Совершенствование технологий обработки металлов, происходившее на протяжении XIX и XX веков, позволило создать долота для вращательного бурения, способные быстро проходить по мягкой породе. Но даже в мягкой горной породе стальные элементы оборудования быстро стачиваются, поэтому долото частично или полностью покрывают карбидом вольфрама — составом, который менее прочный, чем сталь, но имеет большее сопротивление износу. Если этого покрытия недостаточно, то используют долото с искусственными алмазами, однако наиболее жесткие породы можно пробурить только с использованием натуральных алмазов.
Впервые геологи стали использовать натуральные алмазы в бурении для колонковых долот приблизительно в 1910 году, при помощи таких долот делались кольцевые отверстия в породе, через которые извлекали керн — образцы породы для анализа. Впервые алмазные долота ввели для бурения нефтяных скважин в начале 1920 г., с тех пор они широко используются и по сей день. Для долот используются природные алмазы не технического, а ювелирного качества, которые вытачивают до особого размера и придают правильную, округлую форму. В 1959 — 1960 гг. по инициативе Р. А. Иоаннесяна и М. Т. Гусмана, принимавших участие в испытаниях алмазных долот за границей, в СССР были проведены широкие промысловые исследования возможностей использования алмазных долот в наших условиях.
1. Основные особенности
Основная особенность алмазных долот — наличие в них алмазных режущих элементов, т.е. алмазов (природных или синтетических) той или иной величины (крупности).
Алмаз — прочнейший из известных человеку материалов, он в 10 раз прочнее стали, в два раза прочнее и в 10 раз устойчивее к износу, чем карбид вольфрама, а также в 20 раз жестче, чем гранит.
В буровых долотах обычно используют наименее ценную разновидность природного алмаза, именуемую карбонадо (бразильские технические алмазы) или черным алмазом, которая характеризуется меньшей твердостью, но значительно большей вязкостью, что в условиях бурения чрезвычайно важно.
Технические показатели алмазных долот во многом зависят от качества и размеров алмазов. Качество определяют группой и категорией, а размер — числом камней на 1 кар (0,2 г).
Работоспособность алмазного долота в наибольшей степени, чем инструмента любого другого вида, зависит от чистоты ствола и забоя и качества промывки. При наличии металла или твердого сплава (даже в малом количестве), или крупных обломков крепких пород на забое происходит образование выбоин, выкрашивание или раскалывание алмазов и быстрое разрушение долота. При недостатке бурового раствора наблюдается перегревание и растрескивание алмазов. Это значительно осложняет бурение алмазными долотами. Другая, еще более важная специфическая особенность алмазных долот — их дороговизна и дефицит из-за недостатка алмазов, обладающих высокими техническими свойствами (прочностью, вязкостью, достаточной твердостью, сопротивлением ударам и т.п.).
Алмазы и их применение
... Александра Гумбольдта, на то место, где он нашёл первый алмаз (сейчас это место называется Алмазный ключик (по одноимённому источнику) и расположено приблизительно в 1 ... Старший в своем произведении Naturalis historia описывает применения алмазов в качестве Около 600 г. нашей эры был обнаружен первый алмаз на индонезийском но несмотря на то, что ...
Природные и синтетические алмазы размещают в спекаемой матрице (обычно медно-твердосплавной), составляющей единое целое с нижней частью стального полого цилиндрического корпуса долота.
При бурении твердых, крепких и абразивных пород износ матрицы интенсивнее, поэтому во избежание излишнего обнажения алмазов матрица у долот для таких пород должна быть наиболее износостойкой. В породах мягких и средних матрица изнашивается мало, вследствие чего в долотах, предназначенных для бурения этих пород, используется не слишком износостойкий материал для матрицы.
