Отчет по практике. отчет по практике (2018_02_18 09_44_09 UTC). Породоразрушающие инструменты. Классификация долот для сплошного бурения
 Скачать 85.33 Kb.
|
|
Породоразрушающие инструменты. Классификация долот для сплошного бурения. Долото представляет собой основной компонент специального инструмента для сплошного бурения нефтеносных, газовых, водных скважин и скважин для прочих промышленных, технических и строительных нужд. Его задача – разрушение грунта в ограниченной зоне воздействия (забое) буровой колонны и глубинная проходка. Анализируя характер эксплуатации данного бурильного приспособления, следует отметить, что оно не только разрушает сплошной грунт в плоскостизабоя скважины, но и формирует стенки этой скважины. И чем больше бур углубляется в земную толщу, тем более сложные и неблагоприятные воздействия испытывают его составные части. Породоразрушающий инструмент выполняет основную роль в процессе образования ствола скважины в массиве горной породы. При вращательном способе бурения буровое долото разрушает породу с помощью зубьев, твердосплавных штырей или лопастей, выполненных на рабочей поверхности инструмента, которые при вращательном движении поражают различные участки забоя и обеспечивают углубление скважины. Выделяются следующие группы: Шарошечные долота; Лопастные долота; Фрезерные долота; Долота ИСМ; Алмазные долота. Как следует из приведенной выше классификации, в каждом отдельном случае применяется соответствующий долота ему породоразрушающий рабочий элемент. Представляется полезным рассмотреть подробнее некоторые технические характеристики и особенности использования указанных рабочих частей буровых долот. Шарошечные буровые долота. Данный тип породоразрушающего инструмента, являясь наиболее распространенным ПРИ в добычной и геологоразведочной отраслях, обеспечивает формирование скважин за счет дробящего или дробяще-скалывающего действия своих рабочих элементов. Эти инструменты предназначены для бурения как абразивных, так и неабразивных горных пород. Надо отметить, что шарошечные ПРИ используются на породах практические всех степеней твердости. Долото шарошечного типа в общих чертах представляет собой достаточно сложное устройство, в котором секции, соединенные друг с другом посредством сварки, удерживают на своих цапфах вращающиеся шарошки (цилиндрические или конусообразные фрезы с зубьями (штырями) особой конфигурации). С их помощью долото, приводимое в движение забойным двигателем, производит в месте устройства скважины ударное (дробящее) или ударно-сдвигающее действие на горную породу. Дробяще-скалывающий способ является более продуктивным, так как здесь наблюдается сочетание дробящего действия с проскальзыванием шарошек по забою скважины, за счет чего происходит дополнительное скалывание породы. Традиционно долота данного типа эффективно работают по мягким, среднетвердым и твердым породам. Одношарошечные долота задействуют на бурении скважин с большими глубинами. Для преодоления сложных условий эксплуатации буровые инструменты обеспечены необходимыми техническими параметрами: лапами и шарошками повышенной мощности, прочной опорой. Максимальный положительный эффект достигается при работе на хрупких породах (карбонаты, доломиты, различные известняки и др.). Двухшарошечные долота, как правило, применяются для производства скважин в геологоразведочных целях. Трехшарошечные долота – самый популярный вариант, за счет своей формы они оптимально вписываются в сечение круглой скважины. Три конические шарошки, равномерно расположенные в корпусе долота, гарантируют оптимальную центровку и устойчивость вращающегося инструмента в стволе. В последнее время в России были разработаны многошарошечные долота, диаметр которых достигает 555 мм. Их назначение – бурение скважин с большим диаметром с одновременной промывкой забоя буровым раствором. 1.1 Одношарошечные долота. Во время спуска долота в скважину на колонне бурильных труб (не показана) шарошка самоориентируется на цапфе так, что ее выступы не выходят за пределы диаметра ранее пробуренного ствола скважины и долото свободно проходит по этому стволу до зоны, где необходимо продолжать бурение скважины большего диаметра, чем предыдущий ее участок, например, с целью изоляции водопоглощающего пласта перекрывателем из профильных труб. При соприкосновении шарошки с забоем скважины и передаче на долото нагрузки и вращающего момента корпус долота начинает вращаться соосно скважине. Цапфа будет описывать окружности вокруг продольной оси симметрии корпуса и скважины, а шарошка при этом будет перекатываться по забою скважины и своими породоразрушающими элементами скалывать и срезать породу. При этом диаметр образующегося нового ствола скважины будет больше диаметра предыдущего ее ствола на удвоенную высоту выступов, возвышающихся над поверхностью шарошки. Промывка забоя скважины осуществляется через промывочный канал корпуса и пазы шарошки. 