ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

(БУРОВЫЕ ДОЛОТА)

8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ:

Горные породы разрушаются долотами различных типов, которые можно классифицировать по следующим признакам.

По принципу действия:

режуще-скалывающие;

дробяще-скалывающие;

режуще-истирающие.

По назначению:

для сплошного бурения;

для колонкового бурения;

для расширения ствола скважины;

для специальных работ в скважине.

По конструкции рабочего элемента:

лопастные;

шарошечные;

матричные.

По количеству рабочих элементов:

одноэлементные;

двухэлементные;

трехэлементные;

четырехэлементные;

шестиэлементные и т.д.

По конструкции промывочных устройств:

с центральным одним отверстием;

с периферийными несколькими отверстиями;

с гидромониторными осесимметричными насадками;

с асимметричной одной гидромониторной насадкой.

По типу и стойкости вооружения:

для бурения мягких пород;

для бурения пород средней твердости;

для бурения твердых пород;

для бурения крепких пород.

8.2. ШАРОШЕЧНЫЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ (ПРИ):

При бурении скважин наибольшее распространение получили шарошечные долота. Ими ежегодно выполняется почти 85 % объема проходки в нашей стране и за рубежом. По принципу действия это дробяще-скалывающий инструмент. Конструктивно шарошечный ПРИ более правильно отнести к механизмам, т.к. он имеет вращающиеся части, размещенные на опорных подшипниковых устройствах.

Наиболее распространен трехшарошечный вариант долота. Конструкция такого долота позволяет наилучшим образом механизму инструмента вписываться в цилиндрическую форму скважины тремя коническими шарошками. При этом обеспечивается оптимальное центрирование и устойчивость работы долота. Трехшарошечные долота выполняются секционными (бескорпусными).

Секционное трехшарошечное долото (рис. 8.1.) собирается из секций, свариваемых вместе по всему наружному контуру сопрягаемых поверхностей. При этом верхние сегментные части секций образуют присоединительную головку 1, на которой затем нарезается коническая наружная резьба. Средняя часть долота составляет также единое целое в результате сваривания лап 3. На наружной поверхности лап 3 предусмотрены приливы 12, кромки и ребра жесткости , а также округлые полуцилиндрические приливы ("бобышки") 2 под промывочные сопла (насадки) 10. В отечественной промышленности сопла изготовляют обычно из металлокерамического материала. Сопла 10 закрепляют при помощи удерживающего замка (в данном случае стопорного кольца 9). Герметизация зазора между соплом и внутренней стенкой полости (гнездо прилива 2) обеспечивается обычно резиновым уплотнением 13.

Рис. 8.1. Секционное трехшарошечное долото типа XV

Козырек 7 лапы обычно (как и в приведенном случае) защищается антиабразивным покрытием 8, приближенным к торцу 4 шарошки и ее тыльной части 6, называемой часто обратным конусом. На тыльной части 6 шарошки также наплавляют защитное покрытие с хорошо сопротивляющейся абразивному износу калибрующей поверхностью 5, разделяемой одной из конических поверхностей корпуса шарошки. Вершина первой шарошки в данном случае, как и у долота со стальным вооружением некоторых других типов, выполняется с лопатовидными элементами и называется лопаткой.

Ряд породоразрушающих элементов, расположенных примерно по одной окружности, называется венцом. Венец 21, находящийся на периферии (у основания) шарошки, называется периферийным или калибрующим, поскольку он не только углубляет забой, но и калибрует стенку скважины. Средние 20 и привершинные 19 венцы принято называть основными. Основными конусами шарошек условно именуют конические поверхности, находящиеся не на тыльной, а на передней (основной) стороне шарошки, ближе к вершине; от них начинают построение шарошки. Различают также промежуточные дополнительные конусы, расположенные между основным и обратным конусом в двух- и трехконусных шарошках.

Часть конуса шарошки, расположенная между двумя венцами, называется межвенцовой расточкой 29. Если она выполняется в виде узкого, но значительного углубления между венцовыми поясками, над которыми выступают рабочие породоразрушающие элементы, то в этом случае ее иногда называют также и кольцевой канавкой.

Стальной выфрезированный породоразрушающий элемент шарошки принято называть зубом или зубцом, а твердосплавный вставной (изготовленный из спекаемого обычно карбидовольфрамового порошка) — зубцом или штырем 28 (см. рис. 4.2). Углубление между двумя соседними зубьями, расположенными на одном и том же венце, называют обычно выемкой 22. Значительную выемку, образованную на месте одного-двух срезанных зубьев или сбоку одного из них, принято называть выфрезировкой.

Нижняя часть 17 зуба - основание, а верхняя 18 - вершина. Ребра сопряжения поверхностей вершины зуба, а нередко и всю вершину полностью неправильно обобщают единым названием "режущая кромка".

Поверхность 25 зуба, обращенную к периферии - к периферийному венцу шарошки, принято называть обычно наружной стороной, а поверхность, обращенную к вершине, - внутренней стороной зуба. Поверхность 24, обращенная по направлению вращения шарошки, называется набегающей, или передней, гранью (реже - передней стороной или передним крылом зуба), а поверхность 23, направленная в противоположную сторону, - тыльной, или задней, гранью (стороной). Рабочие поверхности стальных зубьев шарошки и других быстроизнашивающихся элементов долота нередко защищаются наплавляемым антиабразивным покрытием, как правило, зернистым твердым сплавом - релитом.

На верхнем торце присоединительной головки 1 выбивают размер, заводской номер и тип долота, товарный знак и номер партии долот.

Широкий проходной канал, ограниченный внутренними стенками головки 1, принято называть внутренней полостью 14 долота, а заплечики 15 - упорным уступом (торцом), который обычно имеет скошенную фаску.

На схеме (см. рис. 8.1.) видны также крышка 16 компенсатора и предохранительный сбрасывающий обратный клапан 11 автономной герметизированной принудительной системы смазки элементов опоры шарошки.

Внутренние элементы долота показаны на рис. 4.3. Опора шарошки долота обычно состоит из консольной цапфы 2, составляющей единое целое с лапой 15, и подшипников, позволяющих шарошке при вращении долота свободно вращаться относительно цапфы и передавать осевые и радиальные нагрузки. Один из подшипников одновременно с отмеченными функциями выполняет также роль запирающего, фиксирующего устройства, удерживающего шарошку на цапфе от продольного смещения. Поэтому такой подшипник называют замковым. Как правило, он выполняется в виде шарикоподшипника 12. Его шары заводятся в соответствующее гнездо через цилиндрический проход 16, просверливаемый в цапфе и запираемый после их установки специальной деталью, называемой замковым пальцем 18. Эта деталь имеет форму штыря, а выполняет роль пробки, заходящей в проход 16 и не позволяющей шарам выкатываться из беговой дорожки 10.

Рис. 8.2. Внутренние элементы шарошечного долота:

а - элементы опоры шарошки; б- секция долота с герметизированной опорой.

В пальце 18, на одном его конце (переднем) вытачивается сферический вырез 17, точно соответствующий (при совместной обработке пальца с цапфой) профилю внутренней беговой дорожки 10 замкового подшипника. А на другом - канавка 19 под сварочный шов, фиксирующий правильное положение пальца, и препятствующий его смещению и выпадению.

По обеим сторонам замкового подшипника обычно монтируют большой и малый подшипники. Большой подшипник у многих отечественных и зарубежных долот состоит из беговой дорожки 14, роликов 13 и направляющих плоскостей 1. Он отделяется от замкового шарикового подшипника буртиком 11.

Малый подшипник чаще всего выполняется в виде подшипника скольжения с втулкой 4, которая впрессовывается в гнездо 8, высверливаемое в шарошке. Втулку 4 часто называют фрикционной. Торцовая (концевая) 3 и боковая поверхности цапфы на участке этого подшипника наплавляются тонким антиабразивным покрытием.

В состав опоры, как правило, входит также подшипник 9 в виде планшайбы с накаткой 6 по боковой поверхности и со шлифованным днищем 5. Подпятник впрессовывают в соответствующее ему гнездо 7, высверленное в днище шарошки. Его нередко называют концевым упорным подшипником, однако под концевым подшипником также подразумевается малый подшипник с фрикционной втулкой 4 или весь комплекс элементов скольжения, включая втулку 4 и подпятник 9.

В случае если опора долота герметизирована (см. рис. 8.2., б), в ее состав чаще всего включают также сальниковое уплотнение 23, гибкую диафрагму 21 (являющуюся основной деталью компенсатора 25), заполняемый смазкой резервуар (или лубрикатор) 24, каналы для смазки 22 и крышку или пробку 20, перекрывающую полость резервуара 24.

В России для бурения нефтяных скважин отечественные долотостроительные заводы выпускаются одно-, двух- и трехшарошечные долота.

8.2.1. Одношарошечные долота относятся к одному классу (с твердосплавным вооружением) и одному типу СЗ - для средних, преимущественно карбонатных, хрупких пород, таких как доломиты, конгломераты, известняки и др.

По своим конструктивным особенностям они разделаются на модификации (рис. 8.3., а-г). Одношарошечное долото состоит из корпуса с присоединительной головкой, лапы и сферической шарошки. Промывочное устройство в виде сквозного периферического отверстия просверливается в лапе недалеко от основания цапфы, направляющего струю раствора по касательной к поверхности шарошки.

Рис. 8.3. Модификации отечественных одношарошечных долот:

а - основная (серийная); б- с кольцевыми расточками на шарошке; в - с нижней промывкой; г - с коническими зубками; 1 - корпус долота; 2 - шарошка.

Корпус выполнен с утолщенной консольной лапой, изготовляемой с цапфой, ось которой наклонена под углом 30° к оси долота.

Опора включает два шарикоподшипника, один из которых выполняется замковым, и два подшипника скольжения. В новом долоте основные нагрузки несут шарикоподшипники.

8.2.2. Двухшарошечные долота применяют, главным образом, при бурении геологоразведочных скважин.

Современные модели двухшарошечных долот можно распределить на два класса, четыре типа и несколько модификаций, отличающихся одна от другой по схеме и конструкции промывочного узла либо опоры шарошек.

Долота первого класса изготовляют двух типов - М и С.

Двухшарошечные долота типа М предназначены для бурения скважин сплошным забоем и в слабых, наиболее мягких и вязких несцементированных породах, таких как суглинки, слабые глины и мергели. Эти долота изготовляют трех типоразмеров: В112МГ, В132МГ и В151МГ.

Долото В112МГ выполняется двухсекционным (рис. 8.4., а).

Секции сопрягаются плоскостями на фиксирующих штифтах и свариваются сварным швом. Угол наклона цапф к оси долота - 57°30'. Опора каждой шарошки выполнена по схеме СШР, т.е. подшипник скольжения - шарикоподшипник (замковый) - роликовый подшипник. Шарошки - самоочищающиеся со смещением их осей относительно оси долота на 3 мм.

Фрезерованные зубья шарошек - крупные, заостренные, защищенные твердосплавной наплавкой. Такое вооружение обеспечивает наиболее высокую эффективность в очень мягких и вязких породах. Промывка - боковая. Промывочные каналы иногда оснащают металлокерамическими соплами, направляющими струи жидкости в зазоры между шарошками.

Долото В132МГ состоит из двух сварных секций. Оси цапф и шарошек наклонены под углом 57°30' к оси долота. Опора шарошки выполнена по схеме ШШР. Один из шариковых подшипников (большой) - замковый. Шарошки - самоочищающиеся, оснащены крупными фрезерованными зубьями. Рабочие поверхности зубьев армированы зернистой твердосплавной наплавкой (релит ТЗ), а угол заострения зубьев изменяется в диапазоне 48°36' -51°50'. Промывочное устройство - боковое, со струйными соплами.

Рис. 8.4. Двухшарошечные долота:

а - В112МГ; б - 2В93С; 1 — секция герметизированной опоры долота; 2, - боковые и центральное промывочные отверстия; 3, 4, 5 - подшипники шариковый, роликовый и скольжения соответственно

Примерно такой же конструкцией характеризуется долото В151МГ, но у него смещение осей шарошек относительно оси долота составляет 5 мм, а заострение зубьев 45- 49°.

К типу С относятся долота 2В93С и 2В112СМ, предназначенные для бурения скважин в средних породах, таких как известняки, аргиллиты, алевролиты, уплотненные глины, мергели. Долото 2В93С (рис. 8.4.,б) состоит из двух сварных секций, плоскость прилегания которых расположена симметрично относительно шарошек. Оси цапф шарошек наклонены под углом 47°30' к оси долота. Шарошки - самоочищающиеся. Опора шарошки состоит из двух подшипников скольжения и одного шарикового (замкового) подшипника. Вооружение шарошек представлено выфрезерованными стальными зубьями, армированными релитом. Высота и шаг зубьев - средние, несколько меньше, чем у долот типа М. Промывка забоя - центральная, через одно отверстие круглого сечения.

