Долота для бурения


Назначение и классификация буровых долот

Буровое долото представляет собой один из основных инструментов для разрушения горных пород механическим способом. Исходя из того, какой вид имеет рабочая часть, различают:

  • шарошечные долота – бурение нефтяных, газовых скважин
  • лопастные долота – бурения мягких и среднетвердых пород.

Первый тип может состоять из одного или нескольких сферических или цилиндрических шарошек. Последние крепятся на подшипниках на цапфах секций. Могут использоваться подшипники скольжения, качения или же их сочетание.

Второй тип представляет собой кованый корпус, на котором размещаются лопасти. Их боковые грани армированы специальными зубками, которые упрощают калибровку стен скважин. Кроме этого, сами лопасти также армируются твердым сплавом – это делается для повышения их износостойкости и, соответственно, срока службы. 

Кроме основной классификации, существует ещё немало типов и подвидов долота. Такое распределение позволяет легче ориентироваться в разнообразии и упрощает подбор подходящего под конкретную ситуацию долота. Подробнее о назначении, типах и сферах их применения – далее в статье.

Назначение буровых долот

Как было указано выше, буровые долота используются для того, чтобы пробурить нефтяную, газовую, водяную или любую другую скважину. Фактически, данный элемент выполняет следующие функции:

  • разрушение грунта в забое;
  • глубинная проходка;
  • выравнивание стенок скважины.

Долота широко применяются во многих сферах, где требуется пробурить грунт. К примеру, если нужно сделать колодец или же собрать информацию о составе почв и дать им оценку. Нефтяная и газовая промышленность не в состоянии обойтись без этого породоразрушающего оборудования, так как именно оно позволяет наиболее эффективно производить бурение скважин различного размера и глубины.

По назначению долота делят на три большие группы:

  • для сплошного бурения – разрушение в одной плоскости или ступенчато;
  • для колонкового бурения – разрушение по периферии;
  • специальные.

В геологоразведке часто используются колонковые виды, так как они позволяют достать образцы грунта.

Буровые долота и их классификация – это то, что необходимо тщательно изучить. Каждый тип имеет свои особенности и назначение. В частности, далее будут рассмотрены:

  • шарошечные;
  • лопастные;
  • алмазные;
  • фрезерные.

Эти виды наиболее часто применяются для бурения скважин нефтяного, газового или любого другого типа.

Шарошечные долота

Один из самых универсальных породоразрушающих инструментов, который широко применяется во всех отраслях.  Он оказывает дробящий или дробяще-скалывающий эффект, тем самым формируя скважину нужного диаметра. Такое долото предназначено для абразивных и неабразивных пород любой твердости.

Устройство долота довольно сложное, так как базируется на подвижных элементах – подшипниках. Приваренные друг к другу секции оснащены вращающимися шарошками. Последние могут иметь конусообразную или цилиндрическую форму. Именно за счет них и происходит ударное или ударно-сдвигающее действие.

Последний метод наиболее эффективен, так как за счет проскальзывания шарошек удается произвести дополнительное скалывание.

От количества шарошек зависит и область применения инструмента:

  • одношарошечные – для бурения скважин на большую глубину;
  • двухшарошечные – в геологоразведке;
  • трехшарошечные – нефтяные, газовые скважины;
  • четырехшарошечные – для сложных условий.
Типы буровых долот шарошечного вида не имеют четкой специализации и при необходимости ничто не запрещает использовать одношарошечные вместо трехшарошечных. Все зависит от того, какой именно должна в итоге получиться нефