Ратов Б.Т.

КазНТУ им. К.И.Сатпаева, г. Алматы, Казахстан

Отебаев М.О.

РД «КазМұнайГаз» ТОО «КРУЗ»

Влияние угла приострения резцов и чистоты

их заточки на эксплуатационную прочность гидроударных коронок

При проведении опытного гидроударного бурения в ТОО «КРУЗ» в 2006 году с участием автора, первой проблемой, потребовавшей своего быстрого решения, явились многочисленные поломки резцов коронок.

Бурение велось в породах VП – 1Х категорий гидроударниками ГМД-2 и Р-3МГ шестирезцовыми коронками ГПИ-2 и четырехрезцовыми – К-19М-4 с наружным диаметром 115 мм.

Поломки резцов начались с первых рейсов коронок, но все же уцелевшими коронками осуществляли по нескольку рейсов после их переточки. Коганом Д.И., автором конструкций вышеназванных коронок, было высказано мнение, что поломки резцов являются результатом их естественной отбраковки, т.е. при первом рейсе проявляются все скрытые дефекты изготовления коронки, а те коронки, в резцах которых дефекты отсутствовали, продолжают эксплуатироваться в последующих рейсах [1]. Если это так, то основное число поломок резцов должно происходить при первом рейса, тогда как при последующих рейсах число поломок должно резко сократиться. Для того, чтобы проверить это и выявить также иные, кроме брака при изготовлении, причины поломок, был поставлен производственный эксперимент.

В отработку было запущено 12 коронок ГПИ-2. Бурение велось гидроударником ГМД-2 на глубине в интервале 100 – 200 м в породах 1Х категории. Число поломок коронок при каждом рейсе приведено в таблице 1.

Таблица 1

Номер рейса	Число коронок, участвовавших в рейсе	Поломано коронок
		штук	% от участвовавших в рейсе
1	12	3	25,0
2	9	2	22,2
3	7	2	28,2
4	5	1	20,0
5	4	2	50,0
6	5	1	50,0

Как видно, при первых четырех рейсах число поломок коронок изменяется с небольшим разбросом, но при последующих рейсах – резко возрастает. Это не подтверждает мнение о преобладающем влиянии дефектов изготовления коронок, хотя, безусловно, эта причина существует.

Полученный результат дает основание рекомендовать предельным числом рейсов для гидроударных коронок принять число четыре, считая, что после четвертого рейса даже уцелевшие и перезаточенные коронки эксплуатировать нецелесообразно.

В связи с этим математический обработке подверглись результаты четырех рейсов, приведенные в таблице 1. Для проведенной серии экспериментов определялось среднее арифметическое = =, где - сумма вариант, в данном случае – процента поломанных коронок; сумма квадратов отклонений вариант от среднего = 41,3; среднее квадратическое отклонение = = 3,7.

и коэффициент вариации = = 15,4.

Допустимый коэффициент вариации принимался 25% [2].

Рост числа поломок после четвертого рейса может быть вызван только изменением состояния коронок в результате их эксплуатации. Отсюда большое значение приобретает такая характеристика коронок, как их эксплуатационная прочность [1]. Под этим термином понимают способность коронок противостоять разрушению в процессе эксплуатации.

Опыт гидроударного бурения в Казахстане в предыдущие годы [3] показал, что на эксплуатационную прочность коронок влияет целый ряд факторов. Одним из них является геометрия резцов коронок, в частности их угол приострения.

Обычно разрушение резцов – появление трещин, сколы – начинается в местах концентрации напряжений. Следовательно, для увеличения эксплуатационной прочности коронок необходимо устранить, насколько это возможно, места концентрации напряжений в резцах.

Исследованиями ряда ученых [4,5] установлено, что местами концентрации напряжений в резце являются углы у его лезвия и клиновая часть резца, прилегающая к лезвию. Наиболее действенной мерой по снижению концентрации напряжений в углах резца, рекомендованной исследователями, была ликвидация острых и прямых углов в твердосплавной пластине путем их закругления или стачивания до образования тупых углов.

