Породоразрушающий инструмент

Породоразрушающий инструмент предназначен для передачи энергии горной породе с целью  ее разрушения. Эффективность разрушения породы зависит от ее механических свойств и характера воздействия  породоразрушающего инструмента.  

     При бурении нефтяных и газовых скважин используются следующие виды породоразрушающего инструмента:

     Буровые долота для бурения скважины сплошным забоем;

     Бурильные головки для бурения скважин  кольцевым забоем;

     Расширители для расширения  ствола скважины;

     Калибраторы, стабилизаторы,  центраторы для выравнивания  стенок скважины  и  центрирования  бурильной  колонны.

     Стойкость  долота  определяется  временем, в течение которого  долото изнашивается  до  предельного  состояния,  когда  его  дальнейшее  применение  недопустимо  или  нецелесообразно. Стойкость  долота  измеряется  в часах  и зависит  от таких же факторов,  как износ. На износ и, следовательно, на стойкость  долота  наибольшее  влияние  оказывают  частота вращения долота, осевая нагрузка, подача и качество промывочного раствора,  определяющие  режим бурения в заданных геологотехнических  условиях.

     Важные  показания  работы  долота – проходка на долото  и механическая  скорость  бурения.  Увелечение  проходки  на  долото  способствует  уменьшению  объема  спуско-подъемных  операций  за  период  бурения  скважины.  При  повышении  механической  скорости  бурения  сокращается  занятость  буровых  насосов,  вертлюга  и  ротора  в  строительстве  скважины.  В  результате  этого  снижаются  энеггетические  затраты  и  расход  быстроизнашиваемых  узлов  и  деталей  подъемного  механизма  и  оборудования  циркуляционной  системы  буровых  комплексов.     

Классификация породоразрушающего инструмента

По превалирующему механизму разрушения горной породы:

режущего  и режуще-скалывающего действия,

скалывающего  и дробяще-скалывающего,

дробящего;

истирающего действия.

По назначению:

инструмент  для сплошного бурения (бурение без отбора керна). Разрушает горную породу по всему забою и предназначен для проходки ствола скважины. Инструмент, принадлежащий к этой группе, обычно называют долотом;

инструмент  для бурения с отбором керна (колонковое бурение). Горная порода разрушается по кольцевому забою. В осевой части забоя формируется керн - целик породы в виде колонки, который извлекают на поверхность. В зависимости от конструктивных особенностей различают коронки и бурильные головки;

инструмент (долота) специального назначения. Применяют для разбуривания цементных стаканов в обсадных колоннах, искривления скважин, разрушения попавших на забой посторонних металлических предметов, расширения ствола скважины и выполнения различных вспомогательных работ.

По конструкции:

опорный (шарошечный). Имеет опору, на которой закреплена шарошка, независимо вращающаяся во время вращения долота по забою. Опора может быть герметизированной (современные конструкции долот) и негерметизированной. Шарошка имеет породоразрушающие элементы - зубья (литые, кованные или фрезерованные) или твердые зубки (штыри). Шарошек может быть несколько, как правило, три.

безопорный. Имеет лопасти или матрицу, составляющие с корпусом одно целое (лопастной, истирающе-режущий, алмазный инструмент). На лопастях или матрице закреплены породоразрушающие элементы.

По конструкции  системы промывки:

с центральной  промывкой;

с периферийной промывкой, в том числе гидромониторной. 

Долота

Долота  лопастные

Лопастное долото в качестве рабочего элемента имеет лопасти, которые изготовляют  либо с корпусом, либо приваривают  к корпусу.

Лопастные долота относятся к инструменту  режущего или режуще-скалывающего действия. Они предназначены для бурения в породах мягких и отчасти средней твердости.

Производят  двух- и трехлопастные долота: двухлопастные диаметрами от 76,0 до 165,1 мм и трехлопастные – от 120,6 до 469,9 мм. Простейшим по конструкции является двухлопастное долото. Оно состоит из корпуса и двух лопастей, в головке корпуса имеется присоединительная резьба, а в нижней части ближе к лопасти расположены каналы для подачи промывочной жидкости к забою. У гидромониторных долот в каналах устанавливают насадки для формирования высокоскоростной струи промывочной жидкости.

На эффективность  работы долота наиболее существенное влияние оказывают профиль лопасти  долота и правильный подбор его конструкции  по свойствам проходимых горных пород.

 
Рис. 4. Лопастные долота: а - двухлопастное; б - трёхлопастное; в - пикообразное; г - шнековое; 1 -корпус; 2 - лопасть долота; 3 - промывочные каналы; 4 - армировка долот.  

Долота  истирающе-режущие (ДИР)

Истирающе-режущие долота относятся к лопастным, но отличаются наличием разновысоких лопастей, армированных мелкими твердосплавными резцами.

Такое долото формирует ступенчатый забой  и в зависимости от свойств  проходимых пород может работать как режущее долото - по всей длине лопасти снимать слой с забоя, или как истирающее - каждый мелкий резец обособленно взаимодействует с забоем и скалывает очень мелкие частицы горной породы. 

Долота  шарошечные

 
Рис. 1. Шарошечные долота: а - трёхшарошечное; б - одношарошечное; 1 - наружная конусная присоединительная резьба (ниппель); 2 - секция (лапа) долота; 3 - шарошки; 4 - опора долота; 5 - зубья шарошек.  

Рис. 1. Трехшарошечное долото: 1 – корпус; 2 – лапа; 3 – промывочная плита;4 – палец; 5 – фиксирующий штифт; 6 – ролик; 7 – шарик; 8 – шарошка

Шарошечным  долотом называется породоразрушающий  инструмент, у которого основным рабочим  органом является шарошка. Наиболее распространены трехшарошечные долота; одно- и двухшарошечные долота производят в ограниченном количестве.  

Рис. 1. Трехшарошечное долото: 1 – корпус; 2 – лапа; 3 – промывочная плита;4 – палец; 5 – фиксирующий штифт; 6 – ролик; 7 – шарик; 8 – шарошка 

Каждая  шарошка снабжена множеством породоразрушающих  элементов, которые располагаются  венцами. Вращение корпуса преобразуется  во вращательное движение шарошек вокруг их оси. В результате происходит поражение забоя породоразрушающими элементами, периодически вступающими с ним в контакт. Венцы соседних шарошек расположены таким образом, что разрушают породу по всей поверхности забоя.

Применяют два способа оснащения шарошек породоразрушающими элементами:

· фрезерование зубьев из тела шарошки с последующей наплавкой твердого сплава;

· установка твердосплавных зубков (штырей) в гнезда методом холодного прессования.

Изготавливают шарошечные долота 39 номинальных диаметров – от 46 до 508 мм.

Долота  алмазные

Алмазное  долото – это разновидность породоразрушающего инструмента, у которого в качестве породоразрушающих элементов используются алмазные зерна. Алмазные долота оснащаются в основном достаточно крупными алмазами – от 2 до 15 зерен/кар. Размер зерен подбирают в зависимости от твердости пород и места размещения алмазов на рабочей поверхности долота. С повышением твердости пород размер зерен уменьшают.

Конструктивно состоит из корпуса с присоединительной  резьбой и твердой матрицы с алмазными зернами. Матрицу изготовляют из сплава кобальта, никеля, вольфрама, карбида вольфрама, алюминия, меди. Состав сплава подбирают таким образом, чтобы выдерживалась определенная твердость материала, которая обеспечивала бы постепенный износ матрицы при работе долота и обнажение алмазных зерен для работы.

Тип алмазного  долота определяется формой торцовой части (спиральная, радиальная, ступенчатая  с торовидными выступами) и конструкцией промывочных каналов. Форма рабочей  поверхности алмазного долота зависит от условий бурения.

К алмазным долотам могут быть отнесены долота типа ИСМ, созданные на базе сверхтвердого  материала “славутич”. Представляют собой твердосплавную матрицу, насыщенную очень мелкими синтетическими алмазами.

Алмазные  долота типа АТП оснащены алмазно-твердосплавной пластиной.

Размер  алмазов определяет тип буримой  породы. Для бурения мягких пород  используют крупные алмазы, а для  твердых небольшие, так как они  не могут вдавливаться глубоко.

Большинство алмазных долот изготовляют для  колонкового бурения, так как  долота типа PDC менее дороги и имеют  высокие производственные показатели. В алмазном колонковом долоте выполнено  центральное отверстие, соответствующее  диаметру керна. При колонковом бурении КНБК. Включает алмазное колонковое долото, грунтоноску, УБТ и бурильную колонну до поверхности..

Рис 4.16 Алмазные до лота с различными профилями  конусов.

КЛАССИФИКАЦИЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ

Конструкции долот с фрезерованными зубцами  или штыревые долота могут быть изготовлены при различных сочетаниях диаметра, форм и типа зубцов, величины смещения, типа подшипника и механизма смазки. Существует несколько фирм-изготовителей долот, которые выпускают собственные модификации конструкций долот. Таким образом, для одного типа пород имеется несколько конструкций долот различных изготовителей.

Международная ассоциация буровых подрядчиков (IADC, или МАБП) в 1972 г. разработала сравнительную  классификацию для различных  типов долот. Основные положения  этой классификации приведены в табл. 4.1, в которой каждое долото обозначается с помощью трех индексов.

Первый  индекс (или цифра) определяет классификацию  серии, которая относится к вооружению долота. Для долот с фрезерованными зубцами первый шифр имеет цифры  от 1 до 3, который характеризует породу — мягкая, средняя и твердая соответственно.

Мягкие  породы (цифра 1) требуют длинных, тонких зубцов с большим шагом между  ними для эффективного бурения. Средние  породы (цифра 2) требуют коротких зубцов с меньшим шагом между ними, чтобы выдерживать высокие контактные нагрузки.

Твердые породы (цифра 3) требуют очень коротких зубцов с малым шагом для максимального  срока службы долота и эффективного бурения.

Для штыревых долот первый индекс — цифры 5—8. Эти цифры соответствуют увеличению твердости породы (см. табл. 4.1).

Второй  индекс относится к классу твердости  горной породы в пределах каждой группы и имеет номера от 1 до 4. Эти номера соответствуют твердости пород  от самых мягких до самых твердых  в пределах каждой серии.

Третий  индекс (от 1 до 9) определяет механические особенности [2] долота, например, опоры герметизированные и негерметизированные. 

Породоразрушающий инструмент для отбора керна

Колонковое  бурение имеет целью получение  из скважины образцов горных пород (керн). Керн формируется на забое скважины в процессе ее углубления с помощью породоразрушающего инструмента, который разрушает горную породу лишь по кольцевому забою и оставляет в центре нетронутый целик породы (колонку). При этом должно обеспечиваться не только эффективное разрушение породы на забое, но и сохранность керна при его формировании и поступлении в керноприемную трубу.

Отбор керна возможен при всех способах бурения. Применяют коронки и бурильные головки. Буровая коронка представляет собой кольцо с присоединительной резьбой, у которого резцы располагаются на нижнем торце и боковых поверхностях. В глубоком бурении они практически не используются.

При бурении  скважин на нефть и газ используют колонковые наборы, состоящие из бурильной  головки, корпуса и керноприемной трубы.