книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

ренных секций долота вы полняется конус и н арезается присоедини­ тельная резьба. Д вухрядны й ш ариковы й подш ипник собран через от­ верстие, которое зак р ы в ается пальцем 6. Система промы вки долота включает внутреннюю полость 1, суж аю щ ийся подводящ ий канал 2 и цилиндрическое промывочное отверстие 3. В долотах д ^я бурения с продувкой воздухом в лапах и цапф е вы полняю тся отверстия 4 и Л для охлаждения подш ипников и защ иты от засорения ш ламо^.

Шарошки имеют два обязательн ы х конуса: основной, взаим одей ­ ствующий с забоем скваж ины , и обратный, взаимодействую щ ий со стен­ кой скважины (рис. 5.5). О стальны е конусы, взаимодействую щ ие с за ­ боем. называются дополнительными. М ногоконусность ш арош ек обус­ ловливает неплоскую поверхность забоя. Основной конус ф орм ирует выпуклую часть забоя, а дополнительны е конусы — вогнутую часть забоя. Выпуклый забой способствует центрированию долота. Угол при вершине основного конуса вы бираю т из условия придания ш арош ке максимального объема.

Рис. 5.5. Гидромониторное долото:

1 — внутренняя полость; 2— подводящий канал; 3 — насадка из твердого сплава; 4 — уплотнение; 5 — крепление

Вопорах долот всех типов использую тся подшипники Качения — В и скольжения — Н. В тверды х породах опоры долота раб о тает При м акси­ мальных нагрузках и высокой динамичности, поэтому необходимо при ­ менять подшипники с высокой несущ ей способностью. Опе>ры со сторо­ ны лапы открыты для доступа в них промывочной жидкости. Промывоч­ ная жидкость, попадая в опору, вы зы вает ее абразивное изнаш ивание. В результате долговечность таких опор редко превы ш ает 8 ^ При высоко­

оборотных способах бурения и 30 ч при низкооборотных способах. Опо­ ры выполняю тся с одним подшипником скольж ения и с герметизацией уплотнительными кольцами — НУ или с двум я подш ипниками скольже­ ния и с герметизацией — АУ. Герметизированная опора имеет уплотне­ ние и канал для подвода смазки к подш ипнику от лубрикатора.

По располож ению и конструкции промывочных каналов долота из­ готавливаю тся с центральной промывкой — Ц, со скоростью струй не более 30 м /с, а такж е с боковой гидромониторной промывкой — Г.

Гидромониторная система вы полняется в долотах с опорами АУ. НУ и Н. П ри бурении скорость истечения ж идкости из промывочных от­ верстий достигает 120 м /с. С труя ж идкости направляется непосред­ ственно на забой.

При вращ ении долота ш арош ка п ерекаты вается по забою, опираясь на него то одним зубком, то двум я зубками. О стальны е десятки зубков находятся как бы в резерве. П ерекаты ваясь с зубка на зубок, долота, наносит точечные удары -наж им ы на забой, и таким образом осуществ? ляет разруш аю щ ее дробящ е-скалы ваю щ ее действие на породу.

Расчетны й диам етр частиц горной породы, выбуриваемых шарошеч­

где I — м аксим альны й шаг зубков в плоскости забоя; b — ширина зуб-* ков в плоскости забоя; е — высота зубков ш арош ки.

Ч астицы вы буриваемой породы, как правило, имеют неправильную! форму. Н аиболее крупны е частицы разруш енной ш арош ечным доло­ том породы имеют эквивалентны й диам етр от 5 до 15 мм.

М еханизм разруш ен и я горных пород при динамическом вдавлива­ нии не имеет принципиальны х отличий от м еханизм а разруш ения при статическом вдавливании. П ри малой энергии удара по поверхносп горной породы виден лиш ь след ш тампа в виде ряда трещ ин. При уве­ личении энергии удара появляется круговой скол породы за контуром ш там па — это п ервая форма хрупкого разруш ен и я породы. При дости­ ж ении определенной энергии удара наблю дается такж е хрупкое раз­ руш ение породы уж е под ш тампом — это вторая форма разрушения.

