Долото как источник вынужденных колебаний инструментов
Периодические вертикальные перемещения долота и связанного
с ним бурильного инструмента являются не чем иным, как их вынужденными колебаниями.
Перекатывание шарошки с зуба на зуб является не единственной причиной возникновения динамической нагрузки и колебаний инструментов. В каждый момент времени зубья долота находятся в контакте с забоем в разных сочетаниях, что обуславливает неравномерное разрушение забоя. При этом возникают колебания с более низкой частотой, но с большей амплитудой, чем при перекатывании с зуба на зуб. Кроме того, возможно возникновение колебаний с частотой за один оборот долота, равной или кратной числу шарошек . Эти колебания также связаны с неравномерностью разрушения забоя, приводящей к возникновению ухабов, и характеризуются наибольшей амплитудой вертикальных перемещений. Возникающие при этом динамические нагрузки могут привести к поломкам долота или бурильного инструмента.
Таким образом, долота дробяще-скалывающего действия создают при работе на забое ряд возмущений, основными из которых являются:
1) высокочастотные, обусловленные зубчатостью шарошек;
2) среднечастотные, вызванные изменением во времени числа контактирующих с забоем зубьев;
3) низкочастотные, обусловленные возникновением ухабов на забое скважины.
Измерения нагрузок на долота в промысловых условиях показали, что коэффициент динамичности может достигнуть 1,7. Коэффициент динамичности возрастает с увеличением твердости горной породы, шага зубьев и частоты вращения долота.
|
|
|
При разбуривании мягких горных пород нормальным является коэффициент динамичности около 1,1, при разбуривании пород средней твердости – 1,2, а при разбуривании твердых пород – 1,3. При этом тип долота должен соответствовать твердости разбуриваемых горных пород. Если коэффициент динамичности превышает величину 1,3, то может возникнуть аварийная ситуация. В этом случае желательно применение амортизаторов или демпферов колебаний.
Скалывающая способность шарошек. Кинематика шарошечного долота
На рисунке 5.32 а показана шарошка «чистого» качения. Вершина этой шарошки лежит на оси 1 долота, а ось шарошки 2 пересекается с осью долота. Такая шарошка не может создать существенного для разрушения горных пород скалывающего эффекта. Конус 3 называется основным, а конус 4 – обратным. На конусе 4 размещено вооружение, калибрующее стенку скважины. Тем не менее такая шарошка называется одноконусной, т.е. обратный конус в расчет не принимается.
Рис. 5.32. Формы шарошек
Для обеспечения скалывающего эффекта используются три технических приема:
|
|
|
1) вынос вершины шарошки за ось долота на величинуf,как показанона рисунке 5.32 б. В соответствии с положениями теоретической механики мгновенная ось вращения (МОВ) шарошки при ее качении по забою должна пройти через точку пересечения осей шарошки и долота и пересечь образующую шарошки, как показано на рисунке 5.32 б. Тогда при повороте шарошки вокруг МОВ вооружение долота, расположенное левее точки пересечения МОВ и образующей шарошки, будет скользить с некоторой скоростью v t относительно забоя в отрицательном направлении, а вооружение долота, расположенное правее точки пересечения МОВ и образующей шарошки, будет скользить в положительном направлении. Такое принудительное скольжение уже создаст существенный скалывающий эффект.
2) выполнение шарошек многоконусными. На рисунке5.32впоказанатрехконусная шарошка. Конус 5 называется первым дополнительным, а конус 6 – вторым дополнительным. В некоторых конструкциях долот последний дополнительный конус может быть заменен цилиндром. Многоконусное выполнение шарошек обеспечивает более значительный скалывающий эффект. Общим недостатком первого и второго приема является наличие нескользящего сечения шарошки, проходящего через точку пересечения МОВ и образующей шарошки.
|
|
|
3) смещение осей шарошек в плане на величинуkв направлении вращения долота, как показано на рисунке 5.33, из которого видно, что оси долота и шарошки не пересекаются. Следовательно, третий прием позволяет исключить нескользящую относительно забоя точку на образующей шарошки, контактирующей с забоем.