В гидроударных коронках эту меру применить не удалось в связи с малой длиной лезвий и трудностью обеспечения строгой однообразности переточки резцов в случае отличия положения лезвия от горизонтального.

В то же время имеются данные о влиянии на эксплуатационную прочность коронок угла приострения резцов. Так, во время испытания новых типов коронок в Джезказганской КГРЭ [6], часть из которых имела угол приострения резцов 120⁰, в отличие от остальных коронок с углом приострения резцов 90⁰, было замечено, что больший угол приострения увеличивает прочность резцов.

Проверить эту зависимость в условиях месторождения – явилось задачей очередного производственного эксперимента, при котором исследовались коронки с резцами, имеющими углы приострения 80⁰, 90⁰, 100⁰, 110⁰ и 120⁰. Бурение велось в интервале 200 – 400 м по породам 1Х категории. Каждой партией коронок выполнялся объем бурения 30 м и подсчитывалось число затраченных при этом коронок.

Однако, при определении числа затраченных коронок выяснилось, что для их подсчета существуют разные методики. Обычно их принимают равными числу поломанных коронок, или числу проведенных заточек. Однако, на наш взгляд такой подход не учитывает всех показателей работы коронки. Дело в том, что за время испытаний не все коронки отрабатываются полностью и определение степени их сработки зачастую затруднительно. Поэтому в некоторых методиках пользуются условным числом затраченных коронок, исходящим из предельного количества рейсов [7]. Такой подход, безусловно, правилен, т.к. в противном случае определить годность частично сработанных коронок было бы вообще невозможно.

С учетом этого обстоятельства автором предлагается следующая методика подсчета затраченных коронок при неполной их отработке.

Предварительно определяется условное предельное число рейсов коронки до ее отбраковки, а также коэффициент поломок - при каждом рейсе и коэффициент сработки коронок за отработанное количество рейсов . Если при принятом предельном числе рейсов число поломок коронок при каждом рейсе, не слишком отличается среднего арифметического значения, то за коэффициент поломок принимают одинаковый для всех рейсов коэффициент -, равный этому среднему арифметическому.

Число затраченных коронок определяется только для того рейса, который совершили все работавшие коронки. То есть, если часть коронок совершила один рейс, часть – два и еще часть – три, то определять число затраченных коронок следует по данным первого рейса, т.к. при втором рейсе часть коронок не участвовала в работе.

Пусть теперь «А» коронок совершили первый рейс. Из них было поломано N₁ коронок. Коэффициент поломок при первых четырех рейсах принят постоянным – К_п. Тогда планируется, что при втором рейсе будет поломано N₂ = (А – N₁) К_п коронок, каждая из них пройдет два рейса, т.е. за первый рейс они сработаются на 50% (К_с2 = 0,5) и их доля в числе коронок, затраченных при первом рейсе, составит (А - N₁) К_п К_с2.

Т.к. предельное число рейсов принято равным четырем, то коронка, отработавшая полный срок, в течение каждого рейса износилась на 25%, т.е. коэффициент сработки К_с4 = 0,25, коронка, отработавшая три рейса сработалась на 33%, т.е. К_с3 = 0,33, а коронка, отработавшая два рейса, сработалась на 50%, т.е. К_с2 = 0,5

Третий рейс смогут пройти (А – N₁ – N₂) коронок. Из них будет поломано N₃ = (А – N₁ – N₂) К_п коронок, которые, с учетом сработки, составят

(А – N₁ – N₂) К_п К_с3 коронок.

А при заключительном четвертом рейсе будут сняты с работы, или условно поломаны (А – N₁ – N₂ – N₃) коронок, а их доля в затратах на первом рейсе с учетом сработки составит (А – N₁ – N₂ – N₃) К_с4 коронок.

