Породоразрушающий инструмент

Пикообразные долота изготовляют двух типов: Ц - для разбуривания цементных пробок и металлических деталей низа обсадных колонн, Р - для расширения ствола скважины.

В настоящее время выпускают  лопастные долота диаметрами от 76 до 445 мм.

Рассмотрим номенклатуру лопастных долот каждой разновидности. Долота разновидности 2Л, т.е. двухлопастные, выпускаются двух типов - М и МС.

Долота типа М характеризуются  армированием нижних режущих кромок лопастей релитом с последующим покрытием всей передней (по ходу вращения долота) поверхности (грани) каждой лопасти специальным чугуном. Боковая калибрующая поверхность лопасти армируется твердосплавными штырями с последующей наплавкой релитом. Внутренние поверхности лопастей в центральной части долота также наплавляют релитом.

Двухлопастные долота обоих  типов изготовляют только одной  модификации - цельноковаными и лишь с обычной (неструйной) промывкой, без сопел (с двумя цилиндрическими промывочными отверстиями). Оси промывочных отверстий отклоняются от продольной оси долота под углом 15° и 20° в долотах диаметрами соответственно 76-132 и 140-161 мм. В поперечном (горизонтальном) сечении их проекции наклонены к оси симметрии под углом 60°.

 

Лопастные долота имеют ряд  существенных недостатков:

• интенсивный износ лопастей в связи с непрерывным контактом режущих и калибрующих ствол скважины кромок лопастей долота с забоем и стенками скважины;
• сужение ствола скважины в процессе бурения из-за относительно быстрой потери диаметра долота;
• относительно высокий крутящий момент на вращение долота;
• неудовлетворительная центрируемость на забое, приводящая к интенсивному непроизвольному искривлению.

Отмеченные недостатки объясняют  причины редкого применения лопастных долот в практике бурения нефтяных и газовых скважин даже при разбуривании мягких пород.

 

       АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА

Алмазные долота предназначены  для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твёрдых.

Алмазное долото состоит  из стального корпуса с присоединительной  замковой резьбой и фасонной алмазонесущей головки (матрицы). Матрица разделена на секторы радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия.

Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. При однослойном размещении алмазов применяют алмазы в 0,05-0,4 карата (карат – единица измерения массы алмазов, 1 карат равен примерно 4,5 мм). Для бурения в твердых породах изготовляют долота с объемным размещением мелких (менее 0,02 карата) кристаллов алмаза в матрице (импрегнированные алмазные долота). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей поверхностью матрицы составляет 0,1-0,25 их диаметра.

Диаметр алмазных долот на 2-3 мм меньше соответствующих диаметров  шарошечных долот. Это вызвано созданием  условий для перехода к бурению  алмазными долотами после шарошечных, у которых, как правило, по мере износа уменьшается диаметр.

Отраслевым стандартом ОСТ 39.026 предусмотрено выпускать алмазные долота диаметрами от 91,4 до 292,9 мм.

Основными достоинствами  алмазных долот являются хорошая центрируемость их на забое и формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).

Существенным недостатком алмазных долот является во-первых, крайне низкая механическая скорость бурения. Максимальная механическая скорость бурения, как правило, не превышает 3 м/ч. Для сравнения максимальная механическая скорость бурения шарошечными долотами составила около 120 м/ч. Во вторых, алмазные долота имеют узкую область применения (исключаются абразивные породы), и в третьих, предъявляются повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины.

 

 

 

ДОЛОТА ИСМ

 

Долота ИСМ отличаются от фрезерных, лопастных и алмазных главным образом тем, что их породоразрушающие (рабочие) элементы оснащены сверхтвердым материалом славутич. Рабочие элементы (вставки из сла-вутича) крепят к стальному корпусу долота своей посадочной (цилиндрической) частью (хвостовиком) методом пайки. Форму рабочей поверхности вставок, марку славутича, его содержание (объем в кубических сантиметрах) в инструменте и число вставок выбирают в зависимости от типа долота, т.е. в соответствии с физико-механическими свойствами буровых пород.

В зависимости от размера  и конструкции долота ИСМ выполняются  цельноковаными с последующим фрезерованием  лопастей либо с приваренными лопастями.

Долота ИСМ по сравнению  с фрезерными и лопастными обладают более высокой износостойкостью, а по сравнению с долотами, оснащенными  природными алмазами, — меньшими стоимостью и поршневанием, лучшей проходимостью по стволу скважины и защитой их породоразрушающих элементов, поэтому они реже выходят из строя при недостаточно тщательной подготовке ствола и забоя перед их спуском в скважину.

