автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.07, диссертация на тему:Повышение эффективности скважинных фрезерных устройств путем снижения температуры в зоне фрезерования

азербайджанская государственная нефтяная академия

нии «геотехнологические проблемы нефти, газа

и химии»

ГЗ ОД

На пра>ах рукописи

МУСТАФАЕВ АМИР ГОЧУоглы

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СКВАЖИННЫХ ФРЕЗЕРНЫХ УСТРОЙСТВ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ ФРЕЗЕРОВАНИЯ

(Специальность: 05.04.07 «Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАКУ - 1996

Работа выполнена в Азербайджанской государственной нефтяной академии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор | ФАРЛДЖЕВ Т. Г. | Официальны:: оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГАСАНОВ А. П.,

кандидат технических наук ГАНИЕВ А. М.

Ведущее предприятие — НГДУ «Ширваннефть».

Защита состоится «¿Л» гх^чО/^^ 19Э6 г. час.

на заседании специализированного совета Д 054.02.01 при Азербайджанской государственной нефтяной академии по адресу: 370601, г. Баку — ГСП, пр. Азадлыг, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Азербайджанской гссударстЕснкоц нефтяной академии.

Автореферат разослан

1996 г.

Учений секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессо

МЕДБЕКОВ О. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО ТИКА. РАЮШ

Актуальность темы, В развитии нефтяной к газовой промышленности основными. направлениями увеличения добычи нефти и газа являются внедрение нового и эффективного технологического оборудовании, а также ввод в эксплуатации бездействующих скважин, что связано с необходимостью уокорешм восстановительных работ.

Ожидается, что к 2000 году в эксплуатации будет находиться значительное число скважин, отработавших ив менее 25-35 лет. Поэтому можно ожидать, что затраты на капитальный ремонт скважин возрастут.

Для сохранения фонда скважин, повышения эффективности его эксплуатации, снижения числа простаивающих скважин необходим;: конструктивные меры по совершенствованию и дальнейшему развитию восстановительных работ.

Существуют различные способы проведения восстановительных работ в скважине. Однш из них является механический способ-фрезерование аварийного предаета в скважине.

Известно, чю показатели процесса фрезерования зависят, предде всего, от долговечности и эффективности работы фрезерного ".нстру-мента.

Долговечность инструмента наряду с его конструкцией и материалом связана с условиями его работы на забое скважины.

Однш из основных факторов, обуславливающих работоспособность фрезерного инструмента является тепловой режим в зоне его работы, который зависит прежде всего от физико-механических свойств разрушаемого объекта и режима фрезерования. От взаимодействия с разрушаемыми объектами инструмент подвергается температурным воздействиям я при этом на его рабочей поверхности выделяется большое количество тепла. В результате инструмент сильно нагревается, что приводит к ■снижения режущей способности, ускорению изнашивания режущих элементов и преждевременному выходу из строя.

В работе разрушающих инструментов на забое наблюдается сочетание значительных динамических нагружешй с проскальзыванием режущих частей. При больших контактных давлениях и скоростях сколь ;эыш хуже смазываются и охлакдаытся их трущиеся поверхности. В этом отнопанлк условия работы режущего инструмента оказываются весила нейлагонрнят-наш, что приводит к всзшиаовеи-и) Еторичлого закиишгшлт и кзпэне-нга мо;:гл;;чэск;1л сво;.стб материала инструмента.

Регулирование рэу.олшх п.чра'.четров процесса а изыскание пролшю'н

нснпродувочшх агентов с высокими смазочно-охлавдащими свойствами, уменьшающие тепло от трения и значительно улучшающие их производительность и стойкость, позволяющие конструировать рациональные формы фрезерных установок, приобретает ванное значение для не^гегазодобываидой промышленности.

Цель работу заключается в обобщении результатов теоретических, экспериментальных и опыгно-дрошшленных исследований и создания новых методов повышения эффективности работы фрезерных устройотв за счет управления и регулирования -процессом тепловыделения, возникающего от нагрева режущей поверхности инструмента при фрезеровании.

Для достижения этой дели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- определено распределение тепла и температуры, возникающей от хренин в вооружении фрезерного инструмента, с учета! коэффициента теплообмена и радиуса перекрытия режущего инструмента;

- выявлен эквивалентный радиус режущего инструмента, при кото-рам он наиболее эффективно участвует в процессе разрушения метал-» да и тем самым обеспечивается необходимая величина инерционности процесса конвективного теплообмена;

- разработан критерий инерционности технологических процессов с учетом 'конвективного теплообмена в процессе фрезерования;

- разработан критерий регулируемости тепловых явлений в процессе фрезерования, который учитывает любое дополнительное параметрическое возмущение, входящее в систему;

- выбран- рациональный способ охлавдения инструмента в процессе фрезерования.

Метопы решения поставленных задач/

Поставленные задачи решались путем проведения теоретических, лабораторных и промысловые исследований о применением современных вероятностно-статистических методов;

Научная новизна заключается в комплексном моделировании работы фрезерного инструмента в сложных условиях адважшш.

В результате исследований разработаны методы синтеза систем управления тепловыми процессами, позволяющие обеспечить устсйчк-вус работу фрезерного инструмента в процессе фрезерования. Установлена величина радиуса контактной площади, которую требуется . соблюдать при' проектировании режущей поверхности инструмента. Определены основные' параметры - оптимачьныа значения коэффициента

теплообмена и критерия инерционности перепада температуры, обеспечивающие эффективный отвод тепла от охлаждаемой поверхности инструмента при конвективном теплообмена.

На защиту выносятся следующие основные полгаеония диссертационной работы:-

- определение распределения тепла и температуры в вооружении фрезерного инструмента с учетом различных технологических параметров процесса фрэзерования при конвективном теплообмене;

- определение величины эквивалентного радиуса фрезерного инструмента с учетом допустимой инерционности перепада температуры ^ на его поверхности;

- определение значения критерия инерционности, способствующего управлении и контролю перепадом температуры на режущей поверхности инструмента с учетом параметров исследуемого объекта;

- определение рациональных реяшмных параметров фрезерного инструмента с учетом конвективного теплообмена;

- рекомендации по повышению эксплуатационных характеристик и эффективности работы фрезерных Устройств. .

Практическая ценность я реализация результатов работы. -'

На основании выполненных исследований разработана я рекомендована для буровых, эксплуатационных и проектных организаций методика определения перопада температуры, возникавшего от тепла трения трущихся поверхностей инструмента, с учетом диссипативпой части мощности, теряемой в его вооружения; методика определения ' эквивалентного радиуса фрезерного инструмента, ври разрувэнли д&-формированного объекта с учетом изменения скорости скольжения; методика определения критерия инерционности порепада температуры на ршкущей поверхности инструмента с учетам дараме5 оов, входящих в процесс конвективного теплообмена; методика испытания модельного образца фрезерного инструмента в лабораторных условиях, позволяющая достаточно точно измерять температуру в армированном слое, регулировать подачу охлаждающей жидкости и определять рациональные режимные параметры процесса фрезерования.

Результаты, полученные в диссертационной работе, рекомендованы головным организациям - государственной компании "Азнефть" я Азербайджанскому проектнськонструкгорскому и научно-исслэдовахедьспо-му институту нефтяного машиностроения буровьао я эксплуатационным организациям для реализации прл исслодовакли тепловых процессов.

Апробация работы. Основше положения диссертационной работы

докладывались на:

XI Республиканской научной конференция аспирантов вузов Азербайджана (Баку, 1988г.);

. -Всесоюзной научной конференции "Механика горних пород при бурении "(Грозный, 1988г.);

-Всесоюзной научно-практической конференция "Перспективы развития, совершенствования конструкции и повышение надевностя бурового и нефтепромыслового оборудования" (Пермь, 1Ь88г.);

-XI Республиканской научной конференции аспирантов вузов Азербайджана (Баку, 1989г.).

Публикация: По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертация.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов я рекомендаций, списка литературы яз 90 наименовании. Она изложена на 152страницах машинного текста» содержит 17 таблиц, 21 рисунков и 32 страниц прялокеняй.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, приводятся цель и задачи исследований и сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы излагается состояние исследования температурных полей и напряжений в процессе фрезерования.

Обзор выполненных работ позволил установить, что в настоящее вре мя не достаточно полно исследованы закономерности изменения перепада температуры и температурных напряжений в вооружениях режущ;х инструментов в процессе фрезерования. Отметим, что многим авторам, проводившим исследования в этой облюти, удалось уменьшить перзпад температуры и тепловых напряжений, ъольш'нство из них ограничивались лишь силовым анализом или изучением режима работы инструмента.

Однако, длл оценки работоспособности режущего инструмента необходимо исследование влияния всех взаимосвязанные факторов на процес сы теплообразования и отвода тепла, протекающих при фрезеровании.

Результата исследования показывают, что при фрезерования с учетом конвективного теплообмена либо частично, либо же вообще не изучались основные факторы - коэффициент распределения теплового пото-

.*д, критерий охлаздаемости, коэффициент теплообмена, хфитеряй инерционности перепада температуры, без учета которых невозможны достоверные тепловые расчеты в процессе фрезерования. Изучением взаимосвязи меаду этими факторами мояно. достигнуть рационального температурного режима и научно обосновать систему охлаждения окважшпшх фрезеров, позволяющих обеспечивать стабильную работу инструмента в скважине.

Во второй главе изучается управляемость процесса тепловыделения на режущей поверхности инструмента с учетом конвективного теплообмена. • .

Определено распределение тепла и температуры на режущей поверхности фрезерного инструмента в зависимости от параметров процесса конвективного теплообмена с учетов диссипативной части мощности,теряемой в вооружении инструмента. В этом случае математическая модель теплопроводности инструмента представляется в вдде уравнения

• З&Т -2 ддТ дг£Г д1 "2 д-2 дг2 • .

£72

и начальном йТ(1,0)^0 , условиях задачи, где: /// - нарушая площадь инструмента, где действует тепловой источник; поверхность контртела; (¡з - охлаждаемая поверхность; (! - теплопроводность материала режущей части инструмента; о^-коэффициент теплообмена между режущим инструментом и охлаждающей жидкостью; йТ- Тер переменная перепада темпер?х'урц; 77?,/) -переменная темлературы среды; Тер - температура охлалдающвй среды; ■к - текущее время; ? - произвольна .радлус точка теяа инструмента; . - наружный радиус инструмента.

Результаты исследования позволили выбор инструмента производить по критерии охлаждаем50СГИ- ( Вс ), что наглядно доказано на рис.1 .

Далее в' этой главе приводится последовательность определение 'по-репаца температуры с учетом значения коэффициента теплообмена я критерия охлаждаемости , что обеспечивает условие эффективного теплоотвода от режущей поверхности инструмента. Определена такие характеристики инерционности перепада температуры и рвгулируо'юстл нестационарного процесса конвективного теплообмена обеспзтаззетллэ

необходимую чувствительность процесса относительно воздействия внешних параметров. Область изменения указанных параметров установлена в уравнения, олисываадего процесс изменения температура на режущем пространстве инструмента

ЭТ,/д1 + У,дТ</дк = Ш-Ъ);

V)» Кг - скорость тачания жидкости соответственно в промывочном отверстии и режущей поверхности инструмента; удельная теплоемкость; ^ - плотность лрсшвочаой жидкости; Д - коэффициент теплопроводности разрушаемого металла; Л"/2- коэффициент теплопередачи ыежду промывочной жидкостью и режущим инструментом; /Р, - радиус промывочного отверстия: радиус охлавдаемой поверхности.

В качестве примера были проведены расчеты и оказалось, что наилучшая регулируемость процесса достигается при наибольшей инерционности в условиях: I/, « 5,45 м/сек; Уг » 1,2 и/сек; Я, «-4-Юм, Ср» 0,4 ккад/кг; 8

В этой главе также определен эквивалентный радиус фрезерного инструмента с учетом инерционности перепада температуры на его режущей поверхности.

