Способ армирования породоразрушающего инструмента Советский патент 1992 года по МПК E21B10/00 

Изобретение относится к породоразру- шающему инструменту, а именно к проектированию, конструированию и разработке долот режуще-скалывающего действия и их применению при бурении скважин.

Известен способ армирования долот, заключающийся в размещении резцов в шахматном порядке, по цепочке, по радиусу и по концентрическим окружностям.

Размещение резцов по перечисленным спбсобам неэффективно. Способы размещения резцов из услоййя равномерного перекрытия забоя приводит к преждевременному износу резцов на от- дельных участках и выходу из строя породоразрушающего инструмента при использовании вооружения на 20,- 3,6%.

Другим недостатком указанных способов является необоснованная концентрация режущих элементов на торце бурового долота без учета характера взаимодействия резцов и механизма разрушения гЬрной породы на различных участках.

Указанные недостатки частично устраняются в известном с пособё путем увеличения концентрации алмазов в наружной части торца породоразруаГающего инструмента, применяя при этом бтрлее крупные алмазы, и использованием алмазов различных размеров и качеств. дпрёдел яемых кон- струкцией алмазной матрицы, который по технической сущности и достигаемому реЧ ОТ

СО SJ Ы

зультату является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Недостатком указанного способа является выбор размеров и качеств алмазов в зависимости от конструкции алмазосодер- жащей матрицы, что не связано ни с механизмом, ни с особенностью разрушения горных пород на разных участках забоя, ни режимами взаимодействия алмазов с породой, ни с физико-механическими свойства- ми разрушаемых пород, что приводит к снижению механической скорости VMGX и долювемности породоразрушающего инструмента Кроме того, решение задачи износостойкости не связано с механической скоростью бурения, а основной показатель бурения - сроки строительства скважины зависит, прежде всего, от механической скорости и при решении задачи сокращения сроков стооительства скважин необходимо совместно рассматривать проблему повышения и увеличения долговечности долота.

В известном способе нет задачи уменьшения сопротивляемости горных пород механическому разрушению в зависимости от форм и типа инденторов и их расположения на торце породоразрушающего инструмента

Также в известном способе не учитываются возможности бурового комплекса, что в совокупности с перечисленными недостатками приводит к неэффективной реализации подводимой на забой энергии.

В известном способе при размещении резцов не учитывается характер распреде- ления силовых и энергетических параметров по рабочей поверхности в зависимости от формы элементов вооружения.

Цель изобретения - повышение эффективности способа оптимального распреде- ления типа и формы резцов по рабочей поверхности породоразрушающего инструмента.

Поставленная цель достигается тем, что определяют распределение силовых и энер- гетических параметров по участкам рабочей поверхности породоразрушающего инструмента при разрушении горных пород с определенными физико-механическими свойствами, различными типоразмерами вооружения, причём изучение проводят только экспериментальным путем; для каждого типа вооружения, режимов разрушения свойств пород строят характеристики изменения силовых и энергетических пара- метров по мере удаления от оси скважины и выделяют участки потенциального износа по критическим значениям тех или иных параметров; выбирают тип и форму резцов из полученных зависимостей, обеспечивающие минимальное значение тех или иных параметров на участке потенциального износа и преждевременного выхода из строя вооружения проектируемого долота, и размещение резцов осуществляется путем их комбинирования; определяют геолого-технологические условия работы долота,

Необходимость выполнения перечисленных операций заключается в следующем.

Эффективность разрушения горной породы на разных участках забоя в значительной степени определяется характером распределения силовых и энергетических параметров взаимодействия по рабочей поверхности породоразрушающего инструмента.

Расчетная величина удельной мощности, реализуемой на каждом участке рабочей поверхности, должна удовлетворять условию

, м де«, (1)

где - удельная мощность на участке рабочей поверхности, при достижении которой начинается эффективное объемов разрушение горной породы;

Муд| - реализуемая на участке мощность;

Мудпр - предельная удельная мощность на участке, при достижении которой начинается катастрофическое изнашивание (разрушение) вооружения.

Для удельной нагрузки условие (1) можно записать так;

Руд Руд

пр

(2)

Характер распределения удельной нагрузки и момента (модности) по рабочей поверхностипородоразрушающегоинструмента следующий; удельная нагрузка имеет максимальную величину в центре и периферии, крутящий момент - на периферии рабочей поверхности. Иначе Руд|пр может быТЬ ДОСТИГНУТО При Муд| И,

наоборот, Ыуд|пр может быть достигнуто при

.

Кроме того, эффективность работы, энергетическая загрузка породоразрушающего элемента в значительной степени определяется его геометрическими параметрами (величиной, формой рабочей поверхности и т.п.) Следовательно, путем комбинирования различных типов резцов можно регулировать (оптимизировать) распределение силовых и энергетических параметров по рабочей поверхности

породоразрушающего инструмента, что в конечном итоге повлияет на эффективность процесса разрушения, т.е. увеличение механической скорости и повышения долговечности долота.

