книги из ГПНТБ / Царицын В.В. Бурение шарошечными долотами

В глинохозяйство с системой очистки промывочной жидкости от выбуренной породы (шлама) входит глино­ мешалка, приемные 19 и запасные емкости, система желобов 21 и механические очистные устройства — вибрационные сита, сото-конвейеры и т. д.

Процесс бурения роторным способом заключается в следующем. Ротор от привода через рабочую трубу и колонну бурильных труб вращает долото, которое разрушает забой скважины. Прижатие долота к забою осуществляется путем подачи колонны бурильных труб через талевую систему от тормоза лебедки бурильщиком или автоматически. Когда квадрат полностью войдет в ротор, бурение приостанавливается, извлекается из ротора квадрат, наращивается труба, на которую снова наворачивается квадрат. Последний пропускается через ротор, зажимается роторными клиньями, и бурение продолжается. Перед началом бурения включаются насосы, которые всасывают промывочную жидкость из приемных чанов и нагнетают ее через трубопроводы (обвязку насоса) 15 и 16, стояк 20, вертлюг 9, рабо­ чую трубу и бурильные трубы к долоту. Выходящая из долота жидкость очищает забой и вместе с частицами разрушенной долотом породы двигается по затрубному пространству (между бурильными трубами и стенками скважины) к дневной поверхности и дальше по жело­ бам снова в приемную емкость. Освобожденная при движении по желобам и механическим очистным устрой­ ствам от частичек породы жидкость снова всасывается из приемных емкостей буровыми насосами, и цикл

10

п

боты турбобура зависят от количества прокачиваемой жидкости Q:

Я і Qx . М\ _ Q i . щ _ Qi . A4 _ Q i

ся пропорционально увеличению глубины скважины, то для поддержания работы турбобура на оптимальном режиме с ростом глубины скважины приходится уве­ личивать давление, развиваемое насосом, до технически возможной величины. При этом, если выдерживать по­

стоянную потребляемую мощность (N„ = = const),

следует сокращать количество прокачиваемой жидкости.

12

В последнее время находят применение секционные турбобуры (последовательное соединение нескольких турбобуров), позволяющие при меньших Q получать большие (пропорционально числу ступеней турбин) момент и мощность на валу турбобура при почти оди­

бами с последующим подъемом цемента за трубами на высоту, определяемую геологи­

ческими и технологическими условиями.

Число, диаметр, глубина спуска обсадных колонн и размер долот для бурения определяют конструкцию скважины (рис. 4). Первая колонна обсадных труб называется кондуктором, вторая и третья — техничес-

13

кой колонной и последняя — эксплуатационной колон­ ной обсадных труб.

Совершенствование техники и технологии бурения позволяет упростить конструкцию скважин путем от­ каза во многих случаях от применения технических обсадных колонн. Бурение скважин уменьшенного ди­ аметра (долота № 8 и 9) и переход на бурение сква­ жин малого диаметра (долота № 7, б и 5) позволит, наряду с сокращением затрат металла, цемента, химре­ агентов и других дефицитных материалов на 1 м про­ ходки, сократить сроки проходки скважин.

Из общего баланса времени бурения значительная часть времени затрачивается на вспомогательные, спускоподъемные и другие непроизводительные работы. Время на механическое бурение, т. е. работа долота на забое, составляет 11— 20% и лишь в отдельных случаях доходит до 30 — 40%, что объясняется условиями бурения, а также качеством долот. Уменьшение диа­ метра скважины уменьшает удельный расход долот, и, следовательно, способствует сокращению затрат вре­ мени на вспомогательные работы.

14

Для разрушения твердых скальных пород при буре­ нии на нефть и газ, а также взрывных скважин по рудам широкое применение нашли шарошечные до­ лота, работающие по принципу ударно-скалывающего воздействия на горную породу. Шарошечными долотами при соответствующем их конструктивном выполнении можно эффективно бурить скважины в крепких, сред­ ней крепости и даже мягких породах.

Наибольшее распространение при бурении сплош­ ным забоем получили трехшарошечные долота, обла­ дающие высокой работоспособностью и пригодные для роторного и турбинного бурения.

Трехшарошечное долото представляет собой меха­ низм, в котором три шарошки, оснащенные зубьями, непосредственно воздействующими на породу, имеют самостоятельное вращение относительно своих осей (цапф) и, кроме того, относительно оси долота. При вращении корпуса шарошки перекатываются по забою скважины и под действием осевой нагрузки рядом последовательных ударов дробят и скалывают породу. Разрушение породы происходит под действием двух усилий: вертикального давления на забой (осевой на­ грузки) и горизонтального усилия от крутящего мо­ мента, передаваемого долоту ротором или погружным двигателем.

