Повышение ресурса опор герметизированных шарошечных долот с помощью применения современных методик расчета и лабораторных испытаний уплотнительного узла

Sealed roller cone bit bearing resource increasing, based on modern methods of calculation and lab testing of sealing units

M. GOLOVKIN, A. BALUTA, V. MYKALKIN, I. SHLENKIN, LLC SPE «BURINTEKH», V. YAMALIEV, USPTU

В последние годы применение новейших технологий и материалов в производстве инструмента для бурения скважин резко изменило баланс на рынке буровых долот. Так, расширение области применения резцов PDC существенно сократило область экономически эффективной эксплуатации шарошечных долот. Тем не менее геологические условия ряда месторождений России и ближнего зарубежья, а также парк их оборудования в настоящее время и в среднесрочной перспективе требуют и будут требовать широкого использования шарошечного инструмента.

In the recent years, the use of the latest technologies and materials, in the manufacture of tools for drilling of wells has drastically changed the balance of the market of drill bits. So, the extension of the scope of PDC cutters has significantly reduced the region economically efficient operation of roller cone bits. However, the geological conditions of some fields in Russia and abroad, as well as park their equipment now and in the medium term demand and will require widespread use of the rotary tool.

Компания «БУРИНТЕХ», будучи лидером российского рынка, стремится предоставлять своим заказчикам максимально широкий спектр бурового инструмента, давая возможность подбирать наиболее подходящее оборудование, даже для самых специфических условий работы. Буровые компании по-прежнему нуждаются в шарошечных долотах, хотя требования к их качеству и ресурсу значительно возросли. Перед нашей компанией стоит непростая задача – производить доступный шарошечный инструмент, который при этом соответствовал бы лучшим мировым аналогам.
В современных условиях у изготовителя инструмента практически нет возможности для промысловых испытаний новых идей и решений. Любая ошибка в проектировании дорого обходится как заказчику, так и производителю. В связи с этим на первый план выходят расчеты оптимальных характеристик долота, испытания в расчетных комплексах и самое главное – натурные лабораторные испытания готовых узлов и самих долот в сборе.
На сегодняшнем этапе эволюции инст­румента наиболее проблемной, а следовательно, и наиболее важной частью шарошечного долота является опорный подшипник. Стойкость опоры практически полностью определяется ресурсом уплотнительного узла. Так, по статистике, более 90 % случаев выхода опоры из строя связано с потерей герметичности, наступившей в результате абразивного износа уплотнительных элементов. По этой причине производители шарошечных долот уделяют большое внимание проектированию и разработке уплотнительного узла и контролю качества составляющих его изделий. Для этого существует несколько методик исследования, которые могут дать наиболее полную картину, в первую очередь, о свойствах материала.
Предприятие «БУРИНТЕХ» использует большой набор методик для исследования уплотнительных колец. Контролю подлежат как базовые параметры, такие как твердость материала (по ASTM D2240), предел прочности и относительное удлинение (по ASTM D412), так и более специфические показатели, проводится тест на сжатие (по ASTM D395). Во время теста уплотнительное кольцо подвергается одноосному сжатию на 25 % и воздействию повышенной температуры на протяжении 22 часов. Контролируемым параметром, по результатам теста, становится величина остаточной деформации уплотнительного кольца. Таким образом, проверяется несколько колец от каждой партии, и для использования в долотах допускаются только те партии, в которых остаточная деформация не превышает 12 %.
Кроме того, поставщиком уплотнительных колец проводятся тесты на стойкость к высоким температурам (по ASTM D865) и на маслобензостойкость (ASTM D471), после которых контролируется изменение физико-механических свойств материала. Проводится также исследование материала на стойкость к абразивному износу (ASTM D3387), в ходе которого проверяется потеря массы резины за один оборот абразивного круга.
Благодаря применению стандартного инструментария для исследования и контроля качества уплотнительных колец мы имеем возможность обеспечивать весьма высокие, и что важно, стабильные показатели работы опоры долота. Однако, используя только стандартные методики проектирования и испытаний, невозможно достичь качественно нового уровня и обеспечить значительный рост ресурса шарошечного долота. Это связано с тем, что использование одного и того же материала может показывать совершенно различные результаты, в зависимости от выбранной геометрии кольца, величины предварительного натяга, качества ответной поверхности, давления смазки и многих других параметров. Чтобы соответствовать новым требованиям рынка, предприятием «БУРИНТЕХ» разработана многоэтапная система повышения ресурса опор шарошечных долот. Она состоит из расчетной части, компьютерного моделирования и лабораторных испытаний.
Основная мысль, заложенная в разработку данной системы, заключается в том, что при проектировании долота зачастую неизвестно, насколько широкой или специфичной будет область его реального применения, поэтому на первый план выходит такое его свойст­во, как универсальность. Специалисты предприятия стараются уделять наибольшее внимание именно конструктивным параметрам, определяющим ресурс долота, не обременяя заказчика новыми требованиями к его оборудованию или режимам работы и даже снижая их.
Далее в статье подробнее описываются методики расчета и испытаний уплотнительного узла, а также их влияние на процесс проектирования и модернизации опоры шарошечного долота.

