Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот
The paper subscribes an experimental invastigation of a diamond bouring insert themperature subject to factors of drilling mode. The paper contains plots of themperature against a pressure, type of formations and velocity.
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21779 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот / Н.А. Бондаренко, В.И. Кущ, А.О. Казьмин // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 125-130. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859809160730771456 |
|---|---|
| author | Бондаренко, Н.А. Кущ, В.И. Казьмин, А.О. |
| author_facet | Бондаренко, Н.А. Кущ, В.И. Казьмин, А.О. |
| citation_txt | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот / Н.А. Бондаренко, В.И. Кущ, А.О. Казьмин // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 125-130. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The paper subscribes an experimental invastigation of a diamond bouring insert themperature subject to factors of drilling mode. The paper contains plots of themperature against a pressure, type of formations and velocity.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:18:28Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
125
При расчете и конструировании ССК-ЛБТ должны сохраняться:
области применения комплексов ССК (бурение пород VII – X) категории по буримости);
фактические максимально возможные диаметры скважин (ССК – 46 - 65 мм; ССК – 59 –
80 мм; ССК – 76 – 90 мм);
осевые нагрузки на забой (ССК – 46 – 1200 даН, ССК – 59 – 1700 даН, ССК – 76 – 2200
даН);
давление промывочной жидкости – до 100 кгс/см2;
искривление ствола скважины не должно превышать на 1 м ствола (ССК – 46 - 17; ССК –
59 – 15; ССК – 76 – 11).
С учетом того, что диметры бурильных труб, приведенные в ГОСТ «Трубы буриль-
ные геологоразведочные, типы и основные параметры», не регламентируются [3], толщины
их при расчете прочностных характеристик могут быть выбраны произвольно. В нашем слу-
чае значение , рис. 2 не должно превышать 7 – 8 мм, поскольку в противном случае увели-
чивается площадь породоразрушающего инструмента, уменьшается диаметр керна, снижает-
ся возможность эффективного бурения пород высоких категорий по буримости и требуется
изменение геометрических размеров съемного керноприемника.
Таким образом, как показывают предварительные расчеты, применение ЛБТ в ком-
плексах ССК, обеспечит приведенные ранее преимущества и прежде всего увеличит глубину
бурения скважин не менее чем в 1,5 раза, сократит затраты времени на спускоподъемные
операции на 18 – 35% при одновременном кратном снижении энергетических затрат.
Литература
1. Файн Г.М., Штамбург В.Ф., Данелянц С.М. Нефтяные трубы из легких сплавов. – М.:
Недра, 1990. – 221 с.
2. Методы, технология и организация буровых работ с использованием съемного инст-
румента/ В.П. Онищин и др. – Л.: Недра, 1990. – 268 с.
3. Справочник по бурению геологоразведочных скважин. – СПб.: ООО «Недра», 2000. –
712 с.
Поступила 09.07.09
УДК 622.24.051
Н. А. Бондаренко, д-р техн. наук, В. И. Кущ, д-р физ.-мат. наук, А. О. Казьмин
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ
ОСНАЩЕНИЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ
The paper subscribes an experimental invastigation of a diamond bouring insert thempera-
ture subject to factors of drilling mode. The paper contains plots of themperature against a pres-
sure, type of formations and velocity.
Как известно, при бурении наблюдается сложный процесс взаимного разрушения бу-
рового долота и породы [1]. При этом поверхность долота изнашивается очень неравномер-
но. Что в свою очередь, приводит к преждевременному выводу инструмента из эксплуата-
ции. Подконтрольными факторами этого процесса являются параметры режима отработки –
нагрузка на долото и скорость вращения. Особый интерес при анализе причин неравномер-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
126
ного износа долота вызывают закономерности распределения приложенной к долоту нагруз-
ки по его рабочей поверхности. Цель настоящей работы является исследование таких зако-
номерностей. Поскольку выявить их прямым измерением представляется сложным, исполь-
зован экспериментально-аналитический метод исследования, через определение температур-
ного поля долота – интегрального показателя условий работы инструмента. Приведем ре-
зультаты первого этапа работы – отработки единичных алмазных буровых вставок. Известны
результаты экспериментального [2; 3] и теоретического [4] определения температур возни-
кающих в инструменте в процессе работы. Проводились исследования направленные как на
определение нагрева непосредственно в зоне контакта, где имеют место экстремально-
высокие всплески температуры [2; 3], так и изучение распределения температуры внутри
элементов оснащения [4; 5]. Однако систематизированные, кореллирующие между собой
данные о взаимосвязи температуры нагрева с режимами отработки инструмента в литературе
отсутствуют.
Цель настоящего этапа работы – получить достоверные данные о рабочих температу-
рах, возникающих в процессе бурения алмазным долотом при различных режимах отработ-
ки. Температуры определялись экспериментально, в лабораторных условиях. Последующий
анализ и математическая обработка результатов измерения, позволили получить результаты
с достаточной для бурения пород точностью.
Оборудование и материалы
Для проведения эксперимента был доработан специальный испытательный стенд для
изучения износа единичных элементов вооружения долот (рис. 1, а). На вращающемся валу
устанавливался блок породы вырезанный в форме диска диаметром 150 мм и шириной 36
мм. Единичная алмазная вставка приводилась в контакт с породой (рис. 1, б), после чего
производился износ пары трения в течение некоторого времени.
а б
Рис.1. Испытательный стенд. а – общий вид, б – внешний вид блока трения
При этом выполнялось циклическое перемещение вставки по ширине диска, для пре-
дупреждения образования канавок на поверхности породы и как следствие изменения усло-
вий контакта. Как показали предварительные расчеты [5] температура в процессе разруше-
ния скачкообразно возрастает до некоторого установившегося значения, после чего меняется
незначительно. Таким образом, после выхода на режим время измерения не играет сущест-
венной роли и ограничено лишь задачей сохранения постоянства условий контакта. В сред-
нем время измерения составляло от 90 до 150 с . Измерение температуры производилось с
помощью термопары типа ТХА обеспечивающей точность до ±0,1 С. Предварительно про-
изводилась тарировка термопар в трубчатой печи. Термопара размещалась внутри вставки на
расстоянии 5±0,25 мм от зоны контакта. Износ алмазоносной вставки в ходе эксперимента
составлял 0,05-0,1 мм, что позволяет считать расстояние от королька термопары до источни-
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
127
ка тепла неизменным. Данные через измерительный преобразователь I7018 ICP DAS посту-
пали на ЭВМ. Необходимые относительные скорости перемещения породы и вставки обес-
печивались регулировкой тока возбуждения двигателя, а также подбором передаточного
числа редуктора и диаметра блока породы. Размеры блока породы контролировались после
каждого измерения измерительной скобой и разметочной линейкой с точностью ±0,5 мм Пе-
ред каждым измерением поверхность породы выравнивалась вспомогательной алмазной
вставкой. В процессе разрушения скорость вращения породы контролировалась бесконтакт-
ным цифровым тахометром «Эталон ЭП-5», что давало возможность учесть ее изменение и
сопоставить его с регистрируемой температурой. Погрешность измерения составляла ±0,1
об/с, что в совокупности давало погрешность определения линейной скорости перемещения
вставки ±0,25 м/с Регулировка и поддержание нагрузки на вставку осуществлялись гидрав-
ликой. Подвод охлаждающего агента (техническая вода) в зону контакта осуществлялся из
двух симметрично расположенных трубок с индивидуальными регулировочными вентилями,
что обеспечило повторяемость условий охлаждения. Для проведения эксперимента были
изготовлены буровые вставки из материала славутич с плоским торцем и с центральным глу-
хим отверстием под термопару (рис.2, а, б). При изготовлении использованы природные ал-
мазы зернистостью 800/630, относительная концентрация 100 %. Вставки получали методом
горячего прессования с последующей шлифовкой при стандартных для материала славутич
технологических режимах, что обеспечивает идентичность свойств материала измеритель-
ной вставки и стандартных элементов вооружения буровых долот.
а б
Рис. 2. Измерительная вставка: а – схема монтажа термопары, б – установка
вставки с термопарой
Согласно предварительным расчетам температура в зоне размещения горячего спая
термопары может достигать 60 С. Для изоляции горячего спая 1 (рис. 2, а) и проводов 2 тер-
мопары, использовалась двухканальная керамическая соломинка 3. На торце соломинки под
микроскопом алмазным надфилем вышлифовывали паз (рис. 3) для предохранения горячего
спая термопары от механического повреждения. Паз и пространство под горячим спаем за-
полнялись изолирующим слоем 4, предохраняющим термопару от электрического контакта с
дном отверстия. Слой формировался из смеси синтетических алмазов марки АС315/250 с
техническим маслом. Такой состав обеспечивает достаточную электрическую изоляцию при
сохранении хорошей теплопередачи. Для получения гидроизоляции и фиксации в отверстии
пространство между соломинкой 3 и телом измерительной вставки 6 заполнялось силиконо-
вым герметиком 5.
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
128
Рис. 3. Паз для предохранения королька термопары
Измерения производились при нагрузках от 300 до 700 Н на вставку, при скоростях
взаимного перемещения породы и вставки от 0,30 до 2,5 м/с. Такие условия соответствуют
работе долота типа ИСМ диаметром до 300 мм, при нагрузках на долото до 150кН. В экспе-
рименте были использованы жежелевский гранит (образец 1) – твердый средней абразивно-
сти, габро (образец 2) – очень твердый малоабразивный, торезский песчанник (образец 3) –
твердый высокой абразивности.
Предварительно было проведено несколько экспериментов на жежелевском граните,
как наиболее неоднородной породе, показавших хорошую повторяемость данных (рис. 4).
Рис.4. Результаты тестовых измерений
Всплески в начале и в средней части кривой измерения соответствуют моменту пер-
вичного контакта и приближения вставки к краю круга. Интерес представляет установивше-
еся значение температуры. Регулировкой скорости и плавности перемещения вставки по ши-
рине круга достигалось получение участков установившейся температуры, достаточных по
длительности для съема данных (отмечены на рис. 4). Как видно из рисунка разброс темпе-
ратур на интересующих нас интервалах составляет всего 2 – 3 градуса, что вполне допустимо
для условий эксперимента.
На рис.5 показана зависимость температуры от скорости движения вставки – T(V),
при различной нагрузке на вставку. Графики приведены для случая разрушении гранита (об-
разец №1). На рисунке 6 показаны графики зависимости T(V) для различных пород при на-
грузке P=300 H на вставку.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
129
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,5 1 1,5 2 2,5
V, м/с
Т
,г
ра
д
С р=300 Н
p=500 H
p=700 H
Рис.5. Графики зависимости температуры от линейной скорости и нагрузки
при разрушении гранита
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3
V, м/с
Т
,г
ра
д
С гранит р=300 Н
габро р=300 Н
песчанник р=300 Н
Рис. 6. Графики зависимости температуры от скорости для различных пород
Анализируя результаты измерения, приходим к выводу, что для каждой породы и
прилагаемой нагрузки существует оптимальный режим отработки. При этом температура как
интегральный параметр, отображающий условия в зоне контакта, снижается. При более
сложных режимах работы (увеличении нагрузки и скорости перемещения) температура воз-
растает (края графика). Как и следовало ожидать при бурении более твердых и абразивных
пород (образцы 2, 3) температура вставки возрастает. При этом для песчаника (образец 3) с
увеличением скорости взаимного перемещения скорость роста температуры существенно
больше, чем для гранита и габбро. Разброс экспериментальных точек объясняется непосто-
янством режима резания (контакт вставки с кварцевыми включениями и пр.). Заниженный
расход промывочной жидкости, в ходе эксперимента позволил более четко увидеть характер
изменения температуры породоразрушающего элемента. Однако полученные данные под-
тверждают результаты предварительных расчетов [5], что свидетельствует о правильности
выбранной схемы эксперимента.
Выводы.
Получены экспериментальные зависимости температуры нагрева элементов вооруже-
ния алмазного долота от нагрузки и скорости перемещения для различных пород. Такие дан-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
130
ные необходимы при проектировании режимов работы породоразрушающих долот и оценке
износа их рабочей поверхности.
Значительный интерес представляет экспериментальное изучение распределения тем-
пературы между ансамблем вставок в цельном долоте. Сопоставление этих данных с полу-
ченными на первом этапе эксперимента позволит экспериментально-аналитическим путем
оценить распределение нагрузки по поверхности работающего долота.
Также представляет интерес проведение измерений при других режимах промывки,
что позволит более полно судить о температурном режиме работы долот типа ИСМ.
Литература
1. Эпштейн Е. Ф. Теория бурения-резания горных пород твердыми сплавами. – М.: Л.:
ГОНТИ, 1939. – 180 с.
2. Арцимович Г. В., Лукаш В. А. Методика исследования износа твердых сплавов в ус-
ловиях нормальных и повышенных температур. – Горный породоразрушающий инст-
румент. – К.; 1966 – С. 191 – 194.
3. Лукаш В. А., Ольцик О. Я. Измерение температуры в зоне контакта твердосплавного
инструмента с породой// Горный породоразрушающий инструмент. К.; 1966 – С. 186-
190.
4. Кошовский В.Ф. Расчет термонапряжения единичного породоразрушающего элемен-
та // Буровой инструмент из сверхтвердых материалов. К.;.– ИСМ НАН Украины,
1986. – С. 52 – 56.
5. Кущ В. И., Казьмин А. О. Численный анализ силового контактного взаимодействия
бурового долота с породой: Сб. научн. тр. – К.: ИСМ НАН Украины, 2007.– Вып. 10.–
С. 86 – 88.
Поступила 09.07.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21779 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:18:28Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бондаренко, Н.А. Кущ, В.И. Казьмин, А.О. 2011-06-17T12:05:24Z 2011-06-17T12:05:24Z 2009 Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот / Н.А. Бондаренко, В.И. Кущ, А.О. Казьмин // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 125-130. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21779 622.24.051 The paper subscribes an experimental invastigation of a diamond bouring insert themperature subject to factors of drilling mode. The paper contains plots of themperature against a pressure, type of formations and velocity. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот Article published earlier |
| spellingShingle | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот Бондаренко, Н.А. Кущ, В.И. Казьмин, А.О. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот |
| title_full | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот |
| title_fullStr | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот |
| title_full_unstemmed | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот |
| title_short | Изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот |
| title_sort | изучение температурного режима работы элементов оснащения буровых долот |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21779 |
| work_keys_str_mv | AT bondarenkona izučenietemperaturnogorežimarabotyélementovosnaŝeniâburovyhdolot AT kuŝvi izučenietemperaturnogorežimarabotyélementovosnaŝeniâburovyhdolot AT kazʹminao izučenietemperaturnogorežimarabotyélementovosnaŝeniâburovyhdolot |