит-горная порода", описывающая изменение профиля торца породоразрушающего сателлита в зависимости от времени работы планетарного долота в заданных условиях. Используя математическую модель, было проанализировано распределение осевого усилия на породоразрушающие сателлиты в планетарном долоте. Это дало возможность установить, что для достижения той же скорости бурения, что и долотами с движением породоразрушающих элементов по окружности планетарным долотам требуется 60-70 % от осевой нагрузки на обычные долота безударного действия. Предложена методика проектирования конструктивных параметров многоступенчатых планетарных долот безударного действия, обеспечивающая создание долот, у которых благодаря созданию равных условий работы для всех единичных породоразрушающих элементов происходит максимально полная отработка армирующего сырья.

Результаты теоретических исследований нашли подтверждение в ходе практических исследований и явились базой для создания методики проектирования конструктивных параметров планетарных долот и конструкции планетарного долота успешно испытанной в производственных условиях.

Ключевые слова: бурение скважин, скважина, долото, планетарное долото, сателлит, конструктивные параметры, профиль торца.

SUMMARY

Khomenko V.L. The substantiation of design data of planetary bit unaccented action. – Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on a speciality 05.15.10 – Drilling of holes. – National Mining University, Dnepropetrovsk, 2004.

The thesis is devoted to questions of development constructive parameter planetary bit unaccented action with axises of satellites, located parallel axis of the instrument.

The analyzed cinematic of the feature planetary bit of the unaccented action, are built graphic sharing the pressure on surfaces rock destruction satellites. It is installed that big influence upon work planetary bit of the unaccented action renders the phenomena of the slippage of satellites comparatively face and wall of the bore hole.

The offered equation for determination of the form of the profile butt end rock destruction satellites of planetary bit of the unaccented action depending on conditions of the work. It is offered methods of the construction parameters designing planetary bit with many steps unaccented action, providing creation bit, beside which due to making the equal conditions of the work for all single rock destruction element occurs greatly full army raw material work of.

The results of the basic researches have found the acknowledgement in the course of practical studies and were a base for making the engineering methods of the designing of planetary bit and designs planetary bit successfully practiced in working conditions.

The keywords: drilling of holes, hole, bit, planetary bit, satellites, constructive parameters, profile butt end.

Хоменко Володимир Львович

ОБҐРУНТУВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ

ПЛАНЕТАРНИХ ДОЛІТ БЕЗУДАРНОЇ ДІЇ

(Автореферат)

Підписано до друку Формат 3042/4.

Папір . Ризографія. Умовн. друк. арк.

Обліково-видавн. арк. Тираж 120 прим. Зам. №

Безкоштовно.

РВК НГУ

49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К.Маркса, 19