Породоразрушающий буровой инструмент.

Пикообразные долота

Рис 3.6 Перовой пикобур

Пикообразные долота были первым породоразрушающим инструментом, применявшимся при вращательном бурении В настоящее время пикообразные долота потеряли свое значение как породоразрушающий инструмент для нефтяных и газовых скважин, но применяются как вспомогательный инструмент для расширения ствола скважины и разбуривания цементных пробок, металлических деталей низа обсадных колонн, а также для проработки забоя перед проведением ловильных работ по удалению мелких предметов из скважины. За исключением профиля рабочей поверхности пикообразные долота конструктивно не отличаются от лопастных. Выпускаются они диаметром от 98,4 до 444,5 мм. В разведочном бурении при проходке мягких вязких пластичных пород нашли широкое применение плоские пикообразные пикобуры ПКО, эллиптические (рисунок 3.5) и перовые пикобуры (рис 3.6).

Рисунок 3.5 - Эллиптические пикобуры

Как вспомогательный технологический инструмент при проходке нефтяных и газовых скважин применяются два типа цельноштампованных пикобуров: ПЦ и ПР. Пикобур типа ПР (рисунок 3.7) отличается от пикобура ПЦ тем, что боковые кромки лопасти усилены вооружением из твердосплавных пластин и цилиндрических твердосплавных зубков. Состоит из полого округлого корпуса, с ниппельной резьбовой головкой, лопасти из стали марки 40 с термообработкой. Рабочая грань лопасти, армированная твердосплавными пластинками, заострена под углом 90⁰ в виде пики. Набегающие грани изготовлены с заострением с обратным углом, на этих гранях сделаны пазы для твердосплавных пластин, закрепляемых чугунным припоем. Промежутки поверхности между пластинами, а также между твердосплавными штырями на калибрующей грани наплавляются релитом.

Рисунок 3.7 - Пикобур типа ПР

Корпус пикобура снабжен двумя боковыми промывочными каналами, направляющими струю бурового раствора из внутренней полости долота на периферию забоя. Пикобур ПР предназначен для расширения и проработки ствола скважины

Пикобур ПЦ служит для разбуривания цементных мостов и стаканов с обратным клапаном ЦКОД. Пикобур ПЦ отличается от описанного пикобура ПР только тем, что не имеет армирования на боковых гранях лопасти. Это делается для предотвращения повреждений обсадных колонн.

Лопастные долота истирающе-режущие с твердосплавным вооружением (ДИР)

Предназначены для бурения перемежающихся по твердости мягких с пропластками средней твердости абразивных МСЗ и средней твердости малообразивных С породах.

Долота типа ДИР для МСЗ пород выпускаются трехлопастными (рис 3.8), для пород С шестилопастными.

Рис 3.8 Конструкция трехлопастного долота типа ДИР

1 - корпус; 2 - лопасти; 3, 4 - твердосплавные штыри; 5 - канал для промывки

В отличие от 2Л, ЗЛ и ЗЛГ долота ДИР не имеют изгиба лопастей и отличаются большей толщиной лопастей. Все три лопасти на рабочей кромке имеют каждая свой профиль. Одна из лопастей, условно назовем ее первой, перекрывает весь радиус долота, а вторая и третья имеют расчлененную форму, то есть разные длины гребней и впадин. Все лопасти в нижней части по периферии скошены под углом 45°. Рабочие кромки лопастей армированы штырями ВК-8В с большим вылетом над торцом лопасти. Этим обеспечивается прерывистость (гребенчатость) режущей кромки. Калибрующие грани лопастей армированы так же, как и у долот типа 2Л и ЗЛ.

Промежутки поверхности между штырями рабочей и боковой кромками лопастей наплавлены релитом. Передняя поверхности лопастей также армированы релитом типа ТЗ.

Шестилопастные долота оснащены тремя такими же рабочими лопастями и тремя короткими калибрующими (рисунок 3.9).

ДИР могут выпускаться с обычной схемой промывки и гидромониторной. При бурении в мягких вязких глинах долото ДИР работает в режиме резания, как обычное лопастное долото. При подсечении пропластков средней твердости в работу включаются твердосплавные штыри, разрушающие породы истиранием, фрезерованием. И.К. Масленниковым [3] считает, что в целом долото ДИР скорее всего фрезерующего, чем режущего действия. Долота шифруются так: например долото 3 ИРГ-215,9 МСЗ - это трехлопастное истирающе-режущее (ИР) долото с гидромониторной промывкой (Г) диаметром 215,9 мм для бурения в мягких с пропластками средней твердости абразивных породах.

Истирающе-режущие долота с природными и синтетическими алмазами

Алмазный буровой инструмент (АБИ) подразделяется на следующие группы:

- алмазные долота истирающе-режущего типа с природными и синтетическими (искусственными) алмазами;

- долота типа ИСМ истирающего-режущего и режуще-скалывающего действия;

- долота с алмазно-твердосплавными пластинами и резцами. За рубежом их называют как - «алмазные долота РДС», что означает «алмазные долота с поликристаллическими алмазными режущими элементами».

Эта группа АБИ подразделяется на долота лопастного и матричного исполнения. В последние годы преобладает лопастной вид долот и бурильных головок. Алмаз - это уникальный минерал в виде кристаллической модификации углерода. Аморфная модификация углерода представлена графитом, используемом в бурении в качестве смазочной добавки к буровым растворам. Размер зерен алмазов колеблется обычно в пределах 0,4-4^6 мм. Масса кристаллов алмаза измеряется в каратах. Один карат равен 0,2 г.

Алмаз имеет высокую плотность (3,0-10 -3,5-10 кг/м ), наибольшую твердость и высокую жесткость. По твердости алмаз занимает первое место из природных минералов. В шкале твердости Мооса ему отведена 10 категория. Микротвердость его равна 950-1000 МПа. Это заметно больше по сравнению с кварцем (~100 МПа) и вольфрамокобальтовым сплавом (~170 МПа). Таким образом, микротвердость алмаза в 10 раз больше, чем у кварца и в 6 раз превышает микротвердость твердого сплава

Природные технические алмазы подразделяются на борты, балассы и карбонадо. Алмазы типа борт представлены обломками, камнями трещиноватыми и плохой окраски, сростками. Они имеют высокую твердость, но хрупки, поэтому плохо сопротивляются нагрузкам и ударам и их износ велик. Балласы - это прежде всего кристаллы сферической формы с очень большой твердостью, поэтому чаще всего используются для армирования однослойных долот.

Карбонадо(синонимы бразильские, черные) плотные овальной формы из

мелкозернистых кристаллов. Для них характерна высокие износостойкость при истирании и устойчивость к ударам, но они менее тверды, чем борты. За рубежом считаются идеальным средством для оснащения расширителей. В нашей стране в основном используют наиболее дешевые алмазы типа борт. Перед укладкой алмазов в пресс-формы они подвергаются предварительному осмотру для разделения их по форме и размерам.

Обработка алмазов состоит из ряда операций, каждая из которых имеет цель повысить качество зерен. Операции обработки включают дробление, овализацию, полирование, термическую обработку, металлизацию.

Дробление низкосортных алмазов имеет цель раскалывания кристаллов по трещинам и дефектам.

Для овализации алмазных зерен стараются придать им округлую форму путем трения друг с другом.

По данным работы [3.] алмазы с острыми кромками быстро растрескиваются. При овализации алмазных зерен стремятся увеличить углы на кромках не менее, чем до 110°.

Механическое или химическое полирование предусмотрено для лучшего визуального просмотра кристаллов, а также для уменьшения силы трения зерна о горную породу.

Синтетические алмазы и сверхтвердые материалы

Синтетические алмазы (СА) синтезируются при перестройке структуры графита в структуру алмаза. В основе процесса синтеза лежит сжатие сажи или

графита или древесного угля при высоком давлении и высокой температуры.

Устройство алмазных долот

Предназначены для проходки на больших глубинах песчаников, известняков, доломитов и других мягких, средней твердости и твердых пород малой, средней и реже высокой абразивности. Преимущества алмазных долот по сравнению с шарошечными следующие:

- высокая износостойкость, а следовательно и высокая рейсовая скорость, обеспечивающая сокращение СПО и экономию средств;

- бурение осуществляется при низком уровне всех видов колебаний;

- сравнительно небольшие осевые нагрузки позволяют лучше управлять направлением скважины.

Рассмотрим устройство алмазного долота (Рисунок 4 9а).

Долото состоит из полого стального корпуса 1, алмазосодержащей рабочей головки, называемой матрицей 2, алмазов 3, присоединительной резьбы в виде ниппеля 4. Корпуса в основном изготавливаются из стали марки 40Х. На корпусе имеется выемка 6 под ключ для свинчивания и навинчивания долота. Матрица изготавливается из твердого сплава. В России применяется метод порошковой металлургии, называемый также «спеканием».

За рубежом отдельные фирмы применяют также литейный способ - изготовления - матрицы.

Система промывки долота включает широкие пазы - проемы 7 и глубокие напорные каналы 5, в которые попадает буровой раствор из центрального отверстия долота 8.По форме рабочих элементов матрицы различают следующие разновидности долот с природными алмазами, выпускаемых отечественными предприятиями:

радиальные - ДР (рисунок 4 9а);

ступенчатые - ДК (рисунок 4 96);

лопастные - ДЛ (рисунок 4 9в);

зарезные - ДВ (рисунок 4 9г);

импрегнированные - ДИ (рисунок 4 9д);

с уменьшенной рабочей поверхностью - ДУ (рисунок 4 9е).

За рубежом выпускают также долота с матрицей спиральной формы.

Долота радиальные ДР отличается от других тем, что наружная рабочая

поверхность матрицы разделена на 3 спаренных сектора, размещенных радиально. Торцевая и калибрующая поверхности армированы природными алмазами.

Рис 4 9 Устройство алмазного долота

Кроме долот с природными алмазами выпускаются также долота с СА. Это типы ДРС, ДКС, ДЛС, ДУС, а также долота импрегнированные ДКСИ и ДЛСИ. В нашей стране алмазные долота производятся диаметром 138,1; 141,3; 157,1; 163,5; 188,9; 214,3; 267,5; 292,9 мм.

Шифр алмазного долота включает особенности конструкции, тип алмазов, диаметр в мм, твердость горных пород, для разбуривания которых предназначено это долото и номер заводской модификации. Например, шифр долота ДК 188,9 С6 расшифровывается так: долото с природными алмазами диаметром 188,9 мм для разбуривания малоабразивных пород средней твердости, 6- номер заводской модели