1.2 Двухшарошечные долота. Двухшарошечные долота производства СКБ “Геотехника”, главным образом применяются при бурении геологоразведочных скважин. По разновидностям их можно разделить на 2 класса, 3 типа, имеющие некоторое количество модификаций, отличающихся конструкцией опоры шарошек либо промывочного узла. Долото В112МГ – двухсекионное. При изготовлении выполняется сопряжение секций плоскостями на фиксирующих штифтах, и их сваривание. Угол наклона цапф к оси долота составляет 57,5 град. Шарошки самоочищающиеся, имеют смещение своих осей относительно осей долота на 3 мм. Схема опоры каждой шарошки: – подшипник скольжения; – замковый шарикоподшипник; – роликоподшипник. Зубья шарошек – фрезерованные, крупные, заостренные, защищенные твердосплавной наплавкой. Именно такое вооружение обеспечивает высокую эффективность при бурении очень мягких, вязких пород. Промывка боковая, с оснащением промывочных каналов метеллокерамическими соплами, которые направляют струю жидкости в зазор между шарошками. Долото В132МГ – двухсекионное. Угол наклона цапф к оси долота составляет 57,5 град. Самоочищающиеся шарошки, оснащенные фрезерованными, крупными зубьями. Схема опоры каждой шарошки: – шарикоподшипник; – замковый шарикоподшипник; – роликоподшипник. Рабочие поверхности зубьев армированны релитом ТЗ; угол заострения зубьев 48,6 – 51,8 град. Промывка боковая, со струйными соплами. Долото В151МГ характеризуется такой же конструкцией как и В132МГ, за исключением смещения зубьев шарошек относительно оси долота на 5 мм, и заострения зебьев в пределах 45-49 град. Двухшарошечные долота типа “С”. К этому типу относятся долота 2В93С и 2В112С. Долото 2В93С двухсекционное. Плоскость прилегания секцийрасположена симетрично относительно шарошек. Оси цапф шарошек к оси долота наклонены под углом 47,5 град. Шарошки самоочищающиеся. Опора шарошек состоит из из двух подшипников скольжения и одного замкового шарикоподшипника. Вооружение шарошек предоставлено выфрезерованным стальным зубом, армированным релитом. Высота и шаг зубьев средние, меньше чем y долот типа “M”. Промывка центральная, через одно отверстие круглого сечения. Долото 2В112С двухсекионное. При изготовлении выполняется сопряжение секций плоскостями на фиксирующих штифтах, и их сваривание. Угол наклона цапф к оси долота составляет 50 град. Опора шарошек состоит из из двух подшипников скольжения и одного замкового шарикоподшипника. Вооружение шарошек предоставлено выфрезерованным стальным зубом, армированным Релитом. Высота и шаг зубьев средние, меньше чем y долот типа “M”. Промывка центральная, через одно отверстие круглого сечения. Долота второго класса изготавливаются типа “К”. Типоразмеры долот 59 мм (2Ш59К), 76 мм (В76К), 93 мм (4В93К) и 112 мм (Ш112К). Они предназначены для бурения в крепких и абразивных породах. Их основное отличие между собой – размеры своих элементов. 1.3 Трехшарошечные долота. Самые популярные на данный момент – это трехшарошечные долота. Шарошечное долото – это устройство прямого типа. То есть оно при бурении разрабатывает всю рабочую площадь, дробя и убирая породу по всему периметру. Состоит такой механизм из нескольких элементов, которые мы сейчас и опишем. Но главная его составляющая и по совместительству рабочий механизм – это шарошки. Шарошками называют специальные конусообразные дробильные элементы с нарезанными на них зубьями. Для нарезки зубьев используют промышленные станки, а саму заготовку, как правило, выплавляют в печи. Исключение составляют только дорогие комбинированные шарошки, которые и сами способны вращаться. Изделия такого типа выливать нельзя. При их производстве используются только фрезеровочные высокоточные станки. Шарошки монтируют на лапу долота. Их количество определяется назначением буровой установки. Например, одношарошечное долото используется для бурения скважин или мелких каналов. Теперь приступим к разбору конкретной