Число ударов ш арош ки по забою в единицу времени определяются из следую щ его вы раж ения:

где D — диам етр долота; и — частота вращ ения долота; z — число зуб-> ков ш арош ки; О ш — диам етр ш арош ки.

В процессе разруш ен ия гордой породы зубки ш арош ки совершают относительно забоя скваж ины слож ное движ ение, обусловленное од­ новременным вращ ением ш арощ ки вокруг своей оси и вращ ением вок­ руг оси долота. В плане траектори я движ ен ия отдельного элемента во­ оруж ения ш арош ки напоминает циф ру «8»: зубок долота периодичес­ ки то удаляется, то приближаемся к оси долота. В оздействие большого числа зубков на забой образуем с е т к у пораж ения. П ри этом на забое остается большое число целикоЭ породы, не пораж аем ы х зубками. Эти целики. разруш аю тся надавливанием и истиранием, телом шарошки.

Д ля каж дой горной породы подбирается долото, способное наиболее эф ф ективно ее разруш ать. Д ля различны х классов горных пород при­

Долота типов от М до Т д л я бурения м алоабразивны х пород выпус­ каю тся со стальны м ф резерованны м вооруж ением . Д ля бурения высо­ коабразивны х горных пород вы пускаю тся долота с твердосплавным вооруж ением типов М 3, СЗ, ТЗ. Б уква 3 означает, что вооруж ение до­ лот выполнено из твердосплавны х зубьев.

К онструктивно ш арош ки располагаю тся в долоте по двум схемам. 1. С пересечением осей ш арош ек с осью долота в одной точке. Ша­ рош ки такого долота катятся по забою без скольж ения. Чем крепче гор­ ная порода, тем меньш е долж но п роскальзы вать долото — разрушение забоя осущ ествляется в основном за счет дробления пород. По этой схе­

ме сконструированы долота типов CT, Т, Т З, ТК, Т К З, К и ОК.

2. С параллельны м смещ ением осей ш арош ек по направлению вра­ щ ения долота. За счет этого конструктивного приема ш арош ки про­ скальзы ваю т по забою. У долог со смещ енными осями ш арош ек уси-

ливается эф ф ект скалы вания пород. Чем больш е величина см ещ ения осей шарошек, тем больш е проскальзы вает долото, осущ ествляя ска­ лывание породы. По этой схем е сконструированы долота типов М, М 3, МС. МСЗ, С и СЗ.

Таким образом, ш арош ечны е долота, которые характеризую тся ну­ левым скольжением, только дробят породу, а долота с проскальзы ва­

нием шарошек породу дробят и скалываю т.

Долговечность вооруж ения ш арош ечны х долот необходимо сопос­ тавлять с ожидаемой долговечностью опор ш арош ек. Д опустимая на­ грузка на долото зависит от его диам етра и м ож ет достигать 500 кН (до­

лото III490С-ЦВ).

Таким образом, категории твердости и абразивности горных пород определяют необходимый тип долота, а тип долота, в свою очередь, оп­

ределяет конструкцию вооруж ения ш арош ек.

В шифр долота последовательно входят: число ш арош ек; диам етр долота; тип долота; располож ение промывочных или продувочных к а ­

налов; особенности конструкции опоры.

Например, долото III 215.9ТК З-ГН У явл яется трехш арош ечны м , имеет номинальный диам етр 215,9 мм, предназначено для бурения очень твердых и крепких пород с пропласткам и абразивны х пород, промывка боковая гидромониторная, к аж д ая опора ш арош ки имеет один подш ип­ ник скольжения (остальные — подш ипники качения) с герм етизацией опоры уплотнительными кольцами и автом атической подачей см азки

из специального р езервуара (лубрикатора).

