Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами
The method of application of a level detection of offloading on diamond stratum PDC is resulted, outcomes of a trial of laminas with a figurate emulsion carrier on a shearing are introduced, its advantage in comparison with serial with a plane substrate of an emulsion carrier is displayed.
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23407 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами / А.М. Бочковский, Д.Л. Коростышевский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 113-117. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859612263790411776 |
|---|---|
| author | Бочковский, А.М. Коростышевский, Д.Л. |
| author_facet | Бочковский, А.М. Коростышевский, Д.Л. |
| citation_txt | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами / А.М. Бочковский, Д.Л. Коростышевский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 113-117. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The method of application of a level detection of offloading on diamond stratum PDC is resulted,
outcomes of a trial of laminas with a figurate emulsion carrier on a shearing are introduced,
its advantage in comparison with serial with a plane substrate of an emulsion carrier is displayed.
|
| first_indexed | 2025-11-28T14:48:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
113
7. Куликов И. В., Воронов В. Н., Николаев И. И. Пневмоударное бурение разведочных
скважин. М.: Недра, 1977.240 с.
Поступила 07.06.10
УДК 622.24.051
А. М. Бочковский, канд. техн. наук, Д. Л. Коростышевский
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
АНАЛИЗ НАГРУЗОК ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД
АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ПЛАСТИНАМИ
The method of application of a level detection of offloading on diamond stratum PDC is re-
sulted, outcomes of a trial of laminas with a figurate emulsion carrier on a shearing are introduced,
its advantage in comparison with serial with a plane substrate of an emulsion carrier is displayed.
Введение
В 1985 г. в Институте сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины
(ИСМ) было начато производство алмазно-твердосплавных пластин (АТП).
В первые годы промышленного применения алмазных долот, оснащенных АТП, было
установлено, что при бурении глубоких скважин пластины имеют недостаточный ресурс от-
носительно износостойкости алмазного слоя и такие отказы, как отрыв алмазного слоя от под-
ложки, разрушение паяного шва, сколы. В результате наблюдения за работой 2154 пластин
было установлено, что основным их недостатком является отрыв алмазного слоя от твердо-
сплавной подложки до 21 %. Подложка играла роль резца, что привело к снижению эксплуа-
тационных показателей долот [1]. Одним из способов повышения прочности соединения ал-
мазного слоя и твердосплавной подложки является увеличение контактной площади между
этими слоями путем нанесения на поверхность подложки различных по форме углублений.
Цель настоящей работы - анализ нагрузок при разрушении горных пород АТП и раз-
работать способ повышения прочности соединения алмазного слоя и подложки.
Методика расчета нагрузок
Рассмотрим схему к расчету нагрузок, действующих на АТП в буровом долоте
(рис.1), подобно схеме приведенной в [2].
а б
Рис. 1. Схема к расчету нагрузок: а - действие сил на АТП в долоте: (Fос – осевая на-
грузка на долото; N – нормальная нагрузка на пластину; Pz – усилие резания; φ – угол накло-
на поверхности долота; ω – скорость вращения); б - направление действия результирующей
силы Q на рабочей кромке АТП( α – угол отклонения результирующей силы от нормальной).
Для определения действующей на пластину нагрузки поверхность долота необходимо
разделить на n колец шириной ΔR, повторяющихся с одинаковым шагом. Нормальное усилие
на кольце определяется по формуле [2]:
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
114
n
i
i
р
i
i
р
ос
i
i
i
K
E
E
K
F
N
1
cos
, (1)
где
ip
K – коэффициент сопротивления резанию;
i
E – энергоемкость разрушения породы.
Усилие резания на і-м кольце представим в виде произведения:
ipz
NKP
ii
. (2)
Как показали результаты исследования, Kp характеризует
свойства контактирующих материалов, при бурении АТП Kp =
0,35 – 1,0 [3]. В этом случае зависимость (2) принимает вид:
iz
NP
i
)0,135,0( .
Таким образом, рассчитав значения
iz
P і Ni для каждого
элементарного кольца и пластины, определим результирующую
силу (рис. 1б):
22
izii
PNQ . (3)
Угол отклонения результирующей силы от нормальной:
.
i
iz
N
P
arctg (4)
Путем разложения результирующей силы Q в параллельном
и перпендикулярном направлениях относительно алмазного слоя
пластины получим две ее составляющие, стремящиеся нарушить
соединение алмазного слоя и подложки (рис. 2).
Составляющая Pcж создает сжимающие напряжения и явля-
ется причиной сколов и разрушений, образующихся на рабочем
слое. В свою очередь составляющая Pср создает срезающие (ска-
лывающие) напряжения, стремящиеся отделить алмазный слой от подложки.
Определим срезающую нагрузку Pcp и срезающее напряжение расч
ср
,отнесенные к кон-
тактной площади алмазного слоя (Sк = 143,14 мм
2
) пластины серийного долота ИСМ АП
214,3М6, которое оснащалось как серийными пластины так и пластинами с углублениями в
подложке. Конструкция оснащена 43 пластинами АТП. Осевая нагрузка на долото при буре-
нии составляет 4–10 т. Все вставки равномерно расположены по рабочей поверхности доло-
та. Максимальная нагрузка на вставку – 200 кг.
