Файл: Создание долота pdc.pptx

Создание долота PDC

Долота PDC.
PDC долото – породоразрушающий инструмент, рабочим органом которого является основание с поликристаллическими композитными вставками. Долота PDC, в отличии от шарошечных, не имеют подвижных элементов, что существенно уменьшает риск потери их частей в скважине, а также, помимо этого они и используют совершенно иной способ разрушения горной породы – срезание. Разрушение горной породы путем ее срезание намного эффективнее дробления, в связи с чем обеспечивается существенное увеличение как механической скорости бурения, так и проходки на долото.
В зависимости от типа PDC долота, оно может иметь либо стальное, либо матричное основание:
– при стальном основании, поликристаллические алмазы заварены в него при с помощью пайки;
– при матричном основании, поликристаллические алмазы заварены в порошковую матрицу.
В настоящее время уделяется огромное внимание разработке новых форм, лопастей и резцов PDC долот, что в свою очередь позволяет бурить все более крепкие породы, а также использовать их для работы в интервалах с переслаиванием горных пород.


Конструкция долот PDC.
Данная серия алмазных буровых долот PDC специально разработана для бурения твердых пород IV-VII категории твердости. При создании этих долот применяются резцы повышенной ударо- и абразивостойкости. Специально спроектированный профиль долота и оптимально подобранное количество лопастей обеспечивают максимальное перекрытие резцов, защищающее долото от преждевременного износа. С целью повышения стабильного поведения долота на забое применена спиральная форма лопастей. Набор конструктивных решений воплощенные в этих долотах позволяет получить максимальные значения скорости, проходки и отличную управляемость как при бурении вертикальных так и наклонно-направленных скважин.


Способы воздействия на горную породу.
Режуще – скалывающее действие:
Долото имеет сложную прерывисто – ступенчатую форму и оснащается крупными резцами PDC. Крупные резцы долот PDC предназначены для разрушения хрупких пород Ⅲ - Ⅵ категории по буримости. Ступенчатая форма долота обеспечивает наиболее эффективное разрушение пород в нескольких параллельных плоскостях. При этом резцы, работающие на уступах, скалывают крупные куски породы, что обеспечивает достаточно высокую стойкость долот и довольно низкие энергозатраты на разрушение породы. Механизм работы резца, оснащенного PDC, осуществляется разрушение пластиной породы путем резания с большим съемом породы. При этом механизм работы резцов PDC при бурении твердых горных пород отличается от механизма работы импрегнированного бурового инструмента, так как существенно зависит от формы и схемы расстановки резцов с пластинами в коронке.

---

Плюсы и минусы долот PDC.
Плюсы:
Отсутствие в конструкции подвижных частей;
Высокая износостойкость;
Самозатачивающее действия резцов;
Низкая требуемая осевая нагрузка при высоких скоростях бурения.
Минусы:
При лучшей эффективности, на вращение требуется больше энергии;
Высокая стоимость ПРИ.


Исходные данные.
Горная порода - аргиллит
Диаметр долота – 190мм
Частота вращения – 250 об/мин
Характеристика горной породы.
Аргиллит — твердые породы, продукт дегидратации, спрессования и перекристаллизации глин.
По минералогическому и химическому составу аргиллиты очень сходны с глинами, но отличаются от них большей твёрдостью и неспособностью размокать в воде. Сложены в основном глинистыми минералами гидрослюдистого, монтмориллонитового и хлоритового типов с примесью частиц кварца ,слюды ,полевого шпата. Подобно глинам, аргиллиты образуют либо массивные пласты, либо микрослоистые (плитчатые) разновидности. Аргиллиты — типичные осадочные породы, характерные для областей, подвергшихся действию высоких температур и давлений, чаще всего это складчатые области из глубоко погруженных осадочных толщ. Аргиллит является разновидностью камнеподобной сланцеватой глины. Порода бывает синевато-серой, чёрной, аспидной, светлой, беловатой окраски. Блеск — шелковистый, смолянистый. Твёрдость — 3,5—4,0. Плотность — 1,3—2,6 г/см3.

Выбор долота

Количество лопастей.

Выбор количества лопастей для долота PDC можно выбрать с помощью таблицы. Шестилопастное долото – наиболее универсальный и оптимальный

инструмент для бурения пород и интервалов, сложенными различными типами пород от мягких и средних до пропластков твердых.

