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:     | 1 | 2 || 4 |

Научный метод оценки эффективности динамических процессов разрушения горных пород при бурении скважин современными инструментами режуще-скалывающего действия

-- [ Страница 3 ] --

Однако важно подчеркнуть, что такой процесс объективно происходит до определенных пределов. При дальнейшем росте абсолютных значений прикладываемых сил резания и, как следствие, объемов разрушения от движущегося резца, в конкретной системе «резец–порода» наступает момент достижения предела твердости породы = Hвд. Такое состояние процесса резания-скалывания влечет стабилизацию коэффициентов рc и Крc, а следовательно и количественной пропорции между силами резания – осевой нагрузкой Go и горизонтальной силой резания Fр (крутящим моментом для долота), и объективно свидетельствует о завершении «истирающе-усталостного» режима динамического процесса резания-скалывания породы. Процесс резания-скалывания переходит в качественно новую, объемную стадию:

(8)

где Fр = сила резания, действующая в момент завершения начального «истирающе-усталостного» режима процесса резания-скалывания породы и перехода его в установившуюся объемную стадию.

Дальнейший рост механических нагрузок на режущий элемент не может изменить количественного взаимоотношения между осевой и горизонтальной силами резания, определяемого коэффициентом Kрс в связи с отсутствием объективных предпосылок для изменения и роста его составляющих – коэффициентов трения и сопротивления объемному разрушению.

Данный вывод о стабилизации значения комплексного коэффициента сопротивления резанию Kрс при наступлении объемного режима процесса резания-скалывания горных пород получил экспериментальное подтверждение при резании образцов горных пород на лабораторном стенде УМР (рис.6).

На рис. 4 представлены экспериментальные данные взаимосвязи нагрузки внедрения резца и величины Kр. Они свидетельствуют о том, что при определенных осевых нагрузках на резец при резании-скалывании горной породы взаимосвязь между осевой и горизонтальной силами резания стремится к стабилизации.

На основании анализа полученных результатов предложено использовать стабилизацию параметра Kр = Kрс в качестве объективного количественного критерия достижения оптимальных режимов резания горных пород инструментами режуще-скалывающего действия.

Более того, в качестве базовой характеристики для расчета нового показателя – динамической твердости горных пород при резании инструментами типа режуще-скалывающего действия, – предложено использовать значение осевой силы в момент стабилизации коэффициента Kрс, или выхода на объемное разрушение при резании. При обосновании новой методики определения динамической твердости горных пород это оказалось важным и рациональным решением.

 Зависимость коэффициента сопротивления резанию от осевой нагрузки на-15

Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления резанию от осевой нагрузки на единичный резец

Практическим применением научного факта стабилизации показателя Kрс при резании-скалывании горных пород стало использование его в качестве количественного показателя для проектирования характеристик высокомоментных забойных машин для механического вращательного бурения скважин с инструментами режуще-скалывающего действия.

Если для горных пород данного геологического разреза экспериментально в соответствии предложенной методикой получена характеристика горных пород Kр, то определение удельного момента m [9] можно произве­сти на базе этого нового показателя. Нетрудно установить, что Kр имеет с показателем m взаимосвязь вида:

m = Kр Rд, (9)

где Rд – радиус долота.

Усредненные значения удельных моментов m для нефтегазовых месторождений Западной Сибири, рассчитанные по формуле 9 для объемного режима разрушения горных пород и по результатам испытаний гидравлических забойных двигателей (ГЗД) и электробуров, приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что расчетные данные формулы 8 превышают результаты испытаний более чем в 2 раза.

Таблица 1.

Регион Тип долота Удельный момент, m
по формуле 8 (объемное разрушение) при испытании ГЗД
Западная Сибирь, нефтегазовые месторождения Тюменской и Томской областей PDC – диаметром 190,5–295,3 мм) 0,09 – 0,15 0,040 – 0,050

Данное сравнение свидетельствует о том, что массовые испытания ГЗД для получения статистической величины m производились на режимах разрушения горных пород, значительно отличающихся от оптимальных, т.е. объемных режимов резания-скалывания.

