Породоразрушающие инструменты

 

АННОТАЦИЯ

 

Работа реферативного  характера представляет собой углубленное  изучение особенностей породоразрущающего инструмента при бурении наклонно направленных скважин. Были описаны виды породоразрущающих долот, а также степень их фрезерования стенок ствола скважины. Работа включает в себя 17 страниц,13рисунков.

 

 

Введение

 

В настоящее время бурение  именно наклонно направленных скважин  занимает лидирующее место в России. Наклонное бурение применяют при бурении скважин на нефть и газ в Западной Сибири, на севере европейской части, на Северном Кавказе, в Татарстане, Башкортостане, Самарской области и других районах. Потому как в наших регионах есть огромное количество факторов которые каким-либо образом препятствуют прямому бурению.

Например при вскрытии нефтяных и газовых пластов, залегающих под пологим сбросом или между двумя параллельными сбросами;

при отклонении ствола от сбросовой  зоны направлении продуктивного  горизонта;

при проходке стволов на нефтяные пласты, залегающие под соляными куполами, в связи с трудностью бурения через них;

при необходимости обхода зон обвалов и катастрофических поглощений промывочной жидкости;

при вскрытии продуктивных пластов, залегающих под Дном океанов, морей, рек, озер, каналов и болот;

В процессе бурения скважины, подверженные естественному искривлению, могут не выйти на нефтегазоносные  слои и, следовательно, не выполнить  своих проектных заданий. Но накопленный  фактический материал по естественному  искривлению позволил установить ряд  общих закономерностей, учитывая которые  буровики научились проходить скважины в строго заданном направлении. Такие  скважины получили название наклонно направленных. Искусственное отклонение - это направление ствола скважины в процессе бурения определенному плану с доведением забоя до заданной точки. На искривление проходки скважины влияют многие факторы, такие как отклоняющая сила, степень перфорации долота, физические свойства горных пород, также влияют различные искусственные отклонители (кривые переводники, эксцентричные ниппели, отклоняющие клинья и прочие специальные устройства). Но мы рассмотрим особенности конструкций буровых долот, которые влияют на искусственное искривление скважины.

 

Виды буровых породоразоушающих инструментов

 

При бурении скважин на нефть, газ и другие полезные ископаемые в качестве породоразрушающего инструмента применяют шарошечные, лопастные, ИСМ, алмазные и фрезерные буровые долота.

Шарошечные долота

 

Шарошечные долота, несмотря на сложность их конструкции и  технологии изготовления, - основной породоразрушающий инструмент при бурении скважин. На их долю ежегодно приходится 90-95% объема проходки скважин в России и за рубежом. Шарошечные долота для сплошного бурения конструктивно могут быть выполнены трехшарошечными , двухша- рошечными и одношарошечными . Наибольшее применение при бурении скважин получили трехшарошечные долота.

Основные элементы шарошечных долот: корпус, шарошки, лапы с цапфами, опоры и промывочные устройства. Опора шарошек состоит из подшипников  и торцовой пяты.

Трехшарошечные долота

Рис. 2.1. Секционные трехшарошечные долота:

а - 1АН244,5СГ; б - 2АН269,9СГ; в - 1АВ269.9СЗГ; 1 - узел принудительной смазки; 2 - секция (лапа); 3 ~ узел опор; 4 - шарошка; 5 - вооружение

 

Двухшарошечные долота

 

Двухшарошечные долота (рис.2.2) разрабатываются СКБ ВПО "Союзгеотехника" совместно с Верхнесергинским долотным заводом в основном для бурения геологоразведочных скважин [1]. Основные размеры этих долот должны соответствовать данным табл.2.1. Они выпускаются диаметром от 59 до 151 мм[2].

 

Рис. 2.2. Двухшарошечные долота:

а - В112МГ; 1 - секция (лапа); 2 - узел опор; 3 - шарошка; 4 - вооружение; б - 2В93С

 

Трехшарошечные долота (рис.2.1) делятся: по конструкции Корпуса - на две группы; по технологии изготовления - на шесть серий; по материалу и способу изготовления вооружения шарошек - на три класса; по назначению и свойствам разбуриваемых пород - на четыре группы и 13 типов; по типоразмеру - на более чем на 150 моделей (с учетом опытных долот)[2] ; по схемам выполнения опоры, вариантам выполнения промывочного устройства и вооружения периферийных зубьев - на десятки модификаций.

