Алмазные долота. Основные типы и конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Общие сведения (буровые долота)

2. Алмазные долота, их конструктивные особенности и область применения

3. Изготовление алмазонесущей матрицы

4. Гибридная система буровых долот

Список литературы

1. Общие сведения (буровые долота)

Буровое долото - инструмент для механического разрушения горной породы на забое скважины в процессе ее проходки.

По назначению:

- для сплошного бурения

- для отбора керна (колонковые долота)

- специального назначения (для работы в уже пробуренной

скважины, для выполнения дополнительных работ (расширение

ствола скважины, разбуривание цементного камня))

По характеру взаимодействия бурового долота на горные породы:

- режуще-скалывающего действия (лопостные)

- дробяще-скалывающего действия (шарошечные)

- режуще-истирающего действия (алмазные)

Классификация Масленникова-Матвеева:

- вид (шарошечные/алмазные)

- разновидность (число шарошек/число лопастей)

- серия (технология изготовления)

- класс

- зубчатое вооружение

- штырьевое вооружение

- комбинационное вооружение (зуб+штырь)

- группа (ограниченность диапазона твердости)

- М - мягкие породы

- С - средние

- Т - твердые

- К - крепкие

- тип долота (абразивность и твердость горной породы)

- М; МЗ; МС; МСЗ; С; СЗ; СТ; Т; ТЗ; ТК; ТКЗ; К; ОК.

- модификация (конструкционная особенность: устройство опоры, пром. отв.)

- модель (OO долота)

- шифр долота (190,5МСЗ-ГНУ)

- Г - гидромониторные насадки

- Н - низкооборотный бур (В - высоко)

- У - герметизированная маслонаполненная опора

Классификация импортных долот по МАБП(IADC)

- серия (1-8) - тип (1-4) - тип опоры (1-7) - конструкционная особенность (A-Z)

2. Алмазные долота, их конструктивные особенности и область применения

Алмазные долота применяются при бурении неабразивных пород различной твердости, залегающих на глубинах >3000м

Преимущество:

- увеличение проходки в кратное число раз

Недостатки:

- снижается VМЕХ проходки

Алмазы:

- природные/синтетические

h<(0.25-0.3)d

n~400[об/мин]

Типы долот:

- с поверхностным расположением алмазов

- импрегированные (алмазы размещены в поверхностном слое матрицы до 8мм)

Типы по конструкционным особенностям:

- ДР - с радиальным расположением каналов, с биконической

наружной поверхностью

- ДК - с напорными каналами и тораидальными выступами

- *C - с синтетическими алмазами

- *И - с импрегированным расположением алмазов

- ДЛ - лопастные долота

- ДВ - торцевое долото для зарезки нового ствола, с

внутренним конусом

- ДИ - импрегированное долото с заостренным лопастным

торцом

- ДУ - универсальное

Обозначение алмазных долот:

- ДК-188М 6

Они состоят из стального корпуса и алмазонесущей головки, выполненной из порошкообразной твердосплавной шихты. Центральная часть долота представляет собой вогнутую поверхность в форме конуса с каналами для промывочной жидкости, а периферийная зона - шаровую поверхность, переходящую на боковых сторонах в цилиндрическую.

Рис.1: 1 - корпус; 2 - матрица; 3 - алмазные зерна.

Основная особенность алмазных долот - наличие в них алмазных режущих элементов, т.е. алмазов (природных или синтетических) той или иной величины (крупности). В буровых долотах обычно используют наименее ценную разновидность природного алмаза, именуемой карбонадо (абразивные технические алмазы), или черным алмазом, которые характеризуются меньшей твердостью, но значительно большей вязкостью, что в условиях бурения чрезвычайно важно.

Технические показатели алмазных долот во многом зависят от качества и размеров алмазов. алмазный долото забой скважина

Алмазные долото буровое (и бурильные головки) состоят из твердосплавной алмазонесущей рабочей части (матрицы) и стального корпуса с внутренней присоединительной конусной замковой резьбой. Долота отличаются друг от друга формой рабочей части, качеством алмазов и системой промывки. Матрицы этих долот изготавливаются методом порошковой металлургии из различных металлических порошков. Эти порошки обеспечивают хорошее удержание алмазов и позволяют получать матрицы различной твёрдости и износостойкости. Матрица на основе вольфрама, его карбида и меди обеспечивает достаточную прочность, износостойкость и высокую теплопроводность матричного материала. Для изготовления долота (бурильных головок) применяются технические алмазы массой 0,05-0,34 кар (на долото буровое диаметром 188 мм расходуется 400-650 кар, или 2000-2500 зёрен алмазов). Алмазное долото целесообразно применять при больших (свыше 3000 м) глубинах скважин. Как правило, стойкость алмазного долота буровое в 20-30 раз превышает стойкость шарошечного.

Алмазные долота бывают трех типов: спиральные, радиальные и ступенчатые. В спиральных алмазных долотах рабочая часть имеет спирали, оснащенные алмазами и промывочные отверстия. Долота этого типа предназначены для турбинного бурения малоабразивных и среднеабразивных пород. Радиальные алмазные долота имеют рабочую поверхность в виде радиальных выступов в форме сектора, оснащенных алмазами; между ними размещены промывочные каналы. Ступенчатые алмазные долота имеют рабочую поверхность ступенчатой формы.

Технические показатели алмазных долот во многом зависят от качества и размеров алмазов. Качество определяют группой и категорией, а размер - числом камней на 1 кар (0,2 г). Работоспособность алмазного долота в наибольшей степени, чем инструмента любого другого вида, зависит от чистоты ствола и забоя и качества промывки. При наличии металла или твердого сплава (даже в малом количестве), или крупных обломков крепких пород на забое происходит образование выбоин, выкрашивание или раскалывание алмазов и быстрое разрушение долота. При недостатке бурового раствора наблюдается перегревание и растрескивание (прижог) алмазов. Это значительно осложняет бурение алмазными долотами. Другая, еще более важная специфическая особенность алмазных долот - их дороговизна и дефицит из-за недостатка алмазов, обладающих высокими техническими свойствами (прочностью, вязкостью, достаточной твердостью, сопротивлением ударам и т.п.). Применение алмазных долот обеспечивает высокие скорости бурения, снижение кривизны скважин. Отсутствие опор качения и высокая износостойкость алмазов повышают их срок службы до 200...250 ч непрерывной работы. Благодаря этому сокращается число спускоподъемных операций. Одним алмазным долотом можно пробурить столько же, сколько 3...5 шарошечными долотами.

При бурении твердых, крепких и абразивных пород износ матрицы интенсивнее, поэтому во избежание излишнего обнажения алмазов матрица у долот для таких пород должна быть наиболее износостойкой. В породах мягких и средних матрица изнашивается мало, вследствие чего в долотах, предназначенных для бурения этих пород, используется не слишком износостойкий материал для матрицы.

Некоторыми специалистами выделяются и другие, преимущественно комбинированные разновидности.

По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойное и многослойное, т.е. с импрегнированными алмазами. Однослойные долота получают при однослойной укладке относительно крупных алмазов в графитовую пресс-форму, что приводит к их распределению в определенном порядке на поверхности матрицы, а импрегнированные - при равномерном перемешивании алмазов (как правило, мелких и невысокого качества) с частицами карбида вольфрама и другими компонентами матрицы перед спеканием долота.

В целом алмазные долота характеризуются монолитной конструкцией. В России выпускают четыре разновидности алмазных долот: однослойные ступенчатые и радиальные, импрегнированные радиальные и ступенчатые. Долота всех разновидностей изготовляют обоих классов, т.е. с природными и синтетическими алмазами.

Твердосплавные долота отличаются от алмазных тем, что вместо алмазов они армированы сверхтвердыми сплавами.

Работоспособность алмазного долота в наибольшей степени, чем инструмента любого вида, зависит от чистоты ствола и забоя и качества промывки. При наличии металла или твердого сплава (даже в малом количестве) или крупных обломков крепких пород на забое происходит образование выбоин, выкрашивание или раскалывание алмазов и быстрое разрушение долота.

Природные и синтетические алмазы размещают в специальной матрице (обычно медно-твердосплавной), составляющей единое целое с нижней частью стального полого цилиндрического корпуса долота.

При бурении твердых, крепких и абразивных пород износ матрицы интенсивнее, поэтому во избежание излишнего обнажения алмазов матрица у долот для твердых абразивных пород должна быть наиболее износостойкой.

По форме и направлению пазов, канавок, рабочих органов и всей рабочей части выделяют три разновидности алмазного долота: радиальную (рис. 2, а), ступенчатую (рис. 2, б) и спиральную (рис. 2, в). Выделяются также и другие, преимущественно комбинированные разновидности.

По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойную (рис. 2, а-в) и многослойную (рис. 2, г), т.е. с импрегнированными алмазами. Однослойные долота получают при однослойной укладке относительно крупных алмазов в графитовую пресс-форму, что приводит к их распределению в определенном порядке на поверхности матрицы, а импрегнированные - при равномерном перемешивании алмазов (как правило, мелких и невысокого качества) с частицами карбида вольфрама и другими компонентами матрицы перед спеканием долота.

Рис. 2. Разновидности алмазных долот: а - однослойное радиальное биконическое долото МЗ 11; б - ступенчатое; в - спиральное ТВ 573; г - импрегнированное ТВ 54

Размеры алмазных долот по номинальному диаметру несколько уменьшены (обычно на 2 мм) относительно соответствующих значений нормального ряда долот других видов (лопастных, шарошечных и др.) во избежание преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины.

При маркировке алмазных долот впереди их шифра наносят условный индекс предприятия-изготовителя. Московскому комбинату твердых сплавов присвоена в качестве условного индекса буква М, а ВНИИБТ - Н. За шифром указывают также заводской номер и год изготовления данного долота.

Алмазные долота предназначены для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твёрдых.

Алмазное долото состоит из стального корпуса с присоединительной замковой резьбой и фасонной алмазонесущей головки (матрицы) . Матрица разделена на секторы радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия.

3. Изготовление алмазонесущей матрицы

Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. При однослойном размещении алмазов применяют алмазы в 0,05-0,4 карата (карат - единица измерения массы алмазов: 1 карат равен примерно 4,5 мм). Диаметр кристалла сферической формы в 1 карат равен примерно 4,5 мм. Для бурения в твердых породах изготовляют долота с объемным размещением мелких (менее 0,02 карата) кристаллов алмаза в матрице (импрегнированные алмазные долота). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей поверхностью матрицы составляет 0,1-0,25 их диаметра.

Основными достоинствами алмазных долот являются хорошая центрируемость их на забое и формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).

Существенные недостатки алмазных долот - это крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная механическая скорость не превышает 3 м/ч), узкая область применения (исключаются абразивные породы), а также повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины и промывке скважины в процессе бурения.

Долота оснащены PCD элементами круглой формы и диаметров 8, 11 и 13 мм согласно типу инструмента.

Предназначены:

· для анкерных креплений,

· бурения скважин для взрывных работ,

· иньекцирования,

· бурения нагнетательных скважин,

· дегазации и других целей.

Правильный подбор буровых долот для соответствующей горной породы, соблюдение техники бурения и качественной промывки скважин позволяет добиться высокой скорости бурения с минимальными потерями бурового инструмента. Например: при бурении твердых и глубоких пород лучше подходят шарошечные или алмазные долота.

Интенсивное развитие промышленного и разведочного бурения в настоящее время связано с использованием различного оборудования и инструментов. Применение тех или иных технических средств или технологических мероприятий в конкретных геологических условиях, часто резко различающихся по физико-механическим свойствам пород, обусловливает сложность выбора буровых долот. Поэтому при бурении скважин следует строго соблюдать технику бурения и учитывать особенности типа бурового долота. При несоблюдении техники могут возникнуть осложнения в виде разрушений бурового долота, перегреве, смещения осей шарошечных долот, и вследствие этого, быстрое изнашивание инструмента и проведение дополнительных операций по извлечению поврежденного оборудования из скважины.

В настоящее время разрабатываются новые виды долот (например: гибридные). С использованием современных технологий производства удается получить долота с высоким сроком службы, большой проходкой и скоростью работы, что позволяет уменьшать энергозатраты на процесс бурения скважин, а также эффективно проводить сверхглубокие и горизонтальные скважины.

Теперь поговорим о гибридных долотах.

4. Гибридная система буровых долот

Технология, позволяющая добиться максимальной производительности при бурении твердой горной породы

В центральной и юго-западной части штата Оклахома расположено большое количество буровых установок. Однако этот идиллический ландшафт скрывает под собой прочную горную породу. Твердая абразивная порода, состоящая из сланцевой глины, песка, эрозионного гранита, плотного песчаного пропластка, известняка и ангидритов бросает вызов самым передовым технологиям бурения. Однако эта задача была успешно решена специалистами компании Hughes Christensen, которые разработали уникальную гибридную буровую технологию Kymera™, обладающую улучшенными буровыми характеристиками для работы в неоднородной породе.

Специализированная гибридная система буровых долот

Первые попытки создания гибридных буровых установок предпринимались уже в 30-х годах прошлого века, однако полностью реализовать данную конструкцию удалось только с появлением поликристаллических алмазных долот (PDC). Это новое поколение гибридных буровых долот основывается на проверенной технологии производства долот PDC с применением режущих шарошек, расположенных на поверхности бурового долота.

Гибридная система буровых долот Kymera способна проводить бурение сланцевой глины и других пород, обладающих высокими пластическими характеристиками, в 2-4 раза быстрее и эффективнее по сравнению с шарошечным коническим долотом. Совместное использование PDC для бурения мягких пород и долот с коническими шарошками для твердых пород в бурильной установке Kymera позволило достичь более высоких механических скоростей бурения (МСБ), по сравнению с раздельной работой этих агрегатов. Комбинированное применение алмазного бурения и дробления породы при помощи конических шарошек позволяет данной установке справляться даже с трудной сцементированной обломочной горной породой (конгломератом). Шарошки улучшают динамические характеристики долота, за счет уменьшения его крутильных колебаний, а алмазные резцы позволяют получить ровные стенки скважины, что в свою очередь, позволит избежать подскакивания долота на забое.

По сравнению с обычными типами алмазных долот PDC, уровень крутильных колебаний в системе буровых долот Kymera на 50 процентов меньше; и прерывистое скольжение возникает только при низких оборотах вращения долота; также снижены вихреобразные возмущения пыли при высоких оборотах вращения долота.

Гибридная буровая установка Kymera предназначена для:

· бурения породы с помощью стандартных шарошечных конических долот, ограниченных по МСБ; пробивания горной породы с использованием алмазных долот большого диаметра и шарошечных конических долот,

· ограниченных по крутящему моменту и осевой нагрузке; для работы в условиях перемежающихся слоев породы, в которых высокомоментные колебания могут привести к преждевременному отказу рабочего оборудования; а также бурения электробуром и/или для вертикального

· бурения, соблюдая высокие МСБ, повышенную производительность требуемое положение торца долота.

Список литературы

1. Буровой породоразрушающий инструмент. Кершенбаум В.Я., Торгашов А.В. (2003г.)

2. Технология бурения нефтяных и газовых скважин (ред. коллегия Уфимского нефтяного института)

3. Журнал Baker Hughes (том 1, номер 1, 2010г.)

Размещено на Allbest.ru