foto1
foto1
foto1
foto1
foto1

Добыча нефти и газа

Изучаем тонкости нефтегазового дела ВМЕСТЕ!

Буровой инструмент и забойные двигатели

Породоразрушающий инструмент (ПРИ) предназначен для разрушения горной породы на забое при бурении скважины.

       По принципу разрушения породы весь ПРИ можно классифицировать следующим образом:

1)     ПРИ режуще-скалывающего действия, предназначенный для разбуривания вязких и пластичных пород небольшой твердости ( вязких глин, глинистых сланцев и др.) и малоабразивных.;

2)     ПРИ дробяще-скалывающего действия, предназначенные для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких пород;

3)     ПРИ истирающе-режущего действия, предназначенные для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже твердыми.

По назначению весь ПРИ можно разделить также на три группы:

1)     Для бурения сплошным забоем (без отбора керна) – буровые долота;

2)     Для бурения по кольцевому забою (с отбором керна) – бурголовки;

3)     Для специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение ствола) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня ) и  т.д.)

По конструктивному исполнению ПРИ делится на три группы:

1)-         Лопастной;

2)-         Шарошечный;

3)-         Секторный.

По материалу породоразрушающих элементов ПРИ делится на четыре группы:

1)3.        Со стальным  вооружением;

2)4.        С твердосплавным вооружением;

3)5.        С алмазным вооружением;

4)6.        С алмазно-твердосплавным вооружением.

БУРОВЫЕ ДОЛОТА

     Наибольшее распространение в практике бурения нефтяных и газовых скважин получили шарошечные долота дробяще-скалывающего действия с твердосплавным или стальным вооружением. Конструкция трехшарошечного долота  приведена на рис. 1.

Три лапы  3  сваривают между собой . На верхнем конце конструкции нарезана замковая присоединительная резьба. Каждая лапа в нижней части завершается цапфой 5, на которой проточены беговые дорожки под шарики и ролики. На цапфе через систему подшипников 6 устанавливается шарошка 4 с беговыми дорожками. Тело шарошки оснащено фрезерованными стальными зубьями 7, размещенными по венцам. На торце со стороны присоединительной резьбы выбиваются шифр долота, его порядковый номер, год изготовления.

Шарошечные долота изготавливают как с центральной, так и с боковой системой промывки. На лапах долота долота с боковой гидромониторной системой промывки выполнены специальные утолщения – приливы 2 с промывочными каналами и гнездами для установки гидромониторных насадок (сечение А-А).

При центральной промывке забоя  лучше очищаются от шлама центр забоя и вершины шарошек, шлам  беспрепятственно выносится в наддолотную зону. Однако при высокой скорости углубки забоя  трудно подвести  к долоту  необходимую гидравлическую мощность, требуемую для качественной очистки забоя (перепад давления на долотах с центральной промывкой не превышает 0,5-1,5 МПа). Боковая  гидромониторная промывка обеспечивает лучшую очистку наиболее зашламованной периферийной части забоя, позволяет подвести к долоту большую гидравлическую мощность (перепад давления на долотах с гидромониторной промывкой достигает 5-15 МПа). Однако мощные струи бурового раствора, выходящие из гидромониторных насадок экранируют транспортирование шлама  через проемы между секциями долота, поэтому часть шлама циркулирует некоторое время в зоне действия шарошек и переизмельчается, а часть – транспортируется в зазорах между стенкой скважины и спинками лап. Поэтому зачастую переходят на ассиметричную систему промывки, заглушая одну или две гидромониторные насадки для повышения пропускной способности основных транспортных каналов долота.

Беговые дорожки цапфы и шарошки и тела качения без сепараторов составляют опору шарошки. Помимо подшипников качения опора может включать подшипники скольжения (антифрикционные втулки) и торцевую пяту (антифрикционный диск).Полость опоры заполняется консистентной смазкой.

Опоры шарошек – наиболее ответственные узлы шарошечного долота, стойкость которых чаще всего определяет долговечность долота в целом. Опоры воспринимают радиальные и осевые нагрузки (по отношению к цапфе).

Опоры шарошек в зависимости от типоразмера долот конструируются из различных сочетаний шариковых  и роликовых  подшипников качения и подшипников скольжения.

Шариковые подшипники легче разместить в ограниченных размерах шарошки, они слабо реагируют на возможные перекосы осей шарошек и цапф. Однако из-за  проскальзывания шариков по  боковым дорожкам  эти подшипники быстро нагреваются и

требуют интенсивного охлаждения.

Роликовые подшипники могут воспринимать большую, чем шариковые подшипники нагрузку, но труднее вписываются в ограниченные размеры шарошек. Они весьма чувствительны к перекосам осей шарошек и цапф и при износе роликов нередко шарошки заклиниваются на цапфах.

Подшипники скольжения способны воспринимать наибольшие нагрузки. Однако эффективны они только при невысоких частотах вращения долота, когда трущиеся поверхности шарошек и цапф и соседних подшипников качения сильно не нагреваются.

В каждой системе опор обязательно имеется один шариковый подшипник,называемый замковым радиально-упорным подшипником двухстороннего действия. Он удерживает шарошку на цапфе и воспринимает усилия, направленные вдоль и перпендикулярно к оси цапфы. Устанавливается этот подшипник в последнюю очередь, через цилиндрический канал в цапфе ,затем в этот канал вставляется стержень (палец) и его наружная часть приваривается к телу цапфы.

Подшипники шарошек в процессе бурения смазываются и охлаждаются буровым раствором, проникающим к ним по зазору между основанием шарошки и упорной поверхностью в цапфе. Поэтому  в буровой раствор добавляются специальные реагенты, улучшающие его смазочные свойства.

При бурении с продувкой скважины воздухом условия работы опор шарошек значительно ухудшаются вследствие недостаточного теплоотвода от трущихся деталей подшипников . Поэтому в долотах, предназначенных для бурения с продувкой  воздухом, часть воздуха по специальным каналам в лапах и цапфах направляется непосредственно в опоры шарошек.

В последние годы все большее применение находят долота с герметизированной маслонаполненной опорой, у которых специальная смазка поступает к подшипникам из эластичного баллона  по имеющемуся в лапе и цапфе каналу. Проникновению бурового раствора в полость такой опоры и утечке смазки  препятствует жесткая уплотнительная манжета . Долговечность таких долот  при ограниченной частоте оборотов на порядок и более превосходит долговечность долот с открытой опорой.

Для бурения скважин в абразивных породах различной твердости с целью повышения долговечности вооружения шарошки оснащают вставными твердосплавными зубками (штырями). Такие долота часто называют штыревыми Вставные зубки закрепляются в теле шарошки методом прессования. Для бурения в малоабразивных породах, в теле стальной шарошки фрезеруются призматические зубья, поверхность которых упрочняется термохимической обработкой.

По ГОСТ 20692-75 «Долота шарошечные» предусматривается выпуск долот диаметром 76-508 мм. трех разновидностей: одно- двух- и трехшарошечных. Наибольший объем бурения нефтяных и газовых скважин в Западной Сибири приходится на трехшарошечные долота диаметрами 190,5; 215,9; 269,9; 295,3 мм.

Типы и область применения  шарошечных долот приведены в табл. __1__.

Таблица 1    Типы трехшарошечных долот и их назначение

Тип долота

Горные породы , для разбуривания которых предназначены долота

М

Самые мягкие, несцементированные, пластичные (наносы, мягкие и вязкие глины, сланцы, мягкие известняки)

МЗ

Мягкие, слабосцементированные , абразивные (песчаники, мергели)

МС

Мягкие , неабразивные , с пропластками пород средней твердости (мел с пропластками слабосцементированных песчаников, каменная соль с пропластками ангидритов, глинистые сланцы)

МСЗ

Мягкие, слабосцементированные, абразивные, с пропластками пород средней твердости (песчаноглинистые сланцы, плотные глины с пропластками песчаников)

С

Пластичные и хрупкопластичные неабразивные , средней твердости (плотные глины, глинистые сланцы, известняки средней твердости)

СЗ

Абразивные, средней твердости (песчаники, песчанистые сланцы)

СТ

Хрупкопластичные, средней твердости, с пропластками твердых пород (песчаники с пропластками гипса, известняки с пропластками гипса, ангидриты)

Т

Твердые , неабразивные (твердые известняки, доломиты, доломитизированные известняки)

ТЗ

Твердые, абразивные ( окварцованные известняки и доломиты)

ТК

Твердые, с пропластками крепких (твердые известняки с пропластками мелкокристаллических известняков и доломитов)

ТКЗ

Абразивные, твердые , с пропластками крепких (окремнелые аргиллиты, твердые известняки и доломиты, мелкозернистые сильносцементированные песчаники)

К

Крепкие, абразивные (окремнелые мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты)

ОК

Очень крепкие, абразивные (граниты, квациты, диабазы)

По материалу вооружения шарошечные долота делятся на два класса:

1 класс – долота с фрезерованным стальным вооружением для бурения малоабразивных пород (М, МС, С, СТ, Т, ТК );

2 класс – долота со вставным твердосплавным вооружением для бурения абразивных пород ( МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К, ОК)

В настоящее время долота типа СТ и ТК  не выпускаются.

По расположению и конструкции промывочных или продувочных каналов шарошечные долота делятся на :

-30.   с центральной промывкой (Ц);

-31.   с боковой гидромониторной промывкой (Г);

-32.   с центральной продувкой (П);

-33.    с боковой продувкой (ПГ).

Долота для высокооборотного бурения (частота оборотов долота более 400 в минуту) изготовляют с опорами  на подшипниках качения (В).

Долота для низкооборотного бурения (частота оборотов долота 100- 400 в минуту) изготовляют с опорами  на подшипниках качения и одном подшипнике скольжения (Н).

Долота для  бурения на пониженных частотах (частота оборотов долота не более 100 в минуту) изготовляют с опорами  на двух и более подшипниках скольжения и подшипниках качения (А).

Выпускаются долота с открытой опорой и с уплотнительными манжетами и резервуарамидля смазки (У).

Условное обозначение (шифр) долота :

III – 215,9  С-ГНУ  2354,

где  III – трехшарошечное ;

       215,9 – номинальный диаметр долота, мм;

       С- тип долота (для бурения пород средней твердости);

        Г- боковая гидромониторная промывка;

        Н – опора для низкооборотного бурения на одном подшипнике скольжения;

        У – опора маслонаполненная с уплотнительной манжетой;

        2354 – заводской номер долота.

В маркировке трехшарошечных долот и долот с центральной промывкой цифра III и буква Ц не указывается.

ЛОПАСТНЫЕ ДОЛОТА

При бурении нефтяных и газовых скважин  применяют  трехлопастные долота 3Л и 3ИР, а также шестилопастные 6ИР. Лопастное долото 3Л состоит из корпуса , верхняя часть которого имеет ниппель с замковой резьбой для присоединения к бурильной колонне, и трех приваренных к корпусу долота лопастей, расположенных по отношению друг к другу под углом 120 градусов. Для подвода бурового раствора к забою долото снабженопромывочными отверстиями , расположенными между лопастями.

Лопасти выполнены заостренными и слегка наклонными к оси долота в направлении его вращения. В этой связи по принципу разрушения породы долота 3Л относят к долотам режуще-скалывающего действия, так как под влиянием нагрузки лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента скалывают ее.

Долота 3Л предназначены для бурения в неабразивных мягких пластичных породах (тип М) и для бурения в неабразивных мягких породах с пропластками неабразивных пород средней твердости (тип МС).

Для увеличения износостойкости долот их лопасти укрепляют (армируют) твердым сплавом . У долот типа М в прорезанные по определенной схеме пазы на лопастях наплавляют зернистый твердый сплав релит и лопасть покрывают чугуном, а у долот типа МС в пазы укладывают и припаивают твердосплавные пластинки и покрывают лопасти релитом.

Долота 3Л выпускают как с гидромониторными насадками , так и без. В последнем случае выходные кромки промывочных каналов армируют релитом.

Согласно ОСТ 26-02-1282-75 «Долота лопастные» предусмотрен выпуск долот 3Л диаметром от 120,6 до 489,9 мм.

Долота 3ИР в сравнении с 3Л имеют следующие отличительные особенности. Три лопасти выполнены притупленными, а не заостренными и приварены к копусу так, что они сходятся на оси долота, а не наклонены к ней. Лопасти долота армируются также как и у 3Л типа МС, но с дополнительным усилением кромок лопастей , контактирующих с забоем и стенкой скважины, твердосплавными зубками (штырями).

Такая особенность вооружения  позволяет  долоту 3ИР разрушать породу резанием и истиранием (микрорезанием) абразивных мягких пород с пропластками пород средней твердости (тип МСЗ).

Отраслевым стандартом ОСТ 26-02-1282-75 предусмотрено изготовление долот 3ИР диаметром от 190,5 до 269,9 мм.

Долота 6ИР имеют три основные лопасти, предназначенные для разрушения породы на забое , и три дополнительные укороченные лопасти, калибрующие стенку скважины. Основные лопасти притуплены и сходятся на оси долота. Дополнительные лопасти также притуплены и расположены между основными лопастями. Эти долота относятся к типу С.

Отраслевым стандартом ОСТ 26-02-1282-75 предусмотрено изготовление долот 6ИР диаметром от 139,7 до 269,9 мм.