Расчет и проектирование уплотнительного кольца с построением модели напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов

Одна из главных задач, решаемых конструкторами при проектировании шарошечного долота, создание уплотнения, в котором оптимально сочетаются геометрическая форма, размеры и физико-механические свойства материала. Эти входные параметры определяют такие важные характеристики узла, как площадь скользящего контакта и контактное напряжение, что в итоге влияет на скорость износа уплотнения. Также ими определяется способность кольца к компенсации износа и сохранению герметичности подшипника. Правильный подбор этих параметров позволяет значительно повысить ресурс опоры и долота в целом. Для того чтобы решать эту задачу и выбирать параметры, используя не только конструкторский опыт, но и более объективные сравнительные данные, осуществляется построение модели напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов.

Суть метода заключается в разбиении сложной геометрии 3D-модели на конечное число элементов, которые соединены между собой в узловых точках. Каждый из элементов описывается функцией, значение которой в узловых точках является искомым решением. Из всего массива функций, описывающих элементы, формируется система уравнений, решение которой осуществляется программным комплексом. Результатом расчета является картина напряженно-деформированного состояния уплотнения (рис. 1), по которой можно проанализировать распределение напряжений по уплотнительному кольцу, а также направление его деформаций [1].
С помощью этого метода измеряются площадь скользящего контакта и контактное напряжение на этапе проектирования кольца. Изменяя геометрию и задавая различные условия, мы стремимся к тому, чтобы добиться минимальной скорости износа уплотнительного кольца. Есть определенные критерии, по которым оценивается картина напряженно-деформированного состояния, и определенные цели, которых необходимо достичь для создания эффективного уплотнения:

Компания «БУРИНТЕХ», будучи лидером российского рынка, стремится предоставлять своим заказчикам максимально широкий спектр бурового инструмента, давая возможность подбирать наиболее подходящее оборудование, даже для самых специфических условий работы.

