Принципы выбора типа долота. 1. Породоразрушающий инструмент
 Скачать 1.5 Mb.
|
|
3.3 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. Алмазные долота бывают трех типов: спиральные, радиальные и ступенчатые. В спиральных алмазных долотах рабочая часть имеет спирали, оснащенные алмазами и промывочные отверстия. Долота этого типа предназначены для турбинного бурения малоабразивных и среднеабразивных пород. Радиальные алмазные долота имеют рабочую поверхность в виде радиальных выступов в форме сектора, оснащенных алмазами; между ними размещены промывочные каналы. Долота данного типа предназначены для бурения малоабразивных пород средней твердости и твердых пород как при роторном, так и при турбинном способах бурения. Ступенчатые алмазные долота имеют рабочую поверхность ступенчатой формы. Они применяются как при роторном, так и турбинном способах бурения при проходке малоабразивных мягких и средней твердости пород. 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 (прижог) 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.). 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 спуско-подъемных операций. Одним алмазным долотом можно пробурить столько же, сколько 15...20 шарошечными долотами. 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. 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. В целом алмазные долота характеризуются монолитной конструкцией. В России выпускают четыре разновидности алмазных долот: однослойные ступенчатые и радиальные, импрегнированные радиальные и ступенчатые. Долота всех разновидностей изготовляют обоих классов, т.е. с природными и синтетическими алмазами. Твердосплавные долота отличаются от алмазных тем, что вместо алмазов они армированы сверхтвердыми сплавами. Алмазные долота, применяемые для бурения скважин сплошным забоем, представляют собой цельный стальной корпус 1 с присоединительной конической резьбой, к которому прикрепляется фасонная алмазонесущая головка-матрица 2 (рис. 2.1). По характеру закрепления и размещения алмазов в матрице различают долота одно-, многослойные и импрегнированные (с объемным размещением мелких алмазов в теле матрицы). По форме торца алмазные долота разделяются на плоские, выпуклые,вогнутые, выпукло-вогнутые, выпукло-конусные, двоякоконусные, ступенчато-конусные, комбинированные. В свою очередь, выпуклые и выпукло-вогнутые долота могут быть сферическими или грушевидными. Профиль долота должен соответствовать форме естественного износа. При бурении абразивных пород этой форме соответствует профиль выпукло-конусных долот. Поэтому эта форма получила наибольше распространение. Разновидностью алмазных долот являются PDC-долота (Polycrystalline Diamond Cutter Bits). Особенностью этого инструмента, изготовленного по новейшей технологии в отрасли, является то, что долота изготавливаются из высококачественной стали и армируются алмазными поликристаллическими резцами. PDC-долота бывают шарошечными, лопастными, фрезерными. Размер и количество резцов зависит от числа лопастей или шарошек, а также диаметра долота. Долота PDC, обладающие высокой износостойкостью, демонстрируют скорость проходки, превышающую в 2–3 раза скорость, достигаемую обычными шарошечными долотами. Универсальность этих долот позволяет с их помощью бурить скважины для добычи нефти и газа, для снабжения населения водой или делать геотермальные скважины для работы тепловых насосов.  Рисунок 2.1 Современные конструкции алмазных долот имеют обратный конус в центральной части с углом при вершине от 55 до 120°. Конусный керн, образующийся при бурении, разрушается от вибрации и выносится через промывочные канавки. Однако при бурении крепких пород зависание долота на керне приводит к разрушению центра долота, так как резание породы в центральной части забоя практически отсутствует. Периферийная часть алмазного долота представляет собой сферическую поверхность, переходящую по мере удаления от торца в цилиндрическую. Цилиндрическая часть производит калибровку стенок скважины. Диаметр алмазных долот на 1,5–2,5 мм меньше диаметра шарошечных и лопастных долот тех же номинальных размеров. Это объясняется тем, что при бурении шарошечными долотами на стенках скважины образуются спиралевидные выступы, уменьшающие проходное сечение скважины. Алмазные долота различаются также по форме промывочных каналов. Известны долота с центральной или торцовой промывкой; с сужающимися расширяющимися промывочными каналами; радиальными, касательными, спиральными промывочными каналами. Форма промывочных каналов и их сечение выполняются так, чтобы обеспечить хорошее удаление частиц выбуренной породы, охлаждение и очистку рабочей части головки долота. Наиболее современными, с точки зрения охлаждения алмазов, являются долота со ступенчатой поверхностью и радиальными сужающимися каналами. По расположению алмазов на рабочей поверхности различают долота с радиальной, шахматной, концентрической, спиральной схемами размещения. Выбор схемы размещения определяется механическими свойствами породы, системой промывки, размерами, формой и сортностью алмазов. Рабочая поверхность долота оснащается алмазами различных размеров. Размеры их для калибрующей части 0,1–0,25 карата1; для торцовых поверхностей 0,2–0,34 карата; для конусных поверхностей 0,1–0,25 карата. Количество зерен алмазов, устанавливаемых на поверхности долота диаметром 140 мм, составляет 1000–1100; в долотах диаметром 212 мм – до 2000. На одно долото расходуется от 200 до 700 карат алмазов. Алмаз является самым твердым из всех известных минералов и искусственных веществ. Непревзойденная твердость и высокая износостойкость обусловили его широкое применение в технике. По химическому составу алмаз является чистым углеродом. Плотность его колеблется от 3470 до 3540 кг/м3. Алмаз довольно хрупок. При высоких температурах (2000– 3000 °С) алмаз без доступа кислорода превращается в графит. В воздухе алмаз сгорает при температуре 850–1000 °С. Алмазы в первую очередь разделяются на ювелирные и технические. В природе значительно чаще встречаются агрегатные разновидности алмазов: борт, карбонадо, баллас, конго. В бурении обычно применяют агрегатные разновидности алмазов. Карбонадо, тонкозернистые плотные агрегаты буровато-черного цвета, имеют наибольшую прочность и встречаются очень редко. С точки зрения использования в бурении они стоят на первом месте. На втором месте стоят бесцветные и желтоватые балласы, имеющие большую крепость благодаря наружной твердой оболочке толщиной около 1 мм. Третье место занимает борт, обладающий небольшой крепостью вследствие трещиноватости кристаллов. В настоящее время борт – основное сырье для изготовления буровых долот, так как он встречается часто и имеет невысокую цену, идет в основном на изготовление абразивного сырья. Используется три способа изготовления алмазных долот: чеканка крупных алмазов, заливка и метод порошковой металлургии. Чеканка является старейшим способом изготовления кольцевых коронок и представляет собой ручное закрепление алмазов в заранее приготовленные гнезда в металлической основе. Чеканка малопроизводительна и в настоящее время используется редко. Способ заливки заключается в том, что в угольную или графитовую форму по определенной схеме раскладываются алмазы, а затем форму заливают легкоплавким сплавом. Отлитое кольцо-матрица припаивается к готовому корпусу долота или непосредственно при его литье. Недостатком способа является низкое качество матриц. Способ порошковой металлургии – наиболее прогрессивный. Изготовление алмазных долот по этому способу сводится к следующим операциям. Готовят смесь порошков-шихты, раскладывают алмазы в разборную пресс-форму, засыпают шихту в пресс-форму, прессуют шихту, спекают матрицу, обрабатывают долото. Для изготовления шихты в качестве основного материала обычно используется карбид вольфрама (90–95 %), а связывающим металлом является кобальт (5–20 %). В качестве основного металла используются также порошковый вольфрам, ферромолибден, никель. Связывающими материалами могут быть сплавы меди и цинка в различных соотношениях. Раскладка алмазов в пресс-форму проводится вручную с помощью пинцета или вакуумного карандаша по определенной схеме. Выбор схемы раскладки зависит от конструктивных особенностей алмазного долота. После засыпки шихты в пресс-форму и прессования долото помещают в электрическую печь и разогревают до определенной температуры в водородной среде в зависимости от состава матрицы. Обычно температура спекания 650–1300 °С, выдержка 1–2 ч. После остывания долото подвергается механической обработке: обта- чивают корпус, нарезают резьбу, изготовляют промывочные каналы. Иногда рабочая поверхность алмазных долот обрабатывается пескоструйным аппаратом для получения нужного оголения алмазов. Абсолютное значение оголения находится в пределах 0,1–0,75 мм. Корпус алмазного долота изготовляют из конструкционной углеродистой или хромистой стали марки 40Х с содержанием углерода 0,35– 0,4 %. 4. Долота специального назначения Расширители. Применяются для расширения диаметра скважины при проходке долотами сплошного и колонкового бурения, а также для центрирования бурильного инструмента в процессе бурения. Расширители классифицируются по форме их рабочих органов (шарошечные, лопастные и др.), по способу крепления рабочих органов (жесткозакрепленные, разборные и раздвижные), по числу этих органов и типу их вооружения. В настоящее время применяются два вида расширителей: шарошечные и лопастные. Наиболее распространенными являются трехшарошечные расширители (рис. 4.1). Они состоят из корпуса, в котором на осях смонтированы три пары шарошек с небольшой конусностью. Шарошки расположены по окружности под углом 120' друг к другу. Трехшарошечные расширители выпускаются диаметрами 243, 269, 295, 346, 394 и 445 мм.  Рисунок 4.1 Кроме трехшарошечных выпускаются четырех- и шестилопастные расширители, одношарошечные пилотные расширители и наддолотные штыревые расширители. Фрезерные долота. Предназначены для бурения скважин в малоабразивных породах и разбуривания цементных мостов и металла в скважине. Фрезерные твердосплавные спиральные долота выпускаются типа ДФТС (рис. 4.2). Конструктивная особенность этих долот - расположение твердосплавных пластинок по спирали. Рабочая часть долота сферическая.  Рисунок 4.2 Забой промывается через боковые каналы и центральный канал, соединенный отводами с пространством между спиральными лентами. Конструкцией допускается замена изношенных спиралей новыми. При бурении долотами типа ДФТС на забое в центре образуется керн диаметром 3 ... 5 мм, который потом разрушается пластинками твердого сплава, закрепленными в стенке центрального канала, и выносится по двум открытым боковым каналам за спирали. Долота для реактивно-турбинного способа бурения (РТБ). При работе агрегатами РТБ используются серийные трехшарошечные долота и долота типа ДРБ (рис. 4.3), специально разработанные для РТБ. Характерная особенность вооружения шарашек долот типа ДРБ для РТБ - наличие фрезерованных зубьев или твердосплавных зубьев только на периферийных венцах.  Рисунок 4.3 ВНИИБТ разработаны шестишарошечные долота для РТБ: ДРБ12К и ДРБlЗК. У долот типа ДРБ наиболее дорогостоящей деталью является корпус, который целесообразно использовать многократно. Поэтому у этих долот сменные приваренные лапы. Вставные долота для турбинного и роторного бурения без подъема бурильной колонны для смены долота. Сущность способа бурения без подъема бурильной колонны для смены отработанного долота заключается в том, что новое долото спускается, а отработанное поднимается (с помощью каната и специального инструмента - овершота или обратной циркуляции) внутри бурильной колонны. Для турбинного бурения разработана и выпускается специальная конструкция турбобура с вставным ротором, к которому присоединяется вставное долото. Вставное долото состоит из двух основных узлов: механизма долота и режущих шарошечных комплектов. 5. Разработка и производство буровых инструментов Лидерами в области разработки и производства бурового инструмента для нефтегазового комплекса страны сегодня являются российские компании АО «Волгабурмаш» и НПП «Буринтех». Эти крупные предприятия ориентируются на обеспечение шарошечными долотами и долотами с фиксированной головкой, в том числе и алмазными, нефтегазовой отрасли, а это означает, что весь производимый этими предприятиями инструмент должен отвечать ряду специальных требований. Ведь долота обеспечивают бурение скважин глубиной до 6000 м и участвуют в очень сложных технологических процессах, таких как шельфовое бурение или бурение в эксплозивных условиях. Интенсивность буровых работы в этом секторе экономики обязывает поставлять инструмент особой надежности, и это требование находит отражение в усиленных деталях конструкций поставляемого инструмента. Кроме того, в шарошечных долотах опорный подшипник должен быть герметически защищен, поэтому на все долота этого типа устанавливают дополнительные уплотнения. Бурильный инструмент оснащается фрезерным и твердосплавным вооружением. Производятся долота как для бурения сплошным забоем, так и бицентричные, у которых бурение совмещается с расширением диаметра ствола скважины. 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. Например: для мягких пород при неглубоких скважинах целесообразно использовать лопастные долота, а при бурении твердых и глубоких пород лучше подходят шарошечные или алмазные долота. 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. При несоблюдении техники могут возникнуть осложнения в виде разрушений бурового долота, перегреве, смещения осей шарошечных долот, и вследствие этого, быстрое изнашивание инструмента и проведение дополнительных операций по извлечению поврежденного оборудования из скважины. В настоящее время разрабатываются новые виды долот. С использованием современных технологий производства удается получить долота с высоким сроком службы, большой проходкой и скоростью работы, что позволяет уменьшать энергозатраты на процесс бурения скважин, а также эффективно проводить сверхглубокие и горизонтальные скважины. Список литературы 1. «Буровое оборудование. Буровой инструмент. Том 2» 2. «Буровой инструмент. Справочник» 3. «Породоразрушающий инструмент» 4. «Бурение нефтяных и газовых скважин» 5. ru.m.wikipedia.org 6. Булатов А.И. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. - М.: ООО «Недра-бизнесцентр», 2003г. 7. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: «Академия», 2008, 352 с. |