Несмотря на простоту конструкции лопастные долота имеют ряд существенных недостатков:

-   интенсивный износ лопастей в связи с непрерывным контактом режущих  и калибрующих ствол скважины кромок лопастей долота с забоем и стенками скважины;

-34.   сужение ствола скважины в процессе бурения из-за относительно быстрой потери  диаметра долота;

-35.   относительно высокий крутящий момент на вращение долота;

-36.   неудовлетворительная центрируемость на забое , приводящая к интенсивному непроизвольному искривлению.

Отмеченные  недостатки объясняют причины редкого применения лопастных долот в практике бурения нефтяных и газовых скважин даже при разбуривании мягких пород.

АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА

Алмазные долота  предназначены для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твёрдых.

Алмазное долото состоит из стального корпуса  с присоединительной замковой резьбой   и фасонной алмазонесущей головки (матрицы) . Матрица разделена на секторы  радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота   через  промывочные отверстия .

Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных  твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме  по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. При однослойном размещении алмазов  применяют алмазы  в 0,05-0,4  карата (карат – единица измерения  массы алмазов: 1 карат равен примерно 4,5 мм). Диаметр кристалла сферической формы в 1 карат равен примерно  4,5 мм. Для бурения в твердых породах  изготовляют долота с объемным размещением мелких (менее 0,02 карата) кристаллов алмаза в матрице  (импрегнированные алмазные долота). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей поверхностью матрицы составляет 0,1-0,25  их диаметра.

Диаметр алмазных долот на 2-3 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных долот.Это вызвано созданием условий для перехода к бурению алмазными долотами после шарошечных, у которых , как правило, по мере износа уменьшается диаметр.

Отраслевым стандартом  ОСТ 39.026-76 предусмотрено выпускать алмазные долота диаметрами от 91,4  до 292,9 мм.

Основными достоинствами алмазных долот являются хорошая центрируемость их на забое и и формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).

Существенные недостатки алмазных долот – это крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная механическая скорость не привышает 3 м/ч . Для сравнения максимальная механическая скорость бурения шарошечными долотами составила около 120 м/ч), узкая область применения (исключаются абразивные породы), а также повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины и промывке скважины в процессе бурения.

ДОЛОТА ИСМ

Особая разновидность долот разработана Институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) – долота типа ИСМ.Долота ИСМ  предназначены для разрушения резанием и истиранием (микрорезанием) неабразивных пород мягких (М), перемежающихся по твердости (МС) и средней твердости (С).

Эти долота имеют вооружение из сверхтвердого композиционного материала «Славутич», в состав которого входят мелкокристаллические алмазы и дробленный карбид вольфрама. Для оснащения долот применяют цилиндрические вставки (штыри) диаметром 8-12 мм с плоскими или полусферическими рабочими торцами. Штыри в корпусе долота припаивают в гнездах.

Существует две разновидности  долот ИСМ по конструкции: лопастная и секторная. Лопастная разновидность аналогична по конструкции долоту 6ИР.

Секторная разновидность долота состоит из стального корпуса,  торцевая профильная поверхность  которого , разделена на секторы  радиальными промывочными каналами. Штырями из «Славутича»  вооружена торцевая и калибрующая  поверхности долота. Вылет штырей над поверхностью секторов составляет 3-5 мм. На калибрующей поверхности штыри утоплены.

При бурении в мягких породах  штыри работают как резцы, осуществляя резание и скалывание. В перемежающихся по твердости и породах средней твердости  работают зерна алмазов, разрушая породу микрорезанием.

Присоединяют долото к бурильной колонне при помощи замковой резьбы .

Отраслевым стандартом  ОСТ 39026-76 предусмотрено выпускать долота ИСМ диаметрами от 91,4  до 391,3 мм.

Преимуществами долот ИСМ являются их значительная проходка на долото, достигающая (при соблюдении условий эксплуатации) нескольких сотен метров и относительно высокая рейсовая скорость.

К недостаткам следует отнести узкую область применения (только в неабразивных порода М, МС и С) и высокий  момент на вращение долота, ограничивающий применение забойных двигателей.

ДОЛОТА СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Из долот этой группы наиболее распространены пикообразные долота – пикобуры . Эти долота имеют заостренную под углом под углом 90 градусов лопасть, по форме напоминающую пику. Вооружение твердосплавные пластины и штыри.

По назначению выпускают  пикобуры двух типов( по ОСТ 26-02-1282-75):

-37.   ПР для проработки (расширения) ствола пробуренной скважины;

-38.   ПЦ для разбуривания цементного стакана, моста и металлических деталей в обсадной колонне после ее цементирования.

      Во избежание повреждения обсадной колонны боковые  грани лопасти у долот ПЦ не армируются твердым сплавом.

Статистика



Яндекс.Метрика