Заявляемый способ армирования буровых долот позволит увеличм1ъ механическую скорость бурения за счет уменьшения удельной энергоемкости разрушения горных пород на участках, сдерживающий уг- лубление всего долота.

Выполнение всех операций при армировании долота по заявляемому способу по определенной последовательности позволит комплексно рассматривать горно-геоло- гические и технико-технологические условия работы долот, что оказывает положительное влияние на повышение долговечности и увеличение механической скорости.

Регулирование распределением силовых и энергетических параметров путем комбинирования резцов различной формы позволяет увеличить энергонапряженнос ть Аз резцов на участках наибольшего сопро- тивления пород разрушению за счет сниже- ния ее (Аэ) на участках относительно меньшего сопротивления, что в конечном счете приводит к более рациональному использованию подводимой на забой энер- гии.

Кроме того, возможность регулирования распределением силовых и энергетических параметров дает возможность облегчения условий работы резцов в зоне перехода от торца долота к калибрующей части-, что в итоге, снижает интенсивность потери диаметра долота и предупреждает возможные осложнения, связанные с потерей диаметра.

Следует подчеркнуть, что управление распределением по забою параметров взаимодействия резцов с породой проявляется лишь при условии учета предполагаемых режимов работы долота и свойств разрушав- мой горной породы. В противном случае, при изменении режимов бурения или проходке пород со свойствами, резко отличающимися от использованных при проектировании, возможно нежелательное перераспределение параметров взаимодействия и ухудшение показателей работы породоразрушающего инструмента.

В первую очередь для реализации способа армирования породоразрушающего инструмента необходимо определить физико-механические свойства горных пород. По известным теоретическим предпосылкам выбирают наиболее близкие формы резцов, соответствующих для эффективного

разрушения конкретного типа горных пород. Далее излучается характер распределения силовых и энергетических параметров по р абочей поверхности инструмента для каждой формы элемента вооружения. Путем сопоставления полученных зависимостей распределения параметров взаимодействия с горной породой выбирается оптимальная форма резца. Производится анализ распределения параметров взаимодействия с учетом условий для опре- дел ения аномальных участков. Выделенные участ ки оснащаются резцами другой формы или типа, обеспечивающими оптимальную загруженность всей торцевой поверхности породоразруша ющего инструмента.

Пример. Способ армирования породоразрушающего инструмента для рассматриваемого примера показан в виде структурной схемы на фиг.1.

Определяют механические свойства исследуемой на разрушение породы.

Твердость по штампу

Рш, МПа 8,8-11

Предел текучести Р0,

МПа, 5,3 - 6,5

Условный коэффициент

текучести, К2,8-3,8

Далее экспериментально определяется распределение параметров взаимодействия по рабочей поверхности для резцов Г14, Г 51 и Г 53 (см. табл.3).

Для исследования распределения удельной нагрузки (Руд) определяются для каждого учэстка рабочей поверхности долота от центра к периферии (см. табл.4). По полученным результатам вычисляются удельные нагрузки.

,Для определения частоты вращения п 3,25 данные по распределению удельных нагрузок приведены в табл.2.

Дальнейший анализ распределения удельных нагрузок по рабочей поверхности долота с различными типами вооружения ведут при неизменной величине удельной нагрузки на долото (Рудо- 450 МПа), для чего строятся номограммы Руд от Рудо (фиг.2 - 4).

На основе полученных номограмм определяем Руд для всех типов резцов при общей удельной нагрузке 450 МПа (см. табл.3 и фиг.5).

Как видно из фиг.5, удельная нагрузка распределяется по рабочей поверхности неравномерно. Наибольшие значения удельных нагрузок сосредоточены в центре и на периферийных участках долота. Для долот с различными формами элементов вооружения при неизменной удельной нагрузке на долото и частоте вращения, распределение удельной нагрузки по участкам рабочей поверхности неодинаковы. Так, при частоте вращения долота 3,25 и удельной нагрузке для долот с резцами Г 51, причем на первом участке рабочей поверхности РУД1 значительно меньше, чем на других долот, а на пятом участке минимальное значение Руд5 для резцов Г 14.

По результатам анализа, очевидно, одной из причин изнашивания торца породо- рззрушающего инструмента с образованием кольцевой выработки является неравномерное распределение Руд.

Для того чтобы повысить равномерность изнашивания, необходимо уменьшить сопротивление породы механическому разрушению на критических участках, что достигается путем армирования участков потенциального опережающего износа такими элементами вооружения, которые обеспечивают снижение значения удельных нагрузок на рассматриваемых участках.