Примерные реж им ы прим енения трехш арош ечны х долот представ­ лены в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Режимы эксплуатации трехшарошечных долот

сплош ной (PC) или греб ен ч атой (И Р) реж ущ им и кромками. Долото со-

чаю щ ую внутренню ю полость 4 и промывочные отверстия 2. На пере­ дних гранях лопастей вы полняю тся пазы , в которы е впаиваю тся твер­ д о с п л а в н ы е п л а ст и н ы 5. Б о к о в ы е к а л и б р у ю щ и е гр ан и лопастей армирую тся твердосплавны ми ш ты рями 6 (рис. 5.6). С верху корпус име­ ет резьбу для соединения с бурильным инструментом-

Рис. 5.6. Трехлопастное долото

На рис. 5.1, а показаны проф иль реж ущ ей кромКи лопасти долота

YÇ.-действия и схема взаим одействия ее с торной Основным»

характеристикам и лопасти являю тся угол резан ия & = 70— 85° и угол заострения /? = 20— 25°.

Внедрение резца в породу забоя осущ ествляется ПРИ вращ ении до­ лота и ум еньш енны х осевы х усилиях. П ри движ ении внедренного в по­ роду резца его п ередняя грань сминает (раздавливает) породу, после чего происходит ее скол. В установивш емся реж им е работы резца по­ рода разруш ается последовательно в два этапа: смя1’ие — скол.

И спользую тся следую щ ие лопастны е долота:

•реж ущ е-скалываю щ его действия двухлопастны е 2Л диаметром от 76 до 165,5 мм с обычной промывкой и трехлопастны е ЗЛ диам ет­ ром от 120,6 до 469,9 мм с обычной и гидромониторной промывкой;

•истираю щ е-режущ его действия трехлопастны е ЗИ Р диаметром от 190,5 до 269,9 мм и ш естилопастны е 6И Р с обычной и гидромони­ торной промывкой;

Пикообразные долота П вы пускаю тся диаметром от 98,4 до 444,5 мм

с обычной промывкой и бываю т двух видов:

Ц — д л я разбури ван и я цем ентны х пробок и м еталлических деталей низа обсадных колонн;

Р — для расш ирения ствола скваж ины . Выпускаются следую щ ие типы лопастны х долот:

М — для мягких горных пород; МС — для мягких пород с пропласткам и средней твердости;

МСЗ — для м ягких абразивны х пород с пропластками средней твердости;

С— для горных пород средней твердости.

Первые два типа долот изготавливаю тся по принципу р еж у щ е -ска ­ лывающего действия для бурения ры хлы х и слабосцементированных обломочных пород. Два последних типа долот изготавливаю тся исти ­ рающе-режущего действия д л я бурения м ягких абразивны х (алевро­ литы и слабосцементированные песчаники) и средних по твердости по­ род (аргиллиты, глинистые сланцы , гипсы).

Принципиальное отличие долот И Р -д ей стви я от долот Р С -д ей ствия — это прерывистое исполнение реж ущ ей кромки. Д елается это для повышения удельного давления на забой и улучш ения охлаж дения р е ­ жущих элементов промывочной жидкостью . Д ля обеспечения этих ж е условий у долот 6И Р три лопасти имею т укороченную высоту. В этих долотах штыри из твердого сплава ВК8-В впрессовы ваю тся со значи ­ тельным вылетом над кромкой лопасти, в р езультате получается гре­ бенчатая реж ущ ая кромка.

Под действием осевой нагрузки лопасть долота внедряется в гор­ ную породу и далее, вращ аясь вместе с долотом вокруг его оси, среза- ет-скалывает слой породы некоторой толщ ины . П ри этом каж д ая точ­ ка лопасти соверш ает винтовое движ ение. М омент на долоте склады ­ вается из сопротивления горной породы скалыванию , трения лопастей о забой и стенку скваж ины .

Система промывки лопастного долота вклю чает внутреннюю полость корпуса и промывочные отверстия. Число отверстий совпадает с чис­ лом лопастей. С труя ж идкости ф орм ируется системой промывки и на­ правляется на забой перед передней гранью лопасти. Гидромонитор­ ная систем# промывки отличается от обычной системы установкой в промывочных отверстиях долота насадки, ф орм ирую щ ей высокоско­ ростную компактную струю.

