10. Породоразрушающий буровой инструмент (пби)
10.1. Общие понятия, параметры и классификации пби
К ПБИ следует отнести буровые шарошечные, лопастные, алмазные
долота, бурильные головки для отбора керна, а также вспомогательный
(специальный) инструмент.
По назначению ПБИ классифицируется на 3 класса:
Для бурения сплошным забоем. Это буровые долота. Благодаря
тому, что долото разрушает горную породу по всей площади забоя, удается
применить рабочие элементы, позволяющие создать на забое значитель-
ные осевые нагрузки и наибольший крутящий момент.
Для бурения глубоких скважин на нефть и газ кольцевым забоем с
образованием в центре столбика (колонки) горной породы, называемого
керном. В этом случае в качестве ПБИ применяются бурильные головки.
Для бурения разведочных скважин на твердые полезные ископаемые, для
проходки структурно-поисковых и гидрогеологических скважин глубиной
до 500-600 м нередко ведется непрерывный отбор керна. В этом случае
способ бурения называют колонковым, а в качестве ПБИ применяют буро-
вые коронки.
ПБИ специального (вспомогательного технологического) назначе-
ния. К этой группе относят расширители, разрушающие горную породу
при увеличении диаметра скважины, а также калибраторы, стабилизаторы,
центраторы, которые частично участвуют в разрушении породы на стенках
скважины, выполняя также основную цель опорно-центрирующего ПБИ.
К специальным инструментам относят пикообразные долота, приме-
няемые для расширения суженных участков скважин и разбуривания це-
ментных мостов. Для последней цели применяют также твердосплавные
долота. При разбуривании боковых стволов применяют ряд специальных
долот-фрезеров.
Некоторые специалисты к этому классу ПБИ причисляют буровые
амортизаторы, шламоулавливающий, а также отклоняющий и противо-
прихватный, включаемый в состав компоновки низа, бурильной колонны,
инструмент.
По конструктивному исполнению различают шарошечные, лопаст-
ные, алмазные, твердосплавные, алмазно-твердосплавные, типа ИСМ долота и бурильные головки.
По характеру воздействия рабочих элементов ПБИ на горную породу
при ее разрушении долота и бурильные головки подразделяются на следующие группы:
- режуще-скалывающие (РС);
- истирающе-режущие (ИР);
- дробяще-скалывающие (ДС);
- дробящие (Д).
10.2. Принцип разрушения породы долотом
Долото проникает в породу и разрушает ее вследствие перемещения:
поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны бурильных труб (эта нагрузка называется осевой нагрузкой);
2) вращательного, осуществляемого гидравлическим забойным двигателем, электробуром или ротором посредством бурильных труб.
Горная порода разрушается долотом посредством резания, скалывания или дробления (рис. 2.1). При резании осевая нагрузка действует непрерывно и ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары). Резание может осуществляться лопастными долотами. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Дробление может осуществляться только шарошечными долотами. Алмазные долота разрушают породу путем истирания и резания.
Наибольшее распространение получили шарошечные долота, которые используют при бурении пород различной твердости (от мягких до самых крепких).
Справедливости ради необходимо отметить то, что первое шарошеч-
ное долото, разработанное Говардом Хьюзом в 1909 г., было двухшаро-
шечным, у которого одноконусные без смещения осей шарошки разруша-
ли горную породу методом вдавливания зуба шарошки в породу с дробле-
нием.
Рассмотрим процесс разрушения забоя скважины шарошечным долотом. Работа долот протекает в растворе или газе (в том случае, если в качестве бурового раствора применяется воздух или природный газ), содержащих обломки выбуренной породы. Шарошки долот вращаются вокруг своей оси и вокруг оси вращения бурильных труб (при роторном бурении) или вала гидравлического забойного двигателя (электробура). Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно упираются в забой то одним, то двумя зубьями (рис. 2.2). Иначе говоря, шарошка при своем вращении то поднимается, то опускается, производя при этом частые удары по забою.
Благодаря такому характеру перемещения зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динамическое воздействие. В зависимости от формы шарошек и положения их осей относительно оси долота происходит или чистое дробление, или дробление со скалыванием.
Интенсивность проскальзывания зубьев для данного шарошечного долота оценивают коэффициентом скольжения, который равен отношению суммы площадей, описываемых за один оборот долота кромками зубьев, скользящих по породе, к площади забоя скважины.
В том случае, когда образующие конуса шарошки будут лежать на мгновенной оси вращения и, следовательно, пересекаться на оси долота, коэффициент скольжения равен нулю.
Буровой раствор, подаваемый на забой скважины через отверстия в долоте, должен обеспечить очистку шарошек долота, вынос разбуренной породы, охлаждение долота и очистку забоя, исключающую вторичное дробление породы долотом.
Увеличение гидравлической мощности, превращаемой в промывочных отверстиях долота в кинематическую энергию струи жидкости, ведет к увеличению проходки на долото и механической скорости бурения.
Гидростатическое давление столба бурового раствора уменьшает механическую скорость бурения, так как оно стремится удерживать частицы породы на первоначальном месте и тем самым помогает породе сопротивляться разрушению.