книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

остальные параметры, характеризующие угол бокового фрезерова­ ния долота К остаются без изменения.

При бурении в результате потери калибрующего диаметра до­ лота в результате износа тыльной части периферийных зубьев и ро­ ста осевого и радиального люфтов шарошек завес последних будет уменьшаться, вследствие чего будет снижаться и боковая фрезе­ рующая способность трехшарошечных долот (рис. 14). Пунктирная часть кривых А(б) для 190-мм трехшарошечных долот характери­ зует случай применения этих долот с плюсовым допуском на диа­ метр. Абсцисса точек, отмеченных на каждой кривой зависимости А(б), характеризует величину критического значения завеса шаро-

Рис. 14. Изменение угла бокового фрезерования трехшарошечного долота в зависимости от величины за­ веса шарошек:

/ — долото Б-214МГ и Б-214СГ, 2 — долото Б-214С, 3 — долото 1В-190МСГ, 4 — долото 1В-190МГ

шек бк, ниже которых фрезерующая способность трехшарошечиого долота ограничивается козырьками лап.

Из рис. 14 следует, что величина угла бокового фрезерования А по мере уменьшения завеса шарошек б, снижается и характери­ зуется двумя участками. На первом участке снижения завеса шаро­ шек, пока 6 > 6 К, зависимость А(б) уменьшается со сравнительно меньшей интенсивностью, а па втором участке, когда б < б к, темп снижения указанной зависимости носит резкий характер.

Зависимость /.(б) показывает, что для сохранения высокой фре­ зерующей способности трехшарошечных долот в процессе бурения важное значение имеет предотвращение преждевременной потери калибрующего диаметра долота. Поэтому мероприятия, направлен­ ные на снижение потери калибрующего диаметра трехшарошечных долот являются и мероприятиями по повышению их боковой фрезе­ рующей способности.

В зависимости от величины завеса шарошек возможны следую­ щие варианты в процессе бурения.

I. О> 0|С; II. 8 = 8,с; III. 8 < 8 К; IV. 8 = 0 .

В первом случае боковая фрезерующая способность трехшаро­ шечного долота будет ограничиваться спинками лап, т. е. верхним концом первого участка корпуса долота от козырьков лап (см. рис. 12, в). Во втором случае боковая фрезерующая способность

70

трехшарошечных долот будет ограничиваться всей поверхностью первого участка корпуса долота (см. рис. 12, б). В третьем случае боковая фрезерующая способность трехшарошечных долот будет ограничиваться козырьками лап (см. рис. 12, а). В четвертом случае трехшарошечные долота не обладают боковой фрезерующей способ­ ностью, так как их калибрующий диаметр равен диаметру корпуса долота (см. рис. 12, а).

С уменьшением диаметра трехшарошечных долот угол бокового фрезерования снижается (табл. 9). Это обстоятельство является одним из основных причин затруднений, встречаемых при зарезке новых стволов и изменении параметров искривления скважин на больших глубинах долотами уменьшенных диаметров.

Одношарошечные долота

Одношарошечные долота предназначены для бурения твердых и крепких пород, залегающих на больших глубинах. Практика бу­ рения глубоких и сверхглубоких скважин с применением этих долот показала, что стойкость их по сравнению с трехшарошечными доло­ тами примерно в 4—5 раз выше- [58]. Это является результатом конструктивных преимуществ указанных долот. Скорость вращения шарошки вокруг своей оси у одношарошечных долот значительно меньше скорости вращения шарошки трехшарошечного долота. На­ личие только одной сферической шарошки позволяет существенно усилить опору долота путем увеличения геометрических размеров элементов тел качения (шариков) и цапфы, что имеет особенно боль­ шое значение для долот уменьшенных и малых диаметров. Приме­ нение твердосплавных зубьев с полусферической или призматической

71

рабочей поверхностью, которые вставляются в тело шарошки и крепятся путем пайки при помощи латуни, значительно увеличи­ вает стойкость вооружения одношарошечных долот. Одношарошеч­ ные долота обладают также повышенной боковой фрезерующей спо­ собностью, что подтверждается высокой эффективностью примене­ ния этих долот в процессе зарезки новых стволов в глубоких скважинах.