Подученные результаты теоретических исследований позволяют выбирать аффективную систему охлаждения инструмента, управлять я контролировать нагрев инструмента при больших контактных давлениях я скорости скольаеная всложных условиях скважину.

Третья Елава посвящена анализу результатов проведе1ших в лабораторных условиях экспериментов.

С помощью физического моделирования была разработана экспериментальная установка, имитирующая процесс фрезерования в промысловых условиях. Обоснованы методы измерения температуры от параметров рассматриваемого объекта при конвастдвном теплообмене.

Эксперименты-проводились при естественном и принудительном охлаждения. Подученные данные обрабатывались на ЗШ, строились математические ыодоли процесса. С помощью корреляционного анализа выявлено влияние каждого фактора на температуру я подучены модели, которые были наиболее ближе к экспериментальным данным. Получешше гависимосгя дали возможность установить изменение перепада температуры от ддссипмивной части мощности, теряемой в вооружении инструмента (рис.2). Установлены также режимные параметры (при плг

Ю

[ат скТ дг I I

1

Ы

/ й' 3 4 а

Рис.1. Изменение перепада температуры (й Т-кривая 1)и градиента температуры ( -1фв-вая 2)на режущей поверхности фрезерного инструмента.в зависимости от критэрия охлаж-даемости.

ш

604

Рис.2. Изменение температуры на режущей кромке фрезерного инструмента в зависимости от дио-сипатявной части мощности,теряемой б его вооружений кривая 1-бвз охлаждения,2-е применением воздуха,3-е применением прошвочно-охлаждапцэй алдхэстя,-1-с прялэненнеу азря-ровалноЯ яидкостл).

ности раствора р « 1200 и/и.3), означивающие эффективный теп-лоотвод ори конвективном теплооо..,эне.

В четвертой главе приведены результаты анализа сравнительных • ■ оценок экспериментов полученных в лабораторных условиях и при промысловых испытаниях. Указаны пути снижения температуры в зоне фрезерования и предложен' ряд мероприятий по повышению эффективности скважияных фрезерных устройств, а именно:

1. Обеспечение эффективной работы при частоте вращения ротора до 125 об/мин; (соответственно угловой скорости до 14,8 сек"*); и осевой нагрузки до 30.000Н для забойного фрезерного инструмента типа <РЗ 135. '

2. Увеличение износостойкости и ресурса работы инструмента за счет управления процессом конвективного теплообмена.

3. Для регулирования я управления процессом фрезерования о цель снижения температура на режущей поверхности инструмента предложено варьировать входными параметрами конвективного теплообмена в допустимых пределах: (например, плотность раствора 1200 н/м3; удельная теплоемкость 0,4 ккад/кг °С; коэффициент теплоотдачи К=8; при времени запаздывания возмущении инерционности до 180 сек).

Эти параметры позволяют в значительной мере снимать напряженное и деформированное состояния в зоне резания, дают возможность нормализовать процесс конвективного теплообмена и переходить на нормальный режим работы инструмента.

4. Предложено осуществлять выбор инструмента по критерию охлая-даемости с учетом входных параметров. Этот критерий в зависимости от конфигурации инструмента меняется в пределах от -2 до +5 и соответствует вели*. чне рахода промывочной жидкости до 12 м/сек. Найденные значения критерия охлаадаемости такое позволяют определить величину коэффициента теплообмена и обеспочивают стационарность работы инструмента и эффективную очистку призабойнои зоны от частиц металла.

Установлены требования, предъявляемые к конструкции инструмента, исходя из условий его работы в скважине, параметров фрезерования с учетом и конвективного теплообмена:

1 - обеспечивать высокие показатели фрезерования - проходку по металлу более 20 и в осложненных условиях аварийных работ в стволе С:Ша"Л1Щ ^диаметром 133.?мм и более и глубиной до 7000 метров;

- обеспечивать непосредственное охлаждение реку ¡ней части ыагро- • тего тела фрезерного инструмента, сохраняя наименьшее удолыюо

давление на рабочую поверхность с целью сохранения прочности армированного слоя.