Характер разрушения породы (смятие, дробление, скалывание и истирание) зависит от ее характеристики (крепости 6р), геометрической формы шарошек и зубьев и режимных параметров бурения (осевой нагрузки, числа оборотов и качества очистки забоя от шла­ ма).

Трехшарошечное долото сплошного бурения состоит из следующих основных узлов: корпуса, опоры, про­ мывочных устройств и рабочих элементов.

15

По конструкции корпуса современные трехшаро­ шечные долота разделяются на два вида: бескорпусные, состоящие из трех секций — лап, свариваемых между собой (рис. 5), и корпусные долота, состоящие из

пами (рис. 6).

Бескорпусные долота более надежны при больших осевых нагрузках и имеют более высокую точность положения шарошек как по высоте, так и по диаметру, но более сложны в производстве. Они отличаются слож­ ностью поковки (штамповки) секторов — лап и точ­ ностью обработки двухгранных углов долота. Трудность

16

штамповки лап большого размера обусловливает при* менение корпусных долот № 14 и выше, хотя при этом расходуется на 15—20% больше металла и трудо­ емкость изготовления больше на 20—25%.

Для соединения с бурильными трубами, переходни­ ком или валом турбобура на верхней части долота нарезается резьба (в бескорпусных—-на ниппеле, в корпусных — в муфте).

Рис. 7. Типы опор:

а — скольжение — шарик — скольжение, б —- скольжение — шарик—шарик;

в—ролик-шарик — скольжение; г — ролик — шарик — шарик; д — ролик — шарик — ролик.

Опоры современных шарошечных долот (рис. 7), как правило, выполняются в виде подшипников каче­ ния (роликовых и шариковых). При малых размерах долот (до № 6) опоры выполняются комбинированными (скольжения-качения). Опора скольжения выполняется на малой шейке цапфы, когда при малых ее размерах невозможно выполнить опору качения, не нарушая прочности долота.

Опора каждой шарошки состоит из цапфы, изго­ товляемой за одно целое с лапой долота, и тел каче­ ния или скольжения. Наибольшее распространение по­ лучили опоры ролик— шарик — ролик и ролик—ша­ рик— шарик. Шариковый подшипник во всех долотах

И АУЧН -'ЬХИ І •O '-"*# *

воспринимает осевую нагрузку и является замком, удерживающим шарошки на цапфах. Роликовые подшип­ ники воспринимают поперечные (радиальные) нагрузки.

Кроме этих, существуют опытные конструкции опор долот: резиновая трехрядная, трехрядная шариковая

Рис. 8. Типы промывочных устройств:

а — цилиндрические отверстия в секторе корпуса; б — конусообразные вставные плиты; $ — плоские вставные плиты; г — щелевые отверстия.

[15] и др. В последнее время за рубежом и в Совет­ ском Союзе испытывается опора скольжения (на малой шейке цапфы) в долотах № 8. Износостойкость опоры скольжения увеличивается путем повышенного наугле­ роживания поверхности шейки цапфы и впрессовыва­ нием износостойких втулок в шарошки.

Промывочные устройства (рис. 8і долот конструктив­ но выполняются в виде отверстий или щелей и разли­ чаются формой, числом и размером (диаметром) промы­ вочных отверстий.

В секциях бескорпусных долот располагаются про­ мывочные отверстия со вставными насадками цилин­

18

дрической формы или формы щелей с направлением струи, как правило, на шарошки. У некоторых долот насадки наклонены к оси долота под углом -10°.

У корпусных долот промывочные устройства выпол­ няются в виде отверстий (сопел) в плите конусообразной или плоской формы с направлением струи на шарошки или между шарошками, а иногда и по центру долота.

Вдолотах малых и средних размеров имеется 1—3 отверстия, в долотах больших размеров (№ 14 и выше) — 3—6 отверстий (приложение 1).

Впоследнее время получили распространение долота

снижней промывкой — гидромониторные (струйные). Рабочие элементы долот характеризуются геометри­

ческой формой шарошек, их расположением относи­ тельно оси долота, геометрической формой (профилем) зубьев и расположением зубьев на шарошках.

Шарошки располагаются симметрично относительно оси долота под углом 120° и наклонены к ней под углом 52°—57° 30' (в зависимости от типа долота), который определяется условием прочности и характером разру­ шения забоя скважины.

РАБОТА ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА

Для определения работоспособности шарошечного долота используем исследования, проведенные А. Ф. Егеревым [6]. В общем случае шарошка имеет

две оси вращения (рис. 9), поэтому работу шарошеч­ ного конуса следует рассматривать с учетом прово­ рачивания относительно оси долота с угловой ско­ ростью «ш и относительно точки 0 ' — с угловой ско­ ростью сод. На основании принципа наименьшей работы и при равномерном распределении нормального усилия