Из полученных экспериментальным путем зависимостей распределения удельных нагрузок выбирается вариант размещения резцов и определяется теоретическое распределение удельной нагрузки по торцу по- родоразрушающего инструмента при замене элементов вооружения на участках резцами такой формы, которые обеспёчива- ют минимальное значение удельной нагрузки на рассматриваемом участке, при этом снижая энергоемкость разрушения (см. приложение, табл.3). Следовательно, в данном случае долото можно армировать по следующему варианту:

Для оценки действительного распределения удельной нагрузки на рабочей поверхности и анализа механической скорости бурения долотами армированными по предлагаемому способу проведено опытное бурение.

На фиг.6 показано распределение удельной нагрузки по рабочей поверхности при Рудо 450 МПа и п 3,25 для долота армированного по предлагаемому способу, а также для долот с резцами Г 51, Г 14 и Г 53.

Эффективность применения резцов различных типов при армировании буровых долот определяется также удельной энергоемкостью процесса механического разрушения горных пород. Поэтому для принятия окончательного решения по определению оптимального варианта армирования долота необходимо учитывать распределение не

только силовых, но и энергетических параметров разрушения горных пород.

Например, анализ распределения удельной работы разрушения можно провести по распределению мощности (момента)

на участках долота. Анализ проводится аналогично описанному примеру.

Изобретение по сравнению с прототипом позволяет увеличить долговечность долота путем комбинирования

резцов различной формы таким образом, чтобы на участках потенциального преждевременного выхода из строя элементов вооружения в результате высоких удельных нагрузок Руд| Рудкр устанавливают

резцы, удовлетворяющие условию РУД| РуДкр. За счет обеспечения более равномерного распределения Руд по рабочей поверхности увеличивается долговечность долота по предлагаемому варианту размещения

элементов вооружения по поверхности.

Механическая скорость бурения увеличивается за счет обеспечения эффективности разрушения горной породы на участках, где РУд Руд3. В предлагаемом изобретении при увеличении долговечности механическая скорость не снижается, а даже несколько увеличивается (см. табл.2),

35

Формула изобретения

Способ армирования породоразрушаю- щего инструмента, включающий определение силовых и энергетических параметров взаимодействия резцов инструмента с горной породой, размещение резцов на рабочей поверхности в соответствии с характеристиками взаимодействия и закрепление резцов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности

способа за счет оптимального распределения резцов различных типов и формы, определение силовых и энергетических параметров производят при разных типах и формах резцов, затем выделяют участки оптимальной силовой и энергетической загруженности, а размещение резцов осуществляют по выделенным участкам в соответствии их формы и типа характеристикам этих участков.

I / -n i j

IU

Таблица 1

Изобретение относится к породоразру- шающему инструменту, а именно к проектированию, конструированию и разработке долот режуще-скалывающего действия и их применению при бурении скважин, и позволяет повысить эффективность способа армирования породоразрушающего инструмента за счет оптимального распределения резцов различных типов и формы. Это достигается тем, что определение силовых и энергетических параметров производят по рабочей поверхности при разных типах и формах резцов. Выделяют участки оптимальной силовой и энергетической загруженности. Размещение резцов осуществляют по выделенным участкам в соответствии их формы и типа характеристикам этих участков. При работе регулирование распределением силовых и энергетических параметров путем комбинирования резцов различных типов и формы позволяет увеличить энергонапряженнЩ ть резцов на участках наибольшего сопротивления пород разрушению За счет снижения ее н а участках относительно меньшего сопротивления. Это приводит к более рациональному распределенгкд зй гоййпряженности на инструменте, что прйвод ит к увеличению его долговечности. 6 табл., 6 ил.

Таблица 2

Таблица 3

11

Определение физико-механических свойств горны пород

Первоначальный выбор соответствующих форм элементов вооружения

Изучение распределения силовнх и энергетических параметров по участкам рабочей поверхности породоразрутащего инструмента

Составление номограмм

Совмещение, сопоставление характеристик резцов различной формы

Выбор формы резцов для каждого ряющего условию

гг

Ъф

/V /у,

W

s

Вариантн ра (мещения резцов

Фиг.1

1754873

12 Таблица 4

резцы Г 14

I

i

соотбетстбенно и т цвнтро. учо&пкц до/юта

12QQ

iQQQ

&ОО

2ОО

300

400 500 Рт МПа 700 Фиг.2.

мой

f-5 caair t emctnfaHHO от центра участки до/ioinQ

SOU

600

400

Фи&З

I

- соотёетстбёмно от центра учас/пкц долота

SOO

600

4ОО2ОО

100 2ОО . 300 400 Ру$о МПа ЈОО Фи&4.

1600

I

i

mo

600600

too

200

O.fS 0,M Qf5

Фцг.5

0,68 Я/Ко t,Q

1 - резаы Г1Ч g - резцы Г55 3 - резиы Г51 конВцниробомое Г51, ГМ. Г53, Г53, Г53

А

BOO

600

worn

0

0,15 0,54 0,5 0,68 fykeW Фив.6