Теория и практика повышения эффективности работы, надежности и долговечности буровых шарошечных долот :



  • Название:
  • Теория и практика повышения эффективности работы, надежности и долговечности буровых шарошечных долот
  • Кол-во страниц:
  • 1
  • ВУЗ:
  • МГИУ
  • Год защиты:
  • 2004
  • Краткое описание:
  • Введение...7

    1. Проблемы повышения эффективности работы буровых шарошечных долот...13

    1.1. Технико экономические показатели бурения скважин...13

    1.2. Условия работы буровых шарошечных долот...19

    1.3. Породоразрушающий инструмент отечественного производства...22

    1.4. Породоразрушающий инструмент зарубежного производства...31

    1.5. Анализ конструкций элементов шарошечных долот...37

    1.5.1. Вооружение шарошечных долот...37

    1.5.2. Опоры шарошечных долот...48

    1.5.3. Герметизация опор шарошечных долот...:...60

    1.5.4. Смазочные устройства буровых долот...81

    1.6. Смазочные материалы для буровых долот...97

    1.7. Условия работы и смазочные материалы лицензионных долот...104

    1.8. Причины износа элементов узлов шарошечных долот...112

    1.8.1. Износ вооружения шарошечных долот...112

    1.8.2. Характер изнашивания опор шарошечных долот...118

    1.9. Перспективы применения поликомпозиционных гальванических покрытий для повышения надёжности и долговечности деталей и узлов бурового инструмента...123

    1.10. Постановка цели и задачи исследований...130

    Выводы по разделу 1...131

    2. Анализ работы шарошечных долот...132

    2.1. Влияние технологических параметров процесса бурения

    на механическую скорость и проходку на долото...132

    2.2. Методика прогнозирования времени работы долота на забое...142

    3 2.3. Влияние технологических параметров процесса бурения

    } на износ узлов долота...146

    ¦Ф Вывод по рарделу 2...157

    3. Оптимизация конструкторских характеристик шарошечных долот...158

    3.1. Оценка контактной прочности вооружения долота...158

    3.2. Анализ кинетических характеристик экспериментального долота...162

    3.3. Расчёт усилий в опоре долота...171

    3.4. Расчёт подшипников скольжения...175

    3.5. Напряжённое состояние подшипника скольжения...181

    3.6. Расчёт долговечности подшипников скольжения и уплотнений экспериментальных шарошечных долот...184

    3.6.1. Долговечность подшипника скольжения...184

    3.6.2. Долговечность упорного подшипника...186

    3.6.3. Долговечность торцевого уплотнения...189

    3.6.4. Долговечность радиального уплотнения...192

    3.7. Температурный режим работы узлов трения долота...194

    3.8. Система смазки шарошечных долот...201

    Выводы по разделу 3...207

    4. Разработка и исследование композиционных материалов для

    {9 герметизации опор шарошечных долот...208

    4.1. Композиционные материалы на основе резины...208

    4.2. Выбор наполнителя для получения композиционного материала...211

    4.3. Выбор способа обработки волокна...215

    4.4. Исследование физико-механических свойств композиционных материалов...218

    4.5. Стендовые испытания уплотнений шарошечных долот...224

    * Выводы по разделу 4...228

    4 5. Разработка физико-математической модели кинетики процесса

    образования поликомпозиционных гальванических покрытий...229

    5.1. Общая характеристика процесса образования покрытий...229

    5.2. Образование покрытий по конвективно - миграционному механизму...234

    5.3. Образование покрытий по конвективно - диффузионному механизму...23 5

    5.4. Образование покрытий по механизму смешанной кинетики...236

    5.5. Экспериментальное исследование физико - математической модели кинетики образования поликомпозиционных

    гальванических покрытий...239

    5.5.1. Влияние природы электролита на количество включений

    частиц в покрытия...239

    5.5.2. Влияние плотности тока на количество включений дисперсных частиц в покрытия...242

    5.5.3. Влияние температуры электролита на количество включений дисперсных частиц в покрытия...243

