Основополагающим принципом в производстве породоразрушающих инструментов в АО «Азимут» является постоянное совершенствование их конструкций и режимов работы.Соблюдать этот принцип позволяет отличная экспериментальная база для исследований работы как отдельных элементов и систем, так и инструментов в целом, оснащенная самыми современными средствами цифровых измерений.
Разработка и совершенствование конструкций породоразрушающих инструментов базируется не только на результатах экспериментов, но и на теоретических исследованиях, выполняемых как с помощью известных пакетов прикладных программ, в том числе реализующих метод конечных элементов, так и оригинальных программ, разработанных нашими специалистами.
АО «Азимут» обладает уникальным современным оборудованием, позволяющим определять показатели механических свойств горных пород и цементного камня, сформированного как в атмосферных условиях, так и в условиях всестороннего сжатия до 60 МПа.
- Определение показателей механических свойств горных пород и цементного камня
Стенд для определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня |
Показатели механических свойств горных пород и цементного камня - предел прочности на одноосное сжатие σсж, модуль Юнга Есж , коэффициент Пуассона μсж в двух взаимно перпендикулярных направлениях (оценка анизотропных свойств горной породы) определяются на специальном стенде с цифровой регистрацией параметров и записью в файл компьютера. Стенд состоит из гидравлического пресса, насоса и измерительной системы, включающей в себя датчики измеряемых параметров, тензометрическую станцию и персональный компьютер со специализированным программным обеспечением. Ниже кратко описаны основные схемы определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня.
|
1.1 Определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня при одноосном сжатии |
|
Схема испытания образцов на одноосное сжатие и графики зависимости P=f(Δ) |
Образец материала 1, установленный на нижней плите 3 гидравлического пресса стенда и поставленной на его противоположный торец верхней плите 4 на шаровой опоре, до нагружения имеет продольный размер h и поперечный d. В процессе нагружения сжимающей силой P образец деформируется в продольном направлении на величину ΔПр, в поперечном (2) на ΔП. Эти величины называют абсолютной продольной и абсолютной поперечной деформациями. Их величины измеряются в процессе опыта. По результатам измерений стоится графики зависимости P=f(ΔПр) иP=f(ΔП), приведенные на рисунке. |
1.2 Определение показателей механических свойств твердых тел (предел прочности на растяжение) при растяжении методом раздавливания цилиндрических образцов. |
|
Схема определения предела прочности горной породы на растяжение методом раздавливания
|
Цилиндрический образец материала 1 диаметром d и длиной L устанавливается на неподвижную нижнюю плиту 2 гидравлического пресса. Верхняя плита 3 пресса опирается на противоположную нижней образующую цилиндра. Гидравлическим прессом нагрузка на верхнюю плиту увеличивается до момента разрушения образца, в идеале образец разрушается по линии (трещине) 4.
|
1.3 Определение показателей механических свойств твердых тел при сдвиге со сжатием. |
|
Устройство для испытания горных пород и цементного камня на срез со сжатием |
Нагружение силой Р производится до момента разрушения образца по сечению 7. По величине максимальной силы Рmax рассчитываются по известным формулам нормальные σα и касательные τα напряжения.
|
1.4 Определение показателей механических свойств горных пород методом статического вдавливания штампа (по Л.А. Шрейнеру). |
|
Стенд для определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня при вдавливнии штампа |
Используется стандартная методика, разработанная профессором Л.А. Шрейнером. Определение показателей проводится на разработанном нами стенде. В процессе вдавливания штампа с плоским основанием в образец материала регистрируются в цифровом формате с записью в файл сила F, с которой штамп вдавливается в образец и глубина δ погружения штампа в образец, с визуализацией в режиме реального времени графика зависимости F=φ(δ). |
Процесс вдавливания штампа в образец материала на стенде |
|
Графики зависимостей, полученные при вдавливании штампа на стенде |
- Экспериментальные исследования работы отдельного резца PDC
Проектирование вооружения породоразрушающих инструментов режуще-скалывающего действия, оснащенного алмазно-твердосплавными резцами (долота PDC) осуществляется с помощью оптимизированной математической модели, в основу которой положены результаты экспериментальных исследований на стенде по изучению работы отдельного резца PDCпри резании различных горных пород с воспроизведением формируемого инструментом профиля забоя и измерениями трех составляющих нагрузки на резец в цифровом виде.
