Теоретические основы процесса изнашивания бурового инструмента
В процессе работы буровой инструмент изнашивается. При определенной степени износа инструмент становится непригоден для эксплуатации и требует восстановления или замены.
При изнашивании происходит постепенное изменение формы и размеров породоразрушающих элементов инструмента. Наиболее интенсивно изнашиваются те места на поверхности инструмента, которые при работе испытывают максимальные напряжения – режущие кромки резцов, участки торцов с резким изменением линий формы.
Изнашивание – явление, при котором с поверхности твердого тела в процессе его взаимодействия с абразивной средой отделяются частицы материала и происходит изменение геометрической формы и массы тела.
Результат изнашивания – изменение геометрических параметров твердого тела, измеренный как потеря массы тела, называют износом.
К основным видам износа при трении относят:
- изнашивание схватыванием при малых скоростях перемещения трущихся поверхностей, при котором образуются задиры поверхностей;
- окислительное изнашивание, обусловленное разрушением окислительных пленок и их новым непрерывным восстановлением;
- тепловое изнашивание, характерное для высоких скоростей перемещения трущихся поверхностей и высоких давлений в зоне контакта;
- осповидное изнашивание, обусловленное усталостными процессами в металле при трении качения;
- абразивное изнашивание, обусловленное наличием абразивной среды в зоне трения и характеризующееся пластическим деформированием, царапанием, микрорезанием поверхности металлов и сплавов.
Поверхность металла более интенсивно изнашивается при нагревании в условиях термического разупрочнения.
Все виды изнашивания наблюдаются при бурении, но при разрушении пород наиболее часто и полно проявляется абразивное механическое изнашивание. При абразивном механическом изнашивании большое значение имеет абразивность пород.
Величина абразивного износа определяется по зависимости
(2.5.1)
где W – износ, кг;
Aт – работа сил трения, Дж.
Работа сил трения определяется зависимостью
, (2.5.2)
где μт– коэффициент трения;
P – нагрузка на инструмент в направлении контакта взаимодействующих тел, Н;
Lт – путь трения, м.
Коэффициент трения обычно представляют в виде двух составляющих:
, (2.5.3)
где fa – молекулярная составляющая силы трения, характеризующая долю затрат работы на формирование и разрушение молекулярных связей, образующихся в точках контакта скользящих поверхностей;
fт – механическая составляющая сил трения, характеризующая долю затрат работы на разрушение внутренних связей разрушаемого материала.
Молекулярная составляющая трения при пластическом контакте fa определяется зависимостью [3]:
(2.5.4)
где τ – сдвиговое сопротивление молекулярной связи, Па;
σт – предел текучести материала, Па;
k – коэффициент, учитывающий форму индентора;
β – коэффициент молекулярной составляющей.
Механическую составляющую силы трения fт можно представить выражением
(2.5.5)
где rк – радиус кривизны поверхности, м.
Таким образом, общий коэффициент трения определяется зависимостью
(2.5.6)
r |
R |
1 2 |
Рисунок 2.20- Схемы к анализу изнашивания коронки прибурении |
а |
бд |
Механическая составляющая коэффициента трения зависит от нагрузки, кривизны поверхности изнашиваемого тела и также его прочности, которая будет ниже в условиях нагрева силами трения.
Работа сил трения, например, долота для бурения с отбором керна с наружным радиусом R и внутренним радиусом r задается при вращении с длиной траекторий перемещения при бурении точек 1 и 2, располагаемых на наружном и внутреннем контурах торца инструмента (2πR и 2πr, см. рис. 2.20).
Таким образом, путь, пройденные точкой 1, расположенной на наружной кромке торца, за один оборот бурильной головки на забое будет больше пути, пройденного точкой 2, расположенной на внутренней кромке торца, в R/r раза. Отсюда следует, что износ торца бурового инструмента (линия 3 на рис. 2.20, б) может быть более интенсивным на наружной кромке и меньшим в точке, близкой к внутреннему краю торцевой поверхности. В то же время эпюра контактных давлений 4 (рис. 2.20, б) для плоского торца показывает, что внутренняя кромка торца инструмента также изнашивается достаточно интенсивно из-за упрочнения породы в углу забоя и концентрации напряжений на кромке. При бурении с отбором керна внутренняя кромка торца интенсивно изнашивается так же вследствие скопления в этой точке кусочков породы, отделившихся от керна и собирающихся в «узком» месте у торца коронки.
В работе [3] приведена зависимость, определяющая линейный износ торца бурового инструмента:
(2.5.7)
где ω – частота вращения, мин-1;
t – время работы на забое, мин.
Анализ зависимости (2.5.6) показывает, что износ торца бурового инструмента возрастает с увеличением осевого усилия Р и частоты вращения ω.
Рисунок 2.21- Схемы профилей долот с алмазным вооружением и пластинами PDC и забоя скважины: 1 – общий вид; 2 – c учетом расстановки резцов |
2 1 |
о |
Особый интерес представляет так называемая «нулевая» точка на торце долота сплошного, без отбора керна, бурения. Эта точка располагается в геометрическом центре торца (рис. 2.21). Уникальность её состоит в том, что скорость резания-скалывания породы в ней равна нулю, путь трения стремится также к нулю, а порода может разрушаться только раздавливанием. Это обстоятельство приводит к изнашиванию инструмента в области, прилегающей к «нулевой» точке, и способно резко ограничивать скорость разрушения породы при бурении. Проблема «нулевой» точки особым образом решается при проектировании долот.
Среди таких решений основными являются следующие:
· в долотах режуще-скалывающего действия (алмазные, с твердосплавными резцами или резцами PDC) не выполняется центральный промывочный канал для прохода бурового раствора, так как он будет перекрываться породой из центра забоя; промывочный канал 2 выполняется только с боковым расположением (рис.2.22, а, б);
· для подрезания породы в центральной части забоя устанавливается резец 1, направленный от периферии центральной выемки на торце к центру, т.е. с боковым расположением резца 1 (рис. 2.22, а);
· в центре торца устанавливают специальный конический резец-индентор 1, обеспечивающий раздавливание породы (рис. 2.22, б);
· в шарошечных долотах для разрушения породы в центре долота шарошека 3 имеет вершину, ориентированную в направлении центра, которая перекрывает центральную точку торца, а остальные шарошки 4долота выполнены с усеченными вершинами (рис. 22, в).
Рисунок 2.22- Схемы технических решений разрушения породы в центральной точке долота: а – с боковым расположением резца 1; б – с центральным расположением резца-индентора 1; в – с использованием шарошек с приостренной 3 и срезанными вершинами 4 (вид с торца); 2 – промывочный канал |
а |
в |
б |
Отмеченные закономерности и особенности изнашивания бурового инструмента и эффективного разрушения породы при их бурении долотами могут быть воплощены в ступенчатом профиле торца инструмента (рис. 2.21), общая форма которого повторяет линию естественного износа торца.
Ступенчатость торца интенсифицирует процесс разрушения породы за счет увеличения свободной поверхности разрушения. В то же время такой профиль будет отличаться повышенной износостойкостью.
При анализе изнашивания учитывают также возможные поперечные колебания инструмента, возникающие вследствие его вибрации, и износ соответственно боковых наружных и внутренних поверхностей инструмента, его подрезных породоразрушающих элементов.
v |
vк |
Р |
Р |
vк |
vк |
а |
б |
в |
Рисунок 2.23- Варианты схем изнашивания инструмента кусочками разрушенной породы |
H |
г |
2.5.1. Механизм изнашивания твердого сплава типа ВК
Механизм изнашивания состоит в том, что с повышением удельной мощности трения и, соответственно, температуры сплава, происходит уменьшение твердости и прочности как карбида вольфрама (основа), так и связки кобальта. Но при этом кобальт быстрее теряет свои прочностные свойства, что приводит к выкрашиванию зерен карбида вольфрама, которые внедряются в породу и попадают в промывочную жидкость. Зерна вольфрама, полученные при разрушении сплава, активно участвуют в работе изнашивания инструмента, деформируя и царапая его.
Скорость изнашивания твердого сплава резко возрастает с повышением удельной мощности трения, поэтому при бурении следует обеспечить его охлаждение растворами и использовать для бурения пород мягких и средней твердости.
Влияние осколков разрушенных пород на изнашивание определяется двумя основными характеристиками: зернистостью и твердостью.
Большей способностью изнашивать буровые инструменты обладают крупнозернистые породы, особенно при наличии в их составе пород достаточно твердых минералов, например кварца.
В зависимости от размера частиц, отделившихся от породы при разрушении, процесс их взаимодействия с инструментом разделяют на пассивный и активный.
При пассивном процессе взаимодействия осколки породы размером, меньше, чем величина зазора между поверхностями рабочего торца инструмента и забоя, могут взаимодействовать без значительного контактного давления на поверхность инструмента, свободно проходя в зазорах и совершая лишь поверхностное шлифование или царапание (рис. 2.23, а).
При активном процессе взаимодействия кусочки породы размером больше, чем зазоры, воспринимают усилия со стороны инструмента и внедряются в материал инструмента, например в более мягкую связку матриц коронок, перемещаются между поверхностями забоя и инструмента, царапая его (рис. 2.23, б). При этом размер осколков породы, вызывающих наибольший износ поверхности инструмента, будет равен или несколько превысит зазор между поверхностями породы и торца инструмента H.
Возможен и третий вариант взаимодействия, при котором мелкий шлам, скапливаясь под инструментом, создает шламовую подложку для инструмента. В этом случае также наблюдается силовое взаимодействие кусочков породы и поверхности инструмента (рис. 2.23, в). Подобный режим работы инструмента возможен при недостаточном количестве очистного агента.
Четвертый вариант взаимодействия предполагает изнашивание резца и поверхности инструмента при скалывании породы перед передней гранью резца (рис. 2.23, г). В этом случае активно изнашивается передняя грань резца и поверхность матрицы перед резцом.
При движении инструмента с линейной скоростью v (рис. 2.23, а) осколки породы, выходя из-под торца инструмента, ударяются о боковые поверхности резцов или корпуса инструмента. В этом случае энергия силового взаимодействия пропорциональна произведению
U =0,5 v2 mкsinβ,
где mк – масса кусочка породы;
β– угол наклона поверхности или резца.
Из данного соотношения следует, что износ повышается при увеличении частоты вращения инструмента, зернистости и формы кусочков породы и определяется формой изнашиваемых поверхностей – наибольшим износ будет, если угол β = 90º. Поэтому целесообразно при изготовлении бурового инструмента учитывать движение шлама, направляя его в наиболее изнашиваемых местах, например, в промывочных каналах, по наклонным поверхностям.
Максимально абразивным будет шлам твердых минералов с острыми гранями и выступами.
Дата добавления: 2016-12-27; просмотров: 2171;