автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование влияния геометрии алмазно-твердосплавных резцов на эффективность разрушения горных пород

г 1 ПАК Ш

НАУЧН041РОИЗБОДСТВЕННОЗ ОБЪЕДИНЕНИЕ "БУРОВАЯ ТЕХНИКА"

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НЛУЧНО-ИССЛДДОЗАТМЬСКИЙ ИНСТИТУТ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ (ВНИИБТ)

На правах рукописи УДК 622.24.051

КАРАКОЗОВ РУФАТ РАШЭД ОГЛЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫХ РЕЗЦОВ НА ЗХ-ЕКТИВИОС'ТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1593

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте буровой техники (ННИИБГ).'

- кандидат технических Hayjt Гусман A.M.

- доктор технических наук, профессор Жидовцев H.A.

- кандидат технических наук Максименко Б.П.

- "ЛЗНШИШгТЬ"

г

Защита состоится "30 " /члрпо 1993 Г. в_ час.

на заседании специализированного Совета Д.104.03.01 Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института буровой техники по адресу, 11795?, Москва, В-4Э, ГСЯ-1, Ленинский проспект, .6.

С диссертацией мо:шо ознакомиться в библиотеке ЗН1ИБТ.

Автореферат разослан " ß " 1993 г.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность проблемы. Снижение стоимости буровых работ требует постоянного совершенствования существующего и создания нового бурового породорагрушащсто инструмента. Среди таких инструментов особое место занимают долота редуша-скаянваицего типа, оснащенные алмазно-твердосплавными резцами (АТР), позволяющие достигнуть высоких технически пок зателей. Однако из-за высокой коммерческой стоимости эти долота, кап показали производственные испытания, не всегда рентабельны. Шесте с тем, неизменный прогресс в деле усовершенствования и удешевления долот с АТР позволяет смотреть с оптимизмом на будущее этих долот, В настоящее время научно- исследовательские и конструкторские работы, особенно в США, в основном направлены на усовершенствование материалов и форм АТР, гидравлических систем, технологий использования и режимов бурения алмазным буровым инструментом (АБИ). Однако все зти аспекты исследований основываются на базовом факторе, т.е. зависят непосредственно от вооружения долота. Именно конкретный типоразмер АТР, их схема размещения на рабочей поверхности долота, композиционный состав и, наконец, геометрия самих резцов предопределяют все другие факторы, влияющие на эффективность работы долота в целом. Геометрия АТР имеет важнейшее значение з области усовершенствования вооружения долота, так как именно этот фактор обеспечивает тот или иной характер разрушения горной породы, определявши в конечном итоге энергоемкость процесса разрушения, эффективность работы-резца и, следовательно, долота в целом. Поэтоглу исследования влияния геометрии АТР на эффективность разрушения горной породы являются, на нал взгляд, той основой, вокруг которой возможны дальнейшие кснструкторско-технологичесхие работы, нал-

рввленные на создание более прогрессивного породоразрушактдзго ■ бурового инструмента. Наконец, изучение геометрии АТР позволяет - открыть новые научные закономерности механизма резания горной породы и определять направления повышения эффективности работы алмазно-твордосплавкых резцов. Таким образом, исследование влия-; нжя геометрических параметров АТР на процесс разрушения горной породы является актуальной задачей.

Ц^ль работы. Определение влияния геометрических параметров 1ТР на процесс разрушения горной породы и разработка геометрии ^резцов, обеспечивающей повышение юс эффективности.

Основные задачи исследований:

1. Определение влияния геометрических параметров АТР на глубину резания горных пород и разработка рациональной геомет-реи резцов.

2. Определение влияния геометрии АТР на динамику его работы.

3. Разработка математической модели расчета зоны взаимодействия ступенчатого АТР с горной породой.

4. Определение влияния избыточного (дифференциального)' давления на работу АТР со ступенчатым профилем.

5. Определение влияния реяимных параметров на эффективность работы АТР.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод, включавший теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие наряду с разработкой математической модели, проверить ее адекватность. В основе лабораторных исследований лекат гксперименты линейного резания горной породы различными АТР с измененной геометрией при атмосферном и избыточном давлении на специальном стенде. При разработке методики экспериментальных

исследований использовался метод математического планирования экспериментов Бокса-Уилсона.•

Научная новизна.

1. Разработаны теоретические представления и математическая модель работы АТР со ступенчатым профилем.

2. Определена зависимость глубина резания АТР от значений параметров: расстояния медду ступенями, разности высот ступеней, угла резания, осевой нагрузки к скорости резания.