конструкции трехшарошечного долота. Основной элемент изделия состоит из литого металла, для обработки которого применялись специальные станки. Его монтируют на вращающийся ротор, посредством резьбовых соединений и именуют соплом. На этом элементе крепятся лапы. Лап может быть несколько. В долотах трехшарошечного типа их есть три. Однако количество лапе не всегда жестко привязано к количеству шарошек. Так, для основательного бурения скважин в горной породе или граните используют шестишарошечное долото, у которого на одной лапе находятся по две шарошки. Если рассматривается одношарошечное долото, то здесь лап может не быть вообще. Как правило, на внутренней части лапы установлен параллельный вращательный механизм с подшипниками. Шарошка для бурения монтируется именно на этот механизм. Причем конструкция лап и шарошек создана таким образом, чтобы непосредственно бурильный элемент вращался в противоположную сторону, к направлению вращения основного ротора. Впрочем, здесь все зависит от тех решений, что примет сам производитель. Благодаря такой системе вращения удается намного качественнее дробить и убирать породу. Причем разработка проходит быстрее, шарошки меньше засоряются, а удалять грунт удается очень легко. Стоит понимать, что серийный номер рассматриваемого изделия показывает не только его основные характеристики, но и их конструктивные особенности. Так, серия 1АН представлена моделями, что монтируют на буровые станки с низкооборотными двигателями. Они предназначены для разработки относительно мягких пород. Серия 2АН уже характеризуется повышенной оборотностью (до 250 оборотов в минуту) и возможность постоянного смазывания шарошек и подшипников во время работы. Серия АВ специально создавалась для ситуаций, когда применяются буровые станки и установки высокой мощности. Буква «В» как раз и говорит нам о том, что это высокооборотное изделие, что способно выдерживать огромные нагрузки. При этом вам не придется даже использовать буровые станки с возможностью очистки. Противоположные движения разных уровней шарошек сами удаляют до 90% загрязнений, за счет непоследовательного вращения зубьев. Диаметры долот шарошечного типа тоже существенно различаются. Диаметр сопла начинается от 100 мм и может доходить до нескольких тысяч. Или даже больше, если рассматривать действительно мощное оборудование. Шарошка для бурения тоже имеет очень различные диаметры. Встречаются образцы от 50 и до 1000 мм. Не стоит удивляться, как удается уместить в 100 миллиметровом сопле три шарошки с диаметром в 50 мм. Во-первых, сопло – это самая узкая часть долота. Во-вторых, шарошки монтируются под углом друг к другу. В третьих, их положение можно регулировать, и как правило, чем крупнее площадь обработки долота, тем лучше для рабочих. Как правило, собирать долота такого типа не требуется. Тем более что заниматься этим должны специально обученные люди. Долото в собранном виде нужно только установить на ротор. Для этого нужно насадить сопло на ротор и затянуть резьбу. Затягивать надо очень тщательно, чтобы в процессе работы оно не сорвалось, так как это может привести к очень неприятным последствиям. Затем подключают все элемент, саму лапу, убеждаются в правильно работе всех частей. Например, очень важно заранее проверить момент вращения шарошек, их угол наклона и движение лапы. Если где-то обнаружены проблемы, то приступать к бурению запрещено. Это правило, которое нельзя нарушать. Такие изделия, как правило, очень сильно зависят от наличия смазки. Более того, работая без нее, они быстро изнашиваются и приходят в негодность. А потому и на этот момент стоит обязательно обратить внимание. После выполнения всех работ вам остается только начать процесс бурения и выполнять поставленную задачу. Лопастные долота. Принцип работы такого приспособления основывается на скалывании и срезании горных пород. Буровое долото лопастного типа можно сделать своими руками. Для этого вам нужно придерживаться несложной схемы: свариваете мягкую сталь с наплавкой твердоплавкого типа режущих кромок. Второй вариант самодельного устройства: основная часть детали варится из мягкой стали, а вторая – из зубильных лезвий. Инструмента вам много не понадобится – нужен только сварочный аппарат. Однако если у вас нет опыта работы с подобным приспособлением, то лучше доверить дело специалисту. Лопастные долота используются для мягкой породы или рыхлой. У них достаточно преимуществ перед другими видами буровых устройств, но есть один недостаток: чем глубже проникает буровое долото в землю, тем больше уменьшается диаметр ствола. Использование долота данного вида предусматривает обязательную обработку скважины. Лопастное оборудование режущего типа применяется для бурения скважин геологоразведочных на небольшие глубины. Долота рассматриваемого вида не годны к глубинам более 50 м, предназначены они исключительно для почвы мягкой породы. Лопастное буровое долото состоит из двух частей: корпуса (который куется заранее) и дополнительной резьбы, которая представляет собой 3 лопасти (в отдельных случаях приваривается большее количество). Двухлопастное бурильное оборудование отличается неотъемлемой частью. Корпус и резьба свариваются друг с другом. Чтобы повысить качество и продлить срок службы такого долота, его покрывают (армируют) сплавом твердого типа. Схема действия примерно такая: на переднюю часть лопасти крепятся пластины твердого сплава (с помощью сварочного аппарата) на специальные пазы, заранее фрезерованные. Оборудование этого типа устроено следующим образом: его торец конусообразной формы не допускает заклинивания грунта, а наружная часть имеет пазы. Особой деталью приспособления являются тороидальные канавки, которые располагаются на уступе внутренней стороны. Они способствуют переходу от нисходящего потока к восходящему (при условии, что имеется патрубок керноприемной трубы). Лопастные долота режущего вида способны бурить до момента загрязнения режущих кромок (твердосплавных резцов и крупнозернистого сплава). Это объясняется медленным процессом истирания в промежутке от периферийной области до центра бурильного оборудования. Центральная часть долота является основной частью всего устройства, она определяет качество работы, изнашивается меньше остальных. Однако ее повреждение или износ приостанавливает бурение скважины. Ее загрязнение или неполадки в работе ведут к резкому снижению удельной нагрузки на кромки, задача которых – резать и разрушать породу. Фрезерные долота. В настоящее время дисковые долота фрезерного типа делят на два основных вида: цельнокорпусные и секционные. К долотам дробяще-скалывающего действия относят дисковые долота фрезерного типа и цепные долота. Эти долота разрушают породу дроблением и скалыванием за счет ударного и скалывающего воздействия зубьев на разрушаемый забой. При испытаниях винтовых двигателей обычно применяют торцовые долота фрезерного типа, работающие по граниту, или шарошечные долота - по свинцовому забою. Применение шарошечных долот на гранитном забое, как правило, не позволяет затормозить двигатель до полной остановки. Конструкция секционных дисковых долот фрезерного типа позволяет приблизить выходные отверстия промывочных каналов к забою. Кроме того, она также дает возможность подводить промывочную жидкость для очистки венцов и зубьев рабочих дисков. В долотах фрезерного типа промывочные каналы для очистки забоя расположены в поперечных выступах корпуса с двух сторон. Промывочная жидкость, выходя из каналов, интенсивно очищает забой от разбуренного шлама, а также рабочие диски и пазы от налипшего на них шлама Вместе с тем эти долота, в отличие от алмазных, не боятся присутствия в зоне забоя металлических твердосплавных вкраплений. Более того, их можно спокойно применять для разбуривания застрявших в стволе шарошек и прочих посторонних металлических объектов. При помощи фрезерных ПРИ можно относительно легко и качественно устранять в скважинах бетонные пробки и цементные мосты. Конструкционно основу фрезерного долота составляет удлиненный монолитный корпус с запрессованными в нем рабочими дробящими элементами (штыри и пр.), усиленными твердосплавными металлами. Помимо этого, долото снабжено очень простой по своему строению промывкой. Наряду с указанными выше достоинствами, фрезерные долота имеют и некоторые недостатки. В частности, применяя при бурении именно этот тип ПРИ, сложно добиться высокой механической скорости проходки. Кроме того, они практически непригодны для бурильных операций на глине и прочих вязких и пластичных горных породах. Долота ИСМ. Особая разновидность долот разработана Институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) – долота типа ИСМ. Долота ИСМ предназначены для разрушения резанием и истиранием (микрорезанием) неабразивных пород мягких (М), перемежающихся по твердости (МС) и средней твердости (С). Существует две разновидности долот ИСМ по конструкции: лопастная и секторная. Лопастная разновидность аналогична по конструкции долоту 6ИР. Секторная разновидность долота состоит из стального корпуса, торцевая профильная поверхность которого, разделена на секторы радиальными промывочными каналами. Штырями из «Славутича» вооружена торцевая и калибрующая поверхности долота. Вылет штырей над поверхностью секторов составляет 3-5 мм. На калибрующей поверхности штыри утоплены. При бурении в мягких породах штыри работают как резцы, осуществляя резание и скалывание. В перемежающихся по твердости и породах средней твердости работают зерна алмазов, разрушая породу микрорезанием. Долота ИСМ имеют различную конструкцию, их выпускают трех видов: режущие, торцевые и истирающие. При этом, режущие похожи на лопастные, торцевые - на фрезерные, а истирающие - на алмазные. В отличие от уже описанных выше инструментов, рабочие породоразрушающие части долот данного типа снабжены рабочими вставками из сверхтвердого материала – славутича. Форма и количество вставок и их расположение на долоте зависит от физико-механических параметров породы, которую необходимо бурить. Благодаря наличию сверхтвердых вставок из славутича, они нечасто выходят из строя. Такое наблюдается даже тогда, когда ствол и забой по какой-то причине оказываются недостаточно хорошо подготовленными перед спуском долота в скважину. На сегодняшний день долота ИСМ производятся трех видов: режущего действия, торцевые и истирающие. Режущими бурятся достаточно глубокие скважины, расположенные в мягких и среднепластичных породах. Торцевые применяются при забуривании и бурении нового ствола и при ликвидации возможных аварий на скважинах. Наконец, истирающими долотами ИСМ формируют газовые, нефтяные и разведочные скважины, глубоко приникающие в малоабразивные осадочные породы. В зависимости от формы рабочих элементов, долота ИСМ делятся на радиальные и секторные. К первой группе принадлежат инструменты, которые используются в основном при турбинном бурении стволов глубиной более 3000 м. Ко второй группе относятся долота, участвующие в турбинном и роторном бурениях. Алмазные долота.  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, именуемой карбонадо (абразивные технические алмазы), или черным алмазом, которые характеризуются меньшей твердостью, но значительно большей вязкостью, что в условиях бурения чрезвычайно важно. Технические показатели алмазных долот во многом зависят от качества и размеров алмазов. Работоспособность алмазного долота в наибольшей степени, чем инструмента любого 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. Природные и синтетические алмазы размещают в специальной матрице (обычно медно-твердосплавной), составляющей единое целое с нижней частью стального полого цилиндрического корпуса долота При бурении твердых, крепких и абразивных пород износ матрицы интенсивнее, поэтому во избежание излишнего обнажения алмазов матрица у долот для твердых абразивных пород должна быть наиболее износостойкой. В мягких и средних породах По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойную (рис. 18.17, а-в) и многослойную (рис. 18.17, г), 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. Размеры алмазных долот по номинальному диаметру несколько уменьшены (обычно на 2 мм) относительно соответствующих значений нормального ряда долот других видов (лопастных, шарошечных и др.) во избежание преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины. При маркировке алмазных долот впереди их шифра наносят условный индекс предприятия-изготовителя. Московскому комбинату твердых сплавов присвоена в качестве условного индекса буква М, а ВНИИБТ – Н. За шифром указывают также заводской номер и год изготовления данного долота. Импрегнированные лопастные долота с синтетическими алмазами выпускают одного размера – модель ДЛСМ212СЗ.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 . 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. Существенные недостатки алмазных долот – это крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная механическая скорость не привышает 3 м/ч. Для сравнения максимальная механическая скорость бурения шарошечными долотами составила около 120 м/ч), узкая область применения (исключаются абразивные породы), а также повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины и промывке скважины в процессе бурения. |