Стенд по изучению работы отдельного резца PDC |
Стенд для экспериментального исследования работы отдельного резца PDCмонтируется на шпинделе напольного универсального вертикально-сверлильного станка и состоит из исполнительного узла, на котором расположены исследуемый резец и два вспомогательных резца, формирующие требуемый профиль забоя, электронного блока и вертлюга, обеспечивающего подачу промывочной жидкости в зону работы резцов. Электронный блок представляет собой автономное цифровое устройство, осуществляющее в процессе эксперимента преобразование электрических аналоговых сигналов с тензометрических датчиков, установленных на державке исследуемого резца, в цифровой код и запись их в собственную энергонезависимую память. Результаты измерений переписываются из памяти устройства в ПЭВМ после окончания эксперимента. |
Исполнительный узел стенда |
|
Твердотельная модель тензометрической стойки с установленным резцом PDCи силы, действующие на резец |
- Экспериментальные исследования систем промывки породоразрушающих инструментов
Стенд для исследований систем промывки |
Системы промывки породоразрушающих инструментовоптимизируются не только на основе теоретических исследований, но и по результатам экспериментальных исследований на специальном стенде, сконструированном и изготовленном в АО «Азимут», который позволяет измерять давления, изменяющиеся с частотой до 1200 Герц, и строить поля скоростей промывочной жидкости в любом поперечном сечении породоразрушающего инструмента диаметром до 215,9 мм.
|
- Экспериментальные исследования работы породоразрушающих инструментов
4.1 Стендовые исследования работы породоразрушающих инструментов |
|
АЦИУ силовых параметров работы породоразрушающего инструмента |
Оценка эффективности вновь разработанной конструкции породоразрушающего инструмента, а также точности его изготовления осуществляется по разработанной нами методике. Аппаратным обеспечением этой методики является автономное цифровое измерительное устройство (АЦИУ), предназначенное для измерения и регистрации в процессе стендового бурения силовых параметров работы породоразрушающих инструментов. АЦИУ имеет стандартные присоединительные резьбы, позволяющие устанавливать его на любой буровой станок, используемый в качестве испытательного стенда(например, ЗИФ-1200А). |
Измеряемые силовые параметрыработы породоразрушающего инструмента |
На стенде при бурении блоков породы измеряются и регистрируются в цифровом виде осевая нагрузка G, крутящий T и изгибающий M моменты. Изгибающий момент измеряется в двух взаимно-перпендикулярных направлениях (Mx и My), что позволяет определить направление его действия.
|
Визуализация измеряемых параметров |
Результаты измерений визуализируются с помощью разработанной оригинальной программы и подвергаются детальному анализу. |
Графики суммарного действия изгибающего момента на корпус породоразрушающего инструмента
|
По результатам измерений в полярной системе координат строятся графики суммарного действия изгибающего момента на корпус породоразрушающего инструмента по его секторам и суммарного действия поперечной силы относительно забоя скважины. Анализ графиков позволяет оценивать оптимальность конструкции его вооружения с точки зрения сбалансированности, а также вероятность формирования некруглого сечения скважины и степень возможного отклонения ствола от заданного направления. |
Графики суммарного действия поперечной силы относительно забоя скважины |
|
Графики крутящего и удельного крутящего моментов в зависимости от осевой нагрузки |
|
Графики изгибающего момента и удельной приведенной поперечной силы в зависимости от осевой нагрузки |
Такие важные силовые параметры работы породоразрушающих инструментов, как крутящий момент и удельный крутящий момент, изгибающий и удельный изгибающий моменты, в зависимости от осевой нагрузки, могут быть представлены заказчику по инструментам, изготавливаемым в АО «Азимут». |
Распределение мощностей по резцам долота 8Л 188,7 РСА |
По результатам экспериментальных исследований разработана методика оценки энергетической загрузки резцов долот PDC, позволяющая оптимизировать их вооружение. |
4.2 Скважинные исследования работы породоразрушающих инструментов |
|
Скважинный АЦИУ силовых параметров работы породоразрушающего инструмента (автономный забойный регистратор) |
Для совершенствования конструкций породоразрушающих инструментов и параметров режима бурения с учетом конкретных скважинных условий в АО «Азимут» разработан и создан скважинный вариант автономного цифрового измерительного устройства силовых параметров(автономный забойный регистратор), который можно установить как непосредственно над долотом, так и в любое место бурильной колонны. Варианты записи измеряемых параметров в энергонезависимую память регистратора и частота их дискретизации выбираются программно перед спуском регистратора в скважину диаметром 190,5 ... 215,9 мм. Доступ к информации осуществляется после подъема инструмента из скважины. |
АО «Азимут» может провести стендовые и скважинные исследования параметров работы породоразрушающих инструментов других производителей по желанию заказчика при условии предоставления ими этого инструмента.
- Исследования проницаемости образцов горных пород и цементного камня
Стенд для исследования проницаемости образцов горных пород и цементного камня |
Стенд предназначен для исследования проницаемости образцов горных пород (керна) и цементного камня жидкостями при различных постоянных или переменных перепадах давления в условиях всестороннего сжатия, а также определения абсолютной проницаемости образцов по газу. Отличительной особенностью стенда является то, что количество жидкости, проникающее в керн и профильтровывающееся через него измеряется на входе и непрерывно во времени. Дополнительные устройства к стенду позволяют высверливать керн диаметром 30 мм из исходных образцов диаметром 60 мм и выше под любым углом к оси исходного керна, а также получать образцы цементного камня, сформированного при давлениях до 60 МПа. Регистрация величин давления и количества жидкости во времени осуществляется электронным способом в цифровом виде с записью в файл, подключенного к стенду компьютера. |
Приспособления для удержания керна |