Синтетическими поликристаллическими алмазными

вставками*

Алмазные долота предназначены для бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин при прохождении песчаников, доломитов, известняков и других пород, в которых эффективность применения шарошечных долот резко снижается. Правильное при­менение алмазных долот обеспечивает:

высокие рейсовые скорости бурения;

сокращение числа спускоподъемных операций;

экономию средств;

снижение кривизны при проводке вертикальных скважин.

Алмазные долота, подобно лопастным, не имеют самостоятельно движущихся частей. Они состоят из фасонной алмазонесущей го­ловки (матрицы), выполненной из порошкообразного твердосплав­ного материала, и стального корпуса с присоединительной замко­вой резьбой.

Алмазные долота изготавливаются диаметрами 91,4...391,3 мм двух модификаций:

однослойные с размещением зерен алмазов в поверхностном слое матрицы по определенным схемам; типы — радиальные ДР (рис. 3.7), ступенчатые ДТ (рис. 3.8) и ступенчатые с шаровидны­ми выступами ДК;

импергнированные (импергнированным называется алмазное долото, в котором при изготовлении объемные алмазы переме­шиваются с материалом матрицы — шихтой, обеспечивая тем самым равномерную насыщаемость матрицы алмазами) с при­мерно равномерный распределением мелких зерен алмазов в объеме матричного материала; тип — с шаровидными выступа­ми ДИ.

Алмазные долота при турбинном бурении по сравнению с ро­торным бурением дают более высокую механическую скорость при одинаковой величине проходки на долото. Бурение алмазны­ми долотами может продолжаться без перерыва до 200...250 ч. Бурение алмазными долотами не разрешается в часто перемежа­ющихся трещиноватых, кавернозных породах, сложенных раз­личными окаменелостями и другими крепкими абразивными по­родами. Перед началом бурения алмазными долотами ствол сква­жины калибруется, а забой скважины очищается от металла.

По мере углубления скважины на забое накапливается большое число металлических обломков в результате скола зубьев и выпа-

* Алмазные долота и долота, армированные синтетическими поликристал­лическими алмазными вставками, очень часто называют алмазным буровым инст­рументом (АБИ).

дания элементов опор шарошечных долот. Часть металла, находя­щегося на забое, размельчается в процессе бурения и выносится буровым раствором на поверхность, другая часть попадает в ка­верны и стенки скважины; этот металл в процессе бурения может снова попасть на забой. Металл на забое приводит к катастрофи­ческому выкрашиванию алмазов. Очистка забоя глубоких скважин от металлических предметов и крупных обломков породы может быть достигнута применением методов очистки ствола, разрабо­танных ВНИИБТ:

А-А

Рис. 3.7. Алмазное радиальное долото типа ДР для бурения среднеабразивных средней твер­дости и твердых пород

Рис. 3.8. Алмазное радиальное долото типа ДТ для бурения мягких и средней твердости пород

1.Перед спуском алмазного долота последние два-три рейса
необходимо проводить шарошечным долотом с одновременной очи­
сткой скважины от металла и крупного шлама с помощью забой­
ного шламоуловителя, установленного над долотом при роторном
бурении и над турбобуром при турбинном бурении (рис. 3.9).

2. В случае необходимости дополнительной очистки скважины и
калибровки ствола следует сделать специальный рейс забойного
шламоуловителя. При турбинном бурении алмазным долотом для
более интенсивного выноса разбуренной породы из призабойной
зоны на валу турбобура устанавливается чехол-отражатель, изменя­
ющий направление струи из ниппеля турбобура, и тем самым спо­
собствующий лучшему выносу выбуренной породы.

При разбуривании упругохрупких и упругопластичных пород при алмазном бурении происходит объемное разрушение скалы­ванием и сдвигом. Поэтому одним из условий при подборе рацио­нальных параметров отработки долот является обеспечение уста­лостного и объемного разрушения породы на забое. Основными критериями при этом должны быть допустимая нагрузка на алма­зы и критическая окружная скорость, определяемые соответственно прочностью алмазов, существующими нормами промывки забоя и твердостью пород.

Разрешается применение в бурении алмазных долот и буриль­ных головок только в тех случаях, когда их диаметр меньше диа­метра ствола скважины. Минимальная разница этих диаметров дол­жна соответствовать, мм:

1,6 — при диаметре алмазных долот и бурильных головок 91,4...227,0;

2,4 — при диаметре 242,1 ...391,3.

Алмазное долото считается полностью отработанным при об­щей потере 40 % алмазов.

Успешное применение алмазных долот привело к созданию ряда конструкций твердосплавных долот, обеспечивающих аналогич­ный принцип разрушения горной породы. Украинским научно-исследовательским конструкторско-технологическим институтом синтетических сверхтвердых материалов и инструмента на базе сверхтвердого материала славутича созданы долота типа ИСМ для бурения скважин на нефть и газ. Производство и применение Долот ИСМ, армированных вставками из славутича, было начато в 1967 г. Создано более 150 типоразмеров долот и другого, армиро­ванного материалом славутич, бурового породоразрушающего ин­струмента диаметром 91,4...391,3 мм.

Начиная с 1977 г. при бурении нефтяных и газовых скважин за Рубежом началось широкое применение долот, получивших на­звание стратапакс (торговая марка). Это долота, армированные синтетическими поликристаллическими алмазными вставками. У нас в стране такие породоразрушающие инструменты (долота,

Рис. 3.10. Механика разрушения горных пород различными долотами:

/ — стратапакс; // — алмазными; /// — шарошечными;

а — разбуривание твердых пород (частичное обнажение резца); б — разбуривание мягких пород (полное обнажение резца); в — истирание-измельчение; г — вдавли­вание; / — корпус долота; 2 — алмазно-твердосплавная пластина

коронки) названы долотами (коронками), оснащенными алма-зотвердосплавными пластинами. Долота стратапакс предназначе­ны для разбуривания мягких и средней твердости пород. При буре­нии долотами этого типа обеспечиваются большие механическая скорость проходки и проходка на долото по сравнению с алмаз­ными и трехшарошечными долотами при меньших энергетичес­ких затратах. Это обусловлено тем, что разрушение горных пород осуществляется путем резания (рис. ЗЛО), которое более эффек­тивно, чем вдавливание (шарошечное долото) и истирание-из­мельчение (алмазное долото).

Основным режущим элементом долота является диск диаметром 13,3 или 13,5 мм, который представляет собой слой подвергнутых спеканию под большим давлением и при высокой температуре поликристаллических алмазов на подложке из карбида вольфрама. Толщина алмазного слоя составляет 0,635 мм при толщине диска 2,92 и 7,37 мм. Диски припаивают к державкам цилиндрической формы, которые вмонтированы в корпус долота, или державки впаивают в гнезда, выполненные в матрице долота. Тонкий алмаз­ный слой состоит из многочисленных мелких кристаллов, распо­ложенных хаотично, что обеспечивает высокую ударную прочность и износостойкость диска. Благодаря поликристаллической структу­ре алмазного слоя и отсутствию плоскостей спайности при износе дисков постоянно возобновляются острые кромки, которые эффек­тивно срезают породу. За счет этого поддерживается высокая меха­ническая скорость проходки в течение всего периода работы долота. Высокая износостойкость поликристаллических алмазов в сочета­нии с отсутствием движущихся элементов способствует длительной работе породоразрушающего инструмента на забое. Алмазные диски и карбидовольфрамовые подложки к ним за рубежом главным об­разом производятся фирмой «Дженерал Электрик» (США).

Большие размеры резцов стратапакс позволяют обеспечить выступ резцов стратапакс над корпусом долота до 12... 15 мм. При этом создаются хорошие условия удаления шлама из зоны разру­шения породы и исключается контакт корпуса с забоем. Одним из важных пре­имуществ долот стратапакс является то, что изменение плотности бурового ра­створа не влияет на механическую ско­рость проходки.

Долота, изготавливаемые различными фирмами, отличаются способом закреп­ления резцов стратапакс, конструкцией промывочных систем, конфигурацией и материалом корпусов.

Долота матричного типа имеют по­вышенную стойкость к размыву раство­ром по сравнению с долотами, корпу­са которых выполнены из стали. Одним из них является долото стратапакс фирмы «Кристансен» (Гер­мания) матричного типа (рис. 3.11). Оно имеет шесть лопастей, оснащенных 68 резцами стратапакс цилиндрической формы диа­метром 13,3 мм. На калибрующей поверхности установлены твер­досплавные зубки и природные алмазы. В центральной части до­лота и в шести радиальных промывочных каналах долота устро­ены 20 отверстий диаметром 8 мм. Профиль долота параболи­ческий, диаметр 214,3 мм.

Долота с алмазотвердосплавными пластинами — это высоко­эффективный инструмент для бурения пород мягких и средней твердости, при разрушении которых резцы сохраняют острые кром­ки длительное время. При роторном бурении и бурении винтовы­ми забойными двигателями долота этого типа обеспечивают уве­личение механической скорости проходки в 2 раза по сравнению с шарошечными долотами, проходки на долото в 3...7 раз при осевой нагрузке в 2... 2,5 раза меньшей и при сопоставимом крутя­щем моменте.

Долота стратапакс получили дальнейшее развитие. Так за рубе­жом используются долота типа балласет (фирма-изготовитель «Нор­тон Кристансен» — США). В этих долотах применяются режущие элементы из термостойких синтетических поликристаллических алмазов. Данные долота пригодны для эффективного разбурива­ния твердых, плотных и абразивных горных пород. Эффективная работа долот балласет достигается при малой нагрузке на долото и высокой частоте вращения. Долота этого типа успешно исполь­зуются при бурении глубоких скважин.