Долота ИСМ выпускают  трех разновидностей: режущего действия (режущие), торцовые (зарезные) и истирающие. Первые весьма похожи на лопастные, вторые — на фрезерные, а третьи — на алмазные.

Режущие долота ИСМ предназначены  для бурения глубоких скважин  в мягких и средних пластичных породах. Долото ИСМ по внешнему виду и конструкции похоже на долото 6ИРГ, но отличается от него формой рабочей  части лопастей, способом их закрепления  на корпусе долота и расположением дополнительных лопастей. У долота ИСМ (первая модификация) основные лопасти 1, 2 и 3 (рис. 18) сходятся вместе по общей оси долота и привариваются к составному корпусу 4 в специальных пазах. Дополнительные (стабилизирующие) лопасти 5 перед приваркой также заводят в специальные пазы, вырезанные на боковой поверхности корпуса асимметрично относительно основных лопастей.

Дополнительные лопасти  выполняются укорченными, хартерзуются тра-пециевидным профилем и армируются по рабочим боковым поверхностям твердсплавными штырями 6 (с плоской рабочей головкой, не выступающей за поверхности лопасти), которые запрессовываются и по боковым поверхностям основных лопастей. Поэтому дополнительные лопасти не только обеспечивают стабилизацию и уравновешивание долота в стволе скважины, но и способствуют росту общей калибрующей поверхности долота по диаметру.

Вставки 8, оснащенные славутичем, выполняют с цилиндрической боковой поверхностью и полусферической (для торца основной лопасти) и плоской (для калибрующей поверхности лопасти) рабочими головками. Сопла 7 изготовляют из твердого сплава.

Сопла и струйный промывочный  узел в целом рассчитаны на истечение  бурового раствора со скоростью 90—120 м/с.

Выполнение промывочного устройства (узла) долота второй модификации показано на рис. 19, б. Оно отличается одним широким центральным промывочным отверстием, разделенным лопастями на три сектора.

Струйная модификация  по промывке отличается от первой соплами, которые вмонтированы и закреплены (с помощью пайки) в боковых каналах, просверленных в корпусе долота (рис. 19, б).

Долота первой и второй модификаций по промывке применяют  главным образом при турбинном  бурении, а третьей — при роторном способе бурения.

Долота с обычной («свободной») промывкой (преимущественно вторая модификация по промывке) выпускаются  девяти размеров по диаметрам 188 — 392 мм, а долота третьей модификации  — двух размеров по диаметрам 212 и 267 мм. Выпуск долот первой модификации (с центральным осевым широким  отверстием) в последнее время  ограничен.

Пример обозначения режущего долота: ИСМ 188-РГ-10, где ИСМ — вид  долота, 188 — номинальный диаметр  по калибрующей части в мм, Р — разновидность долота (режущее), Г — модификация (гидромониторная промывка), 10 — порядковый номер конструкции.

Торцовые долота ИСМ (рис. 20) предназначены для бурения и забуривания нового ствола, но могут быть использованы и при ликвидации аварий. Внешне они похожи на фрезерные долота. Торцовые долота ИСМ изготов-ляют с полым цилиндричским корпусом 2, верхняя часть которого выполняется в виде муфтовой присоединительной головки, а нижняя (вогнутая) — с расширением снаружи и коническим (в виде воронки) внутренним вырезом, армированным вставками 1 из славутича. Этими же вставками защищается боковая поверхность нижнего конца долота.

В центральной части торца  просверлены промывочные каналы 5, выходящие в радиальные канавки 4, разделяющие рабочую торцовую поверхность на сектора и со единяющиеся с боковыми пазами 3. Такая система очистки обеспечивает хорошее охлаждение рабочей поверхности долота и удаление из-под нее шлама.

Корпус долот рассматриваемой  разновидности изготовляют из того же материала, что и корпуса других долот ИСМ. Форма и технология закрепления вставок 1 также не отличаются от описанной выше.

Истирающие долота ИСМ  производят на забое скважины микрорежущее действие. Они предназначены для бурения глубоких нефтяных, газовых и разведочных скважин в осадочных малоабразивных породах.

Для армирования торцовых поверхностей истирающих долот типа ИСМ применяют вставки из славутича, рабочая поверхность которых выполнена округлой. Толщина слоя славутича в этой вставке достигает 7 — 8 мм.

Число лопастей в истирающем долоте определяют в каждом конкретном долоте исходя из его диаметра, назначений и условий бурения. Долота ИСМ  диаметром 105—188 мм изготовляют преимущественно  пятилопаст-ными, диаметром 212 мм — шестилопастными, а диаметрами 243 —392 мм — семи- и девятилопастными.