 

Одношарошечные долота

Рис. 2.3. Модификация отечественных  одношарошечных долот:

а - основная (серийная); б - с  кольцевыми расточками на шарошке; в - с нижней промывкой; г - с коническими  зубками

 

Эти долота разработаны в  СевкавНИПИнефти. Все они относятся к одному классу (с твердосплавным вооружением) и к одному типу (СЗ), предназначены для разбуривания пород средней твердости (доломитов, конгломератов, известняков и других хрупких пород) [2].

Одношарошечные долота (рис. 2.3) состоят из корпуса, выполненного вместе с цапфой, на которой монтируется  шарошка сферической формы.

По ГОСТ 20692-75 унифицированные  конструкции одно- шарошечных долот  должны выпускаться диаметрами 139,7; 165,1; 190,5; 215,9 и 244,5 мм[2].

Лопастные долота

 

Эти долота отличаются простотой  конструктивного исполнения и технологии изготовления. Разрушая породы по принципу резания и истирания, в мягких, рыхлых и несцементированных породах  они оказываются наиболее эффективными: обеспечивают проходку за рейс в несколько  сотен, а иногда и более тысячи метров. Однако вследствие наличия  в разрезе скважин перемежающихся по твердости пород, а также твердых  и абразивных пропластков, диаметр долота часто уменьшается, что приводит к значительному уменьшению диаметра скважины и необходимости расширения и проработки ствола перед спуском очередного долота, а также обсадных колонн.

Ввиду того, что контактная поверхность этих долот по сравнению  с шарошечными больше и постоянно  взаимодействует с забоем скважины, лопастные долота применяются при  разбуривании высокопластичных пород. Моментоемкость их высока, что требует подведения к долоту повышенных вращающих моментов.

Лопастные долота выпускаются  следующих разновидностей: 2Л - двухлопастные, ЗЛ - трехлопастные, ЗИР - трехлопастные  истирающе-режущие и 6ИР - шести лопастные  ис- тирающе-режущие[2].

Трехлопастные долота ЗЛ (рис.2.4) выпускаются диаметром 118-445 мм типа М и МС в сварной модификации, т.е. с приваренными к корпусу лопастями. Режущие кромки лопастей у долот типа М армированы релитом, а у долот типа МС - твердосплавными пластинками. Промывочные устройства выполняются с соплами (гидромониторными) или без них.

Долота ИСМ

 

Долота ИСМ отличаются от фрезерных и алмазных долот  тем, что их рабочие элементы оснащены сверхтвердым материалом славутич. Вставки из славутича прикрепляются к стальному корпусу долота своей цилиндрической посадочной частью методом пайки. Форму рабочей поверхности и количество вставок, марку славутича и его содержание (объем, выраженный в см3 выбирают, исходя из типа долота, т.е. в соответствии с физико-механическими свойствами разбуриваемых пород.

Торцовые (зарезные) долота ИСМ (рис.2.5) предназначены для бурения наклонно направленных скважин и зарезки нового ствола на больших глубинах. Их изготовляют с полым цилиндрическим корпусом , верхняя часть которого имеет замковую муфтовую резьбу, а нижняя выполнена с расширением снаружи и коническим внутренним вырезом, армированным вставками 2 из славутича. Боковую поверхность нижней части также армируют этими вставками[2].

В центральной части торца  просверлены промывочные каналы 3, выходящие в радиальные канавки 4, которые разделяют рабочую торцовую поверхность на секторы и соединяются  с боковыми пазами 5. Такая схема  промывки улучшает охлаждение рабочей  поверхности долота и удаление из-под  нее шлама.

 

Рис. 2.4. Трехлопастные долота типов М (а) и МС (б):

1 - корпус; 2 - лопасти; 3 - у  плотнительные кольца; 4 - твердосплавные штыри;5 - байонетная шайба; 6 - присоединительная резьба; 7 - сопло; 8 - болт; 9 - стопорная шайба; 10 - пластины

 

Рис. 2.5. Режущее долото ИСМ  первой модификации

Алмазные долота

 

Эти долота изготовляют с  режущими элементами из природных или  синтетических алмазов различной величины.