Природные алмазы образуются в течение нескольких тысяч лет в глубоких слоях земли под действием высокой температуры и сильнейшего давления. В начале 70-х годов американской компанией «Дженерал Электрикс» был разработан способ создания искусственных алмазов. Чередующиеся тончайшие слои графита и кобальта укладываются в небольшой сосуд, который затем на пять минут помещается под давление в 13,7 МПа и нагревается до 1500°C. В ходе этого процесса образуются небольшие кристаллы искусственных алмазов, которые затем соединяются и образуют синтетический поликристаллический алмаз (ПКА).
В отличие от натуральных алмазов, отдельные кристаллы слишком малы для того, чтобы разрезать твердую породу. Поэтому частички ПКА вкрапляются в режущие края долота для того, чтобы размельчать породу — подобно очень-очень твердой наждачной бумаге.
Многие долота представляют собой комбинацию стали, карбида вольфрама, ПКА, а также алмазные режущие и измельчающие края. Существует множество комбинаций, каждая из которых создавалась для оптимального бурения различных видов пород. [6]
2. Конструкция долота
Рис. 1. Алмазное долото:
1 — корпус; 2 — матрица; 3 — алмазные зерна.
Алмазные долота (рис. 1) состоят из стального корпуса и алмазонесущей головки, выполненной из порошкообразной твердосплавной шихты. Центральная часть долота представляет собой вогнутую поверхность в форме конуса с каналами для промывочной жидкости, а периферийная зона — шаровую поверхность, переходящую на боковых сторонах в цилиндрическую. [5]
3. Классификации и технические характеристики долот
По форме и направлению пазов, приемочных канавок, рабочих органов и всей рабочей части выделяют три разновидности алмазного долота: радиальное, ступенчатое и спиральное. Некоторыми специалистами выделяются и другие, преимущественно комбинированные разновидности.
По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойное и многослойное , т.е. с импрегнированными алмазами. Однослойные долота получают при однослойной укладке относительно крупных алмазов в графитовую пресс-форму, что приводит к их распределению в определенном порядке на поверхности матрицы, а импрегнированные — при равномерном перемешивании алмазов (как правило, мелких и невысокого качества) с частицами карбида вольфрама и другими компонентами матрицы перед спеканием долота.
Физика разрушения горных пород при бурении и взрывании
... долота м; ·стоимость долота руб.; ·время смены ч/смену; ·время подготовительно-заключительных операций ч/смену; ·время вспомогательных работ, приходящееся на бурение ... м3/кг. 6 Давление газов при взрыве Возникающее при взрыве зарядов ВВ давление ... 3.1 ВеществоХимическая формулаОтносительная молекулярная массатеплота образования при постоянном объеме, кДж/мольКислородный баланс (КБ)АлюминийAl27-- ...
Рис. 2. Алмазные долота основных разновидностей :
а) однослойное радиальное
биконическое долото;
- б) ступенчатое;
- в) спиральное;
- г) импрегнированное.
Размеры алмазных долот так же, как и долот ИСМ, по номинальному диаметру несколько (обычно на 2 мм) уменьшены относительно соответствующих значений нормального ряда долот других видов (лопастных, шарошечных и др.) во избежание преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины. По внешнему виду, конфигурации, принципу действия и некоторым особенностям конструкции многие алмазные долота близки к описанным выше долотам ИСМ, особенно к истирающим.
Долота первого класса, оснащенные природными алмазами, выпускают трех типов (М, С, СТ).
Долота типа М (для бурения мягких пород) выполняют с однослойной укладкой алмазов в твердосплавной матрице рабочей головки, имеющей тороидально-ступенчатую форму. Алмазы для армирования этого долота относительно крупные, но низкого (XXXIV группы) качества. Такие долота выпускают пяти размеров и пяти моделей: ДК188М6, ДК212М6, ДК241М6, ДК267М6 и ДК292М6. Литера. Д в шифрах указанных моделей обозначает долото (алмазное), К — описанную разновидность долота (со ступенчатым профилем), 188 — номинальный диаметр долота в мм, М — тип долота, 6 — порядковый номер модификации.
При маркировке алмазных долот впереди их шифра наносят условный индекс предприятия-изготовителя. Московскому комбинату твердых сплавов присвоена в качестве условного индекса буква М, а ВНИИБТ — Н. За шифром указывают также заводской номер и год изготовления данного долота.
Долота типа С (для бурения средних пород) изготовляют как однослойными (той же разновидности К), так и импрегнированными. Однослойные ступенчатые долота типа С выпускают трех размеров под шифрами ДК138С6, ДК149С6 и ДК188С6, т.е. диаметрами 138, 149, 188 мм. Они оснащаются техническими алмазами XV6 группы второго класса.
Импрегнированные долота типа С характеризуются толстым (7 — 8 мм) рабочим слоем матрицы, перемешанной с овализированными алмазами XXXIV группы III категории качества. Эти долота имеют ступенчатую форму рабочей поверхности и выпускаются двух диаметров — 188 и 212 мм под шифрами ДИ188С6, ДИ212С6 и ДИ212С2.
Долота типа СТ предназначены для бурения среднетвердых пород. Они выполняются только однослойными с радиальным расположением рабочих органов и промывочных пазов. Эти долота изготовляют четырех диаметров — 140, 159, 188 и 212 мм. Выпускают две модели долот диаметром 140 мм (ДР 140СТ1): с алмазами XV6 группы I категории (для наиболее тяжелых условий бурения) качества и алмазами той же группы, но II категории качества. Долота остальных размеров изготовляют только с алмазами XV6 группы II категории качества и выпускают под шифрами ДР159СТ1.
Долота второго класса изготовляют с искусственными алмазами марки СВИ-П, что означает синтетические, ВНИИТС (автор технологии) светлые (прозрачные), прочные. Эти алмазы несколько уступают природным по прочности, но вполне сравнимы с ними по прочности.
Долота с синтетическими алмазами выпускают четырех разновидностей: однослойные ступенчатые, однослойные радиальные (лопастные), импрегнированные ступенчатые и импрегнированные радиальные (лопастные), но только одного типа С.
Однослойные радиальные (лопастные) долота изготовляют с прямыми радиальными лопастными рабочими органами и выполняют со ступенчатой формой рабочей головки. Они выпускаются пяти размеров моделей ДКС138С, ДКС188С6, ДКС12С6, ДКС267С6. Литера С в середине шифра свидетельствует о том, что алмазы в долотах синтетические.
Однослойные радиальные (лопастные) долота изготовляют с прямыми радиальными лопастными рабочими органами, привариваемыми к корпусу долота в процессе изготовления последнего. Такие долота выпускают трех размеров и трех моделей ДЛС188С1, ДЛС212С1 и ДЛС267С1.
Импрегнированные ступенчатые долота по конструкции аналогичны однослойным долотам разновидности ДК и характеризуются закругленными тороидальными ступеньками, импрегнированными дробленными синтетическими алмазами по толщине матрицы на 7 —8 мм. Эти долота вы-
пускают также трех размеров моделей ДКСИ188С6, ДКСИ212С6.
Импрегнированные лопастные долота с синтетическими алмазами выпускают пока только одного размера — модель ДЛСМ212СЗ.
Применение алмазных долот обеспечивает высокие скорости бурения, снижение кривизны скважин. Отсутствие опор качения и высокая износостойкость алмазов повышают их срок службы до 200…250 ч непрерывной работы. Благодаря этому сокращается число спускоподъемных операций. Одним алмазным долотом можно пробурить столько же, сколько 15…20 шарошечными долотами.
Проходка за рейс при бурении алмазными долотами возрастает в различных условиях в 1,7-3,8 раза по сравнению с кольцевыми алмазными коронками. Сменная производительность при бурении скважин алмазными долотами несколько выше, чем при бурении кольцевыми коронками. С увеличением глубины скважин эффективность бурения алмазными долотами возрастает.
Типы долот по режущим элементам:
- PDC
- Натуральные алмазы
- Импрегнированные
К основным достоинствам долот АТП(PDC) относятся отсутствие в их конструкции подвижных частей, высокая износостойкость, самозатачивающее действия резцов и низкая требуемая осевая нагрузка на долото.
Для создания режущего действия требуется осевая нагрузка на долото на порядок меньшая, чем для шарошечных долот при тех же или больших скоростях бурения. Высокая устойчивая механическая скорость бурения обусловлена острой режущей кромкой резцов, низкой скоростью их износа и эффектом самозатачивания резцов во время бурения. Самозатачивание резцов происходит в результате некоторого опережающего изнашивание твердосплавной основы по сравнению с износом алмазного слоя. Высокая износостойкость вооружения обеспечивает большие проходки на долото при условии применения их по назначению. Существует два типа PDC долот: стальные и матричные. Основным элементом вооружения долот PDC являются алмазно-твердосплавные резцы. Резец имеет твердосплавную основу, покрытую слоем поликристаллического алмаза толщиной от 0,5 до 5мм. [6] [7]
Долота PDC с матричным корпусом:, Долота PDC со стальным корпусом:, Технические характеристики долот буровых алмазных
|
Условное обозначение долот |
Условное обозначение ДБС-295,3 МС А С 5 6 9-201 |
||
|
Маркировка производителя |
ДБС |
ДБС |
|
|
Наружный диаметр, мм |
42…490 |
295,3 |
|
|
Категория твердости пород |
М — мягкие МС — мягкие с пропластками средних С — средние СТ — средние с пропластками твердых Т — твердые ТК — твердые с пропластками крепких К — крепкие |
МС — мягкие с пропластками средних |
|
|
Тип вооружения |
Т — твердосплавное А — алмазные поликристаллические пластины И — алмазосодержащий композиционный материал К — комбинированное 2А — два ряда алмазных поликристаллических пластин |
А — алмазные поликристаллические пластины |
|
|
Тип долота |
С — бурение сплошным забоем Н — бурение сплошным забоем в участке набора зенитного угла У — ступенчатое долото Б — бурение с одновременным расширением ствола скважины (бицентричное) К — бурение с отбором керна |
С — бурение сплошным забоем |
|
|
Условный диаметр резцов, мм |
0 — менее 8,0 1 — 8,0-9,9 2 — 10,0-11,9 3 — 12,0-13,9 4 — 14,0-16,9 5 — 17,0-20,0 6 — больше 20 |
19 |
|
|
Количество лопастей |
6 |
||
|
Количество промывочных узлов |
9 |
||
PDC долота (Polycrystalline Diamond Bits) — это долота, изготовленные по самой последней технологии для бурения на воду, нефть или геотермальных скважин. PDC долота изготавливаются из высококачественной стали и армируются алмазными поликристалическими резцами. Размер и количество резцов, зависят от количества лопостей и диаметра долота.
Эти долота обладают высокой износоустойчивостью и дают высокие скорости проходки (в 2-3 раза выше обычных шарошечных долот).
PDC долота Diamond Devil
- Отличная Производительность.
- Высокие Скорости бурения, Высокий профиль лопастей.
- Увеличенный Ресурс
- Долото Diamond Devil TM PDC — 4 мин/6 метров
- Обычное PDC долото — 11 мин/6 метров
- Конструкция с 5-ю лопастями служит значительно дольше, чем с 3-мя, а скорости бурения выше чем с 6-ю
- Боковые поверхности лопастей армированы твердосплавными вставками для максимальной абразивной устойчивости
- Все резцы сделаны из материала высокого качества для максимального срока службы долота.
- Ассиметричная конструкция со сбалансированной нагрузкой
- Расположение резцов долота позволяет обеспечить сбалансированную нагрузку на породу и получить четко круглую скважину и избежать эффекта завихрения долота.
- Не забивается
- По сравнению с обычными долотам PDC, конструкция долота Diamond Devil TM сделана таким образом, что в процессе бурения позволяет избежать закупоривания долота.
- Многообразие резьбы
- Возможность сделать любую резьбу.
- Меньше Стоимость
- Менее дорогостоящее, чем обычные долота PDC
- Менее дорогостоящий ремонт долота
- Индивидуальные лопасти долота Diamond Devil могут быть легко заменены, тогда как повреждение лопасти на обычном долоте PDC приводит к дорогостоящему ремонту.
Серия Diamond Edge — это серия долот, предназначенные специально для обеспечения высокой механической скорости даже в условиях, требующих использования долот с повышенным числом лопастей и резцов. Уникальная схема размещения резцов обеспечивает дополнительную стабилизацию долота и сглаживание ударных нагрузок благодаря сочетанию потенциала традиционных режущих поверхностей, оснащенных «однократным» перекрытием забоя, и преимуществ режущей структуры с «многократным» перекрытием. В результате, механическая скорость возрастает до 20% по сравнению с традиционными PDC долотами, а износ долота существенно снижается.
В долотах серии Diamond Edge использованы преимущества режущей структуры с ассиметричной схемой размещения лопастей для контроля вибраций долота за счет особой ассиметричной конфигурации набора режущих лопастей. Этот запатентованный метод позволяет усовершенствовать стабилизационные характеристики долота и повысить скорость проходки. Таким образом, повышается производительность каждого отдельного резца и долота в целом.
Долота серии Diamond Edge разработаны с учетом широкого спектра осевых нагрузок на долото и обеспечивают высокую скорость проходки даже при низких нагрузках на долото в мягких породах. При смене породы на более прочную, долото способно воспринять большую нагрузку с плавным изменением момента вращения и поддерживать скорость бурения выше, чем у конкурирующих долот. Технология Diamond Edge выгодно отличается от традиционных «многократных» схем поражения забоя, требующих повышенных нагрузок на долото даже в относительно мягких породах, обеспечивающих повышенную стойкость, жертвуя, однако, скоростью бурения. Традиционные «многократные» схемы расположения вооружения, также, могут иметь нелинейную, трудно контролируемую характеристику изменения момента сопротивления от нагрузки на долото.
Преимущества инновационного дизайна очевидны:
- Повышенная скорость проходки
- Усовершенствованные стабилизационные характеристики
- Оптимальная износостойкость[9]
алмазный самозатачивание твердосплавный долото
Заключение
Разрушение горных пород является основной операцией при добыче и переработке полезных ископаемых. В процессе бурения скважин важную роль играет качество проходки бурового долота и качество забоя. Правильный подбор буровых долот для соответствующей горной породы, соблюдение техники бурения и качественной промывки скважин позволяет добиться высокой скорости бурения с минимальными потерями бурового инструмента.
Интенсивное развитие промышленного и разведочного бурения в настоящее время связано с использованием различного оборудования и инструментов.
Применение тех или иных технических средств или технологических мероприятий в конкретных геологических условиях, часто резко различающихся по физико-механическим свойствам пород, обусловливает сложность выбора буровых долот. Поэтому при бурении скважин следует строго соблюдать технику бурения и учитывать особенности типа бурового долота.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/burovoe-doloto/
1. Попов А.Н., Спивак А.И. Технология бурения нефтяных и газовых скважин — М.: Недра-Бизнесцентр, 2003 г., — 509 с.
2. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технология бурения нефтяных и газовых скважин — Москва, 2001 г., — 675с.
3. Гусман А.М., Порожский К.П. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование, — Екатеринбург: УГГГА, 2002 г., — 592 с.
4. Кершенбаума В.Я., Торгашова А.В. Буровой породоразрушающий инструмент — Москва, 2003 г.
5. http://www.leuza.ru/gti/bur/bur_u31.htm
6. http://www.corp.prommash.su/products/dolota-atp-pdc
7.
8.