Долото 2В112С по опоре шарошки аналогично долоту В112МГ, а по вооружению и промывочному устройству - долоту 2В93С. Однако у долота 2В112С угол наклона цапф к оси долота составляет 50°.

Двухшарошечные долота второго класса, т.е. со вставным твердосплавным (штыревым) вооружением, выпускают типа К. Они предназначены для бурения скважин в крепких и абразивных породах. Долота указанного типа выпускают диаметрами 59, 76, 93 и 112 мм под шифрами 2Ш59К, В76К, 4В93К и Ш112К соответственно. Долота В76К, 4В93К и Ш112К отличаются от долота 2Ш59К в основном размерами своих элементов.

8.2.3. Трехшарошечные долота можно критерию опорных узлов разделить на серии:

- «среднеоборотистые», имеющие схему «один подшипник скольжения; остальные – качения, (рис. 8.5., а); опорные узлы долот этой серии могут иметь открытую или закрытую системы смазки;

- «тихоходные», имеющие схему «два и больше подшипников скольжения», (рис. 8.5., б); опорные узлы долот данной серии имеют закрытую герметизированную систему смазки;

- «быстроходные», имеющие схему «все подшипники качения (шариковые или роликовые) (рис. 4.6, в); опорные узлы долот этой серии имеют только открытую систему смазки, т.е. за счет проникновения в опору бурового раствора.

Долота серии 1 (см. рис.8.5,а) предназначаются преимущественно для среднеоборотного вращательного способа бурения. Их применяют при роторном бурении с винтовым или другим забойным двигателем, вращающим долото с относительно невысокой частотой вращения (до 350 об/мин).

Долота серии 2 предназначены для низкооборотного (40 - 250 об/мин) вращательного способа бурения. Опорные подшипники скольжения выполнены в герметизированном исполнении и включат устройства для принудительной подачи смазки к трущимся элементам в процессе бурения. С этой целью в спинке лапы каждой секции долота высверливают карман 1 (см. рис. 8.5.,б), служащий резервуаром-лубрикатором и перекрываемый крышкой 2 после заполнения его смазкой и установки в него эластичного компенсатора 3. Под давлением бурового раствора, проникающего в компенсатор через боковое отверстие в крышке 2, смазка проталкивается к смазочному каналу 4 к подшипникам 6-8. Утечке смазки из полости шарошки препятствует сальниковое уплотнение 5, которое перекрывает зазор между шарошкой и цапфой.

Главная особенность «быстроходных» долот серии 3 заключается в том, что их изготовляют с опорой, состоящей только из подшипников качения. Опора может быть выполнена по схеме ШШШ (см. рис. 8.5., в), РШР и ШШР; при этом опора негерметизированная.

Промывочные отверстия (насадки, сопло) промывочной системы долот выполняют двух модификаций: НД (рис. 8.6., а)и НКВ (рис. 8.6.,б). Сопло НД выполняется укороченным с относительно крутым сужением внутреннего радиального профиля проходного канала, характеризующимся радиусом кривизны R. Значения этого и других параметров (см. рис. 8.6.) зависят от номера (размера) сопла:

Номер насадки 1 2 3 4 5 6 7 8

d₁, мм …16 15 14 13 12 11 10 11

R₁ мм 52,5 45,48 40,3 36,28 30,12 30,59 28,53 26,99

H₁, мм 15,31 15,71 16,01 16,28 16,38 16,51 16,72 16,78

Трехшарошечные долота каждой из перечисленных выше серий могут быть любого класса (т.е. со стальным фрезерованным, штыревым или комбинированным вооружением шарошек), любого типа и любой модификации.

К первому классу относятся пять типов со стальным фрезерованным вооружением: М, МС, С, СТ и Т. Наименование типа совпадает с первой буквой в шифре после цифрового обозначения диаметра, характеризующей основное свойство пород.

Долота типа М предназначены для бурения скважин в мягких и вязких породах, характеризуемых низким сопротивлением сжатию и раздавливанию (пески, рыхлые глины, суглинки, супеси, мерзлые глинистые грунты, лед и т.п.).

Долота типа МС используют для бурения скважины в средне-мягких неплотных породах, занимающих по своим механическим свойствам промежуточное положение между мягкими и средними породами, или для бурения скважин в мягких породах, чередующимися пропластками средних пород (не очень плотные глины, мел, каменные соли, гипс, слабые известняки и др.).

Долота типа С предназначены для разбуривания пород средней крепости (аргиллиты, плотные глины, алевролиты, слабые мергели и др.).

Долота типа СТ применяют для бурения в породах, занимающих по свойствам промежуточное положение между средними и твердыми, а также для разбуривания средних пород, перемежающихся твердыми пропластками (плотные мергели, неплотные алевролиты с глинистым поровым цементом, песчаники, пористые, органогенные известняки, различные ангидриты, вязкие сланцы и др.).

Долота типа Т предназначены для бурения скважин в твердых, плотных и трещиноватых породах (плотные алевролиты, глинистые сланцы, доломиты, конгломераты твердых и иных формаций, различные песчаники и др.).

Ко второму классу относятся долота шести типов со вставным твердосплавным или штыревым вооружением: МЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К и ОК.

Литера 3 в обозначении типов МЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, а также МСЗ следующего класса указывает на то, что вооружение шарошек долот данных типов представлено твердосплавными зубьями с заостренной клиновидной головкой.

Долота типа МЗ спроектированы для бурения скважин в мягких абразивных породах (рыхлые и слабые песчаники, песчанистые глины, а также в различных по составу неплотных формациях, перемежающихся прослойками слабосцементированных песчаников и алевролитов).

Долота типа СЗ предназначены для бурения средних абразивных пород (песчаники средней плотности, плотные песчанистые породы, алевролиты абразивные и др.). Однако эти долота можно применять и при разбуривании обычных мягких, среднемягких, средних и перемежающихся пород.

Долота типа ТЗ предназначены для бурения средне-твердых и твердых абразивных пород (плотные песчаники, песчанистые доломиты, слабокварцованные известняки и алевролиты и др.). Эти долота можно применять и при разбуривании средних пород, перемежающихся более твердыми.

Долота типа ТКЗ строектированы для бурения твердо-крепких абразивных пород (плотные песчаники, доломиты, слабокварцованные известняки и доломиты, кремнистые сланцы и др.). Их можно применять и для разбуривания твердых пород, перемежающихся прослойками крепких.

Долота типа К предназначены для бурения скважин в крепких абразивных породах (граниты, диабазы, окварцованные доломиты, порфириты, пириты, очень крепкие песчаники и др.).

Долота типа ОК внешне мало отличаются от долот типа К. Они предназначены для бурения скважин в очень крепких и очень абразивных породах (кварциты, сливной кварц, джеспилиты, кремень, крепкие порфириты и др.). Эти долота применяют главным образом в горнорудной промышленности. Они оснащены самым мощным твердосплавным вооружением, оказывающим дробяще-скалывающее воздействие на породы забоя.

Долота типа МСЗ разработаны для бурения мягко-средних абразивных пород (слабосцементированные песчаники, песчанистые мергели, полуабразивные песчано-глинистые моренные отложения, нетвердые карбонатные породы, перемежающиеся с прослойками песчаников и алевролитов и т.п.). Эти долота могут разбуривать также неабразивные мягкие, средние и среднемягкие формации (супеси, суглинки, мел, глины, аргиллиты, известняки и др.).

Долота типа ТК предназначены для бурения твердо-крепких пород (конгломераты, очень плотные глины, твердые известняки, доломиты, глинистые сланцы и т.п.). Этими долотами также можно разбуривать средние, твердые и трещиноватые породы.

Несколько слов о шифровании шарошечных долот. В шифр долота входят сведения о количестве шарошек, номинальном диаметре ПРИ, типе горных пород, для бурения которых они предназначены, типах промывочной системы, опорного узла и его герметизации.

К примеру: 215,9 МСЗ – ГАУ. Трехшарошечное долото диаметром 215,9 мм, предназначено для бурения мягких горных пород с прослоями средних, имеющих повышенную абразивность. ПРИ оснащен гидромониторными насадками, формирующими боковую систему промывки. Опорный узел состоит из двух и более подшипников скольжения, т.е. «тихоходного» типа, смазывание которых осуществляется через герметизированную систему компенсационного типа. Для трехшарошечного ПРИ обычно сведения о количестве шарошек в шифре опускают.