Породоразрушающий инструмент (ПРИ) предназначен для разрушения горной породы на забое при бурении скважины.
I. По принципу разрушения породы ПРИ подразделяется на 3 группы:
1) ПРИ режуще-скалывающего действия – применяется для разбуривания вязких, пластичных и малоабразивных пород небольшой твердости;
2) ПРИ дробяще-скалывающего действия – применяется для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких;
3) ПРИ истирающе-режущего действия – применяется для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже твердыми.
II. По назначению ПРИ подразделяется:
· Для бурения сплошным забоем (без отбора керна) – буровые долота;
· Для бурения по кольцевому забою (с отбором керна) – бурголовки;
· Для специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение ствола) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня и т.д.)
III. По конструктивному исполнению ПРИ делится на три группы:
· Лопастной (рис. 3.1.);
· Шарошечный (рис. 3.2.);
· Секторный (рис.3.3.);
IV. По материалу породоразрушающих элементов ПРИ делится на четыре группы:
1. Со стальным вооружением;
2. С твердосплавным вооружением;
3. С алмазным вооружением;
4. С алмазно-твердосплавным вооружением.
БУРОВЫЕ ДОЛОТА
Шарошечные долота
Наибольшее распространение в практике бурения нефтяных и газовых скважин получили шарошечные долота дробяще-скалывающего действия с твердосплавным или стальным вооружением. Конструкция трехшарошечного долота приведена на рис. 3.4.
На верхнем конце конструкции долота нарезается присоединительная резьба 1.
Шарошечное pdc долото состоит из следующих элементов и систем:
| Первые четыре элемента обязательны для всех конструкций шарошечных долот |
А – корпус, его образует верхняя часть сваренных секций с
резьбовым соединением к бурильной колонне;
D – вооружение;
E – система очистки забоя и элементов долота;
F – опоры шарошек;
G – система герметизации маслонаполненных опор.
Устройство: Три лапы 3 сваривают между собой. На верхнем конце конструкции 1 нарезана замковая присоединительная резьба. Каждая лапа в нижней части завершается цапфой 5, на которой проточены беговые дорожки под шарики и ролики. На цапфе через систему подшипников 6 устанавливается шарошка 4 с беговыми дорожками. Тело шарошки оснащено фрезерованными стальными зубьями 7, размещенными по венцам. На торце со стороны присоединительной резьбы выбиваются шифр долота, его порядковый номер, год изготовления.
Шарошечные долота изготавливают с системой промывки:
· центральной,
· боковой (рис. 3.5.).
На лапах долота с боковой гидромониторной системой промывки выполнены специальные утолщения – приливы 2 с промывочными каналами и гнездами для установки гидромониторных насадок (сечение А-А).
При центральной промывке забоя лучше очищаются от шлама центр забоя и вершины шарошек, шлам беспрепятственно выносится в наддолотную зону. Однако при высокой скорости углубки забоя трудно подвести к долоту необходимую гидравлическую мощность, требуемую для качественной очистки забоя (перепад давления на долотах с центральной промывкой не превышает 0,5-1,5 МПа).
Боковая гидромониторная промывка обеспечивает лучшую очистку наиболее зашламованной периферийной части забоя, позволяет подвести к долоту большую гидравлическую мощность (перепад давления на долотах с гидромониторной промывкой достигает 5-15 МПа). Однако мощные струи бурового раствора, выходящие из гидромониторных насадок экранируют транспортирование шлама через проемы между секциями долота, поэтому часть шлама циркулирует некоторое время в зоне действия шарошек и переизмельчается, а часть – транспортируется в зазорах между стенкой скважины и спинками лап. Поэтому зачастую переходят на ассиметричную систему промывки, заглушая одну или две гидромониторные насадки для повышения пропускной способности основных транспортных каналов долота.
Беговые дорожки цапфы и шарошки и тела качения без сепараторов составляют опору шарошки. Помимо подшипников качения опора может включать подшипники скольжения (антифрикционные втулки) и торцевую пяту (антифрикционный диск). Полость опоры заполняется консистентной смазкой.
Опоры шарошек – наиболее ответственные узлы шарошечного долота, стойкость которых чаще всего определяет долговечность долота в целом. Опоры воспринимают радиальные и осевые нагрузки (по отношению к цапфе).
Опоры шарошек в зависимости от типоразмера долот конструируются из различных сочетаний:
· шариковых и роликовых подшипников качения
· подшипников скольжения.
Шариковые подшипники легче разместить в ограниченных размерах шарошки, они слабо реагируют на возможные перекосы осей шарошек и цапф. Однако из-за проскальзывания шариков по боковым дорожкам эти подшипники быстро нагреваются и требуют интенсивного охлаждения.
Роликовые подшипники могут воспринимать большую, чем шариковые подшипники нагрузку, но труднее вписываются в ограниченные размеры шарошек. Они весьма чувствительны к перекосам осей шарошек и цапф и при износе роликов нередко шарошки заклиниваются на цапфах.
Подшипники скольжения способны воспринимать наибольшие нагрузки. Однако эффективны они только при невысоких частотах вращения долота бурового цена, когда трущиеся поверхности шарошек и цапф и соседних подшипников качения сильно не нагреваются.
В каждой системе опор обязательно имеется один шариковый подшипник, называемый замковым радиально-упорным подшипником двухстороннего действия. Он удерживает шарошку на цапфе и воспринимает усилия, направленные вдоль и перпендикулярно к оси цапфы. Устанавливается этот подшипник в последнюю очередь, через цилиндрический канал в цапфе, затем в этот канал вставляется стержень (палец) и его наружная часть приваривается к телу цапфы.
Подшипники шарошек в процессе бурения смазываются и охлаждаются буровым раствором, проникающим к ним по зазору между основанием шарошки и упорной поверхностью в цапфе. Поэтому в буровой раствор добавляются специальные реагенты, улучшающие его смазочные свойства.
При бурении с продувкой скважины воздухом условия работы опор шарошек значительно ухудшаются вследствие недостаточного теплоотвода от трущихся деталей подшипников. Поэтому в долотах, предназначенных для бурения с продувкой воздухом, часть воздуха по специальным каналам в лапах и цапфах направляется непосредственно в опоры шарошек.
В последние годы все большее применение находят долота с герметизированной маслонаполненной опорой (рис. 3.6.), у которых специальная смазка поступает к подшипникам из эластичного баллона по имеющемуся в лапе и цапфе каналу. Проникновению бурового раствора в полость такой опоры и утечке смазки препятствует жесткая уплотнительная манжета. Долговечность таких долот при ограниченной частоте оборотов на порядок и более превосходит долговечность долот с открытой опорой.
Для бурения скважин в абразивных породах различной твердости с целью повышения долговечности вооружения шарошки оснащают вставными твердосплавными зубками (штырями). Такие долота часто называют штыревыми. Вставные зубки закрепляются в теле шарошки методом прессования. Для бурения в малоабразивных породах, в теле стальной шарошки фрезеруются призматические зубья, поверхность которых упрочняется термохимической обработкой.
По ГОСТ 20692 «Долота шарошечные» предусматривается выпуск долот диаметром 76-508 мм. трех разновидностей: одно- двух- и трехшарошечных. Наибольший объем бурения нефтяных и газовых скважин в Западной Сибири приходится на трехшарошечные долота диаметрами 190,5; 215,9; 269,9; 295,3 мм.
Типы и область применения шарошечных долот приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1. Типы трехшарошечных долот и их назначение
| Тип долота | Рекомендуемые области применения долот |
| М | Самые мягкие, несцементированные, пластичные (наносы, мягкие и вязкие глины, сланцы, мягкие известняки) |
| МЗ | Мягкие, слабосцементированные, абразивные (песчаники, мергели) |
| МС | Мягкие, неабразивные, с пропластками пород средней твердости (мел с пропластками слабосцементированных песчаников, каменная соль с пропластками ангидритов, глинистые сланцы) |
| МСЗ | Мягкие, слабосцементированные, абразивные, с пропластками пород средней твердости (песчаноглинистые сланцы, плотные глины с пропластками песчаников) |
| С | Пластичные и хрупкопластичные неабразивные, средней твердости (плотные глины, глинистые сланцы, известняки средней твердости) |
| СЗ | Абразивные, средней твердости (песчаники, песчанистые сланцы) |
| СТ | Хрупкопластичные, средней твердости, с пропластками твердых пород (песчаники с пропластками гипса, известняки с пропластками гипса, ангидриты) |
| Т | Твердые, неабразивные (твердые известняки, доломиты, доломитизированные известняки) |
| ТЗ | Твердые, абразивные (окварцованные известняки и доломиты) |
| ТК | Твердые, с пропластками крепких (твердые известняки с пропластками мелкокристаллических известняков и доломитов) |
| ТКЗ | Абразивные, твердые, с пропластками крепких (окремнелые аргиллиты, твердые известняки и доломиты, мелкозернистые сильносцементированные песчаники) |
| К | Крепкие, абразивные (окремнелые мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты) |
| ОК | Очень крепкие, абразивные (граниты, квациты, диабазы) |
I. По материалу вооружения шарошечные долота делятся на два класса:
1 класс – долота с фрезерованным стальным вооружением для бурения малоабразивных пород (М, МС, С, СТ, Т, ТК);
2 класс – долота со вставным твердосплавным вооружением для бурения абразивных пород (МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К, ОК)
В настоящее время долота типа СТ и ТК не выпускаются.