    5.5.4. Влияние толщины диффузионного слоя электролита на количество включений дисперсных частиц в покрытия...244

    5.5.5. Влияние скорости седиментации на величину начальной концентрации порошка в электролите...246

    5.5.6. Влияние скорости электрофореза на начальную концентрацию порошка в электролите...247

    5.5.7. Влияние конвективной диффузии на выбор начальной концентрации порошка в электролите...249

    5.6. Экспериментальная оценка физико-математической модели кинетики процесса образования покрытий...251

    Выводы по разделу 5...253

    5

    6. Исследование технологических свойств электролита, физико-механических и износостойких свойств ПКГП Ni-Al2O3-MoS2...255

    6.1. Выбор электролита...255

    6.2. Влияние дисперсной фазы на катодную поляризацию...257

    6.3. Влияние концентрации порошков в электролите и режимов электролиза на выход покрытия по току...260

    6.4. Исследование рассеивающей способности электролита...263

    6.5. Зависимость микротвёрдости ПКГП Ni-Al2O3-MoS2 от концентрации порошков в электролите и технологических режимов осаждения покрытий...265

    6.6. Фазовый состав и структура ПКГП Ni - А12О3 - M0S2. •. 269

    6.7. Исследование тонкой структуры ПКГП Ni - А12О3 - MoS2...278

    6.8. Прочность сцепления ПКГП Ni - А12О3- MoS2...280

    6.9. Внутренние напряжения ПКГП Ni - А12О3-MoS2 ...283

    6.10. Исследование износостойкости ПКГП Ni - А12О3 - MoS2...284

    Выводы по разделу 6...287

    7. Конструкторская разработка шарошечного долота

    III 215,9 МС-ГАУ-НМ...290

    7.1. Общая характеристика экспериментального шарошечного долота III 215,9 МС-ГАУ-НМ...290

    7.2. Промысловые и стендовые испытания шарошечных долот III 215,9МС- ГАУ-НМ...304

    Выводы по разделу 7...306

    Основные выводы и рекомендации...307

    Список используемых источников...310

    Приложение 1...332

    Приложение 2...337

    Приложение 3...345

    Приложение 4...350

    Приложение 5...352

    Приложение 6...358
    Введение



    7 ВВЕДЕНИЕ

    Актуальность темы

    Повышение технико-экономических показателей бурения глубоких нефтегазовых скважин в значительной степени можно обеспечить сокращением больших потерь времени на смену изношенного породоразрушающего инструмента, работоспособность которого определяется долговечностью отдельных его узлов и вооружения шарошек. Недостаточная надёжность бурильного инструмента приводит к авариям, связанным с большими экономическими потерями на простои и ремонт при строительстве скважин. Существенное влияние на надёжность работы шарошечных долот оказывает также состав и эффективность применяемых смазочных материалов. Поэтому при разработке новых конструкций и модернизации долот необходим системный подход к решению задач обеспечения эффективности их работы.

    На эффективность углубления забоя вращательным способом оказывают влияние такие факторы, как контактная прочность вооружения, равномерность распределения нагрузки на каждый венец шарошки, усилия, возникающие в опоре долота, напряжения в подшипниках опоры долота и их долговечность, температурный режим работы узлов трения долота, а также эффективность и долговечность работы системы герметизации. Изучение этих характеристик процесса работы долота позволяет внести необходимые корректировки в техническую документацию на стадии конструкторских работ, выбор оптимального типа долота и обеспечить повышение технико-экономических показателей бурения.

