МиНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый университет»

Нефтегазовый колледж имени Ю.Г.Эрвье

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН»

для студентов среднего профессионального образования

специальности

131003 Бурение нефтяных и газовых скважин,

130109 Геология и разведка нефтяных и газовых месторождений

131018 Разработка нефтяных и газовых месторождений

Для учащихся начального профессионального образования

131003.03 Бурильщик эксплуатационных и разведочных скважин

Часть 2 - Породоразрушающий инструмент

Тюмень

Тюм ГНГУ

НГК им. Ю.Г. Эрвье

2012

Составитель: А.В. Кед – преподаватель специальных дисциплин.

Рецензент: д-р техн. наук, М.В. Двойников

Содержание

Введение………………………………………………………………....4

Назначение и классификация породоразрушающего инструмента….4

Лабораторная работа № 1 Изучение конструкций шарошечных

долот…...………………………………………………………………....6

Лабораторная работа № 2 Изучение и кодирование износа отрабо-

танных долот……………………………………………………………15

Лабораторная работа № 3 Изучение конструкций двух- трехлопаст-

ных, пикообразных, лопастных истирающе-режущих, ступенчатых

долот…………………………………………………………………….21

Введение

Методические указания предназначены для студентов среднего профессионального образования специальностей 131003 Бурение нефтяных и газовых скважин, 130109 Геология и разведка нефтяных и газовых месторождений,131018 Разработка нефтяных и газовых месторождений, для учащихся начального профессионального образования 131003.03 Бурильщик эксплуатационных и разведочных скважин

Методические указания могут быть использованы при выполнении учебно-исследовательских работ студентами и учащимися других специальностей.

Целью ознакомления студентами конструкций шарошечных, двух- трехлопастных, пикообразных, лопастных истирающе-режущих, ступенчатых долот, а также изучение и кодирование отработанных долот.

Методические указания будут полезны при изучении курсов по технологии бурения нефтяных и газовых скважин. заканчивания скважин, технологии эксплуатационного и разведочного бурения.

Назначение и классификация породоразрушающего

инструмента

При бурении нефтяных и газовых скважин применяется в основном механический способ разрушения горных пород. При этом энергия от привода бурового станка к разрушаемой породе передается породоразрушающим инструментом. Энергия может передаваться непрерывно частью или всей рабочей поверхностью породоразрущающего инструмента всему забою или дискретно, лишь на часть поверхности забоя скважины.

Таким образом, породоразрушающий инструмент предназначен для концентрированной передачи энергии горной породе с целью ее разрушения.

Породоразрушающим инструментом называется инструмент, применяемый непосредственно для бурения путем разрушения горных пород.

Первые породоразрущающие инструменты режуще-скалывающего действия изготовлены с началом бурения скважин. Так как первые скважины бурились ударным способом, породоразрушающие инструменты были похожи на инструмент, предназначенный для обработки (долбления) древесины (долото). В последующем, главным образом с развитием вращательного бурения, долота непрерывно улучшались. Совершенствование породоразрушающих инструментов продолжается и в настоящее время.

Рисунок 1 – Классификация породоразрушающего инструмента

Лабораторная работа № 1

Тема: Изучение конструкций шарошечных долот.

Цель работы: Изучение конструкции шарошечных долот и заводского шифра долот по ГОСТу 20692-2003 “Шарошечные долота”.

Шарошечные буровые долота предназначены для бурения скважин и представляют собой буровой инструмент, породоразрушающими органами которого являются шарошки, перекатывающиеся по забою.

Шарошечные долота наиболее распространенный вид породоразрушающего инструмента. Они выпускаются в наибольшем ассортименте по числу типов, серий, модификаций и моделей.

В России и СНГ основными производителями долот являются: ОАО “Волгабурмаш”, ОАО “Уралбурмаш”, ОАО “ДДЗ” (Дрогобычский долотный завод, Украина).

По конструкции корпуса трехшарошечные долота подразделяются на секционные и корпусные. Секционные долота сваривают из отдельных секций (лап), на которых расположены шарошки, и последующей обработкой получают долото. На рисунке 2 представлена компоновка узлов и деталей секционного трехшарошечного долота.

