В процессе бурения шарошки долота перекатываются по забою, и зубки последовательно входят в контакт с породой, подвергаясь при этом сложному силовому воздействию. При взаимодействии зубка с забоем силы, действующие на зубок со стороны разрушаемой породы, постоянно изменяются, изменяя напряженное состояние материала зубка. В результате продольных колебаний долота, вызываемых рядом причин, взаимодействие зубков с породой носит ударный характер [1,6, 9, 31]. Кроме того, зубки вооружения шарошек не только перекатываются, но и проскальзывают по забою, что приходит к их изнашиванию. Анализ состояния твердосплавного вооружения отработанных в стендовых и промысловых условиях долот различной конструкции, проведенных разными авторами [3, 8, 11, 16], показал, что в процессе работы имеют место самые разнообразные виды изнашивания и разрушения. В работе [3] установлена следующая классификация видов повреждения и разрушения твердосплавного вооружения долот:
- ударно-усталостное изнашивание, вызывающее сколы и поломки зубков;
- абразивное изнашивание;
- ударно-абразивное изнашивание;
- гидроабразивное изнашивание;
- раздавливание зубков;
- выпадение зубков;
Причем лимитирующим видом изнашивания и разрушения зубков шарошечных долот является ударно-усталостное изнашивание. Большинство исследователей также отмечают, что изменение формы и размеров рабочих поверхностей твердосплавных зубков в процессе абразивного, гидроабразивного и ударно-абразивного изнашивания незначительно и практически не оказывают влияния на их работоспособность. Имеющие место в практике бурения выпадения зубков из тела шарошки и их влияние на работоспособность твердосплавного вооружения по мере совершенствования конструкции и технологии закрепления зубков снижаются.
Анализ литературных источников позволяет сделать вывод о том, что потеря работоспособности твердосплавного вооружения шарошечных долот происходит главным образом в результате разрушения зубков. Эти разрушения имеют весьма разнообразный характер. В работе [15] предлагается все виды разрушения разделить на три группы:
- поломки;
- сколы;
- раздавливание.
Предполагается, что причиной поломок и сколов является действие изгибающего момента, а раздавливание зубков происходит под действием высоких сжимающих нагрузок. В работе [3] высказывается предположение, что сколам и поломкам предшествует выкрашивание рабочих поверхностей зубков, появляющееся в начальный период работы долота на забое. В работе [11] предлагается классифицировать виды разрушения твердосплавных зубков в зависимости от характера внешнего силового воздействия:
- разрушение зубков под действием сжимающих напряжений;
- разрушение зубков под действием касательных напряжений;
- выкрашивание зубков под действием однократных и многократных перегрузок.
Однако, такая классификация достаточно условна, так как в реальных условиях взаимодействия долота с забоем зубки находятся в сложном напряженном состоянии, и на них одновременно действует сложный комплекс нормальных и касательных напряжений, вызывающих их разрушение.
Исследуя форму поверхности разрушения твердосплавных зубков, автор работы [3] указывает, что на поверхности разрушения можно выделить "две характерные зоны разрушения: зоны зарождения повреждений на поверхности зубков и зоны быстрого развития трещин". Это позволяет автору сделать вывод о том» что разрушение зубков носит главным образом усталостный характер.
На долговечность вооружения шарошечных долот и эффективность разрушения горной породы существенное влияние оказывает форма и размеры породоразрушаюших элементов. Наиболее полно изучены закономерности разрушения горной породы при статическом и динамическом вдавливании инденторов различной формы в блок горной породы [9, 30, 32].
Результаты исследования по разрушению горных пород при бурении приводятся в работе [33]. Изучению породоразрушающих и прочностных характеристик твердосплавных зубков различной формы посвящена работа [5]. Здесь предпринята попытка выбрать комплексный критерии оценки работоспособности твердосплавных зубков различной формы. На основании этого критерия автором предлагаются твердосплавные зубки с новой, более оптимальной, по его мнению, формой породоразрушающей поверхности.