В общем виде формула для подсчета затраченных коронок после их первого рейса будет иметь вид:

,

где А – общее число коронок, прошедших первый рейс

N_i – число коронок, поломанных при i – м рейсе

К_сi – коэффициент сработки коронки за отработанные рейсы,

К_п – коэффициент поломок коронок,

К_с.п – коэффициент сработки коронок при последнем (предельном) рейсе,

В случае, если определение числа затраченных коронок производится после второго или третьего рейса, в формулу вносятся незначительные коррективы.

Результаты опытного бурения коронками с резцами, имеющими разные углы приострения, приведены в таблице 2.

Таблица 2

№ серии экспериментов	Угол приострения	Использовано коронок, шт	Поломано коронок, шт	Затрачено коронок, шт
1	2	3	4	5
0	80^0	8	4	5,3
1	90^0	9	3	4,95
2	100^0	9	2	4,25
3	110^0	10	1	3,93
4	120^0	12	–	3,0

Число затраченных коронок (графа 5) определялось по предлагаемой методике.

Для нулевой серии экспериментов (угол приострения 80⁰):

N₁ = 4; N₂ = (8 – 4) 0,24 = 0,96; N₃ = (8 – 4 – 0,96) 0,24 = 0,73;

N = N₁ + N₂ K_c2 + N₃ K_c3 + (A – N₁ – N₂ – N₃ ) K_c4 = 4+0,96 0,5+

+(8 – 4 – 0,96 – 0,73) 0,25 = 5,3.

Для первой серии:

N₁ = 3; N₂ = (9 – 3) 0,24 = 1,44; N₃ = (9 – 3 – 1,44) 0,24 = 1,09;

N = 3 + 1,44 0,5 + 1,09 0,33 + (9 – 3 – 1,44 – 1,09) 0,25 = 4,95.

Для второй серии:

N₁ = 2; N₂ = (9 – 2) 0,24 = 1,68; N₃ = (9 – 2 – 1,68) 0,24 = 1,28;

N = 2 + 1,68 0,5 + 1,28 0,33 + (9 – 2 – 1,68 – 1,28) 0,25 = 3,07.

Для третьей серии:

N₁ = 1; N₂ = (10 – 1) 0,24 = 2,25; N₃ = (10 – 1 – 2,25) 0.24 = 1,62;

N = 1 + 2,25 0,5 + 1,62 0,33 + (10 – 1 – 2,25 – 1,62) 0,25 = 3,93.

Для четвертой серии:

N = 12 0,25 = 3,0

Полученная зависимость может быть выражена прямой, имеющей уравнение N = 5,3 – 0,52 х, где «х» - номер серии экспериментов.

Поставленные эксперименты подтвердили мнение о повышении эксплуатационной прочности коронок, резцы которых имеют больший угол приострения.

Было также исследовано влияние на эксплуатационную прочность коронок качества заточки резцов.

Обычно этому при переточке резцов, затупленных предыдущим рейсом, не уделяется особого внимания. Стараются лишь сохранить геометрию резцов. Тогда как исследования металлорежущего инструмента [8] показывают, что чистота заточки имеет существенное значение.

При заточке крупнозернистыми шлифовальными кругами процесс является более производительным, но при этом на лезвии резца остаются глубокие риски, которые могут явиться концентраторами напряжений при последующих рейсах коронки. В связи с тем, что наибольшие напряжения при работе имеют место в углах лезвия резца, предположили, что наиболее существенное влияние риски, оставленные при переточке, могут оказать именно в этих областях. Тогда характерными для этих случаев поломками должны быть сколы углов лезвий.

Были проведены производственные эксперименты с двумя партиями коронок по 10 штук в каждой, одна из которых затачивалась только на шлифовальном круге КЗ зернистостью 36, а вторая – помимо такой заточки подвергалась еще чистовой обработке мелкозернистым (60) шлифовальным кругом КЗ. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.

Из таблицы видно, что если общее число поломок коронок при чистовой заточке резцов уменьшилось незначительно, что можно объяснить невозможностью уравнивания значений всех факторов, влияющих на стойкость резцов, в обоих партиях, то число сколов углов лезвий существенно сократилось. Проведенный эксперимент дает качественную картину влияния чистоты заточки резцов на эксплуатационную прочность коронок. Установление количественной картины потребовало бы слишком больших

Таблица 3

Характер заточки	Характеристика круга			Ско- рость круга м/с	Чис-ло ко- ро- нок	Число рей- сов	Число поломан-ных коронок
	Мате- риал зерна	Зер- нис- тость	Твер- дость				Всего	В том числе сколов углов лезвий
Черновая	КЗ	36	СМ-1	20	10	20	7	3
Чистовая	1 – КЗ	1 – 36	1-СМ-1	20	-	-	-	-
	2 – КЗ	2 – 60	2-М-2	20	10	21	6	-

затрат коронок, которыми экспедиция не располагала. Но основные выводы можно сделать и по полученным данным.

1. Мнение о том, что чистота заточки резцов оказывает на эксплуатационную прочность коронок настолько небольшое влияние, что им можно пренебречь, является ошибочным. Оно основано на том, что обычно сравнивается общее количество поломок при различной чистоте заточки, тогда как сравнивать нужно лишь число поломок, являющихся следствием именно изменения чистоты заточки.

2. Характерной поломкой резцов, вызываемой рисками, остающимися после грубой заточки, является скол углов лезвий.

3. Качество заточки существенно влияет на эксплуатационную прочность коронок, что выражается в уменьшении сколов углов лезвий резцов после чистовой заточки.

Таким образом, несомненно, что чистовая заточка резцов необходима. Это особенно важно, если учесть, что других мер снижения местных концентраций напряжений на углах резцов, например, их закругления, в коронках гидроударного бурения, как уже упоминалось, применить нельзя.

Выводы.

1. Предложена методика подсчета числа коронок, затраченных на бурение заданной партией коронок исходя из условного предельного числа их рейсов по результатам одного из рейсов.

2. Установлено предельное число рейсов коронок для условий экспедиции.

3. Установлено влияние угла приострения резцов коронок на их эксплуатационную прочность. Определен характер зависимости, получено эмпирическое уравнение.

4. Установлено, что качество заточки резцов существенно влияет на сколы углов лезвий, в связи с чем рекомендовано в обязательном порядке после грубой заточки производить чистовую обработку лезвий мелкозернистыми шлифовальными кругами.

Литература:

1. Коган Д.И. Эксплуатационная прочность и износостойкость породоразрушающих наконечников при гидроударном бурении.//Разведка и охрана недр №8, 1966.

2. Федоров В.С., Беликов В.Г. и др. Практические расчеты в бурении. М.: Недра, 1966.

3. Скобочкин Б.Е., Таран В.И. Испытания гидроударников в Казахстане. Труды КазИМСа, вып. 3, 1960.

4. Лейкин М.Г., Гальперин М.И. Механика работы резцов при резании горных пород.М.: ВНИИСТ. 1961

5. Медведев И.Ф., Пуляев А.И. Вращательно-ударное бурение шпуров и скважин. М.: Госгортехиздат, 1962.

6. Сыромятников И.С., Бабуркин В.И. Гидроударное бурение и его экономическая эффективность в условиях Джезказганского месторождения. Сборник «Опыт бурения гидроударниками в Казахстане», Алма-Ата, 1966.

7. Лиманов Е.Л., Таран В.И. Износостойкость породоразрушающего инструмента при гидроударном бурении. Сборник «Геология и разведка недр», Алма-Ата, Каз ПТИ. 1971, вып.2.

8. А.Д.Башкатов Прогрессивные технологии сооружения скважин. М.: НЕДРА 2003

9. Сердюк Н.И., Куликов В.В., Тунгусов А.А., Минаков С.И., Сауков И.В., Кравченко А.Е., Шибанов Б.В., Манчуков В.Г., Ермаков Ю.Н., Бебенин В.Ю., Митровка В.М., Лысов М.Г. Бурение скважин различного назначения. М.: РГГРУ- 2007.