Рекомендации, разработанные в диссертации, были использованы на буревой й 264 "Ширванбурнефть".

Экономический эффект от внедрения составил на один фрезерный лн-струмент 612 руб., а з целом ло УЕР 2I42C0 руб. в год (ь расценках 1993 года).

ОСНОВНЫЕ швда И РЖСМЩДАЦИИ

Результаты выполненных исследований позволяли сделать сяедутаее выводы л рекомендации. '

I. Теоретически разработаны и экспершенталыю исследованы качественное я количественное влияние факторов на показателя процесса фрезерования, что позволило выбрать оптимальные сочетания рехим-нкх параметров.

2о Для управления тепловыми процессами в работе теоретически разработаны я экспериментально определены;

- количество выделяющегося тепла в зоне контакта фрезегъфрезэ-руемш объект;

- аналитические зависимости распределения тепловых напряжений на контактной поверхности инструмента селеянясм на них гап-лофязических параметров исследуемого объекта;

- влияние различных принудительных охлаждающих факторов, налоав-лешшх на снижение объемной температуры в инструмент© в процессе фрезерования.

Зо Олродолеш: основные регулирующие параметры яри конвективном -ran-лообмене с учетом воамущениЯ, возникающих при перепаде температуры.

4» Для обеспечения эффективности фрезерного инструмента при ремонте сквасил с учетом конвективного теплообмена Оылп разработаны методики:

- оценки величины перепада температуры и температурных напряжений, возннкаю'гдах от тепла трения, в вооружении инструмента;

- оценки Еэлпчины коэффициента распределения тепловых нотоют, нестационарного зпаченяя "срнтерия охлаздоекостй, до ко то г о;, выбирается гнетруглепт ;

- оцет:?. ;.олач.т?и кгпторка лиоргяончосгя перепада тегллзгатуры, r-oTopiii пооьоляэт пооттогаровать и управлять топловш:: :!'ю:России;

- определения величины критерия Енорцпоаи^егн от остальных параметров исследуемого объекта при кошшкгявном теплообмене.

5. Даш рекомендации по обеспечению наиболее благоприятного отво-

* да тепла, о учетом конвективного теплообмена в зоне фрезерования, что позволяет конструировать рациональную систему охлаждения режущего инструмента, существенно сократить фонд бездействующих скважин я увеличить добычу нефти и газа.

6. Рекомендовали рациональные режимные параметры для забойного фрезера типа &3 135.

Основное оодэожаняо диссертации опубликовано в работах.

1. Фарадаев Т.Г., Алиев А.М., Муотафаев А.Г. Обобщенное дифференциальное уравнение теплопроводности для произвольной меры пространства и формы тела. Изв.ВУЗов "Нефть и газ", 1991, J4 6, С, 32-42.

2. Расулов P.A., Муотафаев А.Г. Определение тепловыделения на контактной поверхности забойного фреаэрного инструмента. Изв.

. ВУЗов "Нефть и газ", 1991, * I. С.94-95. '

3. Мустафаев А.Г. Диагностирование структурной неоднородности композиционного сплава наплавленного на рабочие органы фрезерных устройств. Тезисы доклада на XI Республиканской научной конференции, аспирантов вузов Азербайджана. Баку, 1988. С.58«

4. Мустафаев А.Г. Влияние температуры на взаимодействующие тела фрезерный инструмент и фрезеруемый объект. Тезисы доклада на 2П Республиканской научной конференции аспирантов вузов АзербаЯ джана, г.Баку, 1989. С.76. .

5. Гасанов P.A., Мустафаев А.Г. Оценки теплофизпческих параметров взаимодействия режущих инструментов с разрушаемый объектом на базе забойной информация. Тезисы доклада Всосоазной конферешщг "Механика горных пород при бурзпяп", Грознчй, 1388. С.86.