Наиболее существенное влияние на эффективность процесса разрушения горной породы и прочность твердосплавного вооружения шарошечных долот оказывают такие основные параметры вооружения, как диаметр и шаг зубков, величина межвенцовых зазоров, вылет зубков над телом шарошки, схема расположения зубков по венцам и венцов по шарошкам. С момента появления шарошечных долот с твердосплавным вооружением в нашей стране и до настоящего времени ведутся исследования по оптимизации перечисленных выше основных параметров твердосплавного вооружения. Большая работа по совершенствованию конструкции твердосплавного вооружения долот проведена во ВНИИБТ. Так, например, с целью определения влияния основных параметров вооружения на эффективность процесса бурения, были проведены стендовые и промышленные испытания нескольких серий специально разработанных долот, отличающихся друг от друга лишь одним параметром при неизменности остальных [12]. Это позволило исключить возможность взаимного влияния параметров и получить общие рекомендации по выбору их оптимальных значений. Известны также и другие работы, посвященные изучению влияния параметров твердосплавного вооружения на эффективность работы долот [17]. Большинство этих работ посвящено изучению таких параметров, как диаметр и шаг зубков, расположение зубков по венцам и выбору оптимальных величин этих параметров в соответствии с физико-механическими свойствами разбуриваемых пород. Недостаточно изученным, на наш взгляд, остается вопрос о влиянии размещения венцов на шарошках по радиусу забоя на эффективность бурения и долговечность вооружения долот. В настоящее время размещение венцов на шарошках производится исходя из требования необходимого перекрытия забоя с учетом необходимости более или менее равномерного размещения вооружения по шарошкам [12]. На прочностные характеристики твердосплавных зубков существенное влияние оказывает качество их поверхностей [7]. Наличие дефектов в поверхностном слое, являющихся концентраторами напряжений, приводит к интенсификации процесса разрушения зубков. Прочность твердосплавных зубков зависит и от других технологических факторов, например, от способа запрессовки зубков [11]. В работе [3] установлено также, что на долговечность твердосплавных зубков влияет жесткость соединения "зубок - шарошка". Уменьшение этой жесткости позволяет повысить долговечность твердосплавного вооружения. Таким образом, долговечность твердосплавного вооружения, лимитируемая разрушением зубков, зависит от большого числа конструктивных и технологических факторов. В известных исследованиях достаточно подробно изучен общий характер разрушений твердосплавных зубков шарошечных долот. Однако большинство исследователей не ставили перед собой задачу анализа количества разрушенных зубков, на каждом венце каждой шарошки исследуемого долота. Кроме того, исследования проводились в разные годы на долотах различных типов и размеров, имеющих существенные различия в конструкции вооружения и опорных узлов, поэтому даже имеющиеся в литературе данные затруднительно использовать.
Многими исследователями также установлен неравномерный износ и разрушение элементов вооружения и опорных узлов шарошек. Неравномерный износ наблюдается как при отработке долот, имеющих фрезерованное вооружение [6, 9, 12, 30], так и при отработке долот со штыревым твердосплавным вооружением [3 ,15]. При промышленной отработке первых конструкция шарошечных долот с твердосплавным вооружением отмечался их неравномерный износ. Долота выходили из строя главным образом из-за износа вершины первой шарошки, скалывания зубков на периферийных венцах и заклинивания опор шарошек. В последующих конструкциях долот за счет изменения геометрической формы шарошек, увеличения диаметров зубков и изготовления вершин на всех трех шарошках удалось снизить неравномерность износа и разрушения твердосплавного вооружения и повысить эффективность работы долот. Однако полностью устранить неравномерный износ и разрушение твердосплавного вооружения не удается. В работе [13] отмечается, что наиболее подвержены разрушениям зубки, расположенные на периферийных венцах. К сожалению, количественные данные о разрушениях зубков на венцах и шарошках долот в работе не приводятся.
Как показали исследования [6, 12, 18, 21], интенсивность изнашивания элементов опорных узлов и вероятность заклинивания опор шарошек существенно зависят от первоначальных величин радиальных и осевых зазоров в подшипниках. Величины же этих зазоров могут изменяться довольно существенно даже в пределах технологического допуска. Поэтому, на наш взгляд, однозначно нельзя объяснить неравномерность износа опор по секциям только технологическими погрешностями изготовления. Таким образом, неравномерность изнашивания и разрушения элементов вооружения и опорных узлов шарошек можно объяснить действием конструктивных и технологических факторов, приводящих к неравномерному распределению усилий по секциям долота и по элементам вооружения и опор шарошек [22, 23, 24]. Неравномерность изнашивания вооружения долот может объясняться и различной величиной проскальзывания венцов шарошек [4, 13, 30]. С увеличением величины проскальзывания интенсивность изнашивания вооружения возрастает. Вместе с тем, проскальзывание существенно изменяет и силовые характеристики процесса взаимодействия вооружения с забоем [11, 25]. С увеличением глубины внедрения зубков возрастает и доля тангенциальной составляющей усилия, действующего на зубок при проскальзывании его по забою [11]. А так как наибольшее проскальзывание из-за несовершенной формы конусов шарошек наблюдается у периферийных венцов [4, 13], то тангенциальные составляющие усилий на зубках периферийных венцов будут больше, чем на зубках средних венцов. Исходя из предположения, что различной степени износа и разрушения рабочих элементов вооружения и опоры соответствуют и различные значения действующих на них нагрузок, а в ряде случаев и перегрузок, весьма важным является изучение характера и степени неравномерности распределения нагрузки по элементам долота и причин ее вызывающих. Знание нагрузочных характеристик элементов шарошечного долота при взаимодействии его с забоем позволит научно обоснованно подходить к вопросам совершенствования вооружения и подшипников опорных узлов шарошек в части рационального их размещения, которое исключало бы перегрузку отдельных рабочих элементов.
Приведенный анализ известных результатов исследований по данному направлению не является исчерпывающим, но может быть полезен при дальнейшем изучении этого вопроса
Рецензенты:
Долгушин В.В., д.т.н., профессор, директор Института промышленных технологий и инжиниринга ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;
Пирогов С.П., д.т.н., профессор кафедры «Прикладная механика» ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.