Методы строительства нефтяных и газовых скважин. Курсовая. Классификация породоразрушающих инструментов (долот) по характеру разрушения породы на забое скважины
 Скачать 45.32 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВЕРО-ВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.К. АММОСОВА» (СВФУ) Геологоразведочный факультет Кафедра Недропользование КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: Технология бурения нефтяных и газовых скважин на тему: «Классификация породоразрушающих инструментов (долот) по характеру разрушения породы на забое скважины» Выполнила: Семенова А.Г. студентка 4 курса группы: З-БА-НД-17 Проверил: Туги Э.В. Доцент кафедры недропользования г. Якутск, 2021г СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 1.Принципы классификации и типы долот 4 1.1.Шарошечные долота 5 1.1.1.Одношарошечные долота 8 1.1.2.Двухшарошечные долота 9 1.1.3.Трехшарошечные долота 10 1.2.Лопастные долота 11 1.2.1.Конструкция лопастных долот 12 1.3.Фрезерные долота 13 1.4.Долота ИСМ 14 1.5.Алмазные долота 15 2.Анализ последовательного разрушения забоя 16 2.1.Продольные возвратно-поступательные перемещения долота. 16 2.2.Скорость вращения шорошек 18 2.3.Скольжения не смещенных относительно забоя шарошек при вращении 19 Заключение 20 Список использованной литературы 21 ВведениеБуровые долота являются ключевым элементом любого бурового комплекса. Экономическая эффективность бурового проекта во многом определяется эксплуатационными показателями буровых долот. Как показывает практика, за счет правильного подбора буровых долот можно получить экономию капитальных затрат при строительстве глубоких нефтяных и газовых скважин до 30-40% от общей суммы затрат по проекту строительства. Рынок буровых долот в России в последние годы претерпевает существенные, как качественные, так и количественные изменения. Важным фактором, характеризующим российский рынок, является усиление конкурентной борьбы среди поставщиков буровых долот. Сегодня на российском рынке присутствуют почти все мировые производители долот. Конкурентное соперничество между ними в этих условиях приобретает особую остроту. Любой буровой подрядчик сегодня стоит перед реальным выбором при решении использовать долота той или иной компании-производителя или продавца. Одна из основных проблем нефтегазодобывающей промышленности России – качественное ухудшение сырьевой базы. Основные месторождения Урала, Западной Сибири и Поволжья вышли на поздние стадии разработки со снижающейся добычей нефти. Выработка их запасов достигла 54%, а доля трудно извлекаемых увеличилась до 55-60%. Обеспечить достаточную рентабельность их освоения можно только за счет сокращения сроков строительства скважин путем внедрения инноваций в технологию бурения, использования сервисного обслуживания и современного породоразрушающего инструмента с улучшенными эксплуатационными показателями. Принципы классификации и типы долот Буровые долота в процессе вращательного бурения могут оказывать различное по типу воздействие на горную породу. В зависимости от способа отделения частиц горной породы от забоя различают долота: Истирающе-режущего действия; Режуще-скалывающего действия; Ударного (дробящего) действия; Сдвигающе-ударного (дробяще-скалывающего) действия; Бурение нефтяных и газовых скважин производится в основном долотами, разрушающими всю поверхность забоя. Такие долота относят к породоразрушающим инструментам сплошного бурения. В разведочном и поисковом бурении в определенных интервалах отбирается образец породы в виде столбика (керна) с помощью бурильных коронок (головок), создающих забой кольцевой формы. Для разбуривания цементных пробок, зарезки новых стволов при многозабойном бурении, расширения пробуренных скважин применяют специальные буровые долота. Конструкция бурового породоразрушающего инструмента основана на реализации способа разрушения на горной породы и зависит от его назначения. Наибольшее распространение в практике буровых работ получили следующие типы породоразрушающих инструментов. Шарошечные долота дробящего и дробяще-скалывающего действия. Шарошечные долота применяются для бурения пород любых категорий твердости. В зависимости от конструкционного исполнения при разрушении горной породы производится ударное, или ударно-сдвиговое воздействие на горную породу вооружением шарошки. На шарошечные долота приходится около 90% от общего объема бурения. Алмазные и твердосплавные буровые долота истирающего действия. Алмазные и твердосплавные долота применяются для бурения твердых, но хрупких пород. Особенно эффективны алмазные долота при бурении крепких пород на больших глубинах. Лопастные долота режуще-скалывающего действия. Лопастные долота используют при бурении