6. Гасанов P.A., Мустафаев А.Г. Прпменэкко метода идентификации для опродолекдя параметров взаимодействия трущихся поверхностей Материалы Всосоюзеой научно-практической конфорежцш "Перспективы развитая, совершенствования конструкция и повышение надежности бурового и нефтепромыслового оборудования. Пер;,;!., 1908. С. 70-71. ■

Работы 3 и 4 випр-лнсен самостоятельно. ■

В работах I н 2 - теоретические а экспор;-<энталыше исследования, обработка данных и апробация получешшх результатов.

В работах 5 и 6 - участие в разработке мотодпки исследований, обработка данных экспериментальных и прилы еловых испытантй.

Ыустафадев быир Гочу оглу

фрезерлэмэ зонасцнда твмпературун к/лгы салшшасы долу ил& гу-Зу -фрезер гургуларынын вктиаяинкнин артырылмасы.

(05.0^.07 -"Не^т еэ газ сэнадвсиниь иашын вз агрегатлары нхтисасы узрэ техника елилэри налззэди алшшш дэрэчаси алиаг учун Ьазырланиыв дкссертасид'а ишинин ххяасеса).

Нейт еэ газ сын ад ее и ни и илклаа^ы во онун Ьасклатынын артырыл-иасында асас г.отигаштлэрдон бири технологи чэЬэтдэн влиеришли са^'ылан аьаданлыгларын истеЬсалы .иле данаии, гудуда Саш иерэн газа Ьадпсэлэринин гариксы алинаркэн а^адан.ллгин ;шчи слЬи.1ДЭ сур-тхнмэдэн даранан теыпературада гаршы даваьлылыгын артыршшасы вэ просесин режим параыетрлеринин тэдин едилмэси проблем мэсодэлор-дэн Сиридир.

Диссертасида иши кирш, 4 фэсивден, эдэбидд'ат сидаЬысындан ев элалалэрдэн ибарэтдир.

Ьвриш 1гиссэскндэ ызвзунун актуаллкгындан, апарылан тэдгяга*ын иэгсоди нэ буна наил олыаг учун год'улан мэсэлэлэрдон о'эЬс адплир.

Биринчи ({есилдэ ^реэерлэио саЬасиндэ апарылан тэдгагагларын араидырылкасы ва дени т¿дгигатларын апармлыасы учун онларын ьачиб-лиди гвд'д олунуб.

Икинчи £ес;:лдо гуду-;{резор алэтинин кшчи сотЬиьдэ падланан ис-тилнкдэн Царапан теширатурун тензимланмэсиниь идарэ олуныасы усул-.чары о^рэнилир. Бу ¿есилдэ Ьэмчинин твмпературун азалдылмасына тэ-сир гостлрн асас амиллер арашдырылыб.

Учунчу .'.эспл лыбораторида еэ ыэдон шэраияиндэ дагыдычы гуду- . :,резер а л. л г. .¡ян сэт1ти ¡дэ даралан твмпературун мухтэли} содутыа долу илэ-аваш сальшкасы усулларындан еэ алынан ноглчэлэрин араьды-рылмасындан бэЬс едир,

Дордунчу с^есг.л (¡:реаер гургуларкньш мл^к сет (танин двдилмэдэ гаршы дагамлылыгыш артркаг учун керулен тэдбирлэрэ Ьэср елунуб.

- 14 -MU3TAPAYBV AMIR OOGHU OOLU

Efficiency promotion of hole milling outter equipment by temperature decrease on cutting zone

■ ABSTRACT

Xhle work Is devoted to" topical theme - creation of new methods, promoting efficiency of milling cutter equipment, capable to work at complicated .hole conditions by elaboration of heat control principles.

Distribution of heat and temperature on cutting surfaoe of Instrument taking Into a count a coefficient of heat stfe-im distribution coefficient of cooling criterion and other parameters are defined In thio work. ' i •

Solution of problem permits to elaborate more rational conotru-ctlo of cooling sistera providing decrease of temperature tensions on the working surface of Instrument. •

• 3ak.tf<jg Titp./flC ntv.A.f0 Tim.AfHA Bany-fCn, up. Asaaaur, 20