Рисунок 2 – Компоновка узлов и деталей секционного трехшарошечного

6

долота

Секционные долота выпускаются всех серий и типов диаметром до 393,7 мм. Секционное трехшарошечное долото состоит из трех одинаковых по размеру шарошек и трех идентичных лап. Шарошки оснащены вооружением, представленными венцами основного, периферийного и обратного конусов шарошки. На цапфах лап расположены подшипники различной конфигурации, образующие опору долота. Шарошки удерживаются от осевого перемещения с помощью замкового шарикового подшипника, собираемого через отверстия в цапфах. Отверстия в цапфах закрываются специальным пальцем, который заваривается на спинке лапы.

Промывочные каналы могут иметь различную форму, расположение или количество в зависимости от назначения, типа и размера долота. Наибольшее распространение получили два типа промывочных каналов: одно отверстие расположенное в центре долота (центральная схема промывки) и боковые каналы в каждой лапе долота (гидромониторная схема промывки). Схемы промывки долот представлены на рисунке 3.

а б в

а – центральная насадка;

б – боковая с тремя удлиненными насадками;

в – боковая с тремя стандартными насадками

Рисунок 3 – Схемы промывки забоя скважины

Для повышения эффективности разрушения мягких пород в корпус долота встраиваются профилированные насадки при движении через которые поток промывочной жидкости приобретает скорость до 60-120 м/с. Сменные насадки изготавливают из металлокерамических сплавов. Наибольшее распространение получили насадки с каналом, имеющим форму очертания сжатой струи (с целью повышения коэффициента расхода). Повышение эффективности гидромониторного эффекта достигается за счет уменьшения расстояния от насадки до забоя до 20 мм. Благоприятным также является расположение оси насадки под углом 8⁰ в сторону, противоположную вращению долота. Характеристики стандартных и удлиненных насадок приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Характеристика стандартных насадок

Насадка

Диаметр долота, мм

Диаметры выходного отверстия, мм

5,6

6,4

7,1

7,9

8,7

9,5

10,3

11,1

11,9

12,7

14,3

15,9

17,5

19,1

20,6

22,2

R3510

120,6-124,6

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

R3401

139,7-152,4

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

R1804

155,6-171,4

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

R0030

190,5-244,5

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

R0101

250,8-444,5

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Таблица 2 –Характеристика удлиненных насадок

Тип долота	Насадка, обозначение	Диаметр долота, мм	Диаметры выходного отверстия, мм
			15,0	18,0	20,0
Долото с фрезерованным вооружением	НУГ-15/47 НУГ-18/47 НУГ-20/47	190,5-215,9	+	+	+
Долото с твердосплавным вооружением	НУГ-5/52,5 НУГ-8/52,5 НУГ-0/52,5	215,9	+	+	+

Рассматриваемое долото имеет гидромониторную промывку (рисунок 3), поэтому в каждой лапе долота выполнены гнезда под насадку. Насадка уплотняется резиновым кольцом и крепится с помощью стопорного гвоздя.

Для подвода смазочного вещества к элементам опоры шарошки в процессе бурения в лапе предусмотрен узел смазочного резервуара. Смазочное вещество находится в стакане и под действием диафрагмы, которая деформируется при перепаде давления, подается к опоре долота. Система смазки представлена на рисунке 4.

Рабочая поверхность шарошек снабжена зубчатыми венцами, которые выполняются как одно целое с телом шарошки или шарошка армируется породоразрушающими элементами из твердого сплава. Вооружение буровых долот представлены на рисунке 5.

Рисунок 4 - Система смазки

Рисунок 5 – Вооружение буровых долот

Для эффективно разрушения горных пород необходимы соответствующие удельные нагрузки и внедрение зубка в породу, то есть улучшение разрушающей способности вооружения зависит от формы рабочей части зубка [2]. Форма таких зубков показана на рисунке 6.

а б

в г

д е

ж з и

а – зубок типа М; б – зубок типа М2; в – зубок типа Г-25; г – зубок типа Г-54; д - зубок типа С; е – зубок типа Т; ж – зубок типа Г-26; з – зубок типа К; и – зубок типа СТ

Рисунок 6 – Твердосплавные зубки

Выбор типа и вида вооружения для оснащения вооружения шарошек долота в основном определяется свойствами разбуриваемых пород.

