6. Породоруйнуючий інструмент

6.1. Призначення та класифікація породоруйнуючих інструментів

Породоруйнуючі інструменти призначені для концентрованої передачі енергії гірській породі з метою її руйнування і створення свердловини циліндричної форми.

Руйнування гірської породи при обертальному бурінні відбувається в результаті дії сил: вертикального (осьового) навантаження на долото від ваги бурильної колони та горизонтальної сили від крутного моменту при обертанні бурильної колони або валу вибійного двигуна.

Характер руйнування гірських порід залежить від їх твердості та пластичності. М’які пластичні породи (наприклад, глини) ефективно руйнуються різанням. Ефективність їх руйнування збільшується із збільшенням гострості робочих (ріжучих) елементів долота.

Для порід середньої твердості (глинисті сланці, аргіліти та інші) застосовують долота, які забезпечують поєднання дроблення породи із сколюванням. У таких доліт робочий елемент проникає в породу внаслідок його удару об вибій, а сколювання породи відбувається за рахунок ковзання робочого елемента долота відносно площини вибою в результаті обертання долота.

Долота дроблячо-сколюючої дії повинні мати достатню довжину та загострення робочих елементів, що забезпечує їх проникнення в розбурювану гірську породу на велику глибину.

Тверді абразивні породи найефективніше руйнуються дробленням в результаті ударів робочих елементів об породу. Тому робочі елементи долота повинні бути достатньо міцними.

Тверді і міцні малоабразивні породи добре руйнуються мікрорізанням. Робочі елементи доліт, які забезпечують руйнування порід мікрорізанням, повинні мати дуже високу твердість, а їх кількість повинна бути такою, щоб забезпечити руйнування породи на всій поверхні вибою.

За характером руйнування породи бурові долота класифікуються на:

1. долота ріжуче-сколюючої дії, які призначені для розбурювання в'язких і пластичних порід невеликої твердості та малої абразивності;

2. долота дроблячо-сколюючої дії, які призначені для розбурювання неабразивних і абразивних порід середньої твердості;

3. долота дроблячої дії, які призначені для розбурювання неаб­разивних і абразивних твердих, міцних та дуже міцних порід;

4. долота ріжучо-стираючої дії, які призначені для буріння в неабразивних породах середньої твердості і твердих, а також для розбурювання абразивних і неабразивних порід, що чергуються за твердістю.

За призначенням бурові долота можуть бути об'єднані в три групи:

1. для руйнування породи з утворенням суцільного вибою свердловини (буріння без відбору керна);

2. для руйнування породи з утворенням кільцевого вибою свердловини (буріння з відбором керна);

3. для виконання спеціальних робіт.

За конструктивним виконанням бурові долота поділяються на:

1. лопатеві;

2. шарошкові;

3. алмазні і твердосплавні.

6.2. Бурові долота для буріння свердловин суцільним вибоєм

Для буріння свердловин суцільним вибоєм застосовують лопатеві, шарошкові, алмазні і твердосплавні долота.

Л опатеві долота. При бурінні нафтових і газових свердловин застосовують лопатеві долота ріжуче-сколюючого (дволопатеві – 2Л, трилопатеві – 3Л) і ріжучо-стираючого (трилопатеві – 3ИР, шестилопатеві – 6ИР, ІНМ) типів.

Долота 2Л і ЗЛ використовують для буріння в неабразивних м'яких пластичних породах і для буріння в неабразивних м'яких породах з пропластками неабразивних порід середньої твердості.

Рис. 6.1 Дволопатеве долото 2Л

Долота 2Л (рис. 6.1) виготовляють суцільнокованими, а долота 3Л

(рис. 6.2, а) – зварними.

Дволопатеве долото (2Л) складається із корпуса і двох лопатей, відштампованих як єдине ціле.

Трилопатеві долота мають ширше застосування, ніж дволопатеві. Долото 3Л (рис. 6.2, а) складається із корпуса, верхня частина якого має ніпель із замковою різьбою для приєднання до бурильної колони, і трьох приварених до корпуса долота лопатей, які розміщені стосовно одна до одної під кутом 120°. Для направлення потоку промивальної рідини до вибою долото має отвори, які розміщені між лопатями.

Л опаті виконані загостреними і дещо нахиленими до осі долота в напрямку його обертання. Лопаті укріплюють (армують) твердими сплавами. У доліт типу М прорізані пази на лопатях, в які наплавляють зернистий твердий сплав і лопать покривають чавуном. У доліт типу МС в пази вставляють і припаюють твердосплавні пластинки і покривають лопаті зернистим твердим сплавом. У доліт обох типів найбільше укріплюють ріжучі краї лопатей та їх бічні поверхні, які знаходяться в постійному контакті з породою і швидше зношуються.

а – 3Л; б – 3ИР

Рис. 6.2 Трилопатеві долота

Долота 3Л випускають з промивальними отворами, краї яких укріплені зернистим твердим сплавом, а також з промивальними отворами з встановленими в них мінералокерамічними змінними соплами (насадками).

Долотам із змінними соплами, або гідромоніторні, дозволяють здійснювати промивання свердловини із швидкістю руху струменя рідини із насадки 80 – 120 м/с.

Долота 2Л випускають діаметром від 76,0 до 165,1 мм із звичайною системою промивання. Долота ЗЛ – від 120,6 до 469,9 мм із звичайним та гідромоніторним промиванням.

Вадою доліт 2Л і 3Л є інтенсивне зношування їх лопатей від контакту ріжучих та калібруючих країв лопатей з вибоєм та стінкою свердловини.

При бурінні лопатевими долотами необхідно створювати підвищений крутний момент, який збільшує затрати енергії на руйнування породи і сприяє викривленню свердловини.

Долота “3ИР” (рис. 6.2, б) мають притуплені і приварені до корпуса лопаті, які сходяться на осі. Краї лопатей додатково укріплені твердосплавними штирями (вставками).

Ці долота застосовуються для буріння в абразивних м'яких породах з пропластками абразивних порід середньої твердості. Вони руйнують гірську породу за принципом одночасного різання (мікрорізання) і стирання. Долота "ЗИР" випускають діаметром від 190,5 до 269,9 мм.

Долота "6ИР" мають три основні лопаті, які служать для руйнування породи вибою і три додаткові укорочені лопаті, які калібрують стінку свердловини. Лопаті укріплені твердими сплавами приблизно за такою схемою, як долота "3ИР".

Руйнування породи здійснюється за принципом різання (мікрорізання) та стирання. Ці долота призначені для буріння в породах середньої твердості. Їх виготовляють діаметром від 139,7 до 269,9 мм без насадок та з насадками.

Д олота «ІНМ» в лопатевому виконанні виготовляють декількох видів. За конструкцією шестилопатеве долото «ІНМ» відрізняється від долота"6ИР" формою робочої поверхні основних трьох лопатей і розміщенням трьох додаткових укорочених лопатей (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Шестилопатеве долото «ІНМ»

Основні лопаті сходяться на осі долота, а додаткові розміщені асиметрично стосовно основних. Всі шість лопатей розміщені перпендикулярно до площини вибою і тому порода руйнується різанням (мікрорізанням) та стиранням. Додаткові лопаті призначені для калібрування стінки свердловини. Виготовляють долота суцільно кованими з подальшим фрезеруванням лопатей, або з привареними до корпуса долота лопатями. Лопаті армують надтвердим матеріалом "Славутич", який має високу зносостійкість. Промивальні отвори просвердлені в корпусі долота. Випускають долота діаметром від 91,4 до 391,3 мм без насадок та з насадками.

Шарошкові долота. Основний об'єм буріння нафтових і газових свердловин виконується шарошковими долотами. Шарошкові долота мають переваги порівняно з лопатевими:

1. площа їх контакту з вибоєм набагато менша, а довжина робочих елементів більша, що значно підвищує ефективність руйнування гірських порід;

2. шарошки долота перекочуються по вибою на відміну від лез лопатевого долота, ковзаючих по ньому, внаслідок чого інтенсивність зносу зубців шарошок значно менша за інтенсивність зносу лопатевих доліт;

3. внаслідок перекочування шарошок по вибою крутний момент, необхідний для обертання долота, порівняно невеликий, тому небезпека заклинювання долота зводиться до мінімуму.

Вади шарошкових доліт – низький ресурс служби опор долота та низька стійкість зубців шарошки.

При бурінні нафтових і газових свердловин використовують одно-, дво-, три-, чотири- і шестишарошкові долота. Найбільше розповсюдження одержали тришарошкові долота.

Стандартом передбачено випуск шарошкових доліт діаметром від 46 до 508 мм для розбурювання порід з різними механічними та абразивними властивостями. Випускають 13 типів шарошкових доліт, які використовують в різних за твердістю породах (табл. 6.1).

Таблиця 6.1

Область застосування тришарошкових доліт

Тип долота

М

МЗ

МС

мсз

С

СЗ

СТ

Т

ТЗ

ТК

ТКЗ

К

ОК

Гірська порода

М'яка

М'яка абразив­на

М'яка з пропластками се­редньої твердо­сті

М'яка абразив­на з пропластками середньої твердості

Середньої твер­дості

Абразивна се­редньої твердо­сті

Середньої твер­дості з пропластками твердої

Тверда

Тверда абрази­вна

Тверда з пропластками міц­ної

Тверда абрази­вна з пропластками міцної

Міцна

Дуже міцна

Категорія твердості

1–2

1–3

3–4

3–5

4–5

4–6

5–6

6–7

6–8

7–8

7–10

8–10

10–12

Т ришарошкові долота. Тришарошкові долота виготовляють зварюванням між собою трьох кованих секцій (лап) (рис. 6.4). На цапфах долота на підшипниках обертаються шарошки. Шарошки мають

а – гідромоніторне з відкритою опорою;

б – гідромоніторне з

герметизованою опорою;

А-А – промивальний отвір із соплом (насадкою)

Рис. 6.4. Тришарошкове долото

породоруйнуючі елементи, конструкція яких визначається механічними та абразивними властивостями порід. Для циркуляції промивальної рідини долото має промивальні отвори. Приєднання долота до бурильної колони здійснюється з допомогою подовженої замкової різьби.

Підшипники шарошок доліт змащуються промивальною рідиною, яка проникає до них по зазору між основою шарошки та упорною поверхнею цапфи. Застосувують також долота з герметизованою опорою, у яких мастило надходить до тіл кочення і тертя з еластичного балону по наявному в лапі і цапфі каналу.

У залежності від того, для буріння в яких породах призначено долото, шарошки мають різні породоруйнуючі елементи – фрезеровані або вставні зубці із спеціальних твердих сплавів. Вставні зубці мають клиновидну або сферичну контактну поверхню і запресовуються в гнізда, що просвердлені у тілі шарошки. Шарошки з фрезерованими або накатаними зубцями використовують в долотах, призначених для руйнування неабразивних порід. Шарошки із зубцями з твердих сплавів призначені для розбурювання абразивних порід та порід з дуже високою твердістю. На шарошках породоруйнуючі елементи розміщують, як правило, концентричними вінцями.

Шарошки доліт типів М, МС, С, СТ і Т мають вифрезеровані або накатані зубці. Для доліт від типу М до типу Т висота і крок зубців зменшуються, а кут при вершині зубця збільшується.

Шарошки доліт типу М мають найменшу кількість вінців, а доліт типу Т – найбільшу.

Шарошки доліт типу ТК на внутрішніх вінцях мають фрезеровані або накатані зубці призматичної форми, а на периферійних вінцях – вставні зубці з твердого сплаву із сферичною породоруйнуючою поверхнею.

Шарошки доліт типів К і ОК мають на всіх вінцях зубці із твердого сплаву із сферичною породоруйнуючою поверхнею.

Шарошки доліт типів МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ і ТКЗ призначені для буріння абразивних порід, оснащені запресованими в тіло шарошки твердосплавними зубцями, що мають клиновидну породоруйнуючу поверхню.

Долото контактує з вибоєм зубцями всіх шарошок. Відношення суми довжин зубців, які одночасно контактують з вибоєм, до радіуса долота називається коефіцієнтом перекриття. У доліт з багатоконусними шарошками із зміщеними осями він дорівнює 0,7 – 1,3, а у доліт з одноконусними шарошками без зміщення осей – 1,5 – 1,9.

При роботі долота на вибої його опори повинні забезпечувати вільне обертання шарошок навколо цапф, передачу навантаження на вибій від бурильної колони через цапфи і тіла кочення або поверхні тертя породоруйнуючим елементам.

Найбільше розповсюдження одержали такі типи опор:

В – всі підшипники кочення;

Н – один підшипник ковзання, а решта – кочення;

А – два і більше підшипники ковзання, а решта – кочення.

Випускають долота з відкритою опорою та з ущільнюючими кільцями з резервуаром для мастила. Долота з ущільнюючими кільцями і резервуаром для мастила позначаються літерою "У".

Підшипники сприймають радіальну та осьову складову навантаження На долото Як радіальні використовуються роликові і кульові підшипники та підшипники ковзання, в якості радіально-упорних – кульові підшипники, а як упорні – підшипники ковзання.

Застосування в роторному бурінні тришарошкових доліт з герметизованими мастилонаповненими опорами збільшує їх стійкість у середньому на 30 % порівняно з долотами аналогічних конструкцій без герметизації опор.

За розміщенням та конструкцією промивальних каналів шарошкові долота поділяються на долота:

1. з центральним промиванням – Ц;

2. з боковим гідромоніторним промиванням – Г;

3. з центральним продуванням – П;

4. з боковим продуванням – ПГ.

Тришарошкові долота можуть мати промивальні отвори в центрі долота, коли потік промивальної рідини спрямовується на шарошки, забезпечуючи охолодження та очищення їх від вибуреної породи.

Більшість моделей тришарошкових доліт виготовляють з боковим розміщенням промивальних отворів. У них промивальна рідина направляється між шарошками до вибою, забезпечуючи достатнє охолодження шарошок, добре очищення вибою від вибуреної породи і сприятливі умови для руйнування породи породоруйнуючими елементами долота.

Для ефективного процесу руйнування гірської породи в промивальні отвори вставляють насадки (сопла) і створюють швидкість витікання рідини не менше, ніж 80 м/с. Долота з такими насадками називають гідромоніторними.

Одношарошкові долота використовують для буріння роторним способом в тріщинуватих, малоабразивних породах середньої твердості, що залягають на великих глибинах. Долото складається з однієї кованої секції, на цапфі якої на підшипниках розміщена шарошка із запресованими в неї твердосплавними зубцями з півсферичною або клиноподібною робочою поверхнею (рис. 6.5).

Шарошка має форму кулі, зрізаної біля основи цапфи, і змонтована так, щоб її центр лежав на осі обертання долота.

Тому при обертанні шарошки породоруйнуючі елементи не відриваються від вибою, що обумовлює її ріжуче-сколюючу дію на породу.

Д ля підводу промивальної рідини до вибою долото має один похилорозміщений промивальний отвір.

1. – сферична шарошка; 2 – твердоставні породоруйнуючі елементи; 3 – промивальний отвір;

4 – приєднувальна різьба; 5 – корпус долота;

6 – цапфа; 7 – підшипники

Рис. 6.5 Одношарошкове долото

Алмазні долота призначені для руйнування різанням (мікрорізанням) і стиранням неабразивних порід середньої твердості і твердих. Із-за високої вартості алмазних доліт, їх доцільно застосовувати на великих глибинах (більше 3000 м), де вони забезпечують значну проходку на долото, що скорочує затрати часу на спуско-підіймальні роботи для заміни долота.

Алмазне долото складається із стального корпуса із з'єднувальною різьбою і фасонної алмазонесучої головки (матриці) (рис. 6.6).

М атрицю виготовляють методом пресування і спікання суміші спеціально підібраних порошкоподібних твердих сплавів. Алмази закріплюють у зовнішньому шарі порошкоподібного твердого сплаву алмазонесучої головки.

Алмазні долота виготовляють двох модифікацій:

1. одношарові з розміщенням відносно великих алмазів у поверхневому шарі, що поділяються на:

а) радіальні;

б) спіральні;

в) ступеневі.

2. імпрегновані, матриця яких виготовлена із ретельно змішаного порошкоподібного твердосплавного матеріалу з подрібненими природними або синтетичними алмазами.

1 – корпус; 2 – приєднувальна різьба; 3 – матриця; 4 – алмазовміщуючі сектори;

5 – промивальні канали; 6 – промивальні отвори

Рис. 6.6. Алмазне долото

Спіральні алмазні долота призначені для буріння вибійними двигунами в малоабразивних породах середньої твердості і твердих. Вони мають три промивальні отвори, які переходять в радіально-сферичні спіральні канали, що направляють рідину до периферії долота.

Радіальні алмазні долота застосовуються при бурінні з вибійними двигунами та роторним способом при розбурюванні порід середньої твердості та твердих. Долота мають три промивальні отвори.

Ступеневі алмазні долота призначені для буріння в неабразивних породах середньої твердості вибійними двигунами та роторним способом. Промивальна рідина поступає до вибою по шести промивальних отворах.

Імпрегновані алмазні долота застосовуються при бурінні вибійними двигунами в малоабразивних середніх, середньої твердості і твердих породах. Промивальна рідина підводиться до вибою через промивальний отвір, розміщений у центрі долота.

Діаметр алмазних доліт на 2 – 3 мм менший відповідних діаметрів шарошкових доліт, що пов'язано із створенням безпечних умов для переходу до буріння цими долотами після шарошкових, в яких у міру зносу зменшується діаметр.

Твердосплавні долота ІНМ. Поряд з алмазними широко застосовуються твердосплавні долота, контактні сектори яких армовані твердим сплавом "Славутич" і зубцями, виготовленими з твердого сплаву. Вони застосовуються при бурінні вибійними двигунами в неабразивних породах середньої твердості.

Долота ІНМ руйнують породу аналогічно алмазним долотам за принципом різання (мікрорізання) і стирання.

Долото складається із стального корпуса, на торцевій профільній поверхні якого, виконаній у вигляді радіально розміщених секторів, і калібруючій стінку свердловини поверхні, є зубці-вставки з твердого сплаву “Славутич” (рис. 6.7).

З ’єднують долото з бурильною колоною або валом вибійного двигуна за допомогою замкової різьби.

1 – корпус;

2 – приєднувальна різьба; 3 – різці-вставки; 4 – насадка;

5 – промивальні канали

Рис. 6.7. Твердосплавне долото ІНМ типу М

Промивальна рідина із насадок надходить у промивні канали між секторами долота.

6.3. Бурові долота для буріння з відбором керна

Бурові долота для буріння з відбором керна (снаряди) (рис. 6.8) складаються з:

1 . бурильної головки;

2. зовнішнього корпуса;

3. внутрішньої колонкової труби (керноприймача);

4. кернотримача (керновідривача).

Бурильна головка, руйнуючи породу по периферії вибою, залишає в центрі свердловини породу (керн).

Корпус керноприймального пристрою служить для з'єднання бурильної головки з бурильною колоною, розміщення керноприймача та захисту керна від механічних пошкоджень, а також для пропуску промивальної рідини між ним і керноприймачем.

1 – бурильна головка; 2 – керн; 3 – керноприймач;

4 – корпус; 5 – клапан

Рис. 6.8. Схема колонкового долота

Керноприймач призначений для прийому керна, зберігання його під час буріння та при підйомі на денну поверхню. Для виконання цих функцій у нижній частині керноприймача встановлюють керно- відривачі і кернотримачі, а вверху – клапан, який пропускає промивальну рідину при заповненні керноприймача керном.

К олонкові снаряди поділяють на снаряди з незйомним (постійним) та зйомним керноприймачем.

При бурінні колонковими долотами з незйомним керноприймачем для підйому на поверхню колонкової труби з керном необхідно піднімати всю бурильну колону.

Колонкові долота із зйомним керноприймачем дозволяють піднімати колонкову трубу з керном без підйому бурильної колони. Для цього в бурильну колону спускають на канаті уловлювач, за допомогою якого піднімають керноприймач на поверхню.

Рис. 6.9. Тришарошкова бурильна головка

Бурильні головки за конструкцією поділяють на лопатеві, шарошкові, алмазні і твердосплавні.

Найпоширеніші при бурінні з відбором керна шарошкові бурильні головки. Вони можуть мати одну, три, чотири і більше шарошок (рис. 6.9).

Зубці периферійних рядів шарошки калібрують стінку свердловини, а вершини шарошок, укріплені твердосплавними вставками, оббурюють керн.

Найбільше застосовують колонкові снаряди “Надра” (рис. 6.10). Вони використовуються із шарошковими, алмазними і твердосплавними бурильними головками, призначеними для буріння в породах різної твердості. Складається снаряд "Надра" з корпуса, верхня частина якого має перевідник для з'єднання з бурильною колоною, а нижня – перевідник для з'єднання з бурильною головкою. Всередині корпуса розміщений керноприймач. До нижньої частини керноприймача приєднується спеціальний перевідник, а до нього – башмак, який встановлюється в корпусі бурильної головки.

К ерноприймач має розміщені в перевіднику цанговий керновідривач і важільний кернотримач. У муфті, яка з'єднує дві секції керноприймача, є важільний кернотримач.

Керновідривач і кернотримач встановлені так, що під час буріння при обертовому керноприймачі вони залишаються нерухомими відносно керна.

До верхньої частини керноприймача з допомогою муфти приєднується гвинт. По гвинту переміщається гайка, яка вгвинчується зовнішньою різьбою у внутрішню різьбу ніпеля верхньої секції корпуса керноприймального пристрою.

У муфті є зворотний клапан, виконаний у вигляді змінного двостороннього гнізда і кулі.

Рис. 6.10. Керноприймальний снаряд «Надра»

Для центрування керноприимального пристрою в свердловині замість нижнього перевідника може бути встановлений центратор-калібратор, а над верхнім перевідником – центратор. їх діаметри повинні дорівнювати діаметрам бурильної головки.

Довжина керноприймального пристрою в двосекційному виконанні – 16 м, а довжина керноприймача – 14,5 м.

Снаряд “Надра” дозволяє здійснювати відбір керна діаметром 100, 80, 67 і 62 мм роторним способом.

Поряд з колонковим снарядом “Надра” використовують снаряди із незйомним керноприймачем типу “Силур”, який призначений для відбору керна в ускладнених умовах при бурінні свердловин діаметром 212,7 мм і менше. Конструктивно вони виконані аналогічно і використовуються з такими ж бурильними головками, як і снаряд "Надра". Снаряд "Силур" має корпус дещо меншого діаметра, ніж "Надра", що зменшує імовірність прихоплювання бурильного інструменту.

Для відбору керна в нестійких слабозцементованих породах ро­торним способом використовують снаряд "Кембрій". При тих же діаметрах бурильних головок, що і снаряди типу "Надра" і "Силур", колонковий снаряд "Кембрій" дозволяє відбирати керн більшого діаметра (діаметр керна відповідно 80 і 100 мм).

Колонкові снаряди із зйомним керноприймачем для роторного способу поки що не створені.

При турбінному бурінні колонкові снаряди із зйомним керноприймачем одержали назву колонкових турбобурів. Для буріння з відбором керна використовують колонкові турбобури КТДЗ і КТД4С, для яких розроблені чотиришарошкові бурильні головки. З колонковими турбобурами КТД4С застосовуються також алмазні і твердосплавні бурильні головки.

Підготовлене до роботи колонкове долото із зйомним керноприймачем опускають у свердловину, як правило, без керноприймача. Після спуску долота промивають свердловину для вирівнювання густин промивальної рідини, закачуваної в бурильну колону і на виході із свердловини. Потім у бурильну колону кидають зйомний керноприймач, який входячи в корпус керноприимального пристрою займає робоче положення.