Угол бокового фрезерования для одношарошечного долота

(рис. 15).

Лопастные долота

Для лопастного долота РХ (рис. 16, а)

где D — диаметр долота; В — ширина лопатки; Н — длина лопатки; I— длина армированного направления.

Заметим, что лопастные долота РХ изготовляют больших разме­ ров, диаметром от 490 до 640 мм и они имеют ограниченное приме­ нение (в основном при бурении под направление или кондуктор).

* Корнеев К. Е., Палий П. А. Буровые долота. М., «Недра», 1965.

72

где Di — диаметрдолота у плеча первого наклонного участка лопа­ сти; Н\ — высота лопасти долота до плеча первого наклонного уча­ стка; h — высота наплавки.

Следует отметить, что двух- и трехлопастные долота обладают способностью фрезеровать стенки ствола, так как калибрующая и боковая поверхность лопастей этих долот по всей высоте арми­ руется твердым сплавом. Однако способность этих долот фрезеро­ вать стенку скважины практи­

Алмазные долота

Алмазные долота, применяемые для бурения нефтяных и газо­ вых скважин по фрезерующей способности стенки ствола могут быть разделены на две группы: а) алмазные долота, не обладающие бо­ ковой фрезерующей способностью (рис. 17); б) алмазные долота, обладающие боковой фрезерующей способностью (рис. 18).

Рис. 17. Алмазные долота, необладающие боковой фрезерующей способностью:

а — спиральное; б — радиальное; в — сту­ пенчатое

К первой группе долот относятся: спиральные (см. рис. 17,а), радиальные (см. рис. 17,6) и ступенчатые (см. рис. 17, в) алмазные долота. Характерной особенностью этих долот является то, что их боковая поверхность оснащается алмазными не по всей высоте, а по ограниченной высоте А калибрующей поверхности долота.

Так как боковая поверхность долота над калибрующей поверх­ ностью не оснащается алмазами, но имеет одинаковый наружный диаметр по сравнению с калибрующей поверхностью долота, то

73

в процессе бурения эта неоснащенная алмазами боковая поверх­ ность будет препятствовать процессу фрезерования стенки сква­ жины.

Следовательно, при бурении спиральными, радиальными и сту­ пенчатыми алмазными долотами искривление ствола от своего пер­ воначального направления может происходить только за счет асим­ метричного разрушения забоя, в результате несовмещенпя осей до­ лота и скважины, без фрезерования стенки ствола.

Ко второй группе алмазных долот относятся мелкоалмазные имирегнированные (см. рис. 18, а ) , комбинированные ступенчатые (см. рис. 18,6) и зарезные (см. рис. 18, в) алмазные долота. Характерная особенность этих долот заключается в том, что вся их боковая по-

4

Рис. 18. Алмазные долота, обладаю­ щие боковой фрезерующей способ­ ностью:

а — мелкоалмазное нмпрегннрован-

ное; б — комбинированное ступенча­ тое; в — зарезнос

верхность оснащается алмазами и является калибрующей поверх­ ностью. Поэтому эти долота обладают способностью бокового фре­ зерования стенки ствола.

Возможность бокового фрезерования стенки скважины в про­ цессе бурения этими долотами может быть практически использо­ вана при наличии отклоняющей силы достаточной величины, в за ­ висимости от механических свойств разрушаемых пород и боковой контактной поверхности долота.

Для мелкоалмазного импрегнированного и комбинированного ступенчатого алмазного долота (см. рис. 18, а, б)

где Д ; — диаметр корпуса долота на торце; А — высота калибрую­ щей поверхности долота; Н — высота долота; А — диаметр окруж­ ности наннизшей точки торца алмазного долота.

Для зарезного алмазного долота (см. рис. 18, в)

В табл. 11 представлены значения угла бокового фрезерования для некоторых типов алмазных долот.

Алмазные зарезные долота, помимо большего угла бокового фре­ зерования, по сравнению с комбинированными ступенчатыми и мел­ коалмазными импрегнированнымн долотами обладают и другим важным преимуществом фрезерования стенки скважины. Это преи­ мущество заключается в том, что они имеют плоскую торцевую по-

74

скважины от своего первоначального направления в процессе буре­ ний алмазными зарезными долотами фрезерование стенки ствола будет протекать лишь на величину высоты калибрующей поверхно­ сти этого долота. При работе комбинированными ступенчатыми или мелкоалмазными импрегнированными долотами для изменения на­ правления ствола помимо фрезерования стенки скважины следует также разрушать в боковом направлении вогнутый участок забоя от наинизшей точки его до стенки ствола. Разрушение этого участка забоя под действием отклоняющей силы должно быть осуществлено ступенчатой или сферической поверхностью торца указанных долот на участке 0,5 (D — Di).

Вследствие этого, на процесс фрезерования стенки при прочих равных условиях алмазные зарезные долота потребуют сравни­ тельно меньшую величину отклоняющей силы и вращающего мо­ мента на долото, чем комбинированные ступенчатые и мелкоалмаз­ ные импрегнированные долота. Это обстоятельство имеет важное значение особенно для зарезки новых стволов на больших глуби­ нах, так как с ростом глубины'вследствие уменьшения диаметра скважины, бурильной колонны’ и турбобура, а также ухудшения энергетических параметров последнего возможности передачи на долото отклоняющей силы и вращающего момента ограничены.

Таким образом, при зарезке новых стволов на больших глубинах алмазными долотами, а также исправления искривленных скважин предпочтение следует отдавать зарезным алмазным долотам, затем комбинированным ступенчатым долотам и далее мелкоалмазным импрегнированным долотам. Использование для этих целей

75

спиральных, радиальных и обычных ступенчатых долот следует считать нецелесообразным.

Сопоставляя значения угла бокового фрезерования для долот одинакового диаметра, можно отметить, что наибольшей возмож­ ностью фрезеровать стенку ствола обладают одношарошечные до­ лота, затем алмазные долота зарезного, комбинированного ступен­ чатого и мелкоалмазного нмпрегнированного типов и далее трех­ шарошечные долота. Так, из сопоставления табл. 9, 10 и 11 следует, что при диаметре долота 190 мм величина угла фрезерования для одношарошечного долота ОД-190 составляет 9,52 градуса, для ал­ мазного зарезного долота ДВ-188С и комбинированного ступенча­ того алмазного долота Д9-188С соответственно 5,80 и 5,30 градуса, а для трехшарошечных долот 1В-190МГ, ЗВ-190СГ— 1,90 градуса. Из этих данных видно, что способность фрезеровать стенку сква­ жины у одношарошечных долот по сравнению с алмазными (зарезными и комбинированными ступенчатыми) и трехшарошечнымн до­ лотами выше соответственно 1,64— 1,80 и 5,0 раза.

Практика использования одношарошечных долот при зарезке новых стволов на больших глубинах подтверждает их высокую бо­ ковую фрезерующую способность. Именно вследствие такой способ­ ности одношарошечных долот удалась успешная зарезка нового ствола на рекордной глубине сверхглубокой скв. 100 на месторожде­ нии Шахова Коса. Зарезка нового ствола здесь осуществлялась на глубине 5793,3 м при расстоянии между башмаком 219-мм хвосто­ вика и цементным стаканом 1,8 м [3]. Компоновка низа бурильной колонны в случае зарезки нового ствола была следующей: одноша­ рошечное долото ОД-190С, отклонитель ОТС-б'/г" с углом перекоса валов 2 градуса и длиной переднего плеча 2 м, три секции турбо­ бура 6‘/г" с турбиной точного литья, 114-мм бурильные трубы. Рас­ стояние между башмаком 219-мм хвостовика и головкой бурильной трубы составило всего 12,65 м. Пробурив указанной компоновкой низа бурильной колонны 9,1 м до глубины 5802,4 м, затем применив трехшарошечное долото 6Н-190МЗГ с трехсекционным турбобуром ЗТСШ-б'/з", стало возможным в дальнейшем продолжать бурение этой уникальной скважины до рекордной глубины — 6522 м.

Приведенное сопоставление показывает, что при зарезке нового ствола и изменении направления скважины на больших глубинах выбор типа долота должен быть произведен исходя из его боковой фрезерующей способности и стойкости. Если проходка на долото не является лимитирующим фактором, то в случае зарезки нового ствола и изменения направления скважины предпочтение следует отдавать вначале одношарошечным долотам, затем алмазным зарезным и комбинированным ступенчатым и далее трехшарошечным долотам с плюсовым допуском изготовления и большим завесой шарошек. Если же проходка на долото является лимитирующим фактором, то зарезка нового ствола и изменение направления сква­ жины от своего первоначального положения должны быть произ­ ведены алмазными зарезнымп долотами.

76

Необходимо заметить, что при оценке боковой фрезерующей спо­ собности долот различного типа имеется в виду их способность фре­ зеровать стенку ствола. Однако, чтобы осуществить на практике эту возможность, необходимо наличие отклоняющей силы соответст­ вующей величины (в зависимости от механических свойств разбу­ риваемых пород и боковых контактных поверхностей долот).

Изменение боковой фрезерующей способности трехшарошечных долот в процессе бурения

Условия работы трехшарошечных долот весьма разнообразны в отношении изменения параметров режима бурения и искривления ствола, механических свойств проходимых пород. Поэтому показа­ тели их работы по разрушению забоя и фрезерованию стенки ствола колеблются в широких пределах. Эффективность работы этих долот в значительной степени зависит от калибрующей и боко­ вой фрезерующей способностей, которые в процессе бурения сни­ жаются с различной интенсивностью в зависимости от характера производимого рейса и состояния профиля скважины.

При бурении вертикальных скважин осевая составляющая ре­ зультирующей силы, действующей на опору шарошки, всегда на­ правлена от оси долота к периферии. Поэтому опоры долота в про­ цессе бурения работают в сравнительно благоприятных и одинако­ вых условиях, а шарошки все время прижаты к стенке скважины. Вследствие этого износ шарикового подшипника опоры и рост осе­ вого люфта шарошек не приводит к уменьшению калибрующего диаметра долота. При этом уменьшение калибрующего диаметра долота Di может произойти лишь за счет износа тыльной части пе­ риферийных зубьев шарошек Ai и радиального люфта Ар, т. е.

В зависимости от потерн калибрующего диаметра относительно завеса шарошек б возможны три случая.

I.Д[-)-Др cos а < 8.

II. Д 1—}—Др cos с с = 8. III. Д; —|—Др cos о. 8.

Впервом случае Пг- > Пк, поэтому независимо от механических

провождаться интенсивным трением козырьков лап со стенкой сква­ жины. В третьем случае D i< D K и если бурят твердые породы, где фактический диаметр скважины не отличается от диаметра долота, то углубления не происходит.

77

Совершенно в иных условиях работают трехшарошечные долота в наклонных скважинах. В этом случае вследствие действия откло­ няющей силы условия работы опор шарошек становятся более тя­ желыми.

М. П. Гулнзаде [28] указывает, что наличие отклоняющей силы в зависимости от местонахождения шарошки во время вращения вызывает дополнительную, переменную как по направлению, так и по величине силу. Поэтому шарошки каждый оборот долота рабо­ тают в различных условиях.

Рассмотрим специфику условий работы шарошек долота при бу­ рении наклонных скважин, когда на нее действует отклоняющая сила. Заметим, что направление последней в процессе бурения ос­ тается неизменным. Поэтому действие силы реакции стенки на ша­ рошку будет зависеть от положения шарошки во время вращения долота относительно направления отклоняющей силы, т. е. угла <р между проекцией оси шарошки на плоскость, перпендикулярную оси долота, и направлением отклоняющей силы.

Забой наклонной скважины может быть разделен на два уча­ стка: I участок соответствует изменению угла ф в пределах 04-90 и 2704-360°, где происходит фрезерование стенки ствола под дейст­ вием отклоняющей силы; II участок соответствует изменению угла Ф в пределах 904-270°, где происходит калибровка, как в вертикаль­ ном стволе.

Распределение отклоняющей силы между шарошками долота зависит от условий его работы.

В процессе запуска турбобура, когда долото еще не касается за ­ боя скважины, а также при зарезке и бурении вторым стволом, ко­ гда поддерживается «мертвая точка» и повторно фрезеруют стенки ствола, реакции от отклоняющей силы передаются шарошкам лишь на I участке. Причем в зоне изменения угла ср в пределах О-г-ЗО и 330-=-360° эта сила полностью передается одной шарошке, а в зоне изменения угла ф в пределах 304-90 и 2704-330° она распределяется между двумя шарошками. Если же шарошка находится во II уча­ стке (ф = 904-270°), то па нее указанная сила не действует.

В процессе бурения, когда долото подвергается действию осевой нагрузки и отклоняющей силы, реакция от последней передается всем трем шарошкам. Причем, когда шарошка находится на I уча­ стке, то часть отклоняющей силы передается ей за счет реакции от стенки ствола, поэтому она направлена от периферии к центру до­ лота. Если ее величина будет превышать осевую составляющую от нагрузки на шарошку, то шарошка будет отжиматься от стенки ствола к центру долота. В случае нахождения шарошки на II уча­ стке, часть отклоняющей силы передается ей в результате реакции от забоя скважины, поэтому она направлена от центра долота к пе­ риферии. Тогда указанная сила совместно с осевой составляющей от нагрузки на долото прижимает шарошку к стенке ствола. Если после разрушения забоя долото будет поддерживаться в прежнем положении с целью интенсивного искривления ствола, то при этом

78

увеличится отклоняющая сила, действующая па шарошку на I уча­ стке, будет иметь место случай работы шарошки при поддержании мертвой точки. Следовательно, для некоторого облегчения условий работы опор шарошек в наклонных скважинах следует время под­ держания их во вращающемся состоянии над забоем свести к ми­ нимуму, причем так, чтобы величина отклоняющей силы на шарошке не превышала величины осевой составляющей от нагрузки на ша­ рошку.

Врезультате различных условий работы шарошек долота на I

пII участках осевая составляющая, которую в основном восприни­ мает шаровая опора, становится знакопеременной и шарошки за ка­ ждый оборот долота то прижимаются к стенке скважины, то отжи­ маются от нее. При этом происходит качка шарошек относительно цапфы.

Такое периодическое изменение положения шарошек долота от­ носительно цапфы, т. е. их качка и циклическое прижатие к стенке и отжатие от нее, повторяющиеся пропорционально числу оборотов долота, приводит к следующим отрицательным явлениям: а) ухуд­ шаются условия работы шаровой опоры долота и интенсивно уве­ личивается осевой люфт, что в дальнейшем сказывается на стойко­ сти опоры всей шарошки; б) нарушается ориентация периферийных и внутренних роликов относительно беговых дорожек цапфы и ша­ рошки и они контактируют не по образующим роликов, а по углам торцевых поверхностей, что приводит к неравномерному износу и преждевременному выходу их из строя; в) рост износа вооружения шарошек вследствие скольжения их по забою в осевом направле­

нии; г) отжатие шарошек от стенки скважины, увеличивающееся с ростом осевого и радиального люфтов, плюс более интенсивный износ тыльной части периферийных зубьев в зоне фрезерования стенки, приводящий к уменьшению фактического завеса шарошек. Это снижает боковую фрезерующую способность долота и увеличи­ вает интенсивность трения козырьков лап со стенкой скважины, что может привести к их износу и слому.

На основании изложенного, можно представить, что в процессе бурения наклонной скважины трехшарошечное долото будет со­ стоять как бы из двух частей с различными радиусами: на I участке за счет отжатия шарошек от стенки ствола оно будет иметь меньший радиус /ц, который в процессе работы будет уменьшаться вследст­ вие износа тыльной части периферийных зубьев Дi, радиального Ар и осевого Д0 люфтов шарошек; а во II участке, ввиду прижатия ша­ рошек к стенке скважины, долото будет иметь больший радиус г2, который в процессе работы его будет уменьшаться только в резуль­ тате износа тыльной части периферийных зубьев Ai и радиального люфта шарошек Др, т. е.

где г — радиус нового долота.

79