Применение буровых долот, оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК: 550.822

Иркутский государственный технический университет

Применение буровых долот, оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами (АТП)

Б.Б. Дашижапов

Одним из важных путей сокращения сроков строительства нефтяных и газовых скважин, снижения стоимости проходки и ускорения создания производственных мощностей для обеспечения топливно-энергетической базы является увеличение механической скорости проходки и проходки на долото. долото алмазный твердосплавный поликристалл

Большую роль в повышении эффективности работы долота играет конструкция его промывочной системы, которая, как и гидравлическая программа, связана с проблемой очистки забоя и долота от выбуренной породы. Кроме этих двух факторов, существуют еще и другие, которые способствуют повышению показателей работы долот (прочность и износостойкость породоразрушающих элементов, снижение дифференциального давления в скважине, уменьшение концентрации твердой фазы в буровом растворе и пр.).

Необходима разработка такого долота (в комплексе с забойным двигателем, телеметрической системой и технологическими приемами), которое позволило бы быстро и эффективно бурить весь участок ствола под обсадную колонну определенного диаметра без смены долота.

При модернизации широко применяемых ныне шарошечных долот и технологии бурения уже не достигается должный рост основных технико-экономических показателей буровых работ, поэтому при строительстве нефтяных и газовых скважин началось применение новых типов долот и коронок АТП (долота и коронки, оснащенные алмазно-твердосплавными пластинами).

В настоящее время достаточно широко внедряется (отличный от применяемого ныне) новый технологический прием разрушения горных пород (резание вместо дробления и истирания) за счет использования совершенных сверхпрочных и сверхстойких по износу синтетических материалов. Объем их внедрения неуклонно растет.

При бурении новыми долотами АТП режущего типа обеспечиваются большие механическая скорость проходки и проходка на долото по сравнению с алмазными и трехшарошечными долотами при меньших энергетических затратах. Это обусловлено тем, что разрушение горных пород осуществляется путем резания (рис. 1), которое более эффективно, чем вдавливание (шарошечное долото) и истирание-измельчение (алмазное долото).

Создание шарошечных долот для высокооборотного бурения пока не увенчалось успехом, а использование долот АТП с турбобурами и винтовыми забойными двигателями оказалось очень эффективным.

Конструктивные особенности долот АТП. Современные долота с фиксированными резцами являются «наследниками» лопастных и колонковых долот с природными алмазами. Есть два типа долот с фиксированными резцами: стальные и с матрицей. Эти долота, классифицированные как долота, армированные природными алмазами, синтетическими поликристаллическими алмазами, гибридные долота и долота с импрегнированными алмазами не имеют движущихся деталей или подшипников, а только лопасти (см. рис. 1).

Рис. 1. Механика разрушения горных пород различными долотами

Рассмотрение конструкции долот АТП следует начать с поликристаллических алмазных режущих элементов. Режущий элемент представляет собой слой поликристаллических алмазов на карбидовольфрамовой подложке, изготовленной за одно целое. Готовый элемент имеет такую же твердость и стойкость к абразивному износу, как и алмаз, и в то же время сохраняет структурную прочность карбида-вольфрама.

Природные алмазы образуются глубоко в земле в условиях интенсивного тепла и экстремального давления в течение тысяч лет. В начале семидесятых годов прошлого столетия компания «Дженерал Электрик» разработала процесс спекания для получения синтетических алмазов. Тонкие круглые слои перемежающихся слоев углеродного графита и кобальта размещают в небольших формах и прессуют при давлении 2 млн psi [13 733 МПа], после чего следует нагрев до 2732 °F [1500 °С] в течение 5 минут. Расплавленный кобальт, действующий в качестве катализатора и растворителя, растворяет графит и откладывает монокристаллические алмазные зерна, которые образуют конгломераты и сцепляются вместе, образуя слой поликристаллического алмаза, или пластину. Отдельные кристаллы, как и природные кристаллы, отделяются при воздействии ударной нагрузки в определенном направлении, но сцепленные поликристаллические алмазы не имеют плоскостей кливажа и они более устойчивы к ударам.

Толщина алмазного слоя составляет 0,635 мм при толщине диска 2,92-7,37 мм. Диски припаивают к державкам цилиндрической формы, которые вмонтированы в корпус долота, или державки впаивают в гнезда, выполненные в матрице долота (рис. 2).

Имея поликристаллическую структуру, АТП отличаются от природных алмазов однородностью свойств по всем направлениям, что препятствует образованию трещин. Тонкий алмазный слой состоит из многочисленных мелких кристаллов расположенных хаотично, что обеспечивает высокую ударную прочность и износостойкость диска. Благодаря поликристаллической структуре алмазного слоя и отсутствию плоскостей спайности при износе дисков постоянно возобновляются острые кромки, которые эффективно срезают породу.

Рис. 2. Крепление резцов на удлиненной основе: 1 - режущий элемент; 2 - твердый припой; 3 - цилиндр из карбида вольфрама со скосом 30є с обеих сторон (а); фаской 15єх1,27 мм (б)

Происходит непрерывное микроотслаивание на поверхности поликристаллов, в результате чего режущая кромка постоянно поддерживается в рабочем состоянии. За счет этого поддерживается высокая механическая скорость проходки в течение всего периода работы долота. Высокая износостойкость АТП в сочетании с отсутствием движущих элементов способствует длительной работе породоразрушающего инструмента на забое.

Другим преимуществом является сравнительно большой размер режущей кромки, что расширяет возможности конструирования долот (размещение резцов, углы наклона, число резцов и т.д.). В различных долотах режущие элементы над матрицей (корпусом) выступают на различную высоту (полностью или частично) в зависимости от назначения каждого резца и долота.

Классификация долот АТП. Долота АТП классифицируются в зависимости от формы, назначения и других особенностей. Они выпускаются бесконусными, короткоконусными, длинноконусными, сферическими. Конструкция бесконусного долота предназначена для роторного бурения в породах средней твердости. Короткоконусные долота используются совместно с забойными двигателями (в том числе с турбобурами), а также при бурении роторным способом в мягких и средней твердости горных породах.

Корпус долота выполнен из монолитного куска хромомолибденовой стали, подвергнутой термообработке. Обычно корпус долота покрывают карбидо-вольфрамовым слоем, чтобы увеличить сопротивляемость его эрозийному и абразивному износу от воздействия струи бурового раствора и горных пород.

Расположение резцов на долоте определяется с помощью компьютерной программы, устанавливающей равенство объемов разрушаемой породы в расчете на каждый резец. Кажущееся внешне произвольным расположение резцов обусловлено выбором их профилей в целях уравновешивания крутящего момента и износа поверхностей долота.

Благодаря эксплуатационной характеристике нового долота, при которой для эффективного разрушения пород требуется меньшая осевая нагрузка, можно получать вертикальный ствол скважины при более высокой механической скорости проходки, чем в случаях применения традиционных шарошечных долот. Долото нового типа при надлежащей стабилизации низа бурильной колонны было использовано для уменьшения зенитного угла скважины в интервалах, характеризующихся сильным отклонением ствола от вертикали. Имеются также данные, свидетельствующие, что бурение этим долотом наклонно направленных скважин можно поддерживать заданный зенитный угол. При этом долото позволяет выполнять отклонения в разные направления.

Промывочная система. Гидравлическая программа имеет особое значение для обеспечения соответствующих показателей работы долот АТП. Долота АТП оснащаются сменными гидромониторными насадками. Число и расположение насадок подбирают из расчета на обеспечение максимального гидравлического эффекта при движении потока раствора от центральной части долота к периферии, в основном, по спирали. Такая конструкция долота и подведение необходимой гидравлической мощности способствуют очистке резцов и забоя скважины от выбуренной породы, улучшают охлаждение и смазку резцов.

Отличительной особенностью некоторых конструкции долот АТП является использование в нем нового устройства ограничения перекрестного потока бурового раствора. Три отражателя, расположенных на торцовой поверхности долота, направляют потоки раствора для охлаждения и очистки резцов. В мягких породах эти отражатели способствуют более эффективной очистке забоя скважины от шлама, предотвращают создание чрезмерного крутящего момента, предохраняют резцы от повреждений. Отражатели принимают на себя основной удар от потока раствора, оказывающего эрозионное воздействие, что предохраняет наиболее подверженные эрозии поверхности вокруг насадок и у оснований вставных алмазных резцов.

Выборочное ограничение потоков бурового раствора у торцовой поверхности долота достигается соответствующей расстановкой вставных алмазных резцов на долоте. Создается принудительное движение потока раствора по профилю резцов и вокруг остальных возвышающихся участков головки долота - отражателей, основная функция которых заключается в направлении потоков бурового раствора.

Скорость потока бурового раствора, принудительно направляемого в пространстве между породой на забое и рабочей поверхностью долота, снижается по мере радиального движения к выходу, поскольку увеличивается площадь поперечного сечения этого пространства. Отражатели данной конфигурации используются для разделения головки долота на три сектора и создания каналов с поперечным сечением, достаточным для потока бурового раствора в центральной части головки. Высота отражателей является функцией ожидаемой механической скорости проходки, обеспечивающей минимально допустимый зазор между головкой долота и породой. Поскольку отражатели изготовлены из менее прочного материала, чем остальной корпус долота, и не имеют защитного покрытия, в результате абразивного воздействия высота их по отношению к расстоянию до забоя и вылету резцов соответственно изменяется.

В настоящее время разрабатываются новые усовершенствованные образцы долот данного типа, в которых предполагается более полезно использовать указанное явление. Отражатели могут служить своего рода «тормозами безопасности», ограничивающими значение механической скорости проходки при чрезмерно высокой осевой нагрузке на долото и предотвращающими повреждения вставных алмазных резцов вследствие перегрузок.

Большинство долот АТП могут успешно применяться с буровыми растворами на водной и нефтяной основе. При использовании растворов на нефтяной основе минимально необходимая гидравлическая мощность, подводимая к долоту, ниже, чем при использовании растворов на водной основе.

Одним из важных преимуществ долот АТП режущего типа является то, что изменение плотности бурового раствора не влияет на механическую скорость проходки. Иными словами, повышение дифференциального давления не приводит к снижению механической скорости проходки в особенности при использовании растворов на нефтяной основе.

Технология бурения скважин долотами АТП. Одним из путей снижения стоимости строительства скважин является правильный выбор гаммы долот. Новая технология изготовления АТП и детальный анализ результатов их отработки, проведенный с помощью компьютерных программ, позволяют легко выбрать необходимый тип долота в зависимости от физико-механических свойств проходимых пород и тем самым значительно повысить эффективность их работы.

Специалисты многих фирм выбирают долота с учетом твердости и абразивности горных пород, геометрии ствола скважины, способа бурения, типа бурового раствора. Имея методическое руководство, можно быстро сориентироваться в выборе типа долот, зная типы пород и их характеристики, а также проводя сопоставление с широко используемыми типами шарошечных долот.

Имеются долота для роторных управляемых систем, с помощью которых бурят горизонтальные скважины и скважины с большим отходом от вертикали. Технология Push-the-bit, например, роторная управляемая система Power Drive контролирует изменение траектории при наклонно-направленном бурении с поверхности при роторном бурении. Вместо применения управляемого двигателя для отклонения или направления долота, нагрузка, создаваемая инструментом, отклоняет долото в нужном направлении. Независимо от крутящего момента траектория долота контролируется забойными клапанами и башмаками. Эти системы характеризуются меньшими значениями затяжек, они более эффективно передают вес на долото и обеспечивают более высокие механические скорости бурения. Непрерывное вращение труб улучшает очистку скважины и снижает извилистость ствола скважины, что означает меньшую необходимость в проработке ствола и меньшую стоимость использования буровой установки. Роторные управляемые системы позволяют использовать агрессивные долота и обеспечивают возможность оптимизации долот.

Специфические особенности долот с синтетическими поликристаллическими алмазами позволяют свести к максимуму характеристики роторной управляемой системы. Долота для этих систем требуют применения малых коэффициентов удлинения и активного калибрующего венца или агрессивного режущего вооружения на калибрующим

Стандартные долота с синтетическими поликристаллическими алмазами не обладают значительной способностью для бокового резания. Традиционные элементы защиты калибра в виде карбид-вольфрамовых вставок или вставок с импрегнированными алмазами, теплоустойчивых поликристаллических пластинок и предварительно уплощенных резцов с синтетическими поликристаллическими алмазами используют только для сохранения диаметра долота и для бурения скважин полным номинальным диаметром. Концепция активного калибрующего венца, впервые разработанная для использования на Северном море, предусматривает наличие резцов с синтетическими поликристаллическими алмазами по всему диаметру с гибридными карбид-вольфрамовыми резцами округлой формы, расположенными непосредственно за ними для защиты, и использование уменьшенного диаметра калибрующего вооружения без защиты с помощью вставок для увеличения степени обнажения резцов.

Высокая плотность резцов калибрующего вооружения и малые углы обратного наклона на активном калибрующем венце обеспечивают агрессивную способность бокового резания и улучшают управляемость в отношении изменения траектории скважины. Точки контактов активного калибрующего венца, т. е. резцы и гибридные резцы, снижают трение калибрующего вооружения, его затяжки и крутящий момент долота. Меньшие диаметры калибрующего вооружения улучшают действие потока промывочной жидкости вокруг долота, что способствует охлаждению и очистке калибрующего вооружения и резцов. Активный калибрующий венец используют как в стальных, так и в матричных долотах. Данная методика обеспечивает надежную защиту калибра, однако стальные долота требуют применения устойчивого к эрозии твердосплавного усиления вследствие улучшенной активности потока вокруг калибрующего вооружения.

Проведение промысловых испытаний долота АТП - БИТ 142,9 В 613 УЕН. Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие «БУРИНТЕХ» предоставило предприятию ОАО «Ленанефтегаз» долото БИТ 142,9 В 613 УЕН, для проведения показательных промысловых испытаний и подтверждения соответствия производительных характеристик.

Условия проведения испытаний:

Буровая установка БУ 3000 БД

Насос (тип) У8-6МА2 (Ш втулок 130 мм)

Промывочная жидкость:

удельный вес 1,17г/см3

условная вязкость 54 сек.

показатель фильтрации 3,5см3/30мин

Способ бурения роторный

Режим бурения:

осевая нагрузка 1...5тн

расход ПЖ 14 л/с

давление на стояке 70...80 атм

Обороты ротора 40...60

КНБК: БИТ 142,9; переводник 0,26м; УБТ Ш121-172,3 м.

Результаты испытаний:

Интервал бурения 2364-2424 м в Паршинской (Нижней свите).

Породы представлены чередованием аргиллитов и песчаников до VI категории буримости.

Проходка долота за рейс - 60 м.

Время бурения - 25,9 ч.

Механическая скорость - 2,32 м/ч.

В процессе бурения наблюдалось изменение скорости в зависимости от разбуриваемых пород: от 1,36 до 5,0 м/ч.

При увеличении осевой нагрузки выше 5 т, наблюдалось увеличение момента (отдача до 3-4 оборотов ротора).

Долбление завершено в связи с плановым отбором керна в нижележащем интервале.

Имеются незначительные сколы на рабочей поверхности трех резцов и потеря на одном резце алмазной вставки. Потери диаметра нет, долото пригодно для дальнейшей работы.

Результаты промысловых испытаний показали, что представленное долото БИТ 142,9 В 613 УЕН 30 может успешно использоваться для бурения пород в интервале Паршинской свиты.

По сравнению с долотами типа 142,9 СЗ-ГАУ традиционно применяемыми для бурения в указанном интервале, испытанное долото 142,9 В 613 УЕН 30 имеет преимущества по механической скорости и стойкости, и может быть использовано на прилегающей группе месторождений (площадей) для бурения пород до VI категории буримости в интервалах Паршинской и Талахской свит.

Анализ материалов по использованию АТП позволяет сделать вывод, что применение этих долот дает возможность в несколько раз повысить проходку на долото и механическую скорость при меньших затратах энергии на разрушение породы, так как разрушается порода путем резания. Более низкая по сравнению с шарошечными долотами нагрузка на долото (как правило, в 2-3 раза) позволяет уменьшить вращающий момент, износ бурильной колонны, искривление ствола скважины. Благодаря высокой износостойкости режущих элементов АТП стойкость их в среднем в 4 раза выше стойкости шарошечных долот.

Отсутствие в АТП вращающихся частей исключает опасность оставления шарошки или других его металлических элементов на забое.

АТП работает в большом диапазоне изменения частоты вращении, т.е. при любом способе бурения (роторный, турбинный и с помощью электробура).

Несмотря на перечисленные преимущества АТП, существуют такие проблемы как образование сальников на долоте и забивание насадок шламом при бурении в глинах и мягких сланцах, эрозия насадок долота при содержании абразивного материала в буровом растворе. Особое внимание следует уделять гидравлике на забое, т.е. мощности, подводимой к долоту, и скорости истечения бурового раствора из его насадок, а также расширению диапазона разбуриваемых пород по категории твердости.

Применение АТП в практике бурения стало обычным для многих стран мира. Есть все основания ожидать, что по мере совершенствования конструкции более рационального использования АТП доля их в общем объеме бурения на нефть и газ будет увеличиваться, а сфера применения расширяться.

Библиографический список

1. Долота шарошечные. Типы и основные размеры. Технические требования: ГОСТ 20692-2003. - Введ. 2004-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 25 с.

2. Романихин А.В. Производство нефтяного оборудования в России опять падает // Надёжность и сертификация оборудования для нефти и газа. - 2003. - № 2. - С. 24-27.

Аннотация

При применении долот АТП режущего типа обеспечиваются большие механическая скорость проходки и проходка на долото по сравнению с алмазными и трехшарошечными долотами при меньших энергетических затратах. Приведены результаты производственных испытаний на ОАО «Ленанефтегаз».

Ключевые слова: строительство нефтяных и газовых скважин; долото; алмазно-твердосплавные пластины; механическая скорость; проходка на долото; вдавливание; истирание-измельчение.

The article discusses drill bits equipped with diamond carbide plates. Application of bits with diamond carbide plate cutter provides higher drilling rate and bit footage in comparison with diamond and tricone bits and is energy saving. The article exemplifies the results of the production testing at OAO “Lenaneftegaz”.

Keywords: construction of oil and gas wells; bit; diamond-carbide plates; bit penetration; bit footage; indentation; abrasion-grinding.

Размещено на Allbest.ru