    Анализ результатов исследований по данной проблеме позволил определить основные перспективные направления, главными из которых являются: повышение долговечности работы опорного узла шарошечных долот, за счёт их герметизации; разработка и применение термостойких уплотнений из современных композиционных материалов; повышение

    8 прочностных и антифрикционных свойств сопрягающихся поверхностей

    опоры долота; разработка высокотехнологичных составов смазочных материалов и конструкций системы их подачи. Решением этих проблем занимаются отраслевые институты, конструкторские бюро, университеты — ООО НПО «Буровая техника» ВНИИБТ, НПО «Геотехника», СКБД ПО «Волгабурмаш», ДФГУП «ЗапСибБурНИПИ», ТюмГНГУ, УГНТУ и другие. В настоящее время при строительстве скважин нашли широкое применение импортные долота, т.к. по показателям проходки на долото и времени бурения выпускаемый отечественной промышленностью буровой инструмент качественно отстает от долот зарубежных производителей. В связи с вышеизложенным, разработка породоразрушающего инструмента, конкурентоспособного с зарубежными аналогами, является актуальной задачей, что и обусловило постановку цели данной диссертационной работы.

    Цель работы

    Повышение эффективности работы и надёжности шарошечных долот конструкторскими, технологическими и методическими решениями по модернизации системы смазки, герметизации опор долота, повышению износостойких и антифрикционных свойств опорных поверхностей долот композиционными покрытиями, разработке основных технических характеристик шарошечных долот.

    Задачи исследований

    - аналитическая оценка и научное обобщение результатов теоретических, экспериментальных исследований и технических разработок в области модернизации конструкторских решений при разработке шарошечных долот;

    - анализ влияния технологических параметров режима бурения, параметров используемых буровых растворов, физико-механических свойств разбуриваемых пород на показатели механической скорости, проходки на долото, износа элементов конструкции опорных поверхностей и вооружения шарошечных долот;

    9

    - исследование и разработка системы герметизации и композиционных

    материалов для герметизации опор шарошечных долот;

    ',4 - исследование и разработка новых смазочных материалов и системы их

    подачи в полость шарошек к трущимся поверхностям;

    - анализ и оптимизация кинетических характеристик работы серийных долот при проектировании экспериментальных шарошечных долот;

    - совершенствование методов расчёта контактной прочности вооружения долот, усилий в опоре долота, долговечности и напряжённого состояния подшипников скольжения, долговечности торцевых и радиальных уплотнений шарошечных долот;

    - разработка и исследование физико-математической модели процесса осаждения поликомпозиционных гальванических покрытий для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств опорных поверхностей шарошечных долот;

    - разработка модернизированной конструкции трёхшарошечного долота Ш 215,9 МС-ГАУ-НМ и проведение промысловых испытаний.

    Научная новизна

    1. Теоретически обоснована методология оценки работоспособности шарошечных долот путём учёта влияния напряжённого состояния отдельных его элементов (подшипников, торцевых и радиальных уплотнений, вооружения) на долговечность работы долота в целом.

    2. Научно обоснован анализ кинетических характеристик серийного долота на основе реализации принципа равнонагруженности шарошек долота, определения нового сочетания геометрических параметров долота и схем расположения вооружения, повышения эффективности работы долота как за счёт повышения интенсивности разрушения горной породы, так и за счёт повышения долговечности опор смежных шарошек. * 3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены техни-

    ческие решения повышения эффективности работы, надёжности и долговеч-

    10 ности буровых шарошечных долот.

    4. Теоретическими и экспериментальными исследованиями подтверждена эффективность применения разработанной физико-математической модели кинетики процесса осаждения поликомпозиционных гальванических покрытий.

    5. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены технические решения повышения прочностных и антифрикционных и самосмазывающихся свойств свойств сопрягающихся поверхностей опор шарошечных долот и системы герметизации поликомпозиционными гальваническими покрытиями.

    Практическая ценность

    Разработанные методологические решения явились основой совершенствования элементов породоразрушающего инструмента и повышения надёжности работы шарошечного долота.

    В частности, разработаны:

    - двухуровневая система герметизации опоры шарошечного долота (патент РФ № 39159);

    - композиционный материал ИРП-1287С20 для герметизации опоры долота;

    - консистентная смазка МЗ/13 - ДЗ и система полной набивки смазки в полость шарошки;

    - методика расчёта температурного режима работы узлов трения долота. Разработано шарошечное долото и система подачи смазки в зону трения

    при работе долота на забое, позволяющая повысить долговечность работы долота (патент РФ № 2153579).

