Материал: Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

Е. М. Кузмак указывает на возможность получения микроожо­ гов на поверхности зубьев долота, отмечая, что температура в ме­

туры на поверхности зубьев шарошечного долота не произведено. Л. А. Алексеевым н М. Я. Берковичем [2] проведено исследование микрошлнфов зубьев отработанных долот с целью выявления из­ менения физико-механических свойств и структуры стали поверх­ ностных слоев под влиянием повышенных температур. При этом изучались долота типа 1 В-1901 и 1В-190СТ, отработанные в тур­ бинном бурении в известняках тульского и турнейского горизонтов Сергеевской площади Башкирской АССР, а также отработанные в лабораторных условиях микродолота диаметром 32 мм. При ис­ следовании шлифов было обнаружено наличие трех слоев в струк­ туре стали зуба: белый слаботравящийся слой, расположенный у самого края режущей кромки зуба, темный слой и основная структура. Для каждого из слоев характерна своя микротвердость. Отмеченное изменение структуры .и микротвердости наблюдалось в основном на рабочих поверхностях зубьев периферийных венцов, что объясняется их наибольшей нагруженностью.

И. Г. Крагельский [40] и А. Д. Курицына объясняют наличие трех слоев на поверхности трения (мгновенным воздействием высо­ ких температур и высокими скоростями охлаждения, в результате чего поверхностный слой получает вторичную закалку, а подпо­ верхностные слои — отпуск.

Если слаботравящийся белый слой является слоем вторичной закалки, то, следовательно, температура в контакте зуба долота с породой достигла примерно 800° С.

Такое термоциклическое воздействие на рабочие поверхности зубьев долота влияет на их износостойкость. Известно, что нагрев стали до температуры более 200° С снижает ее твердость и проч­ ностные характеристики. Следовательно, микроожоги с темпера­ турой в контакте более 200° С будут способствовать износу воору­ жения долота. Е. М. Кузмак отмечает, что микроожоги способ­ ствуют возникновению и развитию усталостных трещин на рабочих поверхностях зубьев вследствие циклического характера разогрева и охлаждения.

Учитывая, что при работе долота на стенде наблюдается искрообразование и, если считать это процессом образования расплав­ ленных окислов, то температуру нагрева в результате энергии тре­ ния можно считать около 1350° С. В этом случае на поверхности металла шарошки и армированного слоя при нагреве и охлажде­ нии должны возникать в микрообъемах структурные превращения, которые вызывают напряженное состояние и трещинообразование.

Таким образом, основными факторами, вызывающими поверх­ ностное разрушение армированного слоя, т. е. трещинообразование

ивыкрашивания, являются: а) высокая температура, возникающая

впроцессе циклического контакта армированной поверхности

111

зубьев с разбуриваемой породой, достигающая, по всей вероят­ ности, величины температуры окисла железа (1350°С); б) неблагоприятньГе физические свойства — низкая пластичность твердого сплава, резкое различие коэффициентов теплопроводности и рас­ ширения при нагреве для твердого сплава, армированного слоя и армируемой стали.

Появление белых и темных полос снижает износостойкость до­ лота. Большие внутренние напряжения, вызванные высокоскорост­ ным нагревом и охлаждением тонких поверхностных слоев и из­ менениями структуры, делают белый слой очень хрупким. Большая хрупкость этого слоя ведет к его выкрашиванию даже при незна­ чительных ударных нагрузках. Хрупкость белого слоя и внутрен­ ние напряжения в поверхностных слоях являются источниками воз­ никновения и развития трещин на рабочих поверхностях зубьев долота. Отслаивание белого слоя ведет к оголению отпущенного размягченного слоя, который затем легко подвергается износу.

По-видимому, при бурении наклонных скважин температура на­ грева долот должна быть больше, чем при бурении вертикальных скважин. Это может быть объяснено тем, что в наклонных скважи­ нах тыльная часть шарошек фрезерует стенку ствола, а корпус до­ лота находится в интенсивном трении со стенкой скважины. Оба эти явления приводят к дополнительному нагреву шарошек и лап, который является одной из причин выкрашивания и откола тыль­ ной армировки периферийного венца шарошек и слома козырьков лап.

Указанные выше исследования посвящены лишь косвенному определению температуры, возникающей на контакте рабочих по­ верхностей (вооружения) долота. Каких-либо исследований по определению температуры, возникающей в элементах опоры трех­ шарошечного долота, как косвенным методом, так и методом не­ посредственных измерений не проводилось. Однако известно, что примерно 70ч-80% трехшарошечных долот выходят из строя в ре­ зультате преждевременного износа опоры шарошек, в то время как их вооружение еще сохранило работоспособность.

Автором совместно с группой инженеров [45, 46] разработан способ и впервые экспериментально определена максимальная тем­ пература нагрева элементов опоры трехшарошечных долот нор­ мального и уменьшенного диаметров. Для этого были использо­ ваны термокраски, основные данные о которых приведены

втабл. 1 2 .

Вкачестве термоиндикатора использовался тонкий лист ла­ туни, на которой полосами наносили все типы термокрасок.'Затем полученный лист был нарезан на полосы необходимых размеров, которые устанавливались в специально высверленных отверстиях больших н малых роликов долота (рис. 34).

После вставки термоиндикатора в полученную камеру, послед­ ний прикрывался медной пробкой под прессом с тем, чтобы пред­ отвратить проникновение глинистого раствора и обеспечить на­

112

дежную герметизацию. С целью лучшей теплопередачи зазоры ме­ наду термоиндикатором и стенками канала засыпаются мелкими опилками и стружками латунного листа.

Для проведения первой серии экспериментов термоиндикато­ рами были заряжены 12 больших и 9 '-малых роликов, которые ус­ танавливались в четырех и трехшарошечных долотах Б-269С. Ввиду того что, после установки роликов с термоиндикаторами и сборки шарошек, долота в процессе их изготовления подвергались нагреву при сварке пробки и лап, то во избежание ошибок при определе­ нии температуры нагрева роликов с помощью термокрасок необхо­ димо было установить температуру нагрева элементов опоры в случае вышеуказанных сварочных работ. С этой целью по опи­

Испытания экспериментальных долот Б-269С с термоиндикато­ рами проводили при бурении наклонных скв. 258 и 226 на площади Песчаный-море в интервале глубин 2371ч-2414 и 2790ч-2806 м. Ос­ новные данные об условиях, при которых обрабатывались экспери­ ментальные долота с термоиндикаторами, и показатели их работы приведены в табл. 13.

После отработки экспериментальных долот опоры шарошек были разобраны и ролики с термоиндикат-орами извлечены для расшифровки последних. Во время автогенной резки лап по швам, шарошки с опорами погружали в специальные ванны с водой с целью снижения их нагрева. Когда опоры шарошек были разо­ браны, то выяснилось, что из 2 1 экспериментальных роликов, в ко­

в негодное состояние. Поэтому изменившиеся цвета термокрасок расшифровывали по термоиндикаторам остальных 1 2 эксперимен­ тальных роликов (7 больших и 5 малых). Результаты этой рас­ шифровки представлены в табл. 14.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при помощи термокрасок описанным способом вполне можно