II. По расположению и конструкции промывочных или продувочных каналов шарошечные долота делятся:
· с центральной промывкой (Ц);
· с боковой гидромониторной промывкой (Г);
· с центральной продувкой (П);
· с боковой продувкой (ПГ).
III. По скорости (режиму) бурения:
· Долота для высокооборотного бурения (частота оборотов долота более 400 в минуту) изготовляют с опорами на подшипниках качения (В).
· Долота для низкооборотного бурения (частота оборотов долота 100-400 в минуту) изготовляют с опорами на подшипниках качения и одном подшипнике скольжения (Н).
· Долота для бурения на пониженных частотах (частота оборотов долота не более 100 в минуту) изготовляют с опорами на двух и более подшипниках скольжения и подшипниках качения (А).
Выпускаются долота с открытой опорой и с уплотнительными манжетами и резервуарами для смазки (У).
Условное обозначение (шифр) долота: III – 215,9 С-ГНУ 2354,
где III – трехшарошечное;
215,9 – номинальный диаметр долота, мм;
С – тип долота (для бурения пород средней твердости);
Г – боковая гидромониторная промывка;
Н – опора для низкооборотного бурения на одном подшипнике скольжения;
У – опора маслонаполненная с уплотнительной манжетой;
2354 – заводской номер долота.
В маркировке трехшарошечных долот и долот с центральной промывкой цифра III и буква Ц не указывается.
2.1.2. ЛОПАСТНЫЕ ДОЛОТА
При бурении нефтяных и газовых скважин чаще всего применяют трехлопастные (3Л и 3ИР) и шестилопастные (6ИР) долота.
Лопастное долото 3Л состоит из:
1) корпуса, верхняя часть которого имеет ниппель с замковой резьбой для присоединения к бурильной колонне,
2) трех приваренных к корпусу долота лопастей, расположенных по отношению друг к другу под углом 120 градусов.
3) промывочных отверстий, расположенными между лопастями (для подвода бурового раствора к забою).
Лопасти выполнены заостренными и слегка наклонными к оси долота в направлении его вращения. В этой связи по принципу разрушения породы долота 3Л относят к долотам режуще-скалывающего действия, так как под влиянием нагрузки лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента скалывают ее.
Долота 3Л предназначены для бурения в неабразивных мягких пластичных породах (тип М) и для бурения в неабразивных мягких породах с пропластками неабразивных пород средней твердости (тип МС).
Для увеличения износостойкости долот их лопасти укрепляют (армируют) твердым сплавом. У долот типа М в прорезанные по определенной схеме пазы на лопастях наплавляют зернистый твердый сплав релит и лопасть покрывают чугуном, а у долот типа МС в пазы укладывают и припаивают твердосплавные пластинки и покрывают лопасти релитом.
Долота 3Л выпускают как с гидромониторными насадками, так и без. В последнем случае выходные кромки промывочных каналов армируют релитом.
Согласно ОСТ 26-02-1282 «Долота лопастные» предусмотрен выпуск долот 3Л диаметром от 120,6 до 489,9 мм.
Долота 3ИР в сравнении с 3Л имеют следующие отличительные особенности. Три лопасти выполнены притупленными, а не заостренными и приварены к корпусу так, что они сходятся на оси долота, а не наклонены к ней. Лопасти долота армируются также как и у 3Л типа МС, но с дополнительным усилением кромок лопастей, контактирующих с забоем и стенкой скважины, твердосплавными зубками (штырями).
Такая особенность вооружения позволяет долоту 3ИР разрушать породу резанием и истиранием (микрорезанием) абразивных мягких пород с пропластками пород средней твердости (тип МСЗ).
Отраслевым стандартом ОСТ 26-02-1282 предусмотрено изготовление долот 3ИР диаметром от 190,5 до 269,9 мм.
Долота 6ИР имеют три основные лопасти, предназначенные для разрушения породы на забое, и три дополнительные укороченные лопасти, калибрующие стенку скважины. Основные лопасти притуплены и сходятся на оси долота. Дополнительные лопасти также притуплены и расположены между основными лопастями. Эти долота относятся к типу С.
По ОСТ 26-02-1282 предусмотрено изготовление долот 6ИР диаметром от 139,7 до 269,9 мм.
Лопастные долота имеют ряд существенных недостатков:
· интенсивный износ лопастей в связи с непрерывным контактом режущих и калибрующих ствол скважины кромок лопастей долота с забоем и стенками скважины;
· сужение ствола скважины в процессе бурения из-за относительно быстрой потери диаметра долота;
· относительно высокий крутящий момент на вращение долота;
· неудовлетворительная центрируемость на забое, приводящая к интенсивному непроизвольному искривлению.
Отмеченные недостатки объясняют причины редкого применения лопастных долот в практике бурения нефтяных и газовых скважин даже при разбуривании мягких пород.
2.1.3. АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА
Алмазные долота предназначены для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твёрдых.
Алмазное долото состоит из:
1) стального корпуса с присоединительной замковой резьбой
2) фасонной алмазонесущей головки (матрицы). Матрица разделена на секторы радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия.
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) https://drilltools.ru/. 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.
Диаметр алмазных долот на 2-3 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных долот. Это вызвано созданием условий для перехода к бурению алмазными долотами после шарошечных, у которых, как правило, по мере износа уменьшается диаметр.
Отраслевым стандартом ОСТ 39.026 предусмотрено выпускать алмазные долота диаметрами от 91,4 до 292,9 мм.
Основными достоинствами алмазных долот являются:
· хорошая центрируемость их на забое;
· формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).
Существенным недостатком алмазных долот является
1) крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная не превышает 3 м/ч). Для сравнения максимальная мех. скорость бурения шарошечными долотами составила около 120 м/ч.
2) имеют узкую область применения (исключаются абразивные породы),
3) предъявляются повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины.
2.1.4. ДОЛОТА ИСМ
Особая разновидность долот разработана Институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) – долота типа ИСМ. Долота ИСМ предназначены для разрушения резанием и истиранием (микрорезанием) неабразивных пород мягких (М), перемежающихся по твердости (МС) и средней твердости (С).
Эти долота имеют вооружение из сверхтвердого композиционного материала «Славутич», в состав которого входят мелкокристаллические алмазы и дробленный карбид вольфрама. Для оснащения долот применяют цилиндрические вставки (штыри) диаметром 8-12 мм с плоскими или полусферическими рабочими торцами. Штыри в корпусе долота припаивают в гнездах.
Существует две разновидности долот ИСМ по конструкции:
1) Лопастная;
2) секторная.
Лопастная разновидность аналогична по конструкции долоту 6ИР.
Секторная разновидность долота состоит из стального корпуса, торцевая профильная поверхность которого, разделена на секторы радиальными промывочными каналами. Штырями из «Славутича» вооружена торцевая и калибрующая поверхности долота. Вылет штырей над поверхностью секторов составляет 3-5 мм. На калибрующей поверхности штыри утоплены.
При бурении в мягких породах штыри работают как резцы, осуществляя резание и скалывание. В перемежающихся по твердости и породах средней твердости работают зерна алмазов, разрушая породу микрорезанием.
Присоединяют долото к бурильной колонне при помощи замковой резьбы.
Отраслевым стандартом ОСТ 39026 предусмотрено выпускать долота ИСМ диаметрами от 91,4 до 391,3 мм.
Преимуществами долот ИСМ являются:
· значительная проходка на долото, достигающая (при соблюдении условий эксплуатации) нескольких сотен метров
· относительно высокая рейсовая скорость.
К недостаткам следует отнести:
· узкую область применения (только в неабразивных порода М, МС и С)
· высокий момент на вращение долота, ограничивающий применение забойных двигателей.
Поликристаллические алмазные долота (PDC)
· Долота PDC серии T (Матричный корпус—T XXXX, стальной корпус— TS XXXX) – это новое поколение долот.
Эта серия долот вобрала в себя значительные прорывы во многих областях, включая:
· вычислительную гидродинамику,
· оптимизацию профиля,
· конструкцию расположения резцов,
· конструкцию с малым моментом,
· материалы (поликристаллические),
· технологические процессы и т.д.
Долота PDC серии T имеют лучшие показатели работы и более широкие области применения.
Долота PDC серии T:
· Оптимизированный профиль долот
· Высокая режущая способность как основной, так и периферийной лопастей, эволютное расположение резцов с адекватным углом резания
· Защита калибровочной части композитными материалами и конструкция с малым моментом
· Гидравлически сбалансированная конструкция, разработанная с помощью вычислительной гидродинамики
· Спиральная защита калибровочной части
· Основное и периферийное вооружение
· Балансирная лапа для разделения давления
· Используются конические, аркоподобные, упрочненные отполированные волнообразные твердосплавные вставки.