Породоразрушающий инструмент для бурения

метки: Долото, Инструмент, Современный, Скважина, Бурение, Фрезеровать, Вследствие, Шарошка

Работа реферативного характера представляет собой углубленное изучение особенностей породоразрущающего инструмента при бурении наклонно направленных скважин. Были описаны виды породоразрущающих долот, а также степень их фрезерования стенок ствола скважины. Работа включает в себя 17 страниц, 13рисунков.

ABSTRACT

Work refereed character is an in-depth study of he characteristic rockdestroyed tool when drilling directional of well .Was describes the types of bits, as well as their degree of milling wellbore. The work includes 17 pages, 13 pictures.

В настоящее время бурение именно наклонно направленных скважин занимает лидирующее место в России. Наклонное бурение применяют при бурении скважин на нефть и газ в Западной Сибири, на севере европейской части, на Северном Кавказе, в Татарстане, Башкортостане, Самарской области и других районах. Потому как в наших регионах есть огромное количество факторов которые каким-либо образом препятствуют прямому бурению.

Например при вскрытии нефтяных и газовых пластов, залегающих под пологим сбросом или между двумя параллельными сбросами;

• при отклонении ствола от сбросовой зоны направлении продуктивного горизонта;
• при проходке стволов на нефтяные пласты, залегающие под соляными куполами, в связи с трудностью бурения через них;
• при необходимости обхода зон обвалов и катастрофических поглощений промывочной жидкости;
• при вскрытии продуктивных пластов, залегающих под Дном океанов, морей, рек, озер, каналов и болот;

— В процессе бурения скважины, подверженные естественному искривлению, могут не выйти на нефтегазоносные слои и, следовательно, не выполнить своих проектных заданий. Но накопленный фактический материал по естественному искривлению позволил установить ряд общих закономерностей, учитывая которые буровики научились проходить скважины в строго заданном направлении. Такие скважины получили название наклонно направленных. Искусственное отклонение — это направление ствола скважины в процессе бурения определенному плану с доведением забоя до заданной точки. На искривление проходки скважины влияют многие факторы, такие как отклоняющая сила, степень перфорации долота, физические свойства горных пород, также влияют различные искусственные отклонители (кривые переводники, эксцентричные ниппели, отклоняющие клинья и прочие специальные устройства).

Но мы рассмотрим особенности конструкций буровых долот, которые влияют на искусственное искривление скважины.

Наколонно-направленное бурение. Наклоннонаправленное бурение

... дренажа. Рисунок 3. – Пример применения установки наклонно-направленного бурения Наклонно-направленное бурение нефтяных и газовых скважин осуществляется по специальным профилям. Профили скважин могут варьироваться, но при этом верхний ... На интенсивность набора угла искривления влияет также частота вращения долота и скорость подачи бурильной колонны в процессе бурения. Чем выше частота вращения ...

Виды буровых породоразоушающих инструментов

При бурении скважин на нефть, газ и другие полезные ископаемые в качестве породоразрушающего инструмента применяют шарошечные, лопастные, ИСМ, алмазные и фрезерные буровые долота.

Шарошечные долота

Шарошечные долота, несмотря на сложность их конструкции и технологии изготовления, — основной породоразрушающий инструмент при бурении скважин. На их долю ежегодно приходится 90−95% объема проходки скважин в России и за рубежом. Шарошечные долота для сплошного бурения конструктивно могут быть выполнены трехшарошечными, двухшарошечными и одношарошечными. Наибольшее применение при бурении скважин получили трехшарошечные долота.

Основные элементы шарошечных долот: корпус, шарошки, лапы с цапфами, опоры и промывочные устройства. Опора шарошек состоит из подшипников и торцовой пяты.

Трехшарошечные долота

Рис. 2.1. Секционные трехшарошечные долота:

• а — 1АН244,5СГ;
• б — 2АН269,9СГ;
• в — 1АВ269.9СЗГ;
• 1 — узел принудительной смазки;
• 2 — секция (лапа);
• 3 ~ узел опор;
• 4 — шарошка;
• 5 — вооружение

Двухшарошечные долота

Двухшарошечные долота (рис. 2.2) разрабатываются СКБ ВПО «Союзгеотехника» совместно с Верхнесергинским долотным заводом в основном для бурения геологоразведочных скважин. Основные размеры этих долот должны соответствовать данным табл.2.1. Они выпускаются диаметром от 59 до 151 мм[2].

Рис. 2.2. Двухшарошечные долота:

• а — В112МГ;
• 1 — секция (лапа);
• 2 — узел опор;
• 3 — шарошка;
• 4 — вооружение;
• б — 2В93С

Трехшарошечные долота (рис. 2.1) делятся: по конструкции Корпуса — на две группы; по технологии изготовления — на шесть серий; по материалу и способу изготовления вооружения шарошек — на три класса; по назначению и свойствам разбуриваемых пород — на четыре группы и 13 типов; по типоразмеру — на более чем на 150 моделей (с учетом опытных долот)[2]; по схемам выполнения опоры, вариантам выполнения промывочного устройства и вооружения периферийных зубьев — на десятки модификаций.

Одношарошечные долота

Рис. 2.3. Модификация отечественных одношарошечных долот:

• а — основная (серийная);
• б — с кольцевыми расточками на шарошке;
• в — с нижней промывкой;
• г — с коническими зубками

Эти долота разработаны в СевкавНИПИнефти. Все они относятся к одному классу (с твердосплавным вооружением) и к одному типу (СЗ), предназначены для разбуривания пород средней твердости (доломитов, конгломератов, известняков и других хрупких пород).

Одношарошечные долота (рис. 2.3) состоят из корпуса, выполненного вместе с цапфой, на которой монтируется шарошка сферической формы.

ГОСТ 20 692–75

Лопастные долота

Эти долота отличаются простотой конструктивного исполнения и технологии изготовления. Разрушая породы по принципу резания и истирания, в мягких, рыхлых и несцементированных породах они оказываются наиболее эффективными: обеспечивают проходку за рейс в несколько сотен, а иногда и более тысячи метров. Однако вследствие наличия в разрезе скважин перемежающихся по твердости пород, а также твердых и абразивных пропластков, диаметр долота часто уменьшается, что приводит к значительному уменьшению диаметра скважины и необходимости расширения и проработки ствола перед спуском очередного долота, а также обсадных колонн.

Конструктивные особенности современных алмазных долот

... 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 ... крупных обломков крепких пород на забое происходит образование выбоин, выкрашивание или раскалывание алмазов и быстрое разрушение долота. При недостатке бурового раствора наблюдается перегревание ...

Ввиду того, что контактная поверхность этих долот по сравнению с шарошечными больше и постоянно взаимодействует с забоем скважины, лопастные долота применяются при разбуривании высокопластичных пород. Моментоемкость их высока, что требует подведения к долоту повышенных вращающих моментов.

Лопастные долота выпускаются следующих разновидностей: 2Л — двухлопастные, ЗЛ — трехлопастные, ЗИР — трехлопастные истирающе-режущие и 6ИР — шести лопастные истирающе-режущие[2].

Трехлопастные долота ЗЛ (рис. 2.4) выпускаются диаметром 118−445 мм типа М и МС в сварной модификации, т. е. с приваренными к корпусу лопастями. Режущие кромки лопастей у долот типа М армированы релитом, а у долот типа МС — твердосплавными пластинками. Промывочные устройства выполняются с соплами (гидромониторными) или без них.

Долота ИСМ

Долота ИСМ отличаются от фрезерных и алмазных долот тем, что их рабочие элементы оснащены сверхтвердым материалом славутич. Вставки из славутича прикрепляются к стальному корпусу долота своей цилиндрической посадочной частью методом пайки. Форму рабочей поверхности и количество вставок, марку славутича и его содержание (объем, выраженный в см3 выбирают, исходя из типа долота, т. е. в соответствии с физико-механическими свойствами разбуриваемых пород.

Торцовые (зарезные) долота ИСМ (рис. 2.5) предназначены для бурения наклонно направленных скважин и зарезки нового ствола на больших глубинах. Их изготовляют с полым цилиндрическим корпусом, верхняя часть которого имеет замковую муфтовую резьбу, а нижняя выполнена с расширением снаружи и коническим внутренним вырезом, армированным вставками 2 из славутича. Боковую поверхность нижней части также армируют этими вставками[2].

В центральной части торца просверлены промывочные каналы 3, выходящие в радиальные канавки 4, которые разделяют рабочую торцовую поверхность на секторы и соединяются с боковыми пазами 5. Такая схема промывки улучшает охлаждение рабочей поверхности долота и удаление из-под нее шлама.

Рис. 2.4. Трехлопастные долота типов М (а) и МС (б):

1 — корпус; 2 — лопасти; 3 — у плотнительные кольца; 4 — твердосплавные штыри;5 — байонетная шайба; 6 — присоединительная резьба; 7 — сопло; 8 — болт; 9 — стопорная шайба; 10 — пластины

Рис. 2.5. Режущее долото ИСМ первой модификации

Алмазные долота

Эти долота изготовляют с режущими элементами из природных или синтетических алмазов различной величины.

По форме и направлению пазов, промывочных канавок, рабочих органов и всей рабочей части выделяют три разновидности алмазного долота: радиальную, ступенчатую и спиральную.

По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойную (рис. 2.6, д, б, в) и многослойную (рис. 2.6, г), т. е. импрегнированную алмазами.

Диаметры алмазных долот, как и долот ИСМ, на 2 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных и лопастных долот с целью предотвращения преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины[2].

«Бурение нефтяных и газовых скважин» :«Бурение наклонно-направленных ...

... обсадная колон­на может быть установлена внутри интервала искривления или за ним, а необсаженный ствол бурят под неизменным углом наклона до проектной глубины. Тангенциальный профиль обеспечивает максимальное отклонение ствола скважины ... пласт. Как правило, этот тип скважин используют для бурения на пласты, распо­ложенные под солевыми куполами, для кустового бурения, а также вскры­тия глубоко ...

По конфигурации и принципу действия алмазные долота близки к долотам ИСМ, особенно к истирающим.

Долота для колонкового бурения

Эти долота предназначены для отбора образцов проходимых пород (керна) с целью изучения геологического строения разреза скважин, механических, абразивных, коллекторских свойств, состава и строения горных пород, а также состава и свойств насыщающего породу флюида.

Рис. 2.6. Алмазные долота:

• а — однослойное радиальное биконическое долото М311 и отдельные алмазы, используемые для его армирования;
• б — ступенчатое;
• в — спиральное ТВ 573;
• г — импрегнированное ТВ54

Для отбора керна бурят кольцевым забоем, при этом конструкция долота и режим бурения должны обеспечить сохранность керна.

Колонковое долото (рис. 2.7) состоит из следующих элементов: бурильной головки, корпуса 2, грунтоноски 6 с дренажным клапаном 5, в которую входит керн, керноприемного устройства 7, кернорвателя 8. Долото соединено с бурильной колонной переводником 3. Грунтоноска подвешена к корпусу долота жестко или на подшипниках 4, предотвращающих ее вращение при вращении бурильного инструмента, что способствует сохранности керна внутри грунтоноски[3].

При использовании колонковых долот со съемной грунтоноской керн извлекают без подъема бурильной колонны при помощи специального ловителя на канате. Затем съемную грунтоноску вновь опускают, устанавливают в колонковом долоте и продолжают отбор керна. При турбинном бурении керн отбирают колонковым турбодолотом со съемной грунтоноской типа КТДЗ и КТД4. При колонковом бурении применяют шарошечные, лопастные, фрезерные, твердосплавные, алмазные и ИСМ бурильные головки. Шарошечные бурильные головки изготовляют одно-, трех-, четырех-, пяти-, шестии восьмишарошечными[3] (9, https:// ).

Боковая фрезерующая способность породоразрушающих инструментов

В процессе бурения с отклоняющей компоновкой закономерно уменьшаются диаметр долота и завес шарошек вследствие износа опоры и вооружения, а также отклоняющая сила на долоте вследствие роста нормальной составляющей массы системы долото — забойный двигатель из-за увеличения зенитного угла ствола. При бурении в неоднородных и перемежающихся по твердости породах в определенных пределах в данном интервале бурения могут изменяться также физико-механические свойства пород, диаметр скважины, механическая скорость проходки, осевая нагрузка на долото, упругая деформация забойного двигателя и т. д.

Из всех этих факторов при бурении определенной отклоняющей компоновкой на интенсивность искривления ствола преобладающее влияние оказывают износ долота и его состояние. Это подтверждается тем, что к концу каждого рейса с отклонителем, как правило, интенсивность искривления ствола уменьшается, а при спуске нового долота, хотя оно работает при больших значениях зенитного угла и малых величинах отклоняющей силы, интенсивность искривления скважины в начале рейса выше, чем в конце рейса предыдущего долота (рис. 5.3).

скважина долото бурение фрезерование

Если бы снижение отклоняющей силы на долоте с ростом зенитного угла значительно влияло на процесс искривления скважины, то интенсивность искривления ствола при работе каждым последующим долотом должна быть меньше, чем при работе предыдущим долотом. Однако в действительности такое явление не наблюдается.

Технологии зарезки боковых стволов

... стволов меньшего диаметра. На территории России технология бурения боковых стволов из вырезанного участка колонн полностью вытеснена технологией зарезки с отклоняющего клина (уипстока). В свою очередь, технология зарезки ... технологиях, занимает кольцевое пространство между их корпусами и эксплуатационной колонной. В условиях малого проходного размера эксплуатационной колонны ... и толщиной стенки втулки. ...

Следовательно, способность долота фрезеровать стенку ствола играет решающую роль в искривлении скважины. Чтобы искривление ствола протекало с фрезерованием стенки скважины, необходимы следующие три условия:

• а) наличие на долоте достаточной отклоняющей силы;
• б) стрела прогиба забойного двигателя не должна превышать критическую величину, определяемую по формуле;
• в) долото должно обладать боковой фрезерующей способностью[4].

Если в процессе бурения с отклонителем одно из этих трех условий будет нарушено, то углубление скважины будет протекать без фрезерования стенки ствола.

Эта способность долота не может характеризоваться показателями фрезерования стенки ствола, так как долото может фрезеровать стенки ствола, но вследствие неправильного выбора отклоняющей компоновки или режима бурения искривления ствола не произойдет или будет происходить с заниженной интенсивностью. В результате этого показатели фрезерования стенки ствола будут малы или могут быть равны нулю.

Боковая фрезерующая способность долота должна характеризоваться параметром, который определяет конструктивные особенности данного долота и позволит еще до спуска в скважину отличить его от таких же однотипных или разнотипных долот и отдать предпочтение такому типу, который более всего отвечает цели предстоящего рейса по набору, стабилизации или снижению искривления скважины.

Прежде чем выбрать этот параметр, представим, что долото по всей своей высоте имеет цилиндрическую форму с одинаковым диаметром (для восходящего потока бурового раствора имеются канавки).

Очевидно, что такое долото независимо от величины отклоняющей силы не будет фрезеровать стенки ствола. И если современные буровые долота обладают способностью фрезеровать стенки скважины, то параметр, характеризующий эту способность, должен определять их конструктивную особенность, что позволит отличить их от указанных долот с боковой цилиндрической поверхностью[4].

В качестве такого параметра можно применять коэффициент боковой фрезерующей способности долота, представляющий собой тангенс углаугла наклона касательной к корпусу долота, проходящей через верхнюю калибрующую точку С, к оси долота (рис. 5.4, 5.5), — который для трехшарошечных долот определяется из выражения:

(1)

где — завес шарошек;

• полуразность диаметров корпуса долота у козырьков лап DK и у спинки (в конце первого участка корпуса) D’k;
• ho — расстояние от верхней калибрующей точки шарошки до козырьков лап;
• hk — высота первого участка корпуса от козырьков лап[2].

Физическая сущность коэффициента боковой фрезерующей способности долота Кф заключается в том, что он характеризует возможное отклонение ствола, ограничиваемое корпусом долота, т. е. при углублении ствола на величину Hq + hK долото позволяет отклонить ствол на величину. Тогда угол бокового фрезерования долота будет характеризовать половину приращения угла искривления ствола при углублении скважины на величину h0 + hk ограничиваемого корпусом долота[2].

Бурение боковых стволов

... сравнении с бурением новых скважин. Недавнее расширение рынка услуг по бурению боковых стволов обязано во многом совершенствованию технологий бурения и заканчивания скважин. Бурение боковых стволов снижает стоимость строительства горизонтальных скважин. Кроме увеличения производительности скважин, бурение боковых стволов позволяет отбирать ...

Ввиду малых значений, можно принять

(2)

Угол бокового фрезерования долота, выраженный в радианах, представляет собой коэффициент боковой фрезерующей способности долота.

При значениях (где ~ угол наклона к оси долота первого участка его корпуса от козырьков лап) величина определяется по формуле

(3)

В процессе бурения вследствие износа опоры и вооружения трехшарошечного долота величина завеса шарошек уменьшается, что приводит к снижению боковой фрезерующей способности долота. При > эта способность долота ограничивается спинками лап, при < К — козырьками лап, а при = 0 долото теряет боковую фрезерующую способность и независимо от величины отклоняющей силы на долоте и физико-механических свойств пород фрезерования стенок ствола не произойдет[2].

С целью интенсификации процесса фрезерования стенки ствола и повышения интенсивности искривления скважины предпочтение следует отдавать такому долоту, у которого больше шарошек и наклон корпуса к его оси, меньше расстояние от калибрующей точки долота до спинки лап.

Рис. 5.6 одношарошечное долото

Для одношарошечных долот (рис. 5.6) угол бокового фрезерования определяется по формуле

(4)

где D, D1 — диаметры соответственно долота и его корпуса, м; H2 ~ высота долота, м; Н1 — высота от плеча до торца корпуса долота, м[2].

Для лопастного долота РХ (рис. 5.7,а)

(5)

где В — ширина лопатки; Н — длина лопатки; l — длина армированного направления.

Лопастные долота РХ изготовляют больших размеров, диаметром от 490 до 640 мм и применяют в основном при бурении под направление или кондуктор[2].

Для двухи трехлопастных долот (рис. 5.7,б, в соответственно)

(6)

где D — диаметр долота; D1 — диаметр у плеча первого наклонного участка лопасти; Н1 — высота лопасти долота до плеча первого наклонного участка; h — высота наплавки.

Ввиду большой боковой контактной поверхности двухи трехлопастных долот из-за значительных величин калибрующей части лопастей и их толщины, боковая фрезерующая способность этих долот практически может быть использована при значительной отклоняющей силе на долоте.

По боковой фрезерующей способности алмазные долота разделяются на не обладающие боковой фрезерующей способностью (рис. 5.8) и обладающие такой способностью (рис. 5.9).

К первой группе относятся спиральные (рис. 5 8, а), радиальные (рис. 5.8,б) и ступенчатые (рис. 5.8,в) алмазные долота. Их боковая поверхность оснащается алмазами по ограниченной высоте, А калибрующей поверхности. При бурении этими долотами искривление ствола может происходить только за счет неравномерного разрушения забоя вследствие наклона оси долота к оси скважины без фрезерования стенки ствола.

Ко второй группе алмазных долот относятся мелкоалмазные импрегнированные (рис. 5.9,a), комбинированные ступенчатые (рис. 5.9,6) и зарезные (рис. 5.9,в).

Вся боковая поверхность этих долот оснащается алмазами и является калибрующей, поэтому они могут фрезеровать стенки ствола. Эта способность алмазных долот практически может быть использована при наличии достаточной отклоняющей силы в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород и боковой контактной поверхности этих долот.

Основные понятия и определения силы резания и мощность при фрезеровании

... и движения подачи совпадают. Рис. 1. Встречное и попутное фрезерование При встречном фрезеровании происходит постепенное возрастание нагрузки на зуб по мере врезания его в ... определенному закону, вследствие чего силы резания имеют переменные значения. Различают два способа фрезерования: – встречное – направления вращения и движения подачи противоположны; – попутное –направление вращения ...

Для мелкоалмазного импрегнированного и комбинированного ступенчатого алмазного долота (рис. 5.9,a, 6)

(7)

где D, Dk — диаметры соответственно долота и его корпуса; Н — высота долота; А — высота калибрующей поверхности долота; D1 — диаметр окружности нижней части торца алмазного долота.

Для зарезного алмазного долота (рис. 5.9,в)

(8)

Алмазные зарезные долота, помимо большой боковой фрезерующей способности, обладают и тем преимуществом, что имеют плоскую торцовую поверхность. Поэтому при искусственном искривлении ствола под действием отклоняющей силы они будут фрезеровать стенку ствола лишь на величину высоты калибрующей поверхности А. При работе комбинированными ступенчатыми или мелкоалмазными импрегнированными долотами под действием отклоняющей силы следует фрезеровать не только стенку ствола на высоту калибрующей поверхности Л, но и вогнутый участок забоя от наинизшей точки до стенки ствола.

Вследствие этого для фрезерования стенки ствола при прочих равных условиях зарезным алмазным долотом потребуется несколько меньшие отклоняющая сила и вращающий момент, чем комбинированным ступенчатым и мелкоалмазным импрегнированным долотам. Это имеет важное значение при искусственном искривлении ствола на больших глубинах, так как с ростом глубины вследствие уменьшения диаметров скважины, забойного двигателя и элементов КНБК возможности передачи на долото вращающего момента и создания отклоняющей силы ограничены[2].

Выводы

В данной работе мы рассмотрели виды породоразрушающих инструментов при бурении наклонно направленных скважин. Их конструкции, а также изучили способность фрезерования боковых стенок скважины каждого из долот. В результате чего определили что при выборе долот для искусственного искривления ствола следует учитывать их боковую фрезерующую способность и возможность создания отклоняющих сил, соответствующих физико-механическим свойствам горных пород и боковым контактным поверхностям долот.

Так же определили что наибольшей возможностью фрезеровать стенки ствола обладают одношарошечные долота, затем алмазные долота зарезного, комбинированного ступенчатого и мелкоалмазного импрегнированного типов и далее трехшарошечные долота.

Библиографический список

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/burovoy-instrument/

1- Вадицкий Ю.В. Справочник бурильщика, 2008 г.-210 страниц

Никитин Б. А.

3- Пономарев П.П. Отбор керна при колонковом бурении, 1989г-175 страниц

4- Сулакшин С.С. Направленное бурение, 1987г-138страниц