Долота рассматриваемой разновидности выпускают трех типов: М (для бурения мягких пород), МС (для разбуривания среднемягких пород) и С (для средних пород). Долота разных типов различаются в основном содержанием славутича, формами и размером вставок, количеством и формой выполнения рабочих органов.

По форме выполнения рабочих органов истирающие долота ИСМ могут быть изготовлены одной из двух модификаций: радиальными (Рис.21.а) либо секторными (Рис   21.б).

Долота первой модификации  применяют преимущественно при турбинном бурении скважин глубиной 3000 м и более. Они имеют выступающую удлиненную биконическую форму корпуса и его рабочей поверхности с пятью — десятью ребристыми продольными рабочими органами, выступающими в радиальном направлении. Эти органы разделены продольными пазами примерно такой же длины и ширины. Такая форма выполнения долота резко уменьшает эффект поршневания при спускоподъемных операциях и способствует повышению удельной нагрузки на забой и увеличению механической скорости проходки, что особенно важно при разбуривании глубокозалегающих пластов. Нижняя часть (внутренний и наружный конусы) рабочей поверхности армируется обычно вставками славутича с закругленной головкой.

Долота второй модификации (секторные) применяют как при  турбинном, так и при роторном способе бурения. Они характеризуются укороченной конической формой рабочей части (головки), наличием гидромониторных насадок 5 и разделением режущей поверхности узкими промывочными пазами 6 (рис. 21, б) на рабочие органы в виде секторов. На боковой поверхности каждого рабочего органа предусмотрен широкий проем 4.

Секторные долота имеют комбинированное  вооружение. Их наружный ступенчатый  конус оснащен вставками 2 с клиновидной  рабочей головкой, а внутренний гладкий  конус и закругленный промежуточный  участок — вставки 1 с круглой  рабочей головкой. Такое вооружение применяют в долотах, предназначенных для бурения пород перемежающейся твердости.

Боковая поверхность секторного долота в зависимости от степени  аб-разивности разбуриваемых пород армируется твердосплавными штырями 3 (рис. 21, б) или вставками со славутичем, причем содержание славу-тича тем больше, чем выше степень абразивности пород.

Отраслевым стандартом ОСТ 39026 предусмотрено выпускать долота ИСМ диаметрами от 91,4 до 391,3 мм.

Преимуществами долот  ИСМ являются их значительная проходка на долото, достигающая (при соблюдении условий эксплуатации) нескольких сотен  метров и относительно высокая рейсовая скорость.

К недостаткам следует  отнести узкую область применения (только в неабразивных порода М, МС и С) и высокий момент на вращение долота, ограничивающий применение забойных двигателей.

 

    ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОТБОРА КЕРНА

 

Для отбора керна используется специальный породоразрушающий  инструмент – бурильные головки (ГОСТ 21210) и керноприемные устройства (ГОСТ 21949).

Приняты следующие  обозначения бурильных головок  типов —    КС-187.3/40СТ, К-187.3/80СТ:

К — для керноприемных устройств без съемного керноприемника;

КС — для керноприемных устройств со съемным керноприемником;

187,3 — наружный диаметр бурильной головки, мм;

40 и  80 — диаметр керна, мм;

СТ — тип разбуриваемых пород.

Резьба у бурильных  головок типа К — муфта, КС — ниппель.

Бурголовка (рис. 22.), разрушая породу по периферии забоя, оставляет в центре скважины колонку породы (керн), поступающую при углублении скважины в керноприемное устройство, состоящее из корпуса и керноприемной трубы (керноприемника).

Корпус керноприемного устройства служит для соединения бурильной  головки с бурильной колонной, размещения керноприемника и защиты его от механических повреждений, а также для пропуска бурового раствора к промывочным каналам бурголовки.

Керноприемник предназначен для приема керна, сохранения его во время бурения от механических повреждений и гидроэрозионного воздействия бурового раствора и сохранения при подъеме на поверхность. Для выполнения этих функций в нижней части керноприеника устанавливают кернователи и кернодержатели, а вверху клапан, пропускающий через себя вытесняемый из керноприемника буровой раствор при заполнении его керном.

По способу установки керноприемника в корпусе ГОСТ 21949 «Устройства керноприемные» предусматривает изготовление керноприемных устройств как с несъемными, так и со съемными керноприемниками.

При бурении с несъемными керно-приемниками для подъема на повер-хность заполненного керном керно- приемника необходимо поднимать всю бурильную колонну.