Бондаренко Микола Олександрович. Наукові основи створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю

brief description

Бондаренко Микола Олександрович. Наукові основи створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю : Дис... д-ра наук: 05.15.10 - 2007.

Бондаренко М.О.Наукові основи створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.10 Буріння свердловин. Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, 2007 р.
Розроблено нові теоретичні підходи для створення алмазного бурового інструменту з підвищеною роботоздатністю на основі аналітичних методів дослідження температурних полів, термопружного стану, зношування та фізико-хімічних процесів, які відбуваються при спіканні робочих елементів методом гарячого пресування. Ці підходи дозволяють визначити основні фактори, що впливають на кінетику
даних процесів, спрогнозувати структуру і властивості НКАМ, зносостійкість і довговічність бурових інструментів на їх основі. Проведені розрахунки енергетичного стану зразків бурових вставок складу алмаз твердий сплав ВК6 при їх спіканні методом гарячого пресування дозволили визначити оптимальний хімічний склад і р Т t умови, за яких відбувається покращання структури і властивостей композита. На основі запропонованих моделей встановлено закономірності температурних полів, термопружного стану та кінетики зношування алмазних доліт ІНМ-214,3 Т при бурінні міцних і абразивних гірських порід для різних теплофізичних і механічних умов, що є дуже важливим для вдосконалення технології виготовлення бурових інструментів і практики їх експлуатації.
Порівняння розрахункових даних з експериментальними вказує на адекватність розроблених моделей і точність отриманих результатів.
На основі наукових досліджень розроблено конструкції бурових інструментів, які успішно впроваджені в промислове виробництво і показали результати при бурінні нафтових і газових свердловин на рівні кращих зразків закордонного виробництва.

В дисертації з урахуванням специфіки НКАМ охарактеризовано ситуацію в теорії зношування і технології виготовлення інструментів для буріння нафтових та газових свердловин. Для цього розроблено математичні моделі для дослідження кінетики зношування бурового долота і опису фізико-хімічних процесів, які відбуваються при спіканні композитів алмаз твердий сплав ВК6 методом гарячого пресування, та запропоновано нові методи для визначення якості готових виробів. В цьому напрямку звернено увагу на дослідження математичних розв’язків та їх фізичної інтерпретації, а також рентгеноспектральне (РЕМ і ПЕМ) вивчення структури і фізико-механічних властивостей алмазовмісного шару композита при його спіканні в умовах неізотермічного експерименту. З метою ілюстрації отриманих загальних рішень проведено аналіз цих рішень для конкретних ситуацій спікання бурових вставок і роботи інструменту при варіюванні хімічного складу композита, р Т t умов спікання, мікрогеометричних характеристик складових композита, технологічних режимів буріння, охолодження тощо. Дуже важливим є те, що розв’язки отримано в явному вигляді і їх можна використовувати для більш широкого спектра надтвердих матеріалів і інструментів. На основі отриманих результатів розроблені нові алмазовмісні матеріали, АТП та бурові інструменти на їх основі.
Узагальнюючи отримані результати, зробимо такі основні висновки:
1. Вперше розв’язано нестаціонарну задачу теплопровідності для алмазного бурового долота. Модель враховує інтенсивне нагрівання за рахунок тертя в зоні контакту долото порода і охолодження рідиною внаслідок конвективного теплообміну та відміни теплофізичних властивостей НКАМ від основи долота. При вирішенні цієї задачі використано метод Гальоркіна у гільбертовому просторі, що є сумою гільбертових просторів в зоні і на границі, зі спеціальним вибором координатних функцій. Вони є власними функціями спектральних задач з параметром в рівнянні і граничних умовах. Це дало змогу отримати розв’язок, який збігається до точного в середньому як в зоні, так і на її границі, що особливо важливо при моделюванні контактних задач. На основі цього розв’язку виявлено такі закономірності:
при збільшенні коефіцієнта теплопровідності матеріалу композита від 100 до 200 Вт/(мК) за умов екстремального буріння абразивних гірських порід відбувається зменшення температури на робочій поверхні долота до 500 С. Подальше його зростання вже не так істотно впливає на температурний стан алмазовмісного шару композита;
при збільшенні відносного значення коефіцієнта теплообміну від 0,5 до 3,5 кВт/(м2К) відбувається зменшення контактної температури до 2,5 разів;
на температуру робочої поверхні долота суттєво впливає концентрація і зернистість алмазів, контактний тиск і кутова швидкість обертання. Оптимізація цих параметрів забезпечує роботу в температурному режимі, що не перевищує 600 С і не впливає на погіршення механічних властивостей композита;
температурне поле в долоті істотно залежить від радіальної і кутової координат профілю.
2. Розв’язано осесиметричну задачу термопружності для сферичного долота в процесі буріння свердловин. Особливістю цієї задачі є те, що самі напруження залежать від температури нелінійно, а умови рівноваги включають компоненти вектора об’ємної сили (навантаження на долото повздовж осі Оzі обертання долота з кутовою швидкістю навколо цієї осі). Розв’язок задачі отримано у вигляді рядів за поліномами Лежандра і сферичними функціями. Цей розв’язок дозволив визначити складові квазістатичних термонапружень в алмазному долоті і проаналізувати основні фактори, які впливають на їх змінення. На основі цього рішення встановлено таке:
максимальні значення радіальних температурних напружень, тангенціальнихі дотичнихпри бурінні гірських порід досягаються на границі контакту долото порода, вони істотно залежать від радіальної і кутової координат профілю і кутової швидкості обертання ;
при збільшенні відносного значення коефіцієнта теплообміну1від 1,5 до 3,5 кВт/(м2К) усі складовізменшуються більше ніж удвічі для всіх умов буріння;
загальні напруженняіjтеж істотно залежать від кутової і радіальної координат, навантаження і кутової швидкості обертання. Максимальні значення загальних радіальних напруженьrrдосягаються на робочій поверхні долота при = 18 і = 90, а дотичніrв цих зонах мають менші значення, ніжrr.
3. Розроблено науковий підхід для дослідження кінетики зношування алмазних доліт в процесі буріння нафтових і газових свердловин з урахуванням специфічних особливостей НКАМ, геометричних параметрів інструментів та складних умов теплообміну внаслідок сумісної дії примусової і природної конвекції в потоці бурового розчину для загального випадку, коли коефіцієнт зносу залежить від контактної температури. Розв’язки отримано в явному вигляді, що дозволяє визначити знос чи швидкість зношування у будь-який момент буріння і виконати параметричний аналіз кінетики цього процесу залежно від широкого варіювання вихідних даних. На основі отриманих рівнянь виявлено такі закономірності:
знос бурових доліт суттєво залежить від хімічного складу алмазовмісного шару композита. Введення добавок порошків СrВ2і W2В5до вихідної шихти алмаз твердий сплав ВК6 вдвічі підвищує зносостійкість бурового долота для всього діапазону параметрів, що вивчаються;
збільшення коефіцієнта теплопровідності матеріалу композита від 100 до 200 Вт/(мК) вдвічі зменшує швидкість зношування алмазного долота. Подальше збільшення цього параметра вже не так суттєво впливає на знос інструменту. Збільшення коефіцієнта теплопровідності матеріалу долота практично не впливає на зносостійкість інструменту;
стійкість бурових доліт проти абразивного зношування істотно залежить від концентрації і зернистості алмазів. Так, при зростанні відносної концентрації алмазів від К = 75 до К = 100 і зернистості від 500/400 до 1000/800 зносостійкість долота збільшується вдвічі;
збільшення відносного значення коефіцієнта теплообміну від 0,5 до 3,5 кВт/(м2К) підвищує зносостійкість алмазних доліт до 2,5 разів, а збільшення контактного тиску і кутової координати, навпаки призводить до стрімкого зростання зносу інструменту.
4. Вперше розроблено кінетичну модель для опису фізико-хімічних процесів, які паралельно відбуваються при спіканні алмазовмісних композитів на основі твердосплавних матриць методом гарячого пресування для загального випадку, коли швидкість процесу контролює як дифузія, так і хімічна реакція поміж вихідними речовинами шихти. Особливістю цієї моделі є те, що швидкість процесу спікання подано добутком двох функцій: узагальненої константи швидкості і модельної функції. При цьому константа швидкості одночасно залежить від температури і тиску, вона визначає швидкість хімічної реакції в системі, що спікається, а модельна функція задовольняє умові фізичної залежності двох механізмів спікання. Це дозволяє визначити енергетичні бар’єри для зародкоутворення нових фаз, дифузії і хімічних реакцій з однієї сторони, а з іншої визначити залежність швидкості процесу від температури і тиску та запобігти проведенню трудомістких експериментів та використанню складного обладнання при дослідженні молекулярної взаємодії. На основі цієї моделі встановлено, що енергія активації дифузії, зародкоутворення нових фаз і хімічних реакцій несе у собі повну інформацію про структури і фізико-механічні властивості НКАМ.
5. Методами рентгеноспектрального аналізу (РЕМ і ПЕМ) досліджено особливості формування структури композитів системи алмаз твердий сплав ВК6 залежно від хімічного складу і р Т t умов спікання. На основі цих досліджень встановлено таке:
введення добавок СrВ2і W2В5до вихідної шихти алмаз твердий сплав ВК6 сприяє підвищенню однорідності зернистої структури і фазового складу матриці, зменшенню середнього розміру зерна WС в матриці, формуванню в матриці стискуючих напружень;
в ямках відривання і на поверхні кристалів алмаза в зразках складу алмаз твердий сплав ВК6 з низькою здатністю алмазоутримання, переважно трапляється завищений вміст вільного вуглецю. Характерною рисою зразків, які вміщують у вихідній шихті алмаз твердий сплав ВК6 добавки порошків СrВ2і W2В5, є відсутність графіту як в продуктах взаємодії алмаз матриця, так і в матриці вдалині від цього контакту;
поєднання дрібнозернистої структури, високої твердості, міцності контакту алмаз матриця і зносостійкості бурових вставок, які вміщують у вихідній шихті алмаз твердий сплав ВК6 добавки порошків СrВ2і W2В5, свідчить про те, що хром і бор корінним чином впливають на хід дифузійних процесів і хімічних реакцій поміж компонентами, які в свою чергу відіграють найважливішу роль при формуванні структури і властивостей;
6. Виготовлено нові конкурентоспроможні на світовому ринку НКАМ складу алмаз твердий сплав ВК6, які по зносостійкості втричі перевищують стандартні композити, та спечено нові АТП термостійкість яких становить до 1100 С (стандартні 650 С), що дає змогу використовувати їх при бурінні твердих абразивних порід.
7. На основі аналітичних та експериментальних досліджень розроблено високоефективний породоруйнівний інструмент ІНМ, який успішно впроваджено у виробництво при бурінні нафтових і газових свердловин в абразивних породах середньої твердості та верхніх інтервалах твердих порід як в Україні, так і за її межами.