    Разработана и внедрена технология нанесения на сопрягающиеся поверхности опор шарошечных долот и системы герметизации износостойких, антифрикционных, самосмазывающихся поликомпозиционных гальванических покрытий (Заяв.20.07.2004; положит, решение 02.09.04.).

    По результатам анализа отработок шарошечных долот на площадях ДООО

    11

    «Бургаз» определены факторы, лимитирующие надёжность работы шарошечных долот и определены их оптимальные параметры.

    Разработана и передана Верхнесергинскому долотному заводу «Уралбур-маш» нормативная документация на изготовление модифицированной конструкции трёхшарошечного долота III 215,9 МС-ГАУ-НМ для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин сплошным забоем роторным способом или винтовым забойным двигателем. Их внедрение способствовало повышению эффективности работы, надёжности и долговечности шарошечных долот.

    Апробация результатов исследований

    Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научной конференции «Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности», Свердловск, 1986 г., 1988 г.; Всесоюзной конференции «Применение аппаратов порошковой технологии процессов термосинтеза в народном хозяйстве», Томск, 1987 г.; П-ой Всесоюзной научной конференции «Нефть и газ Западной Сибири», Тюмень, 1989 г.; областной конференции «Химические проблемы отраслей народного хозяйства Тюменского региона и пути их решения», Тюмень, 1991 г.; Межгосударственной научно-технической конференции, посвященной 30-летию Тюменского индустриального института «Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировка», Тюмень, 1993 г.; Международной научной конференции «Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления нефтяных и газовых скважин на месторождениях Западной Сибири», Тюмень, 1996 г.; областной научно-технической конференции «Проводка нефтегазовых скважин в условиях аномально высоких пластовых давлений», Тюмень, 1997 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтедобывающего комплекса», Тюмень, 2000 г.; Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в

    12 машиностроении», Тюмень, 2000 г.; Международной научно-практической

    конференции «Нефть и газ Украины 2000», Ивано-Франковск, Украина, 2000 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы», Альметьевск, АлНИ, 2001 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства и эксплуатации скважин, подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса», Тюмень, 2001 г.; конференции «Повышение эффективности работы нефтегазодобывающего комплекса Ямала путём применения прогрессивных технологий и совершенствования транспортного обслуживания», Салехард, 2002 г.; Международной конференции «Нефть и газ Арктического шельфа 2002», Мурманск, 2002 г. Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ТюмГНГУ «Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе», Тюмень, 2003 г.;; 4-й Международной научно-практической конференции «Освоение ресурсов трудноизвлекаемых и высоковязких нефтей», Анапа, 2003 г.; на Международной научно — технической конференции, посвященной 40-летию ТюмГНГУ «Нефть и газ Западной Сибири», Тюмень, 2003 г.

    Публикации

    По теме диссертации за период с 1986 по 2004 годы опубликовано 59 работ, в том числе 30 в центральных изданиях, две монографии, получено два патента РФ.

    Объём и структура работы

    Диссертация состоит из введения, семи основных разделов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 225 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 360 страницах машинописного текста, в том числе содержит 75 рисунков, 78 таблиц.

    13 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

    БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ

    Надежность шарошечных долот имеет большое значение при бурении глубоких скважин. Недостаточный ресурс работы долота приводит к частой замене инструмента - значительным затратам на спускоподъёмные операции. В целом надежность шарошечных долот характеризуется безотказностью и долговечностью отдельных узлов и вооружения шарошек. Опыт эксплуатации шарошечных долот показал, что их ресурс работы определяется конструктивными особенностями и износостойкостью опорных элементов, узлов герметизации опор, вооружения, промывочных устройств.

    Существенное влияние на надежность работы шарошечных долот также оказывает состав и эффективность применяемых смазочных материалов и ряд других факторов. Поэтому при разработке новых конструкций буровых долот комплексный подход к решению задач надежности является необходимым.

    1.1. Технике - экономические показатели бурения скважин

    Ежегодно в странах СНГ к бурению подготавливают около 300 локальных структур общей площадью 16 тыс. км2.