1. Площадь скользящего контакта: минимизация площади рабочего контакта уменьшает трение и снижает количество образующегося при вращении тепла, что положительно влияет на ресурс узла. При этом площадь не должна уменьшаться ниже определенной величины, которая обусловлена необходимостью соблюдения герметичности.
2. Контактное напряжение: получение достаточно низкого контактного напряжения также снижает силу и работу трения [2]. Одновременно нужно сохранить способность сопротивляться рабочим перепадам давления, что предъявляет требование к минимальной величине контактного напряжения.
3. Расположение уплотнения: кольцо должно располагаться в полости шарошки в напряженном, достаточно скованном состоянии, для того чтобы избежать изворота и «закусывания» уплотнения.
4. Запас деформированного материала: создание уплотнения такой формы и свойств, чтобы оно максимально долго могло бы компенсировать свой износ, стремясь восстанавливать свою первоначальную форму.
В общем случае, при рассмотрении отдельно взятого кольца цель (2) – достижение низкого контактного давления находится в прямом противоречии с целью (4) – достижением большого запаса материала. Причина в том, что снижение контактного напряжения (2) может быть достигнуто, в первую очередь, за счет уменьшения величины натяга и предварительного сжатия уплотнительного кольца, но эти же манипуляции снижают запас материала на износ, что противоречит условию (4). Такая же комбинация последствий наступает при снижении твердости материала кольца. В этой связи манипуляции с величиной сжатия и физико-механическими свойствами материала уплотнительного кольца О-образного сечения (рис. 1а) являются практически тупиковым направлением, так как обречены упираться в баланс между напряжением и запасом на износ. Решить сложившееся противоречие могло бы увеличение площади поперечного сечения кольца, но в условиях опоры шарошечного долота это неминуемо приведет к уменьшению самого подшипника или отнимет столь необходимое пространство у вооружения долота.
В связи с вышесказанным достигнуть всех четырех целей позволяет только смена формы уплотнительного кольца. Проанализировав многие формы, авторы пришли к выводу, что оптимальным будет использование колец прямоугольного сечения (рис. 1б), которые, имея компактные размеры, могут достигать того же соотношения пары напряжение–запас материала», как О-образное кольцо, занимая при этом значительно меньшее геометрическое пространство. Это дает возможность устанавливать кольца попарно, т.е. оснастить опору долота, помимо уплотнения, еще и внешним фильтрующим элементом. Фильтрующий элемент служит для отсеивания абразивных частиц и не выполняет герметизирующих функций, однако он позволяет значительно продлить жизнь основного уплотнения. О подтверждении эффективности данного шага будет рассказано ниже.
Таким образом, благодаря использованию расчетных комплексов, на базе метода конечных элементов, нам удалось отойти от стандартно принятой формы уплотнений круглого сечения и внедрить более прогрессивные и эффективные уплотнительные кольца, увеличив ресурс уплотнительного узла практически вдвое. Так, например средняя наработка на отказ новой опоры А24 для долот диаметром 215,9 мм, спроектированной с использованием параллельного фильтрующего элемента, в сравнении с более старой модификацией А04, возросла с 40 – 50 до 90 – 100 часов вращения долота.

Лабораторные испытания уплотнительного узла опоры

Чтобы соответствовать новым требованиям рынка, предприятием «БУРИНТЕХ» разработана многоэтапная система повышения ресурса опор шарошечных долот. Она состоит из расчетной части, компьютерного моделирования

и лабораторных испытаний.

Не менее важной частью адаптации нашей системы проектирования под современные условия является освоение методики полноценных натурных испытаний главного узла долота. Эта методика не только позволяет определить ресурс спроектированной опоры, но и дает возможность проводить сравнительные тесты новых материалов, определять степень влияния различных факторов на износ уплотнения, подтверждать или опровергать различные гипотезы о механике работы уплотнительного узла в целом.
Для реализации этой методики разработан испытательный стенд STM2016 (рис. 2). Его главной особенностью является то, что он спроектирован для натурных экспериментов и испытанию подвергается не отдельно взятое уплотнительное кольцо, а работа всего уплотнительного узла в комплексе с полноценным подшипником.
Стенд выполнен на базе вертикального сверлильного станка, на столе которого установлена емкость, заполненная абразивным буровым раствором. В емкости помещается прототип шарошки, цапфа вращается в ней с помощью привода сверлильного станка с регулируемой частотой оборотов. Между цапфой и шарошкой установлены плавающие подшипники скольжения и уплотнительный узел.
Выбор в качестве вращающейся детали цапфы лапы может показаться странным, но этот нюанс, не внося никаких изменений в режим работы опоры, позволяет при этом разместить в шарошке всю необходимую измерительную аппаратуру. Там смонтированы система смазки, измеритель температуры и система контроля давления. Буровой раствор перемешивается с помощью крыльчатки, установленной на валу станка. В установке предусмотрена возможность контроля реактивного крутящего момента, возникающего в контактной паре.
Испытуемые образцы (рис. 3) представляют собой реальные детали шарошечного долота и детали опоры, выполненные по той же технологии и из тех же материалов, что и лапа с шарошкой, которые используются в производстве серийных долот.
Главным результатом данного испытания является стойкость уплотнительного кольца или узла в часах наработки до отказа. Отказом считается момент разгерметизации опоры, то есть падение давления в ней до уровня атмосферного. Оно может быть зафиксировано по встроенному датчику давления. Косвенным параметром, показывающим текущее состояние опоры, является реактивный крутящий момент. На рис. 4а приведен график, описывающий процесс испытания одиночного уплотнительного кольца прямоугольного сечения.