Нулевая точка
Особый интерес представляет так называемая «нулевая» точка на торце долота при сплошном без отбора керна бурении. Эта точка располагается в геометрическом центре торца. Уникальность её состоит в том, что скорость резания-скалывания породы в ней равна нулю, путь трения стремится также к нулю, а порода может разрушаться только раздавливанием. Это обстоятельство

---

приводит к изнашиванию инструмента в области, прилегающей к «нулевой» точке, и способно резко ограничивать скорость разрушения горной породы при бурении. Проблема «нулевой» точки особым образом решается при проектировании долот.
в долотах режуще-скалывающего действия (алмазные, с твердосплавными резцами или резцами PDC) не выполняется центральный промывочный канал для прохода бурового раствора, так как он будет перекрываться породой из центра забоя; промывочный канал выполняется только с боковым расположением. Для подрезания породы в центральной части забоя устанавливается резец, направленный от периферии центральной выемки на торце к центру, т.е. с боковым расположением резца


Рисунок 2 центральная точка долота PDC

График зависимости изменения скорости от изменения расстояния от центра к периферии

Проектирование долота PDC
Отрицательный передний угол установки резцов γп может быть (15–20º) при размещении резцов ближе к центру долота и уменьшаться при установке резцов в направлении к наружной кромке торца долота.
Угол поворота резца φр может изменяться в пределах 0–10º и увеличиваться в направлении от центра к периферии торца. При этом важны следующие рекомендации при выборе схемы установки резцов.
Угол поворота резца φр может изменяться в пределах 0–10º и увеличиваться в направлении от центра к периферии торца. При этом важны следующие рекомендации при выборе схемы установки резцов.
Диаметры резцов: 10, 13, 16, 19 мм (выбрал 10 мм)
Расстояние между резцами 3-5 мм
Число резцов 6
Расстояние резцов от центра
0,00741мм
0,0274 мм
0,0475 мм
0,0676 мм
0,0876 мм
0,107 мм
Параметр прочности горной породы σск при повышении скорости резания-скалывания vл будет также возрастать.
Pос =36000 Н
Угол скалывания γск выбирается 15° - 30° (выбрал γск = 15°)
Коэффициент трения резца PDC о породу f=0.8
Угол внутреннего трения породы (порода - песчаник) φп = 25°


Формулы расчета
Усилие R – результирующая осевой силы Рос и тангенциальной силы резания-скалывания породы Fр . равнодействующее усилие R сил резания-скалывания Fр и осевого усилия Рос определим из соотношения
Из формулы следует, что
Усилие резания-скалывания породы Fp
Размер площадки скалывания Sск рассчитываем как площадь половины эллипса с полуосями 0,5ρ и АВ:
После подстановки полученной формулы в формулу определим усилие резание-скалывания породы резцом с учетом возможности установки резца1 с поворотом в направлении резания-скалывания породы φр:

---

Используя ранее полученное выражение для расчета Fp можно определить глубину резания-скалывания породы h из равенства полученных формул. Глубина резания-скалывания:
Из полученной формулы следует ряд важных выводов о влиянии на глубину резания-скалывания породы резцом PDC таких параметров, как:
передний угол резца γп;
угол поворота резца относительно направления резания-скалывания породы φр;
изменчивость предела прочности горной породы на скалывание σск, вследствие повышения скорости перемещения резца, например при росте частоты вращения долота. В этом случае предел прочности σск будет увеличиваться, а значит, глубина резания-скалывания породы h снижаться.
Выполним расчет глубины резания-скалывания породы резца для всего долота с выбранными данными

R	№	Рос, Н	γ ск, град	f	γ п, град	σ ск, 10^5Па	ϕ р, град	d, м	ϕ п, град	ω, об/с	D, м
0,00741	1	36000	15	0,8	18,1	98	1	0,01	35	4,166667	0,19
0,0274	2	36000	15	0,8	13,1	151	3	0,01	35	4,166667	0,19
0,0475	3	36000	15	0,8	10,2	208	5	0,01	35	4,166667	0,19
0,0676	4	36000	15	0,8	8,1	272	7	0,01	35	4,166667	0,19
0,0876	5	36000	15	0,8	6,4	355	8	0,01	35	4,166667	0,19
0,107	6	36000	15	0,8	5,4	431	9	0,01	35	4,166667	0,19

=0,00344м=3,4мм
=0,00347м=3,4мм
=0,00342м=3,4мм
=0,00344м=3,4мм
=0,00345м=3,4мм
=0,00342м=3,4мм

Схема установки резцов наторце долота с учетом скоростей резания-скалывания породы

Линейная скорость

Линейная скорость резания-скалывания в зависимости от радиуса r траектории резца (рис.4), размещенного на торце долота, и частоты вращения долота ω определяется выражением:

На рисунке показаны схемы распределения скоростей резания-скалывания резцами долота и установки резцов на торце долота. Из приведенных зависимости и схем следует, что если линейная скорость в центральной точке торца долот равна нулю, то, для долота диаметром 190 мм (0,19 м) при частоте вращения долота 250 мин–1 (4.16 с –1 ) линейная скорость резца,

---

размещенного на внешнем радиусе торца долота, будет 4,96 м/сВ результате такого распределения скоростей резания-скалывания резцы долота, размещенные ближе к наружному диаметру, будут иметь меньшее заглубление в породу, чем резцы, размещенные ближе к центру торца долота, так как испытывают повышенное сопротивление резанию-скалыванию породы, которое, как известно, растет с увеличением линейной скорости перемещения резца. Таким образом, можно отметить на первый взгляд парадоксальный факт: резцы долота, размещенные на различных линиях резания-скалывания, осуществляя разрушение одной и той же горной породы, испытывают различное сопротивление резанию-скалыванию.

---