Для случая реализации истирающего, или усталостно-истирающего режима работы инструментов с алмазно-твердосплавными пластинами фактические и расчетные данные различаются менее значительно (табл.2).

Использование предложенных расчетных значений показателя m при обосновании энергетических характеристик гидравлических забойных двигателей предпочтительно вследствие большей точности определения базовых значений Kр для конкретной горной породы.

Таблица 2.

Регион Тип долота Удельный момент, m
по формуле 8 (усталостно-истирающее разрушение) при испытании ГЗД
Западная Сибирь нефтегазовые месторождения Тюменской и Томской областей PDC – диаметром 190,5–295,3 мм) 0,06 – 0,08 0,04 – 0,05

Таким образом установлено, что предложенный автором показатель Kр может использоваться в ведомственной методике по проектированию забойных двигателей при использовании современных инструментов типа PDC на оптимальных режимах разрушения горных пород.

IV защищаемое научное положение. Оценку сопротивления горных пород разрушению при работе инструментов режуще-скалывающего действия необходимо производить на основе нового показателя динамической твердости Нвд, научное обоснование которого, разработка требований к его количественному определению и техническим средствам для измерительного процесса представлено в настоящей диссертационной работе.

Физическая обоснованность общеизвестного в настоящее время способа оценки твердости горных пород Л.А. Шрейнера, основанного на процессе статического внедрения индентора в горную породу, не вызывает сомнений применительно к работе инструментов дробяще-скалывающего действия, т.к. полно моделирует основной процесс взаимодействия вооружения шарошечного породоразрушающего инструмента с горной породой. В свое время метод применялся в соответствии с ГОСТ 12288–66 «Горные породы. Метод определения механических свойств вдавливанием пуансона».

Однако очевидно, что процесс разрушения горных пород при использовании инструментов режуще-скалывающего действия не может моделироваться только статическим вдавливанием. Физическая картина динамического по природе процесса резания-скалывания горных пород значительно сложнее.

Известны также и другие технологические ограничения метода Л.А. Шрейнера, связанные с обязательным условием регистрации упруго-пластичного или хрупкого разрушения горной породы – «выкола». В пластичных породах подобного явления не наблюдается.

В связи с изложенным, была поставлена научная задача: изучить и разработать новый критерий оценки твердости горных пород для условий динамического процесса их разрушения инструментами режуще-скалывающего действия.

При исследовании вопроса и разработке нового показателя динамической твердости горных пород для условий резания исходили из соблюдения ряда важных методологических требований:

  1. Формализация критерия оценки динамической твердости горных пород при резании должна содержать по возможности максимальную преемственность к существующим общепринятым показателям, чтобы облегчить его физическое понимание и технологию определения.
  1. Количественная оценка показателя должна определяться с использованием технических и методических средств, полно и точно моделирующих реальную работу породоразрушающих элементов инструментов режуще-скалывающего действия, в том числе и PDC.

3. Наличие проектируемого показателя должно обеспечить методическую возможность оценки «динамической твердости» большинства категорий и разновидностей горных пород, в том числе и большого класса мягких пластичных горных пород, чего не позволяют другие методики.

4. Расчетные значения нового показателя динамической твердости горных пород должны быть применимы для использования в различных формализованных моделях для получения показателей работы конкретных типоразмеров инструментов режуще-скалывающего действия, для чего другие показатели твердости не применимы в полной мере, вследствие другой физической природы метода их определения.

В связи с изложенным автором для целей количественной оценки прочностных свойств горных пород при резании-скалывании предложен показатель динамической «твердости» Hвд, математическая модель которого использует наработки наиболее применимых до настоящего времени методик.

В частности, представленное ниже выражение автора несет, в известной степени, элементы формализованной преемственности расчета критерия оценки статической твердости горных по Л.А. Шрейнеру – Hв :

Hвд = Rв / Sk, Н\м2, (10)

где Rв – выталкивающая резец (индентор) сила (рис. 5), Н, возникающая в процессе резания-скалывания образца горной породы при установившемся значении коэффициента сопротивления резанию Kрс; Sk – торцевая площадь контакта режущего элемента установленной для методики формы и размеров с исследуемой горной породой, м2.

Однако, несмотря на формализованную идентичность методов, предложенная величина Hвд несет в себе количественную характеристику более сложного динамического процесса разрушения горной породы резанием-скалыванием.

Для получения количественных значений нового показателя предложена схема проведения измерений по методу «жестко фиксированного резца» (рис.5). Сущность процесса единичного измерения заключается в следующем:

1. Породоразрушающий элемент (резец), установленной для данной методики формы и размеров, закрепляется в силоизмерительном устройстве, жестко зафиксированном на массивном основании.

2. В целях достижения технологичности и точности измерений производится «строгание» исследуемого образца горной породы в процессе его перемещения (протягивания) относительно неподвижного резца, имеющего нулевой передний угол резания.

3. Процесс строгания (резания) в целях достижения точного моделирования работы режущих элементов буровых долот производится при переменной толщине снимаемого слоя (уступа) hi, от нулевого значения, до момента достижения установившегося (максимального) значении коэффициента Kрс – т.е. в режиме объемного разрушения.

Рис. 5. Схема процесса резания-скалывания образца породы с жестко фиксированным резцом в силоизмерительном устройстве

Таким образом, схема и методика получения исходных данных для расчета показателя наглядно и сравнительно точно моделирует работу резцового инструмента во всех режимах разрушения горных при их резании- скалывании, что отвечает установленным требованиям.

Необходимо обратить внимание на еще один аспект технологии и технической реализации измерительного процесса нового показателя: использование экспериментальной установки УМР (рис. 6) позволяет проводить оценку динамической твердости практически для всего спектра не сыпучих горных пород, включая самые мягкие, пластичные породы осадочного комплекса нефтегазовых и угольных месторождений.

Рис.6. Лабораторный комплекс УМР для определения динамической твердости горных пород

Решение указанных задач и требований в установке реализовано за счет того, что регистрирующее силовое устройство 3 с режущим элементом 1 в держателе 2 размещено неподвижно на массивной платформе 4, а закрепленный в зажимном устройстве 5 образец горной породы 6, перемещается специальным механизмом 7 относительно этого режущего элемента (рис. 6).

В качестве исследуемых образцов горных пород использовался скважинный керн различных диаметров (от 40 до 100 мм) и длиной не менее 15 см. Образец керна фиксировался на подающей раме под определенным, зафиксированным углом к плоскости движения механизма. Такое техническое решение позволило после полного прохода керна вдоль закрепленного резца получать в горной породе нарастающий по глубине «след» от срезанной горной породы hi.

При этом необходимо подчеркнуть, что за один эксперимент фактически удается провести моделирование силовой картины резания кернового образца во всех известных режимах разрушения горных пород – от истирания, до объемного разрушения. Последнее важно при получении необходимых силовых характеристик для расчета показателя динамической твердости.

Силовые параметры на режущем элементе – осевая реактивная сила Ri и сила резания Fi, – регистрируются цифровым динамометром, усиливаются и записываются после преобразования на прикладном обеспечении типа NetForce на компьютер 8.

В диссертационной работе решен полный комплекс задач для целей практической реализации нового способа оценки показателя динамической твердости горных пород при их резании-скалывании, в частности:

а) на базе сформулированных научных требований разработана установка для экспериментальной реализации нового способа оценки динамической твердости горных пород при резании, моделирующая динамический процесс резания-скалывания пород на всех известных режимах разрушения – от истирания, до объемного резания;

б) разработана технологичная схема экспериментального измерительного процесса массовой подготовки исходных данных для расчета нового показателя динамической твердости горных при работе инструментов режуще-скалывающего действия в режиме их объемного разрушения;

в) проведены экспериментальные исследовательские работы, направленные на наработку статистического материала и выполнение сравнительного анализа результатов, полученных с использованием разработанных технических средств и технологических схем нового метода оценки твердости для условий процесса резания-скалывания горных пород.

V защищаемое научное положение. При совершенствовании технико-технологических и эксплуатационных характеристик современных инструментов режуще-скалывающего действия класса PDC необходимо комплексно рассматривать кинематические и динамические закономерности совместной работы различных групп разрушающих элементов в корпусе долота с учетом:

а) разной степени динамического упрочнения участков горной породы на периферии и вблизи оси инструмента;

б) различий в геометрии расположения периферийных и внутренних групп резцов относительно собственных динамических плоскостей резания.

Важным направлением развития сформированной научной базы оценки процессов разрушения горных пород инструментами режуще-скалывающего действия, является исследование условий работы породоразрушающих элементов – резцов, совместно функционирующих в составе долота.

Это связано, главным образом с тем, что представленные закономерности поведения разрушаемых горных пород под действием единичных режущих элементов, должны быть обоснованно и дифференцированно перенесены на случай рассмотрения функционирования единого конструктивного комплекса, каким является реальное долото (породоразрушающий инструмент).

При сравнительном рассмотрении процессов резания горных пород единичными резцами и разрушения пород при бурении скважин породоразрушающими инструментами режуще-скалывающего действия необходимо учитывать:

а) размещение в долоте на одной траектории резания вдоль одной плоскости перемещения одновременно нескольких режущих элементов приводит к усложнению качественной картины только начального переходного периода работы породоразрушающего инструмента в целом.

б) установка на одном радиальном сегменте (лопасти) долота одновременно нескольких режущих элементов-резцов:

- перемещающихся вокруг оси инструмента по окружностям с собственными пространственными спиралями движения, и различными геометрическими параметрами взаимодействия с динамической плоскостью резания;

- имеющим различные пути резания и пропорционально им различные скорости динамического процесса резания-скалывания

приводит к возникновению различных условий их работы при резании-скалывании горных пород.

В стационарной стадии резания-скалывания горных пород долотами типа PDC, нагруженными постоянной силой G и вращающим моментом Мv, каждый резец перемещается по собственной траектории в форме пространственной спирали с углом i. При этом шаг спирали в соответствии с аналитической моделью (2) является одинаковым для всех резцов, и равным углубке долота за один оборот – (рис.7).

Рис.7. Схема перемещения резцов долота PDC: 14 – резцы типа StratapaxTM, закрепленные в корпусе долота; G – осевая нагрузка на долото; Мv – крутящий момент на долоте; – углубка инструмента за оборот; i – углы наклона траектории внедерения резцов.

В связи с тем, что время одного оборота для всех резцов при неизменной частоте вращения долота одинаково, линейная скорость перемещения резцов в процессе бурения долотами PDC вдоль динамической плоскости резания горной породы, располагающихся на внешнем сегменте корпуса долота, на порядки превышает скорость движения «внутренних» резцов.

На основе установленной в работе количественной взаимосвязи в динамической системе: «осевая нагрузка скорость перемещения резца вдоль плоскости резания глубина срезаемого слоя» (рис.3) в процессе резания-скалывания горных пород инструментами режуще-скалывающего действия экспериментально подтверждено более значимое «скоростное упрочнение» горной породы для резцов долота, размещенных на его периферии.

Таким образом, в процессе работы долота режуще-скалывающего действия периферийные и внутренние породоразрушающие элементы фактически разрушают горную породу, проявляющую различные прочностные механические характеристики в зависимости от радиуса их размещения в корпусе долота. Динамическая твердость горной породы экспоненциально возрастает от внутренних участков забоя к периферийным участкам буримой горной породы.

На основе вышеуказанного контактные давления периферийных и внутренних резцов, жестко закрепленных в корпусе долота, значительно отличаются друг от друга.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 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.