Разработка научно-технических основ обеспечения качества изготовления шарошечных долот повышенной работоспособности тема диссертации по экономике, полный текст автореферата

Диссертация: текстпо экономике, доктора технических наук, Торгашов, Александр Владимирович, Самара



Открытое акционерное общество "Волгабурмаш"

Самарский государственный аэрокосмический университет

г; - имеш^яедШШ^б^^ролеш^----

С! ! П А ,,.....т" "

и ' - - - - - - '-V...;Т

На ГГравах рукописи ^ (Ц

шгг

Гг.:;:.:.

Д - .. .......

-

I;«

Разработка научно-техничеашхотдЖ* обеспечения качества изготовления шарошечных долот повышенной работоспособности

/

Специальность 08.00.20 - Экономика стандартизации и управления качеством

продукции

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара, 1998.

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе "Волгабурмаш" и Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

Официальные оппоненты:

¿1

Академик РАН, д.т.н., проф. Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор

б

Л -

Р.Ф.Ганиев

В.В.Шильдин

Г.А.Кулаков

Ведущее предприятие: Открытое Акционерное общество "Самаранефтегаз"

Защита состоится " у.» И> 1998 г. в_час. На заседа-

нии диссертационного совета Д-063.87.05 в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией, подготовленной в виде нг ~ тт ~жно ознакомиться

в библиотеке СГАУ. ;

Диссертация в виде научного доклад

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.063.87.05, ,;

д.т.н., профессор » * ) И.П.Попов

Содержание

Состояние вопроса по обеспечению качества проектирования,

изготовления и эксплуатации бурового инструмента.............................5

Общая характеристика работы.....................................................................................5

Актуальность работы......................................................................................................6

Цепь исследований..............................................................................................................7

Основные задачи работы..................................................................................................7

1. Конструктивные методы повышения качества изготовления и

эффективности работы долот....................................................................И

1.1. Основные геометрические параметры долот, их связь с технологией изготовления...............................................................................................................11

1.1.1. Рейкообразование на забое скважины и разработка вооружения шарошек с повышенной скалывающей способностью................................................................ 12

1.1.2. Разработка аналитической модели работы долота по управлению качеством его изготовления ................................................................................................................18

1.1.3. Согласование геометрических параметров твердосплавных шарошечных долот в зависимости от прочности и упругих свойств горных пород..................................22

1.1.4. Повышение качества изготовления долота путем выбора рационального радиуса скругления рабочей кромки твердосплавных зубков вооружения трехшарошечных долот.............................................................................................................................26

1.1.5. Разработка рационального размещения твердосплавного вооружения для твердых пород..............................................................................................................29

1.2. Исследование и разработка новых конструкций одношарошечных долот.....31

1.3. Автоматизация проектирования и подготовки производства буровых шарошечных долот....................................................................................................34

2. Повышение качества опор шарошечных долот. Управление качеством

конструктивными методами.....................................................................37

2.1. Исследование необходимых условий для равностойкости опор смежных шарошек.......................................................................................................................37

2.2. Исследование объемно-напряженного состояния опорных элементов долота..........................................................................................................................38

2.2.1. Методики совершенствования испытаний.............................................................38

2.2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния трехшарошечного долота.. 40

2.2.3. Управление качеством изготовления опоры бурового долота путем коррекции номинальных размеров подшипника скольжения и организации селективной сборки пары цапфа лапы-шарошка............................................................................42

2.2.4. Разработка новых технических решений, направленных на повышение качества опор шарошечных долот.............................................................................................43

«Промывочные устройства и их влияние на качество шарошечных

долот...............................................................................................................44

Влияние конструктивных особенностей на эффективность работы

долота..........................................................................................................................44

Разработка рациональных конструкций удлиненных насадок..........................44

3. Выбор оптимального конструктивного исполнения систем промывки

шарошечных долот с целью интенсификации процесса углубления скважин ..45

4. Смазки, смазочные и уплотнительные устройства, их влияние на

качество изготовления долот.....................................................................47

4.1. Выбор оптимальных смазок для опор долот........................................................47

4.2. Разработка новых типов смазок............................................................................47

4.3. Смазочные и уплотнительные устройства опор шарошек...............................48

4.3.1. Разработка новых конструкций герметизирующих устройств.............................48

4.3.2. Смазочные устройства шарошечных долот...........................................................49

5. Технологические методы повышения качества изготовления долот.. 51

5.1. Подбор и химико-термическая обработка долотной стали.............................51

5.1.1. Микроструктуры долотных сталей.........................................................................52

5.1.2. Режимы химико-термической обработки...............................................................53

5.1.3. Организация поплавочного изготовления буровых долот....................................54

5.1.4. Сталь со специальной отделкой поверхности марки 55ХН2МФА......................55

5.2. Повышение качества пар трения опоры долот путем применения современных материалов с улучшенными триботехническими характеристиками....................................................................................................55

5.3. Повышение качества продукции путем обеспечения требуемой точности измерений....................................................................................................................56

5.4. Управление качеством изготовления шарошечных долот разработкой стандартов предприятия - Системы качества элементов технологического процесса.......................................................................................................................57

6. Разработка системы управления качеством АО "Волгабурмаш".

Промысловые испытания, экономическая эффективность................58

6.1. Система нормативно-технической документации на разработку, производство и эксплуатацию буровых долот и бурильных головок.................58

6.2. Исследование и разработка элементов-модулей Системы качества АО

"Волгабурмаш"............................................................................................................60

6.3. Система Государственных испытаний шарошечных долот............................60

6.3.1. Организация испытаний буровых долот и их элементов на стендах научно-исследовательской лаборатории Специального конструкторского бюро по долотам.........................................................................................................................61

6.3.2. Эксплуатационные испытания шарошечных долот. Разработка критерия оценки технического уровня долот.........................................................................................62

Экономическая эффективность от реализации результатов работы..............................63

6.4. Сертификация производства и продукции АО "Волгабурмаш" и конкурентоспособность (сравнительный анализ с долотами американских фирм)............................................................................................................................64

Выводы по работе..............................................................................................65

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах.......67

Состояние вопроса по обеспечению качества проектирования, изготовления и эксплуатации бурового инструмента

Общая характеристика работы

Диссертационная работа, подготовленная в виде научного доклада, содержит основные наиболее значимые результаты исследований, опытно-конструкторских и технологических разработок автора, а так же организационные мероприятия по созданию, усовершенствованию управления качеством изготовления и повышению эффективности работы породоразрушающего инструмента, предназначенного для бурения нефтяных, газовых, разведочных и взрывных скважин.

Работа обобщает результаты исследований и разработок, организованных и выполненных под руководством и непосредственном участии автора в период с 1973 по 1997 гг. в АО "Волгабурмаш", атак же при тесном взаимодействии с отраслевыми министерствами бывшего СССР, ведомствами и головными предприятиями, призванными осуществлять решение проблемы - повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента. Кроме того, в условиях рыночного хозяйствования, для увеличения рентабельности необходимо радикальное преобразование не только предприятия производителя но и всего маршрута долота от проектирования до предприятия-исполь-зователя.

Наиболее существенный вклад в реконструкцию всего отечественного долот-ного производства, модернизацию всех видов оборудования на долотных заводах отрасли - кузнечно-прессового, оборудования для механической обработки, сварки, наплавки и сборки, а также в создании и внедрении многих поколений высокоэффективного шарошечного инструмента внесли ученые и специалисты объединения ОАО "Волгабурмаш" и Специального конструкторского бюро по долотам: доц. Сопин П.И., к.т.н. Шахов И.Д., к.т.н. Михайлин Ю.Г., к.т.н. Поросенков А.П., к.т.н., доц. Богомолов P.M., к.т.н., доц. Костенков Г.П., к.т.н. Юдин A.C. и многие другие.

Большой комплекс работ по повышению стойкости буровых долот, в частности их опорных элементов, а также вооружения выполнен в Российском научно-исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ), являющимся головным институтом по разработке и внедрению нефтепромыслового оборудования. Наибольший вклад в решение этих вопросов внесли такие ученые как Палий П.А., Мнацаканов A.B., Аго-шашвили Т.Г., Эйгелес P.M., Кораблев Г.А.

Крупной научной школой по исследованию и совершенствованию конструкций шарошечных долот, в частности их герметизации и смазки, является коллектив ученых Уфимского государственного нефтянного технического университета (УГНТУ) и среди них Спивак А.И., Мавлютов М.Р., Попов А.Н., Матвеев Ю.Г., Трушкин Б.Н.

Повышению качества отдельных узлов и систем шарошечных долот, применяемым материалам посвящены исследования ученых ГАНГ им.Губкина Жидовцева H.A., Кершенбаума В.Я., Бикбулатова И.К., Гинзбурга Э.С., чьи разработки в области конструкции долот, создания новых типов герметизации, материалов и смазок используются всеми производителями долот СНГ.

Большой вклад в решение вопроса повышения механической скорости бурения долотами, а также использование самого бурового инструмента с некоторой доработкой для обеспечения кальматации стенок скважины выполнен известным ученым,

академиком РАН Ганиевым Р.Ф. в научном центре РАН нелинейной и волновой механики.

Серьезные работы по совершенствованию бурового инструмента проводились и проводятся в таких коллективах, как ВНИИнефтемаш, ВНИИТС (твердые сплавы), ИПМ академии наук Украины (композиционные материалы) учеными Уманчиком Н.П., Ловчевым C.B., Линдо Г.В., Заболотным Л.В., Губаревым A.C., Любининым И.А.

