БУРОВЫЕ ДОЛОТА

группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

БУРОВЫЕ ДОЛОТА.

Назначение и классификация.

Буровые долота являются инструментом, разрушающим породу на забое скважины. При вращательном бурении долото в результате действия на него двух усилий — осевой нагрузки и крутящего момента скалывает, дробит, истирает породу или осуществляет их комбинацию.

По характеру воздействия на забой и конструктивному исполнению долота делятся на: 1)лопастные (скалывающие породу); 2)шарошечные (одновременно скалывающие и дробящие породу);

3)алмазные и твердосплавные (микроскалывающие и истирающие породу). По назначению буровые долота разделяются на три вида:

1)сплошного бурения (разрушающие всю поверхность забоя);

2)колонкового бурения (разрушающие поверхность по кольцу); 3)специального назначения (применяемые для разбуривания цементного камня внутри

обсадной колонны или в скважине, для зарезки новых стволов вдоль отклоняющего клина и расширения пробуренной скважины и др.).

Каждая группа долот в свою очередь подразделяется на типы, предназначенные для разбуривания пород различных категорий буримости.

Лопастные долота применяют главным образом для бурения мягких легко разбуриваемых пород, а также пород, характеризующихся высокой пластичностью. При разбуривании долотами такого типа пород средней твердости и абразивных эффективность получают небольшую. Для твердых и крепких пород эти долота применять нецелесообразно.

Шарошечные долота - наиболее универсальные и наиболее распространенные; они применяются для бурения различных осадочных пород от самых мягких - легкобуримых до самых крепких и абразивных - трудно буримых.

Алмазные и твердосплавные долота применяют для бурения хрупкопластичных осадочных, карбонатных и других твердых пород и пород средней твердости, залегающих на больших глубинах. В пластичных глинах и крепких абразивных породах эти долота малоэффективны.

Буровые долота всех типов снабжаются промывочными устройствами, служащими для подвода промывочной жидкости или газа к забою скважины. Жидкость (или газ) предназначена для удаления выбуренной породы с забоя, очистки, охлаждения и смазки долота и выноса разбуренной породы через затрубное пространство на поверхность.

В зависимости от условий и способа бурения при нагрузках на долото от 200 до 3000 кг на 1 см диаметра применяются скорости от 30 до 800 об/мин. Работа долот происходит в среде жидкости, газа или их смесей, содержащих обломки выбуренной породы. Срок службы долот меняется в широких пределах: от 15-20 мин до десятков, а иногда и сотен часов. Проходка на долото также бывает самая различная: от нескольких сантиметров в очень твердых, труднобуримых породах до 1-2 тыс. м в мягких, легкобуримых.

Лопастные долота.

Лопастное долото для сплошного бурения состоит из стального штампованного или литого корпуса с конической присоединительной резьбой и лопастей, отштампованных или отлитых заодно целое с корпусом, присоединенных или приваренных к нему.

Лопастные долота используют при бурении однократно, в связи с чем длина лопастей рассчитывается на один рейс, а корпус делается по возможности более легким и дешевым. Эти долота применяют в основном только при бурении скважин диаметром более 490 мм.

По количеству лопастей долота подразделяются на двух-, трех-, четырех- и многолопастные (рис. 1-2). Лопасти выполняются со скосом боковых граней под углом 3—5°, направленным в сторону, противоположную вращению. В зависимости от назначения долота лопасти заправляют под различными углами, отличающимися формой передней грани, ее наклоном относительно плоскости, перпендикулярной оси долота. Углы наклона грани относительно плоскости называются углом резания а, углом приострения β и тыльным углом γ. В центре долота в лезвиях делается вырез для улучшения его работы.

Корпус и лопасти долота выполняют из среднеуглеродистых нелегированных или малолегированных конструкционных сталей. Передняя и боковая грани лопастей для увеличения стойкости армируются твердым сплавом. После приварки лопастей к корпусу на передней и боковой гранях ее вырезают канавки, дно которых налавливается крупкой зернистого твердого сплава релит. В подготовленные таким образом пазы с подушкой из твердого сплава укладывают

2

СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

твердосплавные пластины. Нарезается присоединительная резьба, производится подгонка по диаметру и заправка лезвий долота.

Шарошечные долота.

Шарошечные долота состоят из сваренных секций (лап), на опорах которых смонтированы свободно вращающиеся зубчатые катки — шарошки.

При вращении долота шарошки, перекатываясь по забою, осуществляют его разрушение. Для присоединения к бурильной колонне в верхней части корпуса долота нарезается коническая резьба.

По количеству шарошек долота для сплошного бурения подразделяются на одно-, двух- и трехшарошечные (рис. 1-5). Конструкции долот с различным числом шарошек имеют много общего, принцип действия их одинаков. Поэтому ниже рассматриваются трехшарошечные долота, наиболее широко применяемые в практике бурения.

Взависимости от конструкции корпуса шарошечные долота независимо от их назначения разделяются на две группы: секционные и цельнокорпусные. Корпус секционных долот сваривается из отдельных секций (лап), на которых монтируются шарошки с ниппельной присоединительной резьбой. В долотах второй группы корпус цельный, литой с муфтовой резьбой, к которому привариваются лапы с укрепленными на них шарошками. Секционные долота изготовляются диаметрами от 76 до 320 мм, а цельнокорпусные от 346 до 490 мм.

Для подачи жидкости к забою в трехшарошечных долотах предусмотрены каналы, направляющие жидкость на шарошки, между ними или в центр долота. Форма, сечение, расположение и количество промывочных каналов зависят от назначения, типа и размера шарошечного долота.

Долота изготовляются гидромониторными (рис. 1-6, б), отличающиеся от обычных (рис. 1-6, а) наличием в асимметричных лапах промывочных каналов, направляющих струю между шарошками на периферию забоя.

На наружной поверхности шарошек имеется несколько рядов зубьев. По конструкции зубьев долота подразделяются на зубчатые, зубья которых и тело шарошки представляют одно целое; штыревые, зубья шарошек которых изготавливаются из стержней твердого сплава и с комбинированным зубчато-штыревым вооружением.

Опоры шарошек в зависимости от размера, типа и конструкции долота выполняются из двух или трех радиальных подшипников качения, скольжения или их комбинаций, воспринимающих радиальные нагрузки, и замкового шарошечного ряда, воспринимающего осевые нагрузки и фиксирующего шарошку от осевых смещений. Подшипники монтируются на цапфе лапы. Смазка опор долот осуществляется либо промывочной жидкостью, либо маслом; в последнем случае опоры герметизируют.

Вдолотах, применяемых при бурении с продувкой забоя воздухом, опоры выполняются с каналами в лапах, по которым часть воздуха попадает к подшипнику для продувки и очистки его от пыли и выбуренной породы. Без продувочных устройств опоры быстро забиваются пылью и грязью и заклиниваются.

Для разбуривания пород различных категорий буримости применяются одно- и двухшарошечные долота двух типов и трехшарошечные долота для сплошного бурения восьми типов с условными шифрами: М, МС, С, СТ, Т, ТК, К, ОК. Все эти долота изготовляются как в гидромониторном исполнении, так и в обычном. Типы шарошечных долот различаются: конструкцией шарошек и опор, формой шарошек, числом и размером их зубьев, смещением осей вращения шарошек относительно центра долота и углами наклона ее оси относительно оси скважины.

Чем больше угол наклона оси шарошки и её смещение относительно центра скважины, чем несовершеннее форма конуса шарошки и больше вылет ее вершины за ось скважины, тем

3

СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

эффективнее происходит скалывание породы.

Чем форма шарошки больше приближена к совершенному конусу и чем лучше в долоте обеспечены условия «чистого» качения шарошки по забою, тем меньше эффект скалывания и больше эффект дробления.

Типы трехшарошечных долот.

Долота типа М предназначены для бурения самых мягких и вязких пород.

Долота типа МС применяются для разбуривания мягких пород с пропластками пород средней твердости: глин, мела, соли, гипса и др.

Долота типа С используются для разбуривания пород средней твердости: плотных глин, мергелей, рыхлых песчаников и др.

Долота типа СТ предназначаются для бурения пород средней твердости с твердыми и абразивными пропластками.

Долота типа Т применяются для бурения твердых и абразивных пород (доломитов, доломитизированных известняков, ангидритов и др.). Они имеют наиболее дробящее и наименее сдвигающее действия.

Долота типа ТК используются для бурения твердых пород с пропластками хрупких и абразивных пород.

Долота типов К и ОК применяются для разбуривания крепких, хрупких, самых крепких и абразивных пород (окремнелых известняков, кварцитов и др.).

4

СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Алмазные долота.

Алмазные долота (рис. 1-17), применяемые для бурения скважин сплошным забоем, представляют собой цельный стальной корпус с присоединительной конической муфтовой или ниппельной резьбой. Относятся они к долотам микроскалывающего типа, в которых алмазы разрушают породу. Рабочая поверхность их выполнена из порошкообразного или зернистого твердого сплава, пропитанного твердым припоем и спаянного со стальным корпусом. Эта поверхность снабжена каналами, служащими для протока промывочной жидкости к режущим граням. На ее поверхности алмазы располагаются в один слой таким образом, что силуэт их перекрывает диаметр долота, в результате удельная работа разрушения на долю каждого алмаза приходится одинаковой.

Диаметры алмазных долот на 1,5—2,5 мм меньше диаметра шарошечных и лопастных долот тех же номинальных размеров. Алмазные долота выполняются с различной формой рабочей головки и системой промывочных устройств. Рабочая часть в зависимости от назначения долот выполняется весьма разнообразно (рис. 1-18): с плоским торцом, выпуклым, выпукло-вогнутым, выпукло-конусным, двоякоконусным, ступенчато-конусным и комбинированными.

Рис. 1-18. Профили алмазных долот.

а — плоский; б — выпуклый; в — вогнутый; г — выпукло-вогнутый; д — выпукло-конусный; е — двоякоконусный; ж — ступенчатоконусный; з —комбинированный.

Форма промывочных каналов и их сечение выполняются так, чтобы обеспечивались хорошее удаление частиц выбуренной породы, охлаждение и очистка рабочей части головки долота, а размеры каналов выбираются с таким расчетом, чтобы скорость промывочной жидкости была в пределах 20—30 м/сек.

Рабочая поверхность долота оснащается алмазами различной величины: размеры их калибрующей части 0,1—0,25 карата; торцовых поверхностей — 0,2—0,34 карата и конусных поверхностей 0,1-0,25 карата (один карат равен по весу 0,2 г.). Количество зерен алмазов, устанавливаемых на поверхности долота диаметром 140 мм, составляет от 1000—1100, в 212-мм долотах — до 2000. На одно долото расходуется от 200 до 700 карат. Корпус алмазного долота изготовляется из конструкционной углеродистой или хромистой стали марки 40Х с содержанием углерода 0,35—0,4%.

Истирающе - скалывающие и фрезерные долота.

Для бурения пластичных пород средней твердости применяют истирающе-скалывающие и фрезерные долота. Такие долота состоят из корпуса и приваренных к нему лопастей с широкими лезвиями. Торец лезвий армирован стержнями из твердого сплава или мелкими алмазами (0,05— 0,1 карата), перемешанными с порошком карбида, вольфрама, релита и меди, служащим матрицей рабочей части долота. Стержни и алмазы армируются в несколько рядов.

На рис. 1-19 показано шестилопастное долото истирающе-скалывающего типа, а на рис. 1-20 долото фрезерного типа с торцами лопастей, снабженными в несколько рядов штырями из твердого сплава.

При бурении мягких пород долота фрезерного типа работают как лопастные, осуществляя своими гранями скалывание породы, а при прохождении более твердых пропластков долото истирает и частично скалывает породу. По мере износа первого ряда зубьев в работу вступает второй и т. д. ряды. Вследствие трудности создания высоких удельных давлений на породу долота этих типов имеют весьма ограниченное применение.

5

СБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts

Колонковые долота.

Колонковые долота предназначены для бурения скважин с отбором образцов породы — кернов. Разбуривание забоя осуществляется по кольцу, остающийся в центре скважины целик породы — керн входит в керноприемное устройство долота, отрывается от забоя и извлекается на поверхность.

Колонковое долото состоит из следующих основных частей:

1)бурильной головки, служащей для обуривания керна и являющейся собственно долотом (применяются бурильные головки лопастного типа - для мягких пород; шарошечные - для твердых пород и алмазные - для пород всех категорий);

2)кернодержателя, предназначенного для отрыва и удержания керна при его подъеме; 3)колонковой трубы, принимающей и сохраняющей керн; 4)клапана для выхода жидкости из колонковой трубы;

5)корпуса, передающего вращение и вертикальную нагрузку бурильной головке и служащего трубопроводом для подачи промывочной жидкости на забой.

По способу извлечения с забоя применяются долота с несъемной колонковой трубой - грунтоноской и колонковые долота со съемной грунтоноской.

В зависимости от буримых пород и условий бурения в колонковых долотах применяют различные типы бурильных головок.

Четырехшарошечные бурильные головки с коническими шарошками по конструкции аналогичны шарошечным долотам для сплошного бурения, но имеют отверстие в середине.

Шестишарошечная бурильная головка с шарошками, снабженными твердосплавными зубцами, применяется для бурения в крепких породах. Три шарошки калибруют скважину по диаметру, а три обуривают керн.

Алмазная бурильная головка также по конструкции аналогична алмазным долотам для сплошного бурения, но имеет в средней части отверстие для прохода керна.

Аналогично изготовляются бурильные лопастные и истирающе-скалывающего типа бурильные головки.

6