Шарошки современных долот выполняются многоконусными. Один из конусов обычно несет вооружение, калибрующее стенки скважины, и называется обратным.

Краткая характеристика вооружения всех типов долот и описание разбуриваемых ими пород приведено в таблице 3.

Таблица 3 – Характеристика вооружения шарошечных долот

Тип долота	Разбуриваемые породы	Характеристика вооружения
М	Мягкие	Фрезерованные стальные зубья
МЗ	Мягкие абразивные	Твердосплавные зубки клиновидной формы
МС	Мягкие с пропластками пород средней твердости	Фрезерованные стальные зубья
МСЗ	Мягкие абразивные с пропластками пород средней твердости	Комбинированное стальное и твердосплавное вооружение клиновидной формы
С	Средней твердости	Фрезерованные стальные зубья
СЗ	Абразивные средней твердости	Твердосплавные зубки клиновидной формы
СТ	Средние с пропластками твердых пород	Фрезерованные стальные зубья
Т	Твердые	Фрезерованные стальные зубья
ТЗ	Твердые абразивные	Твердосплавные зубки клиновидной формы
ТК	Твердые с пропластками крепких пород	Фрезерованные стальные клиновидные и твердосплавные сферической формы
ТКЗ	Твердые абразивные с пропластками крепких пород	Твердосплавные зубки клиновидной и сферической формы
К	Крепкие	Твердосплавные зубки сферической формы
ОК	Очень крепкие	Твердосплавные зубки сферической формы

Параметры элементов вооружения изменяются в зависимости от типа и размеров долот.

Полнота поражения забоя по радиусу скважины характеризуется коэффициентом перекрытия, под которым понимается отношение суммы длин зубьев, одновременно контактирующих с забоем, к радиусу долота.

В зависимости от типа долота коэффициент перекрытия изменяется в пределах от 0,7 до 1,3.

Контактная площадь зубьев долота определяется как сумма площадей контакта зубьев всех шарошек, одновременно находящихся во взаимодействии с горной породой. При вращении долота и шарошек контактная площадь меняется, поэтому обычно определяется среднее значение этой величины.

После сборки лап и шарошек в секции их сваривают вместе в монолитную конструкцию, а затем нарезают резьбу для присоединения к бурильной колонне.

Фиксирование сопряженных граней и секций перед сваркой производится с помощью установочных штифтов, под которые в каждой лапе высверливаются глухие отверстия.

Внедрен ГОСТ 20692-2003 “Долота шарошечные”, которым предусмотрен выпуск долот 42 типоразмеров от 76,0 мм до 508,0 мм.

Шифр долота включает сведения о виде долота по числу шарошек, его диаметре, типе долота, характеризующем его вооружение, расположение промывочных и продувочных каналов, отличие конструкции опоры (рисунок 7).

Рисунок 7 – Долото серии ГВ

Следует изготовлять:

одношарошечные – I,

двухшарошечные – II,

трехшарошечные – III.

Диаметр долота в миллиметрах, часто встречаются в практике буровых работ следующие диаметры долот: 190,5; 215,9; 244,5; 269,9; 295,3; 349,2; 393,7; 445; 490 [3].

В шифре долота заложено обозначение породы, для которой данное долото предназначено. Породы по твердости условно делятся на следующие категории: мягкие (М), средние (С), твердые (Т), крепкие (К), и очень крепкие (ОК).

По виду вооружения разработаны следующие типы долот: для бурения мягких пород (М), для мягких абразивных пород (МЗ), для мягких с пропластками средней твердости пород (МС), для мягких абразивных с пропластками средней твердости пород (МСЗ), для средней твердости пород (С), для средней твердости с пропластками твердых пород (СТ), для средней твердости абразивных пород (СЗ), для твердых пород (Т), для твердых абразивных пород (ТЗ), для твердых с пропластками крепких пород (ТК), для твердых абразивных с пропластками крепких пород (ТКЗ), для крепких пород (К), для очень крепких пород (ОК).

Наличие в обозначение типа долота буквы З указывает на то, что шарошки оснащены твердосплавными зубьями. Буква З отсутствует, если шарошки имеют фрезерованные или литые зубья, армированные твердым сплавом.

Расположение промывочных или продувочных каналов:

Ц – долото с центральной промывкой,

Г – с гидромониторной боковой промывкой,

П – с центральной продувкой,

ПГ – с боковой продувкой.

Имеются также уточняющие сведения о конструкции опоры. Так, например: В – долото предназначено для высокочастотного вращения, имеет только подшипники качения, Н – долото предназначено для низкочастотного вращения, при этом опора шарошки на одном подшипнике скольжения в сочетании с подшипниками качения, А – в опоре два и более подшипников скольжения, У – опоры, выполненные с герметизацией подшипников уплотнительными кольцами и имеющие резервуары для смазки.

Пример условного обозначения трехшарошечного долота диаметром 215,5 мм для бурения абразивных пород средней твердости (СЗ), с боковой гидромониторной промывкой (Г), на двух и более радиальных подшипниках скольжения с одним или более упорным подшипником скольжения и герметизацией опоры (АУ):

Долото шарошечное III 215,9 СЗ-ГАУ ГОСТ 20692-2003.

Классификация шарошечных долот по IADC

Классификация шарошечных долот по IADC (International Association of Drilling Contractors) — Международной ассоциации буровых подрядчиков — основана на четырехсимвольном коде, отражающем конструкцию долота и тип горных пород, для бурения которых оно предназначено. Первые три символа — цифровые, а четвертый — буквенный. Последовательность цифровых символов определяется как «серия — тип — опора / калибрующая поверхность». Четвертый буквенный символ определяется как «дополнительные характеристики».

Первая цифра кода — серия вооружения долота (1 - 8). Восемь категорий серий вооружения соответствуют общей характеристике горных пород, для бурения которых предназначено долото. Серии от 1 до 3 определяют долота с фрезерованным вооружением, а серии от 4 до 8 — долота с твердосплавным вооружением. Внутри групп фрезерованных и штыревых долот увеличение цифры серии означает увеличение твердости пород, для которых предназначено долото.

Вторая цифра кода — тип вооружения долота (1 - 4). Каждая серия разделена на 4 типа в зависимости от твердости разбуриваемых пород. Тип I означает долота для бурения наиболее мягких пород в пределах серии, а тип 4 — относится к наиболее твердым породам в пределах серии.

Третья цифра (1-7) характеризует конструкцию опоры и наличие (или отсутствие) твердосплавных вставок на калибрующих поверхностях шарошек.

1 — открытая (негерметизированная) опора; 2 — открытая опора для бурения с продувкой воздухом; 3 — открытая опора + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек; 4 — герметизированная опора на подшипниках качения; 5 — герметизированная опора на подшипниках качения + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек; 6 — герметизированная опора на подшипниках скольжения; 7 — герметизированная опора на подшипниках скольжения + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек; категории 8 и 9 — резервные, для возможного использования в будущем.

Четвертый буквенный символ кода — «дополнительные характеристики» (необязательная). 16 букв используются для обозначения специальных конструкций вооружения, опор, промывочных устройств и защиты корпусов долот.

Некоторые конструкции долот могут иметь более чем одну из дополнительных характеристик. В таких случаях указывается наиболее существенная из них.

А — долота для бурения с продувкой воздухом вместо промывки буровым раствором.

B — специальная конструкция уплотнений, допускающая, на пример, бурение с повышенной частотой вращения.

С — центральная насадка.

D — специальная конструкция вооружения, минимизирующая отклонение ствола скважины.

Е — удлиненные насадки.

G — усиленная защита козырьков лап наплавкой или твердо- сплавными зубками.

Н — долота для направленного или горизонтального бурения.

J — гидромониторные долота для бурения с набором кривизны.

L — калибрующие накладки на спинках лап, армированные твердосплавными зубками.

М — долота для бурения с забойными двигателями.

S — стандартные долота с фрезерованным вооружением.

Т — двухшарошечные долота.

W — усовершенствованное вооружение.

X — зубки преимущественно клиновидной формы.

Y — зубки конической формы.

Z — другие формы зубков.