Кинетические характеристики долот
Аналитическое исследование кинематики сферических шарошек впервые было проведено в СевКавНИПИнефть. Дальнейшее развитие эти исследования получили в работах СредАзНИИгаза, проводимых совместно с производителями долот — ОАО «Волгабурмаш» и ОАО «Уралбурмаш».
На базе разработанной аналитической модели одношарошечного долота со сферической шарошкой в числе других была решена задача создания методики вычисления критериев оценки работоспособности одношарошечного долота в форме кинетических характеристик.
Кинетические характеристики одношарошечного долота включают скорость движения соответствующих зубьев в нижнем положении Vj 0), удельную контактную работу разрушения А'j ), удельную объемную работу разрушения А'k.
На рис. 3.35 представлены кинетические паспорта одношарошечных долот: И90,5СЗ-Н (серийное) и П90,5СЗ-Н-13 (новое).
Рис. 3.35. Кинетические характеристики долот: а - I190, 5C3-H; б - I190, 5C3-H-13
Анализ графика Aj = ƒ(Rj ) показывает, что величины путей контакта зубьев вершинных венцов в кратное число раз больше по сравнению с зубьями периферийных венцов, так как работа трения прямо пропорциональна пути контакта. Необходимо отметить и тот факт, что максимальные и минимальные величины Aj сферической шарошки на порядок выше соответствующих величин трехшарошечных долот, что и не позволяет рекомендовать их для разбуривания пород твердостью выше средней даже при твердосплавном вооружении.
В этом, пожалуй, заключается основной недостаток одношароечных долот со сферической шарошкой.
Интенсивность разрушения горной породы по кольцевым забоям скважины пропорциональна величинам удельных объемных работ упущения на этих кольцевых забоях и определяется по формуле:
где Sjk — путь контакта зуба j-гo венца на k-ом сферическом поясе (кольцевом забое) забоя скважины, мм; Zj — количество идентичных зубьев на j-ом венце, шт.; Vk — объем породы на k-ом кольцевом забое скважины, приходящийся на разрушение при заданной величине углубления, мм; n — количество венцов шарошки, шт.
Анализ графика функции А''k = ƒ(Rk) показывает, что интенсивность разрушения горной породы на периферии в несколько раз выше по сравнению с центральной частью забоя скважины.
Проведенная оценка работоспособности вооружения одношарошечных долот со сферической шарошкой выявила его недостатки, заключающиеся в значительной разности между нагруженностью вершинных и периферийных венцов шарошки. Учитывая это, были определены пути совершенствования конструкций одношарошечных долот.
Анализ кинетических характеристик существующих конструкций одношарошечных долот показал, что существенное их улучшение возможно лишь при кардинальном изменении геометрической формы шарошки, а именно — ухода от полносферической конструкции. В соответствии с этим решением вооружение шарошки размещается на трех сферических поясах с убывающими от периферии к Аршине радиусами, при этом на каждом сферическом поясе размещается по 2 зубчатых венца. Как следует из кинетического паспорта (рис. 3.35, б) нового долота:
- скорость вращения шарошки вокруг своей оси (передаточное ношение) возросла с i = 0,56 до i = 0,91 за один оборот долота;
- интенсивность абразивного износа уменьшилась более чем в 5 раз;
- максимальная интенсивность износа перенесена на промежуточный между вершинным и периферийным венец, что положительно на равномерности износа поверхности шарошки;
- область максимальной интенсивности разрушения горной породы стала более узкой, что способствует стабилизации шарошки на сферическом забое;
- область минимальной интенсивности перенесена в зону с более легкими условиями разрушения;
- интенсивность разрушения горной породы стала более равномерной по
кольцевым забоям скважины.