Полученные результаты расчетов сведены в табл. 1.
Таблица 1. Расчетные значение срезающих нагрузок и напряжений на АТП, при равно-
мерном распределении приложенного осевого усилия
Горные породы Pср, кг
расч
ср
, МПа
Мягкие 120 8,4
Средние 137 9,6
Твердые
154
10,8
Крепкие 164 11,5
Необходимо отметить, что на алмазный слой действуют не только нагрузки приведенные в
табл. 1. В реальных условиях бурения возникают динамические нагрузки вызванные вибрацией
бурильной колонны и долота. При этом важную роль играет как точность изготовления долота,
Рис. 2. Схема сил,
действующих на ал-
мазный слой пласти-
ны (γ – передний угол
установления резца)
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
115
так и полнота контакта пластин и забоя, связанная с их разновысотностью, что приводит к нерав-
номерному нагружению пластин и, как следствие, перегрузке отдельных пластин в несколько раз.
Экспериментальное исследование
Для повышения прочности соединения алмазного слоя с твердосплавной подложкой в
1987 г. Бочковский А. М. было предложил выполнять подложки со взаимоперпендикуляр-
ными углублениями в форме полукруглых пазов (шахматная насечка) (рис. 3а). Пазы на
контактной поверхности были выполнены путем механической обработки на плоско-
шлифовальном станке. Заготовки подложек устанавлены и зажаты в специальном многоме-
стном приспособлении. В качестве режущего инструмента был использован набор алмазных
ниточных кругов с радиусной рабочей поверхностью. Профиль пазов глубиной 0,35 мм по-
казан на рис. 3б.
а б
Рис. 3. Подложка с шахматными насечками : а – общий вид;
б – профиль фигурного паза
Далее была рассчитана значение площадь контактной поверхности подложки диамет-
ром 13,5 мм с шахматными насечками: Sш = 175,03 мм
2
. По сравнению с плоской подложкой
аналогичного диаметра Sпл = 143,14 мм
2
. Площадь контакта увеличена на 22,3 %.
Для промышленных испытаний Полтавскому УБР было изготовлено долото ИСМ АП
214,3М6 (№ 28341), оснащенное 43 АТП на шахматной подложке. В результате отработки за
четыре рейса долотом было набурено 1158 м. Осмотрев долото после отработки, отрывов
алмазного слоя от подложки не выявлено. В связи с позитивным результатом появилась не-
обходимость убедиться, в какой степени насечки влияют на прочность удержания слоя. Было
предложено провести экспериментальные исследования.
Для того чтобы выяснить, как увеличение площади контакта влияет на прочность со-
единения слоев, пластины были испытаны на срез в соответствии с методикой, изложенной в
[4]. С каждой пластины вдоль диаметрального сечения вырезали по пять образцов в форме
параллелепипеда размером 2х2х3,5 мм. Срезали по линии раздела слоев пластины. Для
опытной пластины линия раздела проходила по выступам насечек. Проекцию контактной
площади для стандартного и опытного образцов приняли равной 4 мм
2
. Результаты испыта-
ния приведены в табл. 2.
Полученные значения срезающего напряжения (табл. 2) находятся на уровне прочно-
сти паяного соединения твердосплавной державки на припой Пср 40 в корпус долота. В та-
ких соединениях τср = 270-320 МПа [5], что соответствует данным работы [6], и достаточно
для безаварийной работы.
300
µ
Алмазный
слой
Твердый сплав
ВК 20
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
116
Таблица 2. Результаты испытания АТП на срез
Номер
образца
Касательное напряжение среза эксп
ср , МПа, в зави-
симости от типа пластины
стандартная опытная
1 415 408
2 355 485
3 385 505
4 330 473
5 310 455
Среднее
значение
359 465
Рассчитанные напряжения (табл. 1) в десятки раз меньше полученных экспериментально
(табл. 2). Это указывает на то, что на прочность удержания алмазного слоя при разрушении гор-
ных пород влияет много других факторов, требующих дальнейшего изучения. Углубления в
форме шахматных насечек способствуют увеличению площади контакта, а также являются упо-
рными выступами для алмазного слоя, равномерно распределенными по поверхности. Экспери-
ментально установлено, что прочность соединения слоев в пластине на шахматной подложке
повысилась почти на 30 % и пропорционально соответствует увеличению площади контакта.
Выводы
1. Разработаны схема нагружения и методика определения срезающих нагрузок, дей-
ствующих на алмазный слой АТП.
2. Предложена конструкция твердосплавной подложки с полукруглыми пазами, рас-
положенными взаимоперпендикулярно (шахматная насечка).
3. Изготовленные опытные пластины и долото прошли промышленные испытания,
результаты которых свидетельствуют о высоком качестве пластин и полном удержании ал-
мазного слоя.
4. Результаты экспериментальных испытаний показали, что срезающее напряжение повы-
шается пропорционально увеличению контактной площади между подложкой и алмазным слоем.
5. Полученные расчетные значения касательного напряжения, срезающего алмазный
слой, намного меньше экспериментальных, что требует дальнейших исследований и учета
других факторов.
Литература
1. Отчет по теме 0845 «Создать и внедрить высокопроизводительные буровые долота со
стальным корпусом диаметром 214,3 мм, 292,9 мм и бурголовки диаметром 214,3/80
мм, оснащенные алмазно-твердославными пластинами диаметром 13,5 мм // Договор
№ 2683 «Разработка и внедрение долот типа ИСМ АП 214,3 для бурения наклонных
скважин в условиях ПО Красноленинскнефтегаз».- К., 1990, арх. № 5962.
2. Бочковский А. М. О распределении осевой нагрузки по рабочей поверхности бурово-
го инструмента // Сверхтвердые матер. – 1984. – № 6. – С. 28–31.
3. Бочковський О. М. Аналітичне дослідження енергоємності руйнування породи під час
обертового буріння // Нафтова і газова промисловість. – 1999. - № 6. – С. 14–17.
4. Бондаренко М. О., Коростишевський Д. Л., Осіпов О. С. Методика оцінювання робо-
тоздатності алмазно-твердосплавних пластин за дотичним напруженням на зріз // Роз-
відка та розробка нафтових і газових родовищ. – 2008. – № 3 – С. 55–58.
5. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т. 3,8-е изд., пере-
раб. и доп. Под. ред. И. Н. Жестковой. – М.:Машиностроение, 2001. – 864с.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
117
6. Бочковский А. М., Петрига П. В. Совершенствование технологии пайки бурового инстру-
мента, оснащенного алмазно-твердосплавными пластинами // Совершенствование техники
и технологии бурения скважин: Сб. науч. тр. //АН Украины. – К, 1993. – С.58– 60.
Поступила 07.06.10
УДК 622.243.272
І. І. Чудик, канд. техн. наук., А. Р. Юрич
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Україна
НОВІ МОЖЛИВОСТІ ДЛЯ ВДОСКОНАЛЕННЯ НЕОРІЄНТОВАНИХ
КОМПОНОВОК НИЗУ БУРИЛЬНОЇ КОЛОНИ
This article offered an opportunity to im-
prove designs of SCE bottom borehole by new sci-
entific and practical decisions aimed at clarifying
the conditions of their work in well with industrial
data, measured in the hollows using a specially
designed device
При бурінні свердловин одним з основних
режимно-технологічних параметрів, що впливає
на ефективність руйнування гірських порід, на-
пружено-деформований стан бурильної колони
(БК), відхилене зусилля на долоті та енерговитра-
ти процесу є осьове навантаження на долото. Цей
параметр у процесі буріння визначає гідравліч-
ний індикатор ваги (ГІВ), що характеризується
дуже низькою точністю вимірювання, поганою
працездатністю та інформативністю. Зарубіжні
дослідники використовують для цього спеціальне
глибинне обладнання – телеметричні системи, які
на відміну від ГІВ, є високоточними, надійними
та багатофункціональними. Проте їх використан-
ня у поєднанні з вітчизняним буровим обладнан-
ням ускладнюється низкою техніко-
технологічних проблем, які можна усунути лише
шляхом проведення модернізації бурових ком-
плексів, зокрема системи очистки бурових роз-
чинів, контролю їх реологічних параметрів, при-
водних систем бурових доліт.
Для поєднання зарубіжного досвіду з
контролю режимно-технологічних параметрів
буріння і вітчизняного бурового обладнання
було запропоновано компромісне рішення, яке
передбачає використання пристрою [1] для
прямого вимірювання згинального моменту в
нижній частині БК і перерахунку відповідно до
нього осьового та радіального зусиль на долоті.
Рис. 1. Принципова схема конструкції
пристрою для вимірювання згинального
моменту в БК [1]
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23407 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T14:48:05Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бочковский, А.М. Коростышевский, Д.Л. 2011-07-04T13:59:40Z 2011-07-04T13:59:40Z 2010 Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами / А.М. Бочковский, Д.Л. Коростышевский // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 113-117. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23407 622.24.051 The method of application of a level detection of offloading on diamond stratum PDC is resulted, outcomes of a trial of laminas with a figurate emulsion carrier on a shearing are introduced, its advantage in comparison with serial with a plane substrate of an emulsion carrier is displayed. 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 Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами Бочковский, А.М. Коростышевский, Д.Л. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами |
| title_full | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами |
| title_fullStr | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами |
| title_full_unstemmed | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами |
| title_short | Анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами |
| title_sort | анализ нагрузок при разрушении горных пород алмазно-твердосплавными пластинами |
| 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/123456789/23407 |
| work_keys_str_mv | AT bočkovskiiam analiznagruzokprirazrušeniigornyhporodalmaznotverdosplavnymiplastinami AT korostyševskiidl analiznagruzokprirazrušeniigornyhporodalmaznotverdosplavnymiplastinami |