3. Определено влияние избыточного давления на эффективность работы АТР со ступенчатым профилем.

4. Определена зависимость динамики работы АТР от его геометрии .

5. Разработано и защищено патентом (№ 4953729/03/056IG0) техническое решение, позволяющее повысить эффективность раз-руления горной породы за счет применения новой конструкции АТР со ступенчатым профилем.

Практическая ценность.

Результаты работы дают возможность:

1. Определить рациональные значения геометрических параметров АТР с целью увеличения глубины резания породы.

2. Определить рациональнее значения геометрических параметров АТР с налью улучшения динамических Характеристик работы АТР и долота в целом.

3. Использовать разработанную конструкцию АТР в АБИ с целью иовышегзш механической скорости проходки, а таюке сокращения алмазных резцов й АБИ.

Реализация работы. Результаты работы переданы для использования в отделе породорезрупакщего бурового инструмента ЕНИИБТ. Они применяются при разработке новых конструкции вооружения

буровых долот и бурильных головок, оснащенных рекомендованными автором ступенчатыми алмазно-ТЕердосплавнкми резцами.

О сновные зарщаемые пол гонения.

1. Теоретические представления и математическая модель процесса разрушения горной породы АТР со ступенчатым профилем.

2. Методика исследований влияния геометрии ЛТР на эффективность разрушения горной породы.

3. Результаты экспериментальных исследований по определению влияния значений геометрических параметров ATF на глубину .резания и динамику его работы.

4. Конструкция АТР со ступенчатым профилем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на мевдународкой конференции "Механика горных пород при бурении", проходившей 18-23 сейтяб-ря 1991 г. в Грозненском нефтяном институте; У Всесоюзной научной конференции "Применение вероятностно-статистических методов в бурении и нефтегазодобыче", г.Баку, 1991 г.; семинарах лаборатории исследований фундаментальных проблем бурения Щ&ПБ) ВНйИБТ, г.Москва, 1Э31-1992 г.г.; расширенном совместном семинаре отдела породоразрушающего бурового инструмента и ЛИФПБ ВНИИБТ, г.Москва, I9S3 г.; секции "Бурение скважчн" АЖИПйНШТЬ .г.Баку, 1992 г.

Публикргми. По теме диссертации опубликовано 4'работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, ochoehix выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включащего 122 наименования. Работа содержит страниц машинописного текста, 7 таблиц, i2. рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, поставлена цель и задачи для ее достижения.

В первой главе анализируются достижения в области усовершенствования вооружения, гидравлики и технологии применения долот, оснащенных алмазно-твердосплавннш пластинами типа Стратапакт. Описываются осповныя этапы развития технической мысли по созданию и усовершенствованию долот резсущз-скалываю-щего действия, оснащенных АТП и АТР. Приведены основные характеристики традиционных АТР, применяемых в бурении в настоящее время. Представлены результаты анализа проведенных аналитических и экспериментальных исследований в области конструирования вооружения, применения новых композиционных материалов, схег.ты размещения резцов на рабочей поверхности долота, конструирования профиля долота, гидравлических систем, а такжк оптимизации технологии использования долот этого типа. Выявлены основные причины снижения эффективности роботы долота, оска-щенчсп. АТР, а также пути решения этих проблем. Такое решение основывалось, поезде всего, на том что ключевым аспектом в области повышения эффективности долота является конструирование вооружения, т.е. непосредственно самого резца. Анаглгз д;.г ;:.текий в данной области показал актуальность поставленных целей к задач, а также перспектхвы исследований, направленных на улучшение работы долот регуцз-скалываыцего действия ...

Втооая глаза пссвяаека теоретическим исследованиям влияния геометрических параметров АТР на эффективность разрушения горных пород. Рассматривается механизм разрушения горной породы традиционным АТР, при котором разрушение происходит за счет

сдвига или резаюя. Подтверждается дискретный характер разрушения горной порода, сопровождающейся сколами чэотиц и являющейся совокупностью чередующихся резаний. Процесс разрушения породы сопровождается формированием ядра предразрушення и опережающих взаимовлипыцих трещин, интенсивность и характер развития кото' рых определяют эффективность разрушения горной породы. Повыше-■ ние эффективности разрушения горкой породы зависит от условий, в которых формируются ядро предрэзрушенкя и опережающие трещины. В свою очередь, показано, что характер развития этих тре-'щин зависит ст геометрических параметров АТР, т.е. его формы и размеров, а также угла резания. Исследуется влияние на процесс разрушения предложенной геометрии АТР, при которой рабочая поверхность резца имеет ступенчатый профиль с меньшим вы-

г

летом передней ступени и с большим вылетом задней относительно поверхности забоя. Раскрывается механика работы такого резца, при которой создается система взаимодействующих, сдвинутых по отношению друт к другу трещин скольжения, коэффициент концентрации у которых существенно отличается от коэффициента концентрации напряжения у одиночных трещин, образуемых б результате действия традиционного АТР. При этом установлено, что за счет использования сложного характера эффекта условного растякения •горной порода, создаваемого работой передней ступени, АТР со ступенчатым зрофидем более эффективно разрушает горную пород1/. Также представлены уравнения расчета зон взаимодействия ступенчатого АТР с горной породой.

В конце главы рассматриваются проблемы, связанные с динамикой работы АТР со ступенчатым профилем.

В третьей глазе приводятся методика экспериментальных исследований работ АТР со ступенчатым профилем, описание

опытной установки и условий проведения экспериментов. Дается обоснование двум сериям экспериментов (эксперимент I и эксперимент П). Эксперимент I - это исследование влияния различных факторов (нагрузки на резец, угла резания, скорости резания, конструктивных параметров ступенчатого ЛТР) на эффективность рэзрушершя горных пород единичным резцом с измененной геометрией в атмосферных условиях. Эксперимент j проводился с использованием метода математического плакирования эксперимента - метода Еоксэ-Уплсока. Выходным параметром являлось среднее значение величины углубления ступенчатого ЛТР ( Н ). Входными параметрами являлись: осевая нагрузка на резец ( (5, ), угол резания ( $ ), разность высот передней и задней ступеней (ft ), расстояние менду рабочими кромками ступеней [8 ), а также скорость резэкия (скорость перемещения образца породи относительно резца) (I/ ). Каждый фактор имел два уровня: верхний и киншга. Вое принятие фзкторы были управляемыми, одиозна чными, совместимыми и не имели .линейной корреляции между собой. Полный факторный эксперимент проводился но формуле /У = где Ж - количество опытов в эксперименте I. Исследования работы АТР со ступенчатым профилем производились пс получаемым в результате кадцого произведенного ре за осциллограммам и щзофилограммам. На осциллограммах региотрисовались нормальные и тангенциальные составляющие сил реакции породы. Глубина борозды измерялась на профилометре. Разрушение породы осуществлялось посредством перемещения блока породы относительно резца; нагруженного осевой нагрузкой Q> . Скорость перемещения блока породы была стабильной зо зреыя процесса разрушения. Все экспериментальные исследования проводились на стенде линейного резания КИПР--Р.

Эксперимент П позволил осуществить количественные и качественные оценки эффективности ступенчатого АТР путем сопоставления с аналогичными параметрами работы ^адиционного АТР. Опыты этой серии проводились в условиях избыточного давления 3 Ша. Выходным параметром являлась глубина резания, входными - те :?ё, что и при эксперименте I, за исключением скорости резания. Полный факторный эксперимент проводился по// = Целью проводимых экспериментов являлось определение влияния конструктивных параметров резца ( /i и У ) на глубину резания, динамику работы 'резца, а также степень влияния дифференциального давления на процесс разрушения горной породы ступенчаты« АТР. Эксперимент П проводился по аналогичной методике эксперимента I. 3 конце главы'дается подробное описание опытной установки, схемы ее действия и условий проведения экспериментальных исследовак;!л.

В четвертой главе представлен анализ результатов экспериментальных исследований. В результате произведенных расчетов дается уравнение регрессии для эксперимента П

Hp = 0,7 + 0,11 hp + 0,15^ + С ,05 ^ f 0,15 Qp +

+ 0,1 /ipdp + 0,05 Ар#р + 0,06 0,06 (Рр )fp +

+ 0,07 ¿р Qp + 0,01 }fp Qp + о,06 hpdpfc + о,oshpdpQp*

+ 0,01 Lf>XpG>p - 0,006 (Рр ftp 0>рЛ 0,05 /ip'cfp tip Q>p

где f-}p - средняя глубина резания;

hp - кодированное значение разности вксот ступеней АТР; (fp - кодированное значение расстояния мсжлу ступенями АТР;

- кодированное значение угла резания; 0>р - кодированное значение осевой нагрузки на АТР.

, */

Лается анализ уравнения регрессии: определяется значимость коэффициентов уравнения, влияние каддого исследуемого параметра на глубину резания. По полученным экспериментальны.! результатам определены значения конструктивных параметров резца со ступенчатым профилем, соответствующие наибольшим значениям глубины резания ( Hp ): Д? = 1,5 мм, ¡fp = 1,5 мм. В большинство случаев результат использования ступенчато резцов с точки зрения глубшш резания, полежнтельшй, причем увеличение значения глубины составляет до 70 а в некоторых случаях - отрицательный. Установлено, что мезду ступенями резца образуется скопление шлама, которое, возможно, препятствует более глубокому внедрению резца в породу, поскольку при.этом существенно увеличивается площадь контактных площадок, что приводит к снихешно величины удельной нормальной нагрузки на резец и, следовательно, его глубины проникновения в породу. На многих осциллограммах средняя глубина резания испытывает плавные изменения в сторону своего уменьшения, что свясано .с постепенным закяамовзни-егл резца. В этой связи возрастает роль промывки - своевременной очзсткк ревущих поверхностей от шлама.

Установлено, что при уменьшении нормальной нагрузки на ре:,ец эффективность ступенчатого АТР по сравненною с традиционным увеличивается. Анализ уравнен;;:; регрессии для эксперимента И показывает, что из гесметрнческ:ос параметров наибольшее влияние на выходной параметр Hp имеет фактор dp . Зна-л-тельныг.! влиянием также обладает фактор hp •

Результаты эксперимента I обрабатывались но аналогичной методике. Б главе приводятся рассчитанные значения коэффициентов уравнения реграссии для эксперимента I: Во = 1,40; Бг (при

V ) - +0.С8; 32 ( <Р ) = +C.IC; В3 ( h ) = +С,ЗС; В4( <Г ) =

=.-0,12; В5 ( & ) = +0,15.

Установлено, что варьирования значений скорости резания Н& оказывают существенного влияния на глубину резания.

Сопоставление результатов экспериментов I и П позволяет определить влияние избыточного давления на процесс разрушения пород алмазно-твердосплавным резцом. Средняя величина углубле-. ния АТР со ступенчатым профилем в условиях избыточного давления ( 3 МПа) почти в I раза меньше средней величины стабильного углубления АТР в породу, произведенного в атмосферных усло-• виях. Это соотгошение, б основном, сохраняется независимо о? варьируемых факторов эксперимента <Р , ^ , £> . При значении фактора, влияющего на это соотношение А. = 0,5 мм, оно характеризовалось значением 2,0-2,5. При ^ =1,5 мм - 1,5. Анализ борозд, полученных в результате опытов эксперимента I, показал, что борозды были достаточно чисты. Такая картина объясняется тем, что в условиях атмосферного давления задняя ступень, наряжу с разрушением породы, выносила или сдвигала частички отломленной породы по мере своего перемещения. Этот вынос был настолько незатруднен для АТР; что борозды оставались практически чистыми после действия резца. В случае яе с избыточным давлением вынос образующихся частичек породы зат- • . рудкялся угнетающим действием среды, которая во-первых, оказывала при: задающее действие частичек к формирующейся борозде, во-вторых, оказывай! влияние ка физико-механические свойства породы. В результате оказываемого действия избыточного давления небольшие частички размером 3-6 мм.в форме "чешуек" прилипали по Есей длине борозды после действия ступенчатого АТР. Такая картина наблюдалась почти во всех опытах эксперимента П независимо от значений варьируемых факторов. Эти данные

J.3

были получены при сопоставлении результатов экспериментов I и П и применимы, прежде всего, к работе ступенчатого АТР. Для изучения влияния дшфференциального давления нз эффективность работы традиционного АТР проведены дополнительные эксперименты по линейному резанию при избыточном давлении. Представленный анализ результатов этой серии экспериментов подтверждает, что дифференциальное давление ш/.е^т существенное значение в процессе разрушения горной породы АТР. При этом, глубина резания при избыточном давлении (3 Ша) в 2 раза меньше аналогичного параметра, полученного при атмосферном давлении.

3 заключительной части четвертой главы рассматриваются проблемы, связанные с влиянием геометрии АТР на динамику его работы. Установлено, что геометрические параметры АТР А и

сР оказывают сильное влияние на динамические характеристики работы резца. Представленные осциллограммы подтверждают, что колебания величин нормальной и тангенциальной составляющих сил реакции породы Q^ и QT при работе ступенчатого АТР по амплитуде значительно меньше аналогичных колебании, сопровождающих работу традиционного АТР. Установлено, что наименьшие колебания сопрововдавт г.лботу АТР с углом резанкя tf = -25-# При этом, вертикальная нагрузка на АТР влияет на амплитуду колебаний столь незначительно, что сл--ует говорить о средних значениях этих амплитуд для АТР со ступенчатым профилем с различными значениями конструктивных параметров. Установлено так-яе, что средние значения соотношеюй амплитуд колебаний реактивных сил к усредненной фактическое силе нормальной реакции Q,^ составляет 5,1 %, тангенциальной реакции G>r - 5,8 %. Это в 5-6 раз меньше аналогичного параметра, соответствующего

работе традиционного АТР. Среди геометрических параметров АТР наибольшее влияние на динамику работы резца имеет величина разности высот ступеней А . Наибольшие колебания сопровождают работу резца с =1,5 мм, но и эти колебания значительно (в 2-3 раза) киге аналогичных колебаний, присущих работе традиционных АТР. Тако° распределение сил-реакций на ступенчатый АТР означает, что резец, испытывая меньшие колебания составляющих сил, подвергается меньшим ударным нагрузкам, так как его работа характеризуется большей плавностью и стабиль-•ностью.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате теоретических и стендовых исследований влияния геометрии АТР на эффективность разрушения горной породы можно сделать оледунше выводы:

1. Теоретическими исследованиями установлен и экспериментально исследован, эффект растяжения горной породы за двику-¿гамся резцом, что приводит к уменьшению &аергое?ясости разрушения горней породы резанием при.работе ступенчатым АТР.

2. Эффективность ступенчатого АТР по сравнению с традиционным увеличивается при снижении нормальной нзерузкк на резец.

3. Наибольшее влияние на величину углусЬ-:^, .; резца оказывает расстояние между ступенями, а на величину сил-реакций -величина сазковксотности ступеней,

4. Скорость резания не оказывает заметного влияния на эффективность процесса разрушения горной породы АТР со ступенчатым профилем, что позволяет эффективно применять их при турбинном способе бу.-'.ния.

5. При стендовых исследованиях резания АТР со ступенчатым профилем в условиях всестороннего сжатия (3 МПа) среднее значение величины его углубления в 2 раза меньше среднего значения углубления его при атмосферных условиях.

6. Для борьбы со иламообразованием при применении АТР со ступенчатым профилем рекомендованы соответствующие технические решения.

■ 7. Предложенный нами к замшенный патентом (совместно с четырьмя соавторами) ступенчатый резец при разности высот ступеней 1,5 мм и расстоянием между ними 7 км обеспечивает увеличение углубления АТР з 1,5-2 раза по сравнению с традиционным АТР.

Использование таких резцов а алмазных долотах позволит при уменьшении их а лл?азовооругешюста увеличить мехэническус скорость и другие технико-экономические показатели проходил екзаяин в соответствующих ах назначению породах.

8.Соотношение амплитуд колебаний реактивных сил к силам нормальных и тангенциальных реакций уменьшается при работе АТР ступенчатого профиля в 5-6 раз по сравнению с аналогичными параметрами у традиционного АТР, в результате чего резей ос ступенчатым профилем испытывает меньшие реактивные колебания, подвергается меньшим ударным нагрузкам, что приводит к увеличению его долговечности. Наименьшие зеличины реактивных колебаний наблюдаются при отрицательном угле резания резца, равном 25°. Использование таких резцов в алмазных долотах позволит расширить'область их применения вплоть до твердых абразивных пород за счет увеличения их износостойкости, уменьшения случаев скола алмазного слоя из-за снижения поперечных и продольных колебаний.

Основные положения диссертации опубликованы в следувщих работах:

1. Повышение эффективности разрушения горных пород но-твердосплавными пластинами путем изменения их профиля. -%рн. Азербайджанское нефтяное хозяйство, Баку, 1992, J3 10, с. 30-32 (соавторы Барский И.Л., Гусман A.L".., Реутов В.А.). ,

2. Некоторые результаты стендовых исследований работы резца "стратаиакс" со ступенчатым профилем. - Библиогр. указатель ВИНИТИ "Депонированные научные работы", Москва, 1992,

9, с. 53 (соавторы Барский И.Я., Гусман A.M., Реутов В.А.).

3. Резец для разрушения горной породы. Патент В 4Э53729. Решение от 27.02.92. (Соавторы изобретения Барский И.Л., Агошашвили Т.Г., Гусман A.M., Реутов В.А.).

4. Исследование процесса разрушения горных пород алмаз-, но-твердосплавкыми пластинами со ступенчатым профилем. - Библиогр. указатель ВИНИТИ "Депонированные научные работы", Москва, 1992, й 5, с. 52-53.

Подписано в печать 12.02.S3. Зак. 24 Тир. 100

Ротапринт ВНИИБТ