Применение фильтрующего элемента позволяет повысить стойкость уплотнительного узла практически в два раза, что оправдывает манипуляции с изменением геометрической формы уплотнений.

На графике можно увидеть, что этап начала работы (этап 1) характеризуется высоким реактивным крутящим моментом и низкой температурой, что говорит о необходимости щадящей приработки долота в условиях реального бурения. Далее, по мере разогрева и приработки резины (этап 2), крутящий момент постепенно приходит в норму и равномерно снижается по мере износа уплотнительного кольца, в соответствии со снижением его натяга. Давление смазки при этом остается практически неизменным и резко падает в короткий период (этап 3), когда происходит разгерметизация опоры.
Время полноразмерного испытания уплотнительного узла составляет примерно 30 – 100 часов. Это достаточно длинный интервал, который обеспечивает возможность объективного сравнения различных уплотнений, что было бы затруднительно при слишком коротких по времени форсированных испытаниях.
Применение рассмотренной методики испытания позволило обеспечить контроль качества покупных изделий, исключить рискованные промысловые испытания, заложить основу для постоянной эволюции форм уплотнительных узлов, проверить и откорректировать теоретические расчеты. Так, например, конструкция узла с двойным уплотнительным узлом, описанная ранее и апробированная с помощью установки STM2016, показала значительно возросшую стойкость. Процесс работы этого узла показан на рис. 4б. Как видно, применение фильтрующего элемента позволяет повысить стойкость уплотнительного узла практически в два раза, что оправдывает манипуляции с изменением геометрической формы уплотнений, о которых было рассказано выше.
Применение новых методов проектирования опор буровых шарошечных долот обеспечило значительное повышение их технических характеристик, в частности, средняя наработка на отказ долот диаметром 123,8 мм возросла с 35 до 60 часов, в габарите 215,9 мм с 45 до 90 часов, в габарите 295,3 мм с 60 до 120 часов. Важно, что это средние значения предельной наработки, которые достигаются на постоянной основе, не создавая аварийных и внештатных ситуаций. Таким образом, решается поставленная задача по повышению ресурса опоры шарошечного долота, что приближает его к ресурсу вооружения и делает применение шарошечных долот более эффективным.

Литература

1. Daniel Alexander Matus. Improved seal design based on minimizing strain energy. The University of Minnesota, 2010. 88 p.
2. Бродский Г.Н., Евстратов В.Ф., Сахановский Н.Л., Слюдиков Л.Д. Истирание резин. М.: Химия, 1975. 240 с.

References

1. Daniel Alexander Matus. Improved seal design based on minimizing strain energy. The University of Minnesota, 2010. P. 88.
2. Brodsky G.N., Evstratov V.F., Sakhanovskiy N.L., Sludikov L.D. Rubber abrasion. M. Chemistry, 1975. P. 240.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Головкин М.С.

    Головкин М.С.

    инженер-конструктор

    ООО НПП «БУРИНТЕХ»

    Балута А.Г.

    Балута А.Г.

    заместитель генерального директора, начальник центра разработки бурового инструмента

    ООО НПП «Буринтех»

    Мыкалкин В.В.

    Мыкалкин В.В.

    начальник отдела

    ООО НПП «БУРИНТЕХ»

    Ямалиев В.У.

    д.т.н., профессор кафедры

    ТМО УГНТУ

    Просмотров статьи: 2231

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru