Технология бурения скважин, буровые долота

«М» для разрушения мягких, несцементированных пород (глины, мягкие известняки, пески);

«МС» для разрушения мягких и средних по твердости неабразивных пород (мел, каменная соль, глинистые  сланцы);

«С» для разрушения пластичных и хрупко-пластичных неабразивиых пород средней твердости (плотные глины, глинистые сланцы, известняки);

«СТ» для разрушения хрупко-пластичных пород средней твердости с пропластками твердых пород (песчаники, ангидриды, гипс);

«Т» для разрушения твердых  пород (доломиты, твердые известняки);

«ТК» для разрушения твердых  пород с крепкими пропластками (мелкокристаллические известняки и доломиты);

«К» для разрушения крепких  пород (мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты).

   Кроме указанных основных типов долот выпускаются шарошечные долота промежуточных типов: МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, ОК.

   Долота типа ОК используют для разрушения очень крепких пород (граниты, кварциты, диабазы).

   Зубья (зубцы) шарошек изготовляют либо непосредственно на теле шарошки путем их фрезерования или накаткой, либо отдельно из твердых сплавов с последующей запрессовкой в специальных гнездах шарошки. Шарошки долот типов М, МС, С, СТ и Т имеют фрезерованные или нака-танные зубья, высота и расстояние между которыми уменьшаются, а угол при вершине увеличивается от долот типа М к долотам типа Т. Зубья на шарошках расположены обычно концентрическими венцами, число которых увеличивается от типа М до типа Т.

Шарошки долот типа ТК имеют на внутренних венцах фрезерованные или накатанные призматические зубья, а на периферийных сферические зубья из твердого сплава.

   Шарошки долот типов К и ОК имеют на всех венцах сферические зубья из твердого сплава. Шарошки типов МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ и ТКЗ предназначены для разрушения абразивных пород, поэтому оснащены запрессованными в них твердосплавными клиновидными зубьями. Число венцов и зубьев увели-чивается от типа МЗ к типу ТКЗ.

   В процессе бурения разведочных скважин для уточнения геологического разреза, изучения физических свойств горных пород и насыщающих их флюидов, зачастую в процессе проходки ствола скважины отбирают пробы горных пород (керны). Для этого породу на забое разрушают колонковым долотом, которое углубляет забой в виде кольцевой выработки, а остающийся цилиндрический целик породы поступает через центральное отверстие долота в специальную керноприемную трубу, оснащенную в нижней части кернорвателем. Пробурив в заданном интервале ствол колонковым долотом, бурильную колонну с долотом и керноприемной трубой поднимают на дневную поверхность, при этом и момент «отрыва» долота от забоя кернорватель обрывает своими пружинами целик породы от забоя и удерживает его в керноприемной трубе до извлечения на поверхность.

Если отбор керна проводит к интервале, превышающем длину керно-приемной трубы, а работоспособность одного колонкового долота достаточна для всего интервала отбора керна, то используют так называемую съемную грунтоноску, которую периодически, по мере ее заполнения керном, извлекают на поверхность при помощи специального ловителя, спускаемого в полость бурильной колонны на канате. Освобожденную от керна съемную грунтоноску опускают в скважину и устанавливают в колонковом долоте.

   Для целей бурения скважин промышленностью выпускается до 25 типо-размеров шарошечных долот - диаметром от 46 до 490 мм.

   Многообразие характеристик долот обеспечивает проводку скважины любого практически целесообразного диаметра в любых достижимых горных породах как осадочного, так и магматического происхождения.

 

2.1 ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО

 

   Лопастные долота режущего типа используются для бурения геолого-разведочных скважин на небольшие глубины.

   Применяются два типа лопастных долот:

М – для бурения скважин  в мягких породах 

МС – для бурения  скважин в породах средней  крепости. Существуют лопастные долота с калибрующим сектором, с вогнутыми  лопастями и с опережающим  лезвием. Все эти конструкции  имеют ряд особенностей в вооружении и системе расположения промывочных  отверстий. Долота типа М могут оснащаться струйными или гидромониторными насадками.

   Лопастное буровое долото состоит из кованого корпуса с присоединит. Резьбой, к которому привариваются лопасти. У двухлопастного долота корпус и лопасти отштамповываются как одно целое. Для повышения износостойкости долот лопасти армируются твёрдым сплавом. Пластинки твёрдого сплава заплавляются на передней грани лопастей в специально профрезерованные пазы. Боковые (калибрующие стенку скважины) грани лопастей армируются цилиндрическими зубками, запрессовываемыми в просверленные отверстия. Промежутки между зубками наплавляются твёрдым сплавом.

   Для бурения скважин с отбором керна применяют шарошечные и лопастные бурильные головки, которые изготовляют для специальных керноприёмных устройств со съёмным и несъёмным керноприёмниками. Колонковые долота со съёмным керноприёмником позволяют отбирать с забоя скважины керн без подъёма бурильной колонны.

   Поверхность между рёбрами имеет коническую форму и способствует смещению разрушенной породы в центральный канал бурильной колонны. Рёбра армируются породоразрушающий и элементами различной формы: круглыми, шестигранными или квадратными. Коронки предназначены для бурения мягких пород с незначительным содержанием твёрдых пропластков. Торцевая поверхность рёбер имеет коническую форму для предотвращения заклинивания частиц породы, а на наружной поверхности имеются пазы. Важным элементом коронки являются тороидальные канавки на внутреннем уступе, способствующие в сочетании с внутренним патрубком керноприёмной трубы переходу нисходящего потока очистного агента в восходящий. При отсутствии такой канавки в процессе бурения резко возрастают потери очистного агента.

   Малогабаритное долото лопастное режущего типа, предназначенное для бурения геологоразведочных скважин в мягких породах и в мягких породах с прослойками средней твердости, разрушают породу в режиме резания с очисткой забоя промывочным агентом или шнековым способом.

   В большинстве районов бурение геологоразведочных скважин в мягких породах ведется с использованием легкого бурового оборудования и поэтому с небольшими осевыми нагрузками на долото и с малым крутящим моментом.

   В таких условиях обычные серийные долота лопастные нефтяного сортамента работают, небольшой промежуток времени до 10-15 ч. Тогда как при использовании нефтяного тяжелого оборудования эти долота лопастные работают 150-200 ч. Лопастные долота режущего типа для геологоразведочного бурения работают до затупления режущих кромок твердосплавных резцов и режущих кромок, наплавленных крупно-зернистым твердым сплавом. Процесс изнашивания режущих кромок характеризуется медленным истиранием от периферийной зоны до центральной части долота. Несмотря на то, что центральная часть долота лопастного изнашивается значительно меньше, именно она определяет работоспособность долота в целом. Даже при незначительном износе центральной части долота лопастного резко снижается удельная нагрузка на режущие кромки и твердосплавные резцы, и они перестают внедряться в поверхность разрушаемого забоя. Твердосплавные резцы, расположенные в центральной части долота, обнажаются медленно и на незначительную величину вследствие небольших окружных скоростей, возникающих в центральной зоне при вращении долота с частотой до 200 об/мин. Режущие грани и твердосплавные резцы лопастных долот, расположенные в периферийной зоне, изнашиваются более интенсивно. Однако за счет высоких окружных скоростей происходит обнажение верхних частей твердосплавных резцов и режущих граней, а также истирание корпуса лопастей и державок, что способствует увеличению удельной нагрузки и внедрению кромок и резцов в поверхность разрушаемого забоя. Режущие грани и твердосплавные резцы на калибрующих гранях рабочих лопастей обрабатывают стенки скважины по наибольшему периметру и в этой зоне они истираются по криволинейной поверхности, на которой расположено калибрующее вооружение лопастей.

 

2.2 ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО

 

   Долото шарошечное  – разновидность бурового оборудования, породо-разрушающий дробящий, рубяще-скалывающий инструмент карьерных станков вращательного бурения, с вооружением шарошки в виде фрезерованных на ней зубьев различной длины и конфигурации или впрессованных на нее штырей из твёрдого сплава — карбида вольфрама, применяемый для механического разрушения горной породы от мягкой до очень крепкой в процессе бурения скважины. Этими долотами бурят эксплуатационные (нефтяные, газовые и водяные), разведочные, поисковые, опорные, инженерно-геологические, гидрогеологические, гидротехни-ческие, строительные, взрывные, вентиляционные и многие другие сква-жины.

 Эти долота – наиболее сложные как по конструкции, так и по технологии их изготовления. В зависимости от количества их рабочих органов, производящих бурение, они разделяются на разновидности: одно-, двух-, трех-, четырех- и многошарошечные.

   Основные конструктивные параметры долот:

 - расположение на оси шарошек по отношению к оси долота и вершин шарошек относительно оси долота;

 - величина угла наклона осей шарошек к оси долота; число конусов на шарошках ;

  - расположение венцов зубьев;

  - геометрические параметры зубьев.

   Шарошечные долота представляют собой наиболее универсальный породоразрушающий буровой инструмент, поскольку область их применения охватывает практически все многообразие горных пород. Эти долота наиболее производительны при бурении геологоразведочных (сплошным забоем) и взрывных скважин в крепких породах. Впервые долото буровое с коническими шарошками было изобретено в США (1909).     Шарошечное бурение – способ бурения скважин с использованием шаро-шечного долота – важного элемента бурового оборудования. Впервые было применено в США в 20-х годах 20-го века. В России этот способ бурения применяется с 30-х гг. 20 в. Для бурения нефтяных и газовых скважин. При шарошечном бурении горные породы разрушаются стальными или твердосплавными зубками шарошек, вращающимися на опорах бурового долота, которое, в свою очередь, вращается и прижимается с большим осевым усилием к забою. Шарошечное долото (или колонковая бурильная головка) состоит из одной, двух, трёх и более конических, сферических или цилиндрических шарошек, смонтированных на подшипниках качения или скольжения или же их комбинации на цапфах секций долото. Породо-разрушающим элементом (вооружением) шарошечных долот служат фрезерованные зубья или запрессованные твердосплавные зубки и комбинации зубьев с зубками на поверхности шарошек. Для повышения износостойкости фрезерованных зубьев шарошек от абразивного износа их наплавляют твёрдым сплавом, состоящим из зёрен карбидов вольфрама. Геометрическая форма и параметры породоразрушающих элементов (высота и длина зубьев, угол заострения и притупления их вершин, частота расположения зубьев на каждом венце шарошек) для различных горных пород различны и буровые долота, зависящие от физических свойств горных пород. Зубья на конусах шарошек, как правило, имеют клиновидную форму; твёрдосплавные зубки – клиновидную или полусферическую рабочие поверхности.

   Для повышения ресурса долот в их конструкции используются опоры скольжения и вооружение шарошек твердосплавными зубками. Для наиболее тяжелых условий эксплуатации разработаны долота с элементами герметизации опор.

   В зависимости от конструкции корпуса, шарошечные долота разделяются на секционные и цельнокорпусные. В секционных буровых долотах корпус сваривается из отдельных (двух, трёх и четырёх) секций, на цапфах которых монтируются свободно вращающиеся шарошки.

   В цельнокорпусных буровых долотах корпус литой, к нему привариваются лапы с шарошками. Для присоединения долота к бурильной колонне у секционных предусмотрена наружная конусная резьба (ниппель), у корпусных – внутренняя конусная резьба (муфта). Секции (лапы) и шарошки долота изготовляются из хромоникельмолибденовых, хромо-никелевых и никельмолибденовых сталей. Шарошечные долото в России нормализованы по типам и диаметрам (от 46 до 490 мм) и изготовляются 14 типов для разбуривания мягких, средней твёрдости, твёрдых, крепких и очень крепких пород. Самое широкое распространение имеют трёхшаро-шечные долото. В ограниченных объёмах применяются вставные двух- и трёхшарошечные долото буровое для бурения скважин турбинным и роторным способами, позволяющие опускать новое и поднимать отработанное долото буровое внутри колонны бурильных труб без подъёма последних на поверхность, а также многошарошечные долото для бурения скважин диаметрами 346-2600 мм реактивно-турбинным способом.

   Разработанный в последние годы ассортимент шарошечных долот по своим типоразмерам способен удовлетворить самые широкие запросы потребителей. В частности, впервые в мировой практике разработаны шарошечные микродолота диаметром 46 и 59 мм.

 

2.3 АЛМАЗНОЕ ДОЛОТО

 

   Основная особенность алмазных долот – наличие в них алмазных режущих элементов, т.е. алмазов (природных или синтетических) той или иной величины (крупности). 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.

   Алмазные долото буровое (и бурильные головки) состоят из твердосплавной алмазонесущей рабочей части (матрицы) и стального корпуса с внутренней присоединительной конусной замковой резьбой. Долота отличаются друг от друга формой рабочей части, качеством алмазов и системой промывки. Матрицы этих долот изготавливаются методом порошковой металлургии из различных металлических порошков. Эти порошки обеспечивают хорошее удержание алмазов и позволяют получать матрицы различной твёрдости и износостойкости. Матрица на основе вольфрама, его карбида и меди обеспечивает достаточную прочность, износостойкость и высокую теплопроводность матричного материала. Для изготовления долота (бурильных головок) применяются технические алмазы массой 0,05-0,34 кар. (на долото буровое диаметром 188 мм расходуется 400-650 кар., или 2000-2500 зёрен алмазов). Алмазные долото целесообразно применять при больших (свыше 3000 м) глубинах скважин. Как правило, стойкость алмазного долота буровое в 20-30 раз превышает стойкость шарошечного.