Рассмотрим аналитическое решение задачи о скольжении вооружения шарошек на примере притупленного клина, длинная ось площадки притупления которого совпадает с образующей шарошки, а сам клин (зуб) находится в вертикальном положении относительно забоя. Расчетная схема приведена на рисунке 5.33.
Рис. 5.33. Смещение оси шарошки в плане и векторы скоростей скольжения точки А относительно забоя
Вывод формул проведем относительно центра площадки (т. А).
В качестве характеристик скольжения элементов вооружения принимаем скорость v его продольного и скорость v t его тангенциального скольжения (скорость v t перпендикулярна длинной оси симметрии площадки притупления клина).
Нетрудно заметить, что скорость продольного скольжения
| v = v д ⋅ sinθ, | (5.21) | ||
| где sinθ = k/R, а v д= ωдR (ωд – угловая скорость вращения | долота; | ||
| k –смещение оси шарошки в плане; R = ОА –радиус-вектор).Тогда
| |||
| скорость продольного скольжения | |||
| v = v д k/R или v = ω д k, | (5.22) | ||
а скорость v t тангенциального скольжения равняется проекции АВ вектора окружной скорости долота v д на направление, перпендикулярное длинной оси симметрии площадки притупления клина, минус окружная скорость т. А шарошки v ш,т.е.
v t = v д ⋅ cos θ – v ш,
где cos θ = 
, v ш = ω r, причем ω = i ωд, тогда
vt = v д - v ш (5.23)
(здесь ω – угловая скорость вращения шароки; i – передаточное отношение).
Из схемы на рисунке 5.33 видно, что скорость v направлена к оси долота, если k ≥ 0. В случае k < 0 (смещение в направлении, обратном вращению долота) скорость v периферийного вооружения будет направлена в противоположном направлении, т.е. к стенке скважины. Это вызовет защемление разрушаемой породы между обратным конусом шарошки и стенкой скважины, в результате чего повышается скорость изнашивания калибрующей стенку поверхности шарошки и становится возможным самозаклинивание долота в скважине. Поэтому отрицательное смещение оси шарошки в плане не допускается.
Скорость v t может быть как положительной (в направлении вращения шарошки), так и отрицательной, если v ш > v д ⋅ cos θ. Изучение кинематики шарошечных долот показало, что для периферийных венцов всех типов долот характерно положительное (в направлении вращения долота) скольжение, а у ближайших к оси долота венцов – только отрицательное скольжение. Чем больше смещение осей шарошек в плане, тем большее число венцов имеют положительное скольжение относительно забоя скважины.
Скорости v и vt при угловой скорости ωд = 1 рад/с рассматриваются как удельные, которые соответственно равны:
v уд = k ; (5.23)
vt уд = 
(5.24)
В таблице 5.12 приведена классификация по скалывающей способности шарошек современных долот. Из таблицы 5.12 видно , что в качестве классификационного признака скалывающей способности шарошек долот принято относительное смещение оси шарошки в плане, равное k 0 = k/R д , где R д – радиус долота.
Таблица 5.12
Классификация долот по скалывающей способности
| Скалывающая | k 0 = | k | Форма шарошек | Типы долот | ||
| способность | R д | |||||
| Низкая | 0–0,01 | Одноконусные | ОК, К, ТКЗ, ТК, ТЗ, | |||
| и двухконусные | Т, СТ | |||||
| Средняя | 0,04–0,05 | Двухконусные | СЗ, С, МСЗ, МС | |||
| и трехконусные | ||||||
| Высокая | 0,08–0,10 | Трехконусные | МЗ, М | |||
Нетрудно заметить, что чем тверже горные породы, тем с меньшей скалывающей способностью изготавливаются долота. Это обусловлено тем, что чем тверже порода, тем больше ее сопротивление скалыванию-сдвигу и тем больше вероятность слома элементов вооружения. Следовательно, низкая скалывающая способность долот для твердых и очень твердых пород – мера вынужденная.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 643; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!