По форме и направлению  пазов, промывочных канавок, рабочих  органов и всей рабочей части  выделяют три разновидности алмазного  долота: радиальную, ступенчатую и  спиральную.

По размещению алмазов  в матрице различают две разновидности  долот: однослойную (рис.2.6, д, б, в) и  многослойную (рис.2.6, г), т.е. импрегнированную алмазами.

Диаметры алмазных долот, как и долот ИСМ, на 2 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных и лопастных долот с целью предотвращения преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины[2]. По конфигурации и принципу действия алмазные долота близки к долотам ИСМ, особенно к истирающим.

 

Долота для  колонкового бурения

 

Эти долота предназначены  для отбора образцов проходимых пород (керна) с целью изучения геологического строения разреза скважин, механических, абразивных, коллекторских свойств, состава и строения горных пород, а также состава и свойств насыщающего породу флюида.

 

Рис. 2.6. Алмазные долота:

а - однослойное радиальное биконическое долото М311 и отдельные  алмазы, используемые для его армирования; б - ступенчатое; в - спиральное ТВ 573; г - импрегнированное ТВ54

 

Для отбора керна бурят  кольцевым забоем, при этом конструкция  долота и режим бурения должны обеспечить сохранность керна.

 

 

Колонковое долото (рис. 2.7) состоит из следующих элементов: бурильной головки , корпуса 2, грунтоноски 6 с дренажным клапаном 5, в которую входит керн, керноприемного устройства 7, кернорвателя 8. Долото соединено с бурильной колонной переводником 3. Грунтоноска подвешена к корпусу долота жестко или на подшипниках 4, предотвращающих ее вращение при вращении бурильного инструмента, что способствует сохранности керна внутри грунтоноски[3].

При использовании колонковых долот со съемной грунтоноской керн извлекают без подъема бурильной колонны при помощи специального ловителя на канате. Затем съемную грунтоноску вновь опускают, устанавливают в колонковом долоте и продолжают отбор керна.При турбинном бурении керн отбирают колонковым турбодолотом со съемной грунтоноской типа КТДЗ и КТД4.При колонковом бурении применяют шарошечные, лопастные, фрезерные, твердосплавные, алмазные и ИСМ бурильные головки. Шарошечные бурильные головки изготовляют одно-, трех-, четырех-, пяти-, шести- и восьмишарошечными[3].

Боковая фрезерующая способность  породоразрушающих инструментов

 

В процессе бурения с отклоняющей  компоновкой закономерно уменьшаются  диаметр долота и завес шарошек  вследствие износа опоры и вооружения, а также отклоняющая сила на долоте вследствие роста нормальной составляющей массы системы долото - забойный двигатель из-за увеличения зенитного  угла ствола. При бурении в неоднородных и перемежающихся по твердости породах  в определенных пределах в данном интервале бурения могут изменяться также физико-механические свойства пород, диаметр скважины, механическая скорость проходки, осевая нагрузка на долото, упругая деформация забойного  двигателя и т.д.

Из всех этих факторов при  бурении определенной отклоняющей  компоновкой на интенсивность искривления  ствола преобладающее влияние оказывают  износ долота и его состояние. Это подтверждается тем, что к  концу каждого рейса с отклонителем, как правило, интенсивность искривления ствола уменьшается, а при спуске нового долота, хотя оно работает при больших значениях зенитного угла и малых величинах отклоняющей силы, интенсивность искривления скважины в начале рейса выше, чем в конце рейса предыдущего долота (рис. 5.3).

скважина долото бурение фрезерование

 

 

Если бы снижение отклоняющей  силы на долоте с ростом зенитного  угла значительно влияло на процесс  искривления скважины, то интенсивность  искривления ствола при работе каждым последующим долотом должна быть меньше, чем при работе предыдущим долотом. Однако в действительности такое явление не наблюдается.

Следовательно, способность  долота фрезеровать стенку ствола играет решающую роль в искривлении скважины. Чтобы искривление ствола протекало  с фрезерованием стенки скважины, необходимы следующие три условия:

а) наличие на долоте достаточной  отклоняющей силы;

б) стрела прогиба забойного  двигателя не должна превышать критическую  величину, определяемую по формуле;