Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Классификация буровых долот по характеру разрушения породы, их назначение и конструктивные особенности



Введение

буровой долото фрезерный порода

Долото предназначено для разрушения горной породы при бурении скважины цилиндрической формы. Существует большое количество долот различных типов, выбор которых определяется механическими и абразивными свойствами разбуриваемых пород.

По назначению все буровые долота классифицируются по трем группам:

1) для сплошного бурения, разрушающие породу в одной плоскости

2) для колонкового бурения, разрушающие породу по периферии забоя;

3) специального назначения.

Рисунок 1. Классификация долот

По назначению буровые долота разделяют на долота для проходки ствола скважины сплошным забоем и долота для проходки ствола скважины кольцевым забоем (так называемые колонковые долота или бурильные головки).

Колонковые долота выполняют дополнительную функцию - обеспечивают отбор глубинных образцов разбуриваемых пород (кернов)

Основной объем бурения современных глубоких скважин осуществляют шарошечными долотами, так как они наиболее универсальны и могут использоваться в разнообразных геологических условиях.

Для проходки стволов скважин в породах с различными физико-механическими свойствами промышленность выпускает шарошечные долота различных типов, основные из которых:

1. «М» для разрушения мягких, несцементированных пород (глины, мягкие известняки, пески);

2. «МС» для разрушения мягких и средних по твердости неабразивных пород (мел, каменная соль, глинистые сланцы);

3. «С» для разрушения пластичных и хрупкопластичных неабразивных пород средней твердости (плотные глины, глинистые сланцы, известняки);

4. «СТ» для разрушения хрупкопластичных пород средней твердости с пропластками твердых пород (песчаники, ангидриды, гипс);

5. «Т» для разрушения твердых пород (доломиты, твердые известняки);

6. «ТК» для разрушения твердых пород с крепкими пропластками (мелкокристаллические известняки и доломиты);

7. «К» для разрушения крепких пород (мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты).



1. Классификация буровых долот

Долото представляет собой основной компонент специального инструмента для сплошного бурения нефтеносных, газовых, водных скважин и скважин для прочих промышленных, технических и строительных нужд. Его задача - разрушение грунта в ограниченной зоне воздействия (забое) буровой колонны и глубинная проходка. Поэтому долота относятся к породоразрушающему снаряжению.

1.1 Шарошечные долота

Данный тип породоразрушающего инструмента, являясь наиболее распространенным ПРИ в добычной и геологоразведочной отраслях, обеспечивает формирование скважин за счет дробящего или дробяще-скалывающего действия своих рабочих элементов. Эти инструменты предназначены для бурения как абразивных, так и неабразивных горных пород. Надо отметить, что шарошечные ПРИ используются на породах практические всех степеней твердости.

Долото шарошечного типа в общих чертах представляет собой достаточно сложное устройство, в котором секции, соединенные друг с другом посредством сварки, удерживают на своих цапфах вращающиеся шарошки (цилиндрические или конусообразные фрезы с зубьями (штырями) особой конфигурации). С их помощью долото, приводимое в движение забойным двигателем, производит в месте устройства скважины ударное (дробящее) или ударно-сдвигающее действие на горную породу.

При воздействии дробящего характера в разрушении породы участвуют зубья шарошек. Вращающееся долото внедряется в верхний слой грунта, после чего порода начинает измельчаться. ПРИ данного типа применяются на твердых и очень твердых породах.



Рисунок 1.1. Конструкция шарошечного бурового долота

Дробяще-скалывающий способ является более продуктивным, так как здесь наблюдается сочетание дробящего действия с проскальзыванием шарошек по забою скважины, за счет чего происходит дополнительное скалывание породы. Традиционно долота данного типа эффективно работают по мягким, средне-твёрдым и твердым породам.

Шарошечные долота различаются между собой как по типу вооружения, так и по количеству собственно шарошек. Существуют инструменты с одной, двумя, тремя и четырьмя шарошками. В зависимости от их числа, различные ПРИ выполняют операции самого разного назначения.

Одношарошечные долота задействуют на бурении скважин с большими глубинами. Для преодоления сложных условий эксплуатации буровые инструменты обеспечены необходимыми техническими параметрами: лапами и шарошками повышенной мощности, прочной опорой. Максимальный положительный эффект достигается при работе на хрупких породах (карбонаты, доломиты, различные известняки и др.).

Двухшарошечные долота, как правило, применяются для производства скважин в геологоразведочных целях.

Трехшарошечные долота - самый популярный вариант, за счет своей формы они оптимально вписываются в сечение круглой скважины. Три конические шарошки, равномерно расположенные в корпусе долота, гарантируют оптимальную центровку и устойчивость вращающегося инструмента в стволе.

Относительно новый четырехшарошечный инструмент имеет диаметр 295,3 мм. Он был создан специально для устройства скважин, которые бурятся в сложных, с точки зрения техники и геологии, условиях.

В последнее время в России были разработаны многошарошечные долота, диаметр которых достигает 555 мм. Их назначение - бурение скважин с большим диаметром с одновременной промывкой забоя буровым раствором.

Рисунок 1.2. Трёхшарошечное долото для сплошного бурения в очень крепких породах

Трёхшарошечное долото для сплошного бурения в очень крепких породах: 1 - наружная конусная присоединительная резьба (ниппель); 2 - секция (лапа) долота; 3 - каналы в лапе и цапфе для продувки опоры; 4 - цапфа лапы; 5 - твердосплавные зубки с полусферической рабочей частью; 6 - замковый палец; 7 - шарошки; 8 - подшипники качения; 9 - центральный канал для продувки забоя и шарошек.

Указанный элемент бурового оборудования имеет множество самых разных конструкций и их модификаций. Определяются они особенностями и способами бурения различных горных пород, а также технологическими целями, которые ставятся перед ними. В зависимости от конструкционного исполнения долот, горные породы, оказавшиеся в площади забоя, разрушаются либо ударным, либо ударно-сдвигающим воздействием.

По этой причине буровые долота производят из высококачественных сортов стали, твердосплавных соединений металлов. Поскольку данный элемент бурильного оборудования относится к классу инструментов одноразового применения, его конструкцию проектируют таким образом, чтобы она гарантировала экономически обоснованную длительность эксплуатации.

Класс долот, вследствие многогранности задач и функций, которые выполняют буровые установки в самых разных отраслях промышленности, отличается большим целевым и конструкционным многообразием.

Это многообразие, в частности, определяется физическими характеристиками материала (твердостью, износостойкостью и др.), из которого изготовлен данный инструмент, его формой, количеством собственно элементов инструмента, их расположением по отношению к оси долота, степенью вылета породоразрушающих компонентов за пределы внешней поверхности рабочего органа и другими факторами.

Лопастные долота: а - трёхлопастное; б - двухлопастное; в-типа «РХ»; г - истирающе-режущие типа «ИР»; д - фрезерное типа «ФР»; е - пикообразное.



Рисунок 1.3. Лопастные долота

По этой причине все указанные инструменты традиционно подразделяются на 3 типа:

1) Инструменты сплошного бурения. Предназначены для углубления скважин. Разрушение породы осуществляют по всему размеру скважины в одной плоскости или ступенями.

2) Головки колонкового бурения. Также служат для углубления скважин. Разрушают породу по границе забоя.

3) Долота специального назначения. К этой группе принадлежат зарезные, расширительные, фрезерные головки. Их назначение - эксплуатация в уже пробуренных скважинах или обсадных колоннах.

В зависимости от материала рабочих породоразрушающих элементов, все инструменты делятся на 4 типа, в основе которых лежат:

1) стальное вооружение;

2) твердосплавное вооружение;

3) алмазно-твердосплавное вооружение;

4) алмазное вооружение.

Буровые долота дифференцируются в соответствии со строением систем для промывки и с мощностью применяемой струи бурового раствора. На сегодняшний день известны обычные (проточного действия) и гидромониторные (струйные) долота.

ПРИ, относящиеся к первой группе, характеризуются тем, что буровой раствор протекает сквозь отверстия для промывки, предусмотренные в центре долота, и попадает на шарошки (лопасти). При этом сама жидкость лишь частично попадает на забойную поверхность. Напротив, струйные элементы сконструированы таким образом, чтобы промывочная жидкость достигала поверхности забойного участка через боковые отверстия между шарошками. Благодаря такому устройству буровой раствор не только очищает забой, но и частично участвует в процессе породоразрушения.

Рисунок 1.4. Схема системы очистки забоя скважины и охлаждения долота

Системы очистки забоя скважины и охлаждения долота: а - продувкой сжатым воздухом (или промывкой аэрированной жидкостью) через центральный канал и каналы в лапах; б - промывкой через центральный канал; в-боковой гидромониторной промывкой между шарошками.

Все известные долота разделяются еще и по такому важному принципу, как характер воздействия инструмента на горную породу, которое вызывает ее разрушение в момент вращения бура.

Выделяются следующие группы:

1) дробящие шарошечные долота;

2) дробяще-скалывающие шарошечные;

3) режуще-скалывающие (лопастные);

4) истирающе-режущие алмазные;

5) фрезерные долота;

6) истирающе-режущие типа ИСМ.

Как следует из приведенной выше классификации, в каждом отдельном случае применяется соответствующий ему породоразрушающий рабочий элемент. Представляется полезным рассмотреть подробнее некоторые технические характеристики и особенности использования указанных рабочих частей буровых долот.

1.2 Лопастные долота

Инструменты лопастного типа отличаются от шарошечных относительной простотой в конструкции и в технологии их производства. Отличаются они и по уровню твердости обрабатываемых горных пород. Лопастные бурильные элементы хорошо показывают себя на высоких скоростях вращения при работе на мягких, вязких, несцементированных породах, характеризующихся высокой степенью рыхлости и пластичности.

Благодаря своим конструкционным особенностям, такие долота в подходящих для них породах способны давать результат в сотни метров (иногда до 1500 м) проходки за один рейс.



Рисунок 1.5. Схема трехлопастного долота

Однако высокая скорость проходки с помощью данного типа ПРИ сопряжена с периодической необходимостью расширять диаметр скважины перед использованием очередного нового долота. Кроме того, поскольку породоразрушающие части лопастных долот постоянно соприкасаются с породой, они изнашиваются быстрее, чем шарошечные долота.

Согласно отраслевым стандартам, на сегодняшний день известны следующие разновидности лопастных долот:

1) Однолопастные (пикообразные). Диаметр - 98,4-444,5 мм. Промывка - проточная (обычная). Разбуривают цементные пробки и металлические детали низа обсадной колонны.

2) Двухлопастные. Диаметр - 76,0-165,1 мм. Промывка - проточная. Применяются на мягких и пластичных горных породах.

3) Трехлопастные. Диаметр - 120,6-469,9 мм. Промывка - проточная и гидромониторная.

4) Трехлопастные истирающе-режущего действия. Диаметр: 190,5-269,9 мм. Промывка - проточная и гидромониторная.

5) Шестилопастные истирающе-режущего действия. Диаметр - 76,0-269,9 мм. Промывка - проточная и гидромониторная.



1.3 Алмазные буровые долота

Рисунок 1.6. Схема алмазных долот

Данные породоразрушающие инструменты, чаще всего имеющие монолитную конструкцию, используют при буровых работах на породах, которые характеризуются средним уровнем твердости. Применяют их и в случаях чередования высокопластичных горных пород со среднетвердыми и твердыми породами. Разрушение породной неабразивной структуры алмазным долотом происходит посредством ее истирания (микрорезания).

Как следует из названия указанного типа, главная особенность таких долот - наличие в их составе режущих элементов, изготовленных из алмаза. Технические параметры и степень продуктивности такого инструмента зависит от качества и величины технических алмазов.

Стоит отметить определенную технологическую «капризность» алмазных буровых долот. Ни одно другое бурильное приспособление подобного рода не зависит в такой степени от чистоты ствола и забоя скважины и от интенсивности промывки буровым раствором, как алмазное долото. Алмазные элементы просто могут раскалываться и выкрашиваться из корпуса ПРИ, если на плоскости забоя окажутся, например, частицы металла или обломки очень твердых пород.

1.4 Фрезерные буровые долота

Данный тип породоразрушающего инструмента по некоторым характеристикам выгодно отличается от прочих типов ПРИ. Фрезерные долота гораздо проще по своей конструкции, чем лопастные и шарошечные. В сравнении с шарошечным типом, фрезерный инструмент обладает более Вместе с тем эти долота, в отличие от алмазных, не боятся присутствия в зоне забоя металлических твердосплавных вкраплений. высокой степенью прочности и стойкости.

Рисунок 1.7. Схема фрезерного долота

Более того, их можно спокойно применять для разбуривания застрявших в стволе шарошек и прочих посторонних металлических объектов. При помощи фрезерных ПРИ можно относительно легко и качественно устранять в скважинах бетонные пробки и цементные мосты.

Конструкционно основу фрезерного долота составляет удлиненный монолитный корпус с запрессованными в нем рабочими дробящими элементами (штыри и пр.), усиленными твердосплавными металлами. Помимо этого, долото снабжено очень простой по своему строению промывкой.

Наряду с указанными выше достоинствами, фрезерные долота имеют и некоторые недостатки. В частности, применяя при бурении именно этот тип ПРИ, сложно добиться высокой механической скорости проходки. Кроме того, они практически непригодны для бурильных операций на глине и прочих вязких и пластичных горных породах.

1.5 Истирающе-режущие долота типа ИСМ

В отличие от уже описанных выше инструментов, рабочие породоразрушающие части долот данного типа снабжены рабочими вставками из сверхтвердого материала - славутича. Форма и количество вставок и их расположение на долоте зависит от физико-механических параметров породы, которую необходимо бурить.

Обладая повышенной износостойкостью (в сравнении с лопастными и фрезерными долотами), более низкой стоимостью и улучшенной проходимостью по скважине (в сравнении с алмазными), долота ИСМ отличаются отличной надежностью.

Рисунок 1.8. Схема долота типа ИСМ

Благодаря наличию сверхтвердых вставок из славутича, они нечасто выходят из строя. Такое наблюдается даже тогда, когда ствол и забой по какой-то причине оказываются недостаточно хорошо подготовленными перед спуском долота в скважину.

На сегодняшний день долота ИСМ производятся трех видов: режущего действия, торцевые и истирающие. Режущими бурятся достаточно глубокие скважины, расположенные в мягких и среднепластичных породах. Торцевые применяются при забуривании и бурении нового ствола и при ликвидации возможных аварий на скважинах.



2. Классификация по характеру разрушения породы

1. Долота режуще - скалывающего действия, разрущающие породу лопастями, наклоненными в сторону вращения долота. Предназначены они для разбуривания мягких пород.

Рисунок 2.1 Долото режуще - скалывающего действия

2. Долота дробяще - скалывающего действия, разрушающие породу зубьями или штырями, расположенными на шарошках, которые вращаются вокруг своей оси долота. При вращении долота наряду с дробящим действием, зубья (штыри) шарошек, проскальзывая по забою скважины, скалывают (срезают) породу, за счет чего повышается эффективность разрушения пород. Следует отметить, что выпускаются буровые долота и бурильные головки только дробящего действия. При работе этими долотами породы разрушаются в результате динамического воздействия (ударов) зубьев шарошек по забою скважины.



Рисунок 2.2. Дробяще-скалывающее долото

Перечисленные долота и бурильные головки предназначены для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких.

3. Долота истирающе-режущего действия, разрушающие породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, располагающимися в торцовой части долота или в кромках лопастей долота. Долота с алмазными зернами и твердосплавными штырями в торцовой части применяются для бурения неабразивных пород средней твердости и твердых; долота лопастные армированные алмазными зернами или твердосплавными штырями, для разбуривания перемежающихся по твердости абразивных и неабразивных пород.



Рисунок 2.3. Схема истирающе-режущего долота



3. Классификация по назначению

1) долота для сплошного бурения, разрушающие породу в одной плоскости или ступенчато;

2) бурильные головки для колонкового бурения, разрушающие породу по переферии забоя;

3) долота для специальных целей (зарезные, расширители, фрезеры и др.).

Рис. 3.1. Промывка забоя скважины у обычных (а) и гидромониторных (б) шарошечных долот

Долота для сплошного бурения и бурильные головки для колонкового бурения предназначены для углубления скважины. Выпускаются они различных типов, что позволяет подбирать нужное долото.

Долота для специальных целей предназначены для работы в пробуренной скважине и в обсадной колонне.

Долота независимо от их назначения, конструкции и типа нормализованы по диаметрам.



4. Конструктивные особенности долот

По конструкции промывочных устройств и способу использования гидравлической мощности струи промывочной жидкости долота делятся на струйные (гидромониторные) и проточные (обычные). В гидромониторных долотах струя промывочной жидкости достигает поверхности забоя, что позволяет использовать гидромониторный эффект для очистки поверхности забоя и частичного разрушения породы. В проточных (обычных) долотах промывочная жидкость, протекая через промывочные отверстия, омывает шарошки (лопасти) и только частично достигает поверхности забоя (рис. 4.1).

Лопастные долота для сплошного разрушения забоя.

Лопастные долота в зависимости от конструкции и оснащенности твердым сплавом предназначаются для бурения мягких и средней твердости пород, а также мягких с пропластками средних малоабразивных пород, а также для разбуривания цементных пробок, металлических деталей низа обсадных колонн и расширения ствола скважины.

Выпускаются следующие лопастные долота:

1) двухлопастные 2Л (рис. 4.2) диаметрами от 76 до 165,1 мм с обычной (проточной) промывкой;

2) трехлопастные ЗЛ диаметрами от 120,6 до 469,9 мм с обычной и гидромониторной промывкой;

3) трехлопастные истирающе-режущего действия ЗИР диаметрами от 190,5 до 269,9 мм с обычной и гидромониторной промывкой:

4) шестилопастные истирающе-режущего действия 6ИР диаметрами от 76 до 269,9 мм с обычной или гидромониторной промывкой;

5) пикообразные П диаметрами 98,4 до 444,5 мм с обычной промывкой.

Выпускаются следующие типы лопастных долот (кроме долот вида П): М-для мягких пород; МС-для мягких пород с пропластками средней твердости; МСЗ-для мягких абразивных пород с пропластками средней твердости; С-для пород средней твердости. Лопастные долота вида П выпускаются двух видов: Ц-для разбуривания цементных пробок и металлических деталей низа обсадных колонн; Р-для расширения ствола скважины. У шестилопастных долот 6ИР три лопасти имеют нормальную высоту, а три укороченную (лопасти по высоте чередуются) Промывка осуществляется через три канала, расположенные между лопостями.

Рисунок 4.1. Двухлопастное долото 2Л: 1-корпус; 2-лопасть; 3-штырь; 4-пластина

Лопастные долота не применяются при бурении гидравлическими забойными двигателями и электробурами, так как при бурении ими требуется большой крутящий момент.

Шарошечные долота для сплошного разрушения забоя.

В нашей стране, а также в США и других зарубежных странах для бурения нефтяных и газовых скважин в основном используют шарошечные долота с коническими шарошками. Шарошечные долота предназначены для сплошного бурения нефтяных, газовых и геологоразведочных скважин, а также скважин разного назначения в горнодобывающей промышленности и в строительстве с очисткой забоя жидкостью или воздухом. Шарошечные долота имеют следующие преимущества по сравнению с лопастными.

1. Площадь контакта шарошечных долот с забоем значительно меньше, чем у лопастных долот, а длина их рабочих кромок больше, что значительно повышает эффективность разрушения горных пород.

2. Шарошки долота перекатываются по забою в отличие от лезвий лопастного долота, скользящих по нему, вследствие чего интенсивность износа зубьев шарошек значительно меньше интенсивности износа лезвий лопастных долот.

3. Вследствие перекатывания шарошек по забою крутящий момент, потребляемый долотом, сравнительно невелик, поэтому опасность заклинивания шарошечного долота сводится к минимуму.

В соответствии с ГОСТ 20692-75 шарошечные долота изготовляются трех видов, а именно: одношарошечные -1, двухшарошечные - II и трехшарошечные - III.

Рисунок 4.2. Устройство трехшарошечных долот: 1-система компенсации давления смазочного материала; 2-лапа; 3-периферийный роликовый радиальный подшипник качения; 4-концевой радиальный подшипник скольжения; 5-концевой упорный подшипник скольжения; 6-герметизирующий элемент: 7-средний шариковый радиально-упорный подшипник качения; 8-фрезерованный зуб периферийного венца; 9-фрезерованный зуб среднею венца: 10-фрезерованный зуб вершины шарошки; 11-наплавка зерновым твердым сплавом; 12-шарошка; 13-твердосплавный зубок, запресованный в тыльный конус шарошки; 14-твердосплавный зубок периферийного венца шарошки: 15-т|вердосплавпый зубок среднего венца шарошки; 16-концевой роликовый радиальный подшипник качения: 17-гвердоснлавный зубок вершины шарошки: 18-твердосплавный зубок, запресованцый в козырек лапы: 18-козырек лапы: 20 - замковый палец; 21-цапфа лапы; 22-спинка лапы: 23-корпус долота; 24-резервуар для размещения смазки: 25-упорный уступ долоа; 26-внутренняя полосгь присоединительного ниппеля; 27-присоединительный ниппель с замковой резьбой; 28-торец присоединительного ниппеля

Трехшарошечные долота получили наибольшее распространение. Их устройство показано на рис. 4.4. По расположению и конструкции промывочных или продувных каналов долота изготовляются: с центральной промывкой-Ц; с боковой гидромониторной промывкой-Г; с центральной продувкой-П; с боковой продувкой-ПГ.

Гидромониторные долота, как правило, выпускаются со сменными насадками, когда в нижней части промывочного канала долота растачивается гнездо для установки сменных насадок из износостойкого материала. В этом случае можно установить в долота насадки любого необходимого диаметра на выходе.

Опоры шарошек изготовляются (рис. 5.3): на подшипниках качания-В; на одном подшипнике скольжения (остальные - подшипники качения) - Н; на одном подшипнике скольжения с герметизацией уплотнительными кольцами и резервуарами для смазки-НУ; на двух подшипниках скольжения и более с герметизацией-АУ.



Рисунок 4.3. Основные виды опор: а-негерметизированные; б-герметизированные маслонаполненпые; 1-система компенсации давления смазочного магериала; 2-уплотнительное кольцо; 3-периферийный подшипник скольжения с антифрикционным покрытием; 4-замковый шариковый радиально-упорный подшипник качения; 5 - концевой радиальный подшипник скольжения; 6-концевой упорный подшипник скольжения; 7-герметизирующий элемент; 8 - периферийный роликовый радиальный подшипник качения; 9-концевой роликовый радиальный подшипник

Кроме трехшарошечных долот в практике бурения применяют двухшарошечные и одношарошечные долота.

Двухшарошечные долота предназначены для бурения мягких и вязких пород с пропластками пород средней твердости.



Заключение

буровой долото фрезерный порода

Таким образом, познакомившись с разновидностями буровых долот и их некоторыми принципиальными особенностями, можно лучше сориентироваться в большом разнообразии современных породоразрушающих инструментов, что необходимо для организации качественных бурильных операций.



Список литературы

1. Булатов А.И. и др. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учебник для ВУЗов - М: ООО «Недра - Бизнесцентр» 2003-1007 с.

2. Ильский А.Л., Шмидт А.П. Буровые машины и механизмы: Учебник для техникумов - М.: «Недра». 1989 - 395 с.

3. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н., Межлумов А.О., Близнюков В.Ю. Буровое оборудование: Справочник: В 2-х т, Т. 2 Буровой инструмент. - М.: ОАО «Издательство «Недра»», 2003. - 494 с.: ил. ISBN 5-247-03879-7

4. Абубакиров В.Ф. и др. Буровое оборудование: В 2-х т. - М.: Недра, 2000. - Т.1. - 269 с.

5. Коршак А.А. Шаммазов А.М. Основы нефтегазового дела. Уфа Дизайнполиграфсервис, 2001.

6. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Пашков А.Н., Рубарх В.М. Долговечность буровых долот Монография. - М.: Недра, 1977. - 256 с.

7. Абатуров В.Г. Физико-механические свойства горных пород и породоразрушающий буровой инструмент. Учебное пособие для вузов. - Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый университет», 2007. - 238 с.

Размещено на Allbest.ru

...