    Несмотря на то, что объёмы разведочного бурения в нашей стране в три раза меньше, чем в США (а в последние годы еще меньше), количество буровых установок, используемых нашими геологами, в три раза больше, чем в США. В России проходка на работающую буровую установку (БУ) - 4923 м/год, а в США - 48492 м/год. Продолжительность строительства скважины в РФ - 306,3 суток, в США - 12,4.

    Основной причиной низких механических скоростей в разведке являются большие объемы роторного бурения. В 1992 году турбобуром пройдено 44,3 %

    14 от всего объема геологоразведочного бурения, ротором - 52,4 %, винтовыми

    двигателями - 3,0 %, электробурами - 0,3 %.

    Наиболее высокие средние скорости бурения достигаются турбобуром и винтовыми забойными двигателями. Однако отечественная промышленность не может обеспечить геологоразведочные организации необходимым количеством этой техники. В недостаточном количестве выпускаются высокопрочные бурильные трубы, долота ГНУ и ГАУ. Это не позволяет обеспечить роторное бурение. И все же при незначительном росте проходки на долото роторный способ привел к снижению механической скорости бурения.

    Уровень технико-экономических показателей бурения существенно зависит от эффективности использования баланса календарного времени. Если сравнить примерно одинаковой глубины скважины (2264 м - в нашей стране и 2081 м - в Техасе), то оказывается, что на проходку затрачивается только 33,3 % времени, в Техасе - 68,1 %. Потери времени на простои и аварии в России 14,9 %, в США - 6,6 %. Кроме того, в нашей стране высоки потери времени на ремонт (6,8 %), но особенно на выполнение технологически необходимых вспомогательных работ (25,3 % против 12 % в США). Непроизводительные затраты времени соответственно 21,5 % и 8,9 %. С увеличением глубины скважины технико-экономические показатели бурения резко снижаются. Например, продолжительность бурения скважины глубиной 3000 метров в США в 1,5 раза ниже, чем в России.

    Приведенный краткий анализ дает основание для более детальной оценки организационно-технического уровня организации бурения. Рассмотрим один из аспектов этой проблемы - технический уровень и надежность бурового оборудования, инструмента и оснастки.

    Технический уровень отечественных буровых установок уступает зарубежному. С 1986 года повысили грузоподъемность БУ 2500 ДГУ до

    15 1600 кН. Мощность привода буровой лебедки находится на уровне некоторых

    БУ зарубежного производства. Однако моторесурс дизельного двигателя в 2 раза ниже паспортного и в 4 раза ниже, чем у зарубежного. Особенно несопоставима насосная группа. Насос-триплекс НБТ-600 часто вынуждены заменять на насос-дуплекс УНБ-600 (У8-6МА2). Несопоставимость отечественных циркуляционных систем с зарубежными характерна и для многих БУ. В нашей стране 80 % всех циркуляционных систем выпускают с двухступенчатой системой очистки и только 20 % - с трехступенчатой. Циркуляционная система не комплектная, отсутствуют блоки приготовления буровых растворов, химических реагентов и их ввода в раствор. Циркуляционные системы для работы с утяжеленными растворами не выпускаются. Качество и надежность циркуляционных систем низкие, эксплуатационные характеристики невысокие. Зарубежные циркуляционные системы с трех и четырехступенчатой системой очистки включают в себя блоки приготовления растворов, химических реагентов и их дозированного ввода, а также блоки хранения порошкообразных и жидких материалов. Исполнение таких циркуляционных систем арктическое и антикоррозионное. Они предназначены для работы как с утяжеленными, так и с неутяжелёнными растворами.

    Отечественные БУ уступают зарубежным по максимальному давлению нагнетания насосной группы, характеристике и надежности дизельного привода и удельной металлоёмкости. Металлоёмкость БУ отечественного производства в 1,5 раза выше, чем у зарубежных.

    Средний срок службы отечественных БУ составляет 6-8 лет, а в США 6-15 лет. В США хорошо налажено обеспечение буровых запасными частями, поэтому установки не разукомплектовывают в случае износа отдельных узлов. В БУ отечественного производства до второго капитального ремонта наиболее надежных её частей (вышки, основания, лебёдки, талевой системы, насосов)

    16

    необходимо сменить 2 ротора, 2-3 вертлюга, 5-6 ключей АКБ, 2 вибросита, 4-5 шламовых насосов, 4 компрессора и так далее.

    С учетом капитальных ремонтов потребность в запчастях оказывается настолько большой, что не может быть удовлетворена заводами-поставщиками. Недостаток в них покрывается за счет разукомплектования БУ. Ситуация такова, что новые БУ идут в основном на покрытие амортизации существующего парка и не обеспечивают его существенного прироста. Так, 77 % БУ от всего парка предназначены для бурения на глубину 2000 - 4000 метров. Серийное производство БУ на глубину 5000 м пока не налажено.

    За рубежом внедряется комплекс мероприятий, направленный на снижение удельной металлоемкости БУ. Среди них замена трубчатых элементов основания, вышки и других профильным уголком, замена конструкционных материалов буровых насосов и других, использование композиционных материалов и покрытий. В результате на 10 - 12 т снижена масса буровых насосов и буровых лебёдок. В настоящее время, например, буровая лебедка БУ 6500 тяжелее аналогичной зарубежной уже на 20 - 26 т, насос потяжелел на 15 т, талевый блок - на 3 т и так далее.

    Рынок буровых долот зарубежного производства представлен шарошечными долотами со вставными зубьями и вставками, алмазными долотами (с использованием природных алмазов), а также поликристаллическими алмазными долотами ПАД, оснащенными искусственными алмазными пластинками и алмазами (стротопакс и геосет).

    В США 60 % всех шарошечных долот выпускают со стальными зубьями и 40 % с вольфрамо-карбидными вставками. Долота с поликристаллическими алмазными пластинками (ПАД) имеют срок службы в 3 - 5 раз выше, чем шарошечные долота, но в 5-7 раз дороже. Характеристики долот в сравнительных условиях приведены в таблице 1.1 [ 1 ].

    17 Таблица 1.1- Сравнительная оценка буровых долот, отработанных

    в сопоставимых условиях

    № Тип долота Механическая скорость бурения, м/час Стойкость долота ч Проходка на долото, м

    1. Долото, оснащенное «стротопаксом» (ПАД) 100 100 100

    2. Шарошечное долото с фрезерованным зубом 100 27 27

    3. Шарошечное долото с твердосплавным вооружением 50 34 17

    4. Алмазное долото 33 150 50

    В США долота серий ГН, ГНУ, ГАУ начали выпускаться соответственно с 1956, 1963, 1971 г г., а в СССР соответственно с 1973, 1977, 1982 г г. Причем в США выпускают 220 типоразмеров долот, а в СССР только 92 [ 1 ].

    В отечественной геологии на долю шарошечных долот приходится 93,6 % всего объема проходки, на долю алмазных долот 2,6%, на долю бурголовок 3,8 %. Большинство буровых фирм США используют самые эффективные и дорогие шарошечные долота серии ГАУ.

    Наряду со стойкостью вооружения, обращается внимание на долговечность опоры долота. В США изготовлены первые образцы долот с открытой алмазной опорой скольжения. Стойкость долота 16 часов, а проходка на долото 488 метров. Это представляет значительный интерес для высокооборотного турбинного способа бурения.

    Технический уровень бурильных труб, используемых в России, уступает зарубежному. Для отечественного производства характерно использование сборной конструкции с навернутыми замками, за рубежом используют трубы с приварными замками. Максимальный предел текучести материала труб, освоенных отечественным производством - 550-10 Па, а в США-1050-10 Па.

    Список литературы
  • Список литературы:
  • *
  • Стоимость доставки:
  • 230.00 руб


ПОИСК ДИССЕРТАЦИИ, АВТОРЕФЕРАТА ИЛИ СТАТЬИ


Доставка любой диссертации из России и Украины