Большой вклад также в повышение качества изготовления долот и совершенствование управления качеством на ОАО "Волгабурмаш" вносятся коллективом ученых Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.Королева под руководством д.т.н., проф. Барвинка В.А.

Значительную роль в разработку системы НТД на производство и эксплуатацию долот, а также в разработку методических основ по оценке технического уровня и постановке на серийное производство внесли ученые Госстандарта РФ Шильдин В.В., Израилович Д.С., а также иностранные ученые Galle Е.А., King G.R., Marphy D. и многие другие.

Актуальность работы

Научно-технический прогресс и современные требования к буровому породо-разрушающему инструменту создают потребность в создании новых конструкций шарошечных долот. Сложнейшая кинематика работы долота на забое скважины, громадные динамические нагрузки, которые претерпевает инструмент при разрушении горных пород самой различной твердости, вязкости и абразивности, делают долото одной из самых сложнейших высоконагруженных конструкций, работающих к тому же в условиях стесненности скважинного пространства, заполненного абразивной, чаще всего кор-розионно активной промывочной жидкостью, находящейся под действием высоких температур и большого статического и динамического давления от столба жидкости и высоких перепадов в гидравлических устройствах долота.

Непрерывный рост глубины эксплуатационных и разведочных скважин, а так же выход в труднодоступные районы бурения, тяжелейшая конкуренция, появившаяся между фирмами России, дальнего и ближнего Зарубежья, которая в настоящее время явилась огромной силой, подталкивающей к решению многих, даже неизвестных ранее задач, предъявляют повышенные требования к качеству и эффективности современного породоразрушающего инструмента. При этом первоочередной остается проблема создания высокоэффективных шарошечных долот, на которые приходится 90-97% объема бурения и основным производителем которых в Российской Федерации является АО "Волгабурмаш".

Создание новых, модернизация серийных долот, с управлением качеством изготовления на стадиях проектирования, изготовления и использования осуществляется в настоящее время, в основном по требованиям заказчика (ранее по комплексным научно-техническим программам, составленным плановыми органами и правительством).

Комплекс НИОКР и управление качеством изготовления продукции проводится по следующим основным направлениям:

- разработка высокоэффективного вооружения шарошек, созданного на основе изучения кинематики работы долота;

- создание новых типов и конструкций опор шарошек и вооружения, позволяющих выдерживать огромные статические и динамические нагрузки с применением новейших достижений материаловедения и технологий;

- разработка рациональных конструкций гидравлических устройств шарошечных долот.

Важным этапом работы является разработка и применение при изготовлении новых технологических решений, позволивших создать высокопрочные отдельные элементы долот.

Проведенный обзор теоретических и экспериментальных исследований позволил установить, что исследования по проблеме управления качеством изготовления долот проводились непоследовательно и носят локальный характер, т.е. не связаны с какой-то одной из многочисленных проблем, вследствие чего предпринятая в данной работе попытка разработки научно-технических основ по управлению качеством изготовления шарошечных долот повышенной работоспособности с исследованием и проработкой мероприятий по повышению качества продукции по всему жизненному циклу от разработки, изготовления и использования до утилизации как долот в целом, так и отдельных его элементов, является актуальной научно-технической проблемой и в конечном этапе значительно повысит технико-экономические показатели бурения разработанными в ходе проведения работы долотами.

Цель исследований

Разработка научно-технических основ по обеспечению качества изготовления шарошечных долот повышенной работоспособности на стадиях проектирования, изготовления и использования при бурении скважин.

Основные задачи работы

1. Разработка общей методологии и научно- прикладных положений при управлении качеством при создании, усовершенствовании буровых шарошечных долот и повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента.

2. Разработка Руководства по качеству и системы нормативно-технической и руководящей документации на производство и эксплуатацию породоразрушающего бурового инструмента, разработка системы ГОСТов, ОСТов, ТУ, СТП и др. документов на производство долот, материалов, комплектующих (сталей, сплавов, тв.сплавов и их составляющих, красок, смазок и др.)

3. Разработка научного подхода и методики компьютерного проектирования прогрессивных конструкций долот.

4. Разработка аналитической модели работы бурового долота на деформируемом забое и на ее основе усовершенствование его геометрии и построение алгоритмов вычисления критерия оценки работоспособности шарошечных долот с использованием ЭВМ. Разработка новых конструкций буровых шарошечных долот с твердосплавными и фрезерованными зубьями с оптимизацией геометрических параметров вооружения, учитывающего кинематику и динамику работы долот на забое.

5. Разработка принципиально новых в долотостроении технологических методов повышения качества изготовления долот, в частности применением высоких технологий повышения износостойкости трущихся поверхностей, совершенствования технологии термической обработки сталей, покрытий и твер