Ш иф р дРлот отраж ает особенности конструкции, диам етр и тип до­ лота. Н апрйм еР> 2Л -161ДМ означает: двухлопастное долото с обычной системой промы вки диам етром 161,1 мм д л я бурения м ягких горных пород. ЗЛГ-*90,5М С — трехлопастное долото с гидромониторной про­ мывкой диаметром 190,5 мм для разбуривания мягких с пропластками средней твеРД°сти пород.

В ш иф ре истираю щ е-реж ущ их долот вместо буквы Л ставятся буквы ИР. Наприм^Р* ЗИР-190,5М СЗ — трехлопастное долото с обычной систе­ мой промывки диаметром 190,5 мм типа МСЗ. Масса этого долота 25 кг, допускаема^ нагрузка 180 кН, допускаемый крутящ ий момент 3800 Н ■м.

71опастны е долота не прим еняю тся при Ъурении гидравлическими забойными двигателям и и электробурам и, т. к. при бурении ими необ­ ходим большой крутящ ий момент.

самостоятеЛьно движ ущ ихся частей. Долото состоит из стального кор­ пуса 1, в котором нарезана присоединительная резьба, и твердосплав­ ной м атр и ц ы 2 (рис. 5.7). Корпус и м атрица соединяю тся в процессе спе­ кания ш ихты «А лм азосодерж ащ ие элем енты выполнены в виде секто­ ров, разде.;1еннь1Х кан авкам и д л я прохода пром ы вочной жидкости. Ц илиндрическая поверхность 3 сектора, калибрую щ ая стенку скважи­ ны, плавно переходит в наруж ную поверхность 4 и внутренню ю кони­ ческую поверхность 5, разруш аю щ ие забой.

А лм аз —“ это м инерал, представляю щ ий собой модификацию угле­ рода. Р азм еР ы естественны х кристаллов алм аза — от микроскопичес­ ких до 3000 карат. К ристаллическая структура этого минерала отлича­ ется плотной упаковкой, что обусловливает высокую плотность (3,5 г/см:?) и твердость алмаза. М икротвердость алм аза в 6 р аз выше, а модуль Юнга в 2 р аза вьпРе »чем твердого сплава и составляет 113■104 МПа. Благода­ ря этим свойствам алм аз имеет исклю чительно высокую износостой-

кость при трении скольжения. При тем пературе 1850 °С в вакууме алмаз превращается в графит, а на воздухе при 60СГС окисляется и сгорает.

Рис. 5.7. Алмазные долота

Основным сырьем для изготовления буровы х долот являю тся тех ­ нические алмазы. На рабочих поверхностях буровых долот алм азы кре­ пят способом порошковой м еталлургии. А лм азы расклады ваю т в прессформе вместе с порош кообразной ш ихтой, запрессовы ваю т в корпус долота, а затем спекаю т в защ итной среде.

Зерна алмазов разм ером 2— 3 мм могут располагаться только в по­ верхностном слое м атрицы . Зерн а алм азов вы ступаю т над м атрицей примерно на 1/5 от их диаметра. Такие долота назы ваю т однослойны ­ ми. При использовании м елких зерен алм азы размещ аю т в объеме ш их­ ты равномерно. В этом варианте поверхностный слой м атрицы толщ и ­ ной до 6 мм равномерно насы щ ен алм азам и . Т акие долота назы ваю т импрегнированными.

Алмазные зерна незначительно вы ступаю т из матрицы и разр у ш а ­ ют породу микрорезанием и истиранием. Внедрение алм азов в породу достигает своего предельного значения при относительно небольш их нагрузках, поэтому увеличение нагрузки на долото не увеличивает э ф ­ фективность разруш ения породы, а лиш ь увеличивает работу сил тр е ­ ния, износ матрицы и частоту вы падения алмазов. Кроме того, при боль­