мягких и пластичных пород роторным способом. Буровое долото испытывает при работе значительные статические и динамические осевые нагрузки, и действие переменного крутящего момента. Поэтому их конструкция должна быть рассчитана на экономически обоснованный срок службы, так как долото является инструментом одноразового использования. Восстановления долот экономически не оправдывается при современной технике их производства. Попытки создания долот со сменными рабочими органами до настоящего времени не дали положительных результатов. Шарошечные долота Долото состоит из следующих основных узлов: литого корпуса, лап, узла опор, включающего цапфу и подшипники, шарошек и очищающего или промывочного узла. В состав последнего могут входить сопла, формирующие высоконапорный поток бурового раствора, а также каналы, просверленные в корпусе. Верхняя часть корпуса обычно называется присоединительной головкой, так как она служит для присоединения к переводнику или нижнему концу бурильной колонны. В данном случае она выполнена в виде муфты с внутренней конической резьбой. На нижней части корпуса обычно предусмотрены пазы, в которые вставляют лапы со смонтированными шарошками. Лапы приваривают к корпусу прочными сварными швами. Такая конструкция характерна для отечественных долот диаметром 394 мм и более; большинство трехшарошечных долот выполняются секционными. Секционное шарошечное долото собирается из секций, свариваемых вместе по всему наружному контуру сопрягаемых поверхностей. При этом верхние сегментные части секций образуют присоединительную головку, на которой затем нарезается коническая наружная (ниппельная) резьба. Средняя часть долота составляет также единое целое в результате сваривания лап. На наружной поверхности лап предусмотрены приливы, кромки и ребра жесткости, а также округлые полуцилиндрические приливы («бобышки») под промывочные сопла (насадки). В СНГ сопла изготовляют обычно из металлокерамического материала. Сопла закрепляют при помощи удерживающего замка (в данном случае стопорного кольца). Герметизация зазора между соплом и внутренней стенкой полости (гнездо пролива) обеспечивается обычно резиновым уплотнением. Козырек лапы обычно (как и в приведенном случае) защищается антиабразивным покрытием, приближенным к торцу шарошки и ее тыльной части, называемой часто обратным конусом. На тыльной части шарошки также наплавляют защитное покрытие с хорошо сопротивляющейся абразивному износу калибрующей поверхностью, разделяемой одной из конических поверхностей корпуса шарошки. Вершина первой шарошки в данном случае, как и у долота со стальным вооружением некоторых других типов, выполняется с лопатовидными элементами и называется лопаткой. Ряд породоразрушающих элементов, расположенных примерно по одной окружности, называется венцом. Венец, находящийся на периферии (у основания) шарошки, называется периферийным или калибрующим, поскольку он не только углубляет забой, но и калибрует стенку скважины. Средние и привершинные венцы принято называть основными. Основными конусами шарошек условно именуют конические поверхности, находящиеся не на тыльной, а на передней (основной) стороне шарошки, ближе к вершине; от них начинают построение шарошки. Различают также промежуточные дополнительные конусы, расположенные между основным и обратным конусом в двух- и трехконусных шарошках. Одношарошечные долота Одношарошечные долота предназначены для разбуривания твердых и крепких пород, расположенных на большой глубине и подверженных всестороннему сжатию гидростатическими силами высокой степени. Работа долота основана на дробяще-скалывающем действии. Конструкция одношарошечного долота позволяет снизить скорость вращения шарошки вокруг своей оси по сравнению с трехшарошечными долотами. В результате этого достигается значительное повышение надежности и износостойкость опоры долота. По своим конструктивным особенностям они разделяются на модификации. Одношарошечное долото состоит из корпуса с присоединительной головкой, лапы и сферической шарошки. Промывочное устройство в виде сквозного периферического отверстия просверливается в лапе недалеко от основания цапфы, направляющего струю раствора по касательной к поверхности шарошки. Одношарошечное долото состоит из одной лапы, на цапфе которой смонтирована шарошка. Опора шарошки представлена двумя шариковыми подшипниками, первая из которых замковая. Конструкция одношарошечного долота позволяет вместить опору в больших габаритах при малых размерах долота. Сферическая шарошка армируется твердосплавными вставными зубьями с овоидальной и клиновидной формами рабочих поверхностей. Величина вылета зубьев над корпусом шарошки составляет около 5 мм. На поверхности корпуса шарошки выфрезерованы шесть продольных пазов для подвода бурового раствора на забой. Буровой раствор проходит через канал в корпусе долота на поверхность шарошки. Струя истекает по касательной и способствует очищению поверхности шарошки от бурового шлама. Двухшарошечные долота Двухшарошечные долота применяются при бурении скважин малых диаметров при поисковом и разведочном бурении. Корпус двухшарошечного долота представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух секций. Каждая секция выполняется в виде лапы с цапфой, на которой закреплена шарошка. Опоры шарошки двухшарошечных долот состоят из двух шариковых и одного 12 роликового подшипников. Первый шариковый подшипник является так же замковым. Двухшарошечные долота для получения ударно-сдвигающего эффекта изготавливаются со смещением осей цапф лап относительно оси долота на 4 – 5 мм. Вооружение шарошек представлено зубьями с большим шагом; углы заострения зубьев 45 – 57, что повышает их прочность. Долота снабжаются сменными металлокерамическими гидромониторными насадками, смонтированными в двух боковых каналах для подвода промывочной жидкости, приваренных к лапе. Для усиления гидромониторного эффекта струя промывочной жидкости направляется под углом на периферию забоя перед зубьями по ходу вращения долота. Двухшарошечные долота позволяют направлять поток промывочной жидкости из насадок мимо шарошек; в трехшарошечных долотах струя направлена на зубья шарошки и вызывает их абразивный износ. В определенных геолого-технических условиях эти долота обеспечивают превосходство над трехшарошечными на 15–20% по механической скорости бурения. Каждая отдельная секция двухшарошечного долота имеет большие диаметры шарошек по сравнению с трехшарошечным, что позволяет иметь на шарошке увеличенное число зубчатого или твердосплавного вооружения при увеличенном шаге между зубьями. Преимуществом двухшарошечных долот над трехшарошечными является упрощение технологии их изготовления. Двухшарошечные долота имеют меньшую стоимость. Трехшарошечные долота Наибольшее распространение получили трехшарошечные долота. Это объясняется тем, что их конструкция отвечает наилучшим образом двум основным требованиям: прочность опорного узла шарошки и устойчивость бурового става с шарошечным долотом на поверхности забоя скважины. Основу инструмента составляет литой металлический элемент, монтируемый на вращающийся ротор при помощи резьбового соединения. К этому элементу крепятся специальные «лапы» с шарошками. В трехшарошечном долоте их, как правило, 3, но число лап не всегда привязано к числу шарошек. К примеру, долото по крепким породам может иметь по две шарошки на каждой лапе. Причем конструкция выполнена таким образом, что собственно бурильный фрагмент вращается в противоположную от основного ротора сторону. Их применяют при роторном бурении с винтовым или другим забойным двигателем, вращающим долото с относительно невысокой частотой вращения (до 350 об/мин.). Данное долото характеризуется повышенной точностью изготовления, удлиненной присоединительной резьбой, а также открытой, не защищенной от шлама негерметизированной опорой, выполненной по схеме РШС (большой роликоподшипник, замковый шарикоподшипник, узел скольжения, состоящий из радиального и торцового фрикционных подшикников). Лопастные долота В отличие от шарошечных, лопастные долота просты и по конструкции, и по технологии изготовления. Лопастные долота обеспечивают высокую механическую скорость в рыхлых, мягких и несцементированных породах. В таких породах проходки этими долотами за рейс достигают нескольких сот метров, а в некоторых случаях даже 1500-2000 м. Но при этом в связи с неизбежной для таких больших интервалов глубин пород (в том числе твердых и абразивных) часто наблюдается значительное уменьшение диаметра скважин, что приводит к необходимости расширения и проработки скважины перед спуском очередного долота. Кроме того, при бурении необходимо прикладывать к долотам большой крутящий момент. Режущие элементы долот находятся в постоянном контакте с породой и поэтому более интенсивно изнашиваются по сравнению с шарошечными долотами. Бурение лопастным долотом нередко сопряжено с опасностью значительного искривления ствола скважины, особенно если оно производится без применения центраторов, стабилизаторов и калибраторов. Это объясняется малой площадью контакта долота с забоем по сравнению с общей площадью поперечного сечения скважин, необходимостью передачи через него значительной осевой нагрузки, высокого крутящего момента, большой энергии, а также особенностями конструкции лопастного устройства. В состав лопастного долота входят корпус и лопасти. В верхней части корпуса нарезается присоединительная резьба, а в нижней - просверливаются основные промывочные отверстия без сопел для подачи бурового раствора на забой. Боковые калибрующие и другие рабочие поверхности лопастей обычно покрывают релитом и чугуном. Конструкция лопастных долот В настоящее время выпускают лопастные долота диаметрами от 76 до 445 мм. Долота типа М характеризуются армированием нижних режущих кромок лопастей релитом с последующим покрытием всей передней поверхности 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°. Долота обоих типов изготовляют только сварной модификации, т.е. с приваренными к корпусу лопастями. По конструкции промывочного устройства они могут быть выполнены с соплами (струйными или гидромониторными) либо без сопел. Долота разновидности 3ИР изготовляют только типа МСЗ - для мягких и среднемягких абразивных пород. Они имеют такое же количество лопастей, как долота 3Л, однако формы их выполнения и армирования существенно различаются. Долота разновидности 6ИР выпускают только типа С - для бурения средних пород. Эти долота в отличие от предыдущих оснащены, помимо трех основных, тремя укороченными боковыми лопастями, армированными твердосплавными штырями и релитом примерно таким же образом, как и основные лопасти. Фрезерные долота Фрезерные долота имеют более простую конструкцию, чем лопастные. Долото состоит из удлиненного монолитного корпуса, составляющих с этим корпусом единое целое рабочих органов, армированных твердым сплавом, и простейшего промывочного устройства. Во многих современных конструкциях рабочие органы отсутствуют и роль породоразрушающих элементов выполняют не режущие кромки рабочих органов, а твердосплавные штыри, запрессованные в торец фрезерного долота. Промывочным устройством могут служить один или несколько каналов в корпусе долота. Эти долота могут быть использованы не только для бурения скважины в присутствии металлического и твердосплавного скрапа, но и для разбуривания оставшихся на забое шарошек и других металлических предметов, бетонных и иных пробок. Эта функция фрезерных долот привела к выделению и совершенствованию отдельной их разновидности - фрезеров. В процессе выполнения основной функции бурового долота - бурения массива горных пород на забое скважины - наряду с высокой стойкостью и прочностью фрезерных долот по сравнению с шарошечными и некоторыми преимуществами (например, хорошая сопротивляемость, износ по диаметру при требуемом армировании боковой поверхности, большая устойчивость, прочность и др.). Перед лопастными выявились существенные недостатки фрезерных долот (низкая механическая скорость проходки, низкая проходка на долото в твердых и крепких породах, непригодность для бурения глин и других вязких и пластичных пород). Долота ИСМ Долота ИСМ отличаются от фрезерных, лопастных и алмазных главным образом тем, что их породоразрушающие элементы оснащены сверхтвердым материалом славутич. Рабочие элементы крепят к стальному корпусу долота своей посадочной частью методом пайки. Форму рабочей поверхности вставок, марку славутича, его содержание 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, торцовые 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. Торцовые долота ИСМ предназначены для бурения и забуривания нового ствола, но могут быть использованы и при ликвидации аварий. Истирающие долота ИСМ производят на забое скважины микрорежущее действие. Они предназначены для бурения глубоких нефтяных, газовых и разведочных скважин в осадочных малоабразивных породах. Алмазные долота Основная особенность алмазных долот — это наличие в них алмазных режущих элементов, т.е. алмазов (природных или синтетических) той или иной величины. 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 (прижог) алмазов. Это значительно осложняет бурение алмазными 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. Размеры алмазных долот так же, как и долот ИСМ, по номинальному диаметру несколько уменьшены относительно соответствующих значений нормального ряда долот других видов во избежание преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины. Анализ последовательного разрушения забоя Работа шарошечных долот является сложным механическим процессом, вызывающим как ударное, так и сдвиговое воздействие зубков вооружения шарошек. Очевидно, что все процессы протекают одновременно и создают сложную картину взаимодействия вооружения шарошек долота с забоем скважины. Продольные возвратно-поступательные перемещения долота. Перекатывание зубчатых шарошек по горной породе на забое скважины вызывает возникновение возвратно-поступательного движения центра вращения шарошки, а, следовательно, и корпуса долота. Амплитуда перемещения центра вращения одного из венцов  при перекатывании многовенечной шарошки по недеформируемому забою определяется геометрическими характеристиками шарошечного долота: где z – число зубьев;  – радиус венца по вершинам зубьев; d – диаметр венца по вершинам зубьев Эта формула показывает, что амплитуда возвратно-поступательного движения шарошки прямо пропорциональна ее диаметру и обратно пропорциональна числу зубьев на рассматриваемом венце. Периферийный венец шарошки, снабженный наиболее крупными зубьями, определяет колебательный процесс корпуса шарошечного долота. Средние и вершинные венцы накладывают дополнительные колебательные движения, особенно при учете проскальзывания шарошек при перемещении по забою скважины. Количество ударов зубков венца шарошки по породе в минуту можно определить по формуле:  где m – число ударов зубьев в минуту; i – передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота;  – частота вращения шарошки в минуту;  – частота вращения долота в минуту.В однородных породах при постоянной осевой нагрузке на шарошечное долото амплитуда колебания долота будет иметь такую же величину, что и при работе по недеформируемому забою, если углубка долота за каждую треть оборота будет происходить на максимальную величину. Скорость соударения зуба с породой при отсутствии его проскальзывания можно определить по формуле:  где  – скорость соударения зуба шарошки с породой;  – угол наклона оси шарошки.Время контакта зуба с породой при ударе без проскальзывания:  В реальных условиях при перекатывании шарошек происходит внедрение зубьев в породу.  где  – максимальная глубина внедрения зуба одновенечной шарошкиПри внедрении зуба на величину бывают случаи работы долота при отсутствии продольных перемещений его корпуса. В большинстве случаев при бурении шарошечными долотами наблюдается сложный колебательный процесс долота и жестко связанной с ним забойной компоновки низа бурильной колонны. Скорость вращения шорошек Скорость вращения шарошек во многом определяет кинематику и динамику работы всего шарошечного долота. В свою очередь, скорости вращения шарошек определяются скоростью вращения долота и величиной передаточного отношения. В каждый момент времени движение шарошки можно рассматривать как сумму трех составляющих: переносного движения вращения вокруг оси долота; относительного движения вращения вокруг оси шарошки и поступательного движения вдоль оси долота. Обычно при анализе работы шарошечного долота поступательное движение вдоль оси в расчет не принимается, так как эта скорость пренебрежимо мала по сравнению с переносной и относительной скоростями. Передаточным отношением долота  называют отношение угловых скоростей вращения долота  и шарошки  : При вращении шарошки, представленной многоугольной пирамидой, опирающейся последовательно при качении на вершины – зубья, упрощается процесс выявления общих закономерностей ее движения. Тогда скорость движения любой точки шарошки, не имеющей проскальзывания на забое, определяется следующей формулой:  где R – радиус вращения точки относительно оси скважины; r – радиус вращения точки относительно оси шарошки;  – угол между зубьями.Скольжения не смещенных относительно забоя шарошек при вращении Движение шарошек по забою определяется рядом закономерностей, зависящих от кинематических параметров системы. В соответствии с законами теоретической механики, движение бегуна в виде гладкой шарошки относительно опорной плоскости будет характеризоваться угловой скоростью:  где  - абсолютная мгновенная угловая скорость вращения шарошки; - угловая скорость вращения водила вокруг вертикальной оси; - угловая скорость вращения бегуна вокруг своей оси. По известному направлению мгновенной оси вращения шарошки определяется скорость скольжения любой точки. Для точки M, находящейся на широчайшем венце шарошки, скольжение относительно забоя составит величину:  Из формулы видно, что скорость поперечного скольжения контактирующих с забоем зубков тем выше, чем на большее расстояние от мгновенной оси вращения шарошки они удалены. Отношение скорости качения шарошек по забою к переносной скорости (скорости вращения всего долота) определяет способность долота разрушать горную породу дроблением:  где  - степень дробления.ЗаключениеВ данном курсовом проекте были подробно рассмотрены конструктивные особенности шарошечных долот. Установлена зависимость исполнения элементов долот и условий бурения, для которых эти долота предназначаются, а также механизмы разрушения горной породы. А также показан анализ последовательного разрушения забоя при использовании породоразрушающих инструментов. Список использованной литературыБаграмов Р.А., Буровые комплексы: Учебник для вузов. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. Акбулатов Т.О., Левинсон Л.М. Расчеты при бурении скважин. https://neftegaz.fandom.com |