Технічні науки/Механіка

Доктор техн. наук. Петрина Ю.Д., асистент Лукань Т.В.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Вплив рiзних експлуатацiйних факторiв на довговiчнiсть деталей бурових долiт

Конструктивнi особливостi породоруйнiвного бурового iнструменту залежать, в першу чергу, вiд характеру його дiї на гiрничу породу, а потiм вже вiд його функцiонального застосування, виду гiрничої породи, для руйнування якої вiн призначений, а також вiд глибини та дiаметру свердловин [1] .

Породоруйнівний iнструмент - iнструмент разового використання. Це обумовлює пiдвищенi вимоги до його проектування, виготовлення i експлуатацiї. Принципи механiчного руйнування гiрничих порiд є загальними незалежно вiд розмiрiв породоруйнівних iнструментiв, а зміна глибини, дiаметру та твердостi розбурюваних гiрничих порiд ставить пiдвищенi вимоги до матерiалiв деталей бурових долiт i дотримування технологiчних параметрiв бурiння [1].

Досвiд вiдпрацювання долiт показує, що довговiчнiсть зубчастого озброєння шарошок долiт залежить перш за все вiд iнтенсивностi його зношування. Умови роботи суттєво впливають на процес зношування та руйнування озброєння шарошок. Цi умови характеризуються рiзноманiтнiстю одночасно дiючих факторiв.

Поверхня зубiв пiддається сильному i нерiвномiрному навантаженню, пов’язаному з дiєю на долото високих статичних i динамiчних навантажень, крутного моменту, гiдроабразивної рiдини пiд високим тиском та iн. Величина сили тертя колони бурильних труб по стiнках свердловини при змiнi навантаження на долото в процесi бурiння змінюється в межах ±9...28 кН при змiнi навантаження на долото в дiапазонi 100 кН.

Дiючi на зубки навантаження носять циклiчний характер з числом циклiв напружень в секунду по 18 при турбiнному бурiнні i до 36 - при роторному, а число контактiв за час вiдпрацювання долота залежить вiд його конструкцiї та розмiрiв, частоти обертання i знаходиться в межах 1∙10⁵...3∙10⁵ i вище. Контакт супроводжується ударом, особливо при бурiннi твердих i мiцних порiд. В цьому випадку ударна дiя зубiв шарошок - основна форма передачi енергiї вiд долота на забiй. При ударi зубiв по твердiй породi вiдбувається в основному точковий контакт на порiвняно невеликiй фактичнiй площi дотику, при цьому питомий тиск на поверхнi контакту зуба з породою досягає високих значень. Розвиток високих питомих тискiв на поверхнях викликає інтенсивне зношування i в рядi випадкiв поломку зубiв.

При роботi долота з великими швидкостями створюються умови для виникнення високих температур в зонах контакту зубiв з породою (до 1000-1250 К), з наступним швидким охолодженням в промивальнiй рiдинi та зв’язаними з цим структурними перетвореннями в мiкрооб’ємах металу та трiщиноутвореннями [2]. Дiя поверхнево-активних середовищ, до яких вiдноситься буровий розчин, сприяє зниженню втомної мiцностi металу, що також негативно вiдбивається на роботi зубiв шарошки.

Опора шарошок представляє собою в більшості випадків своєрідний перехідний підшипник кочення, має строго обмежені габаритами шарошок розміри та нерухомі внутрішні бігові доріжки. Це створює односторонню навантаженість внутрішніх бігових доріжок (цапф) зі сторони забою та посилене зношування їх по дузі 120-160°.

Високi швидкостi руху бiгових дорiжок шарошки та тiл кочення особливо небезпечнi в безсепараторних пiдшипниках кочення. Тiла кочення в зонi навантаження обертаються в протилежних напрямках один відносно другого i труться вдвоє швидше, нiж по сепаратору. В результатi зростає робота тертя та зношування тiл кочення. Виходячи з зони навантаження при великому зазорi тiла кочення втрачають зв’язок з шарошкою i швидкiсть. Пiд дiєю сусiднiх тiл кочення вони можуть обертатися в протилежному напрямі. При входi тiл кочення в зону навантаження при великiй рiзницi мiж швидкостями бiгових дорiжок i поверхонь тiл кочення будуть проходити проковзування поверхонь, якi дотикаються, i їх посилене зношування. Після досягнення певної критичної величини зношування бiгових дорiжок i роликiв по дiаметру та довжинi з’являється можливiсть розвороту роликiв i заклинювання шарошки. В зв’язку з цим дуже важливими стають завдання з пiдвищення зносостiйкостi тiл кочення пiдшипникiв. Мабуть, в цьому випадку доцiльно застосувати не тiльки традицiйнi методи термiчного змiцнення, але й рекомендованi технологiї поверхнево-деформацiйного оброблювання.

Важкi умови роботи опор доліт підсилюються присутнiстю в промивальній рідині абразивних частинок вибуреної породи.

Наявність в промивальних рідинах води викликає трiщиноутворення в зоні чистого кочення та прискорене відшарування металу, пов’язане з водневою крихкістю. Разом з тим промивальні рідини, будучи в тій чи іншій мірі корозійними середовищами, знижують циклічну міцність металів.

Ефект адсорбційного зниження міцності залежить від типу навантаження (короткочасне, тривале, циклічне), характеру напруженого стану, структурного стану матеріалів. Якщо поверхнево-активні речовини практично не впливають на короткочасну мiцнiсть гладких зразкiв, то вони iстотно знижують їх мiцнiсть при циклiчних навантаженнях i випробуваннях зразків з тріщинами. Рiзниця у вимогах, якi ставляться до промивальних рiдин на рiзних стадiях бурiння свердловин, i рiзноманiтнicть умов бурiння зумовили появу великої кiлькостi бурових розчинiв. Всі бурові розчини можна поділити на дві групи [3]: на водяній та на нафтовій основі. Для отримання бурових розчинів з заданими властивостями в них вводять різнi хiмiчнi реагенти, якi мiстять поверхнево-активнi, стабiлiзуючi, коагулюючi та iншi речовини. Звiльняючи забiй свердловин вiд вибуреної долотом породи, буровий розчин насичується абразивними частинками та iншими елементами, що мiстяться в нiй. В результатi буровий розчин набуває властивостей хiмiчної агресивностi, абразивностi, а також виявляє властивостi фiзичної та хiмiчної активностi з металами .

В роботi [3] вивчали вплив найбiльш поширених технологiчних середовищ на контактну витривалість долотних сталей при чистому коченнi. Встановлено, що контактна витривалiсть сталi 20ХН3А у водi та глинистому розчинi приблизно в 25 разiв нижча, нiж в маслi iндустрiальному. В той же час введення в воду ОП-10 i сульфанолу пiдвищує контактну витривалiсть сталi в 1,5 раза. Введення в глинистий розчин змащувальних добавок рiзко - в 8,4 (СМАД-1) i 10,8 (СГ) разiв пiдвищує контактну витривалiсть. Незалежно вiд середовища електрошлаковий переплав сталi дозволяє пiдвищити контактну витривалiсть сталi в 1,3 рази.

При накладаннi динамiчного навантаження 0,6∙10³ МПа при постiйному статичному навантаженнi (4,8∙10³ МПа) контактна витривалiсть сталi 20ХН3А знижується в середньому на 30% для масла, на 37% для глинистого розчину з 2% СГ i на 60% для води. Таке суттєве зниження довговiчностi сталi при динамiчному навантаженнi вказує на необхiднiсть бiльш повного дослiдження цих залежностей i встановлення методiв пiдвищення контактної витривалостi.

Незважаючи також на те, що рiдкi технологiчнi середовища, якi використовуються при бурiннi, мають суттєвий вплив на роботоздатнiсть бурових доліт, вивчення їх впливу на тріщиностійкість долотних сталей знаходиться зараз в початковiй стадiї.

Лiтература

1.Бобров С.Н. Износостойкость машиностроительных сталей в условиях изнашивания абразивом // МиТОМ.-1993ю-№1.-С.18-21.

2.Виноградов И.Н.,Сорокин Г.М.,Бобров С.Н. Специальная высокопрочная машиностроительная сталь Д5//МиТОМ.-1989.-№2.-С.53-61.

3.Петрина Ю.Д., Ленец Н.А. К методике образования трещин на образцах, предназ-наченных для оценки вязкости разрушения// Методы и средства оценки трещино-стойкости конструкционных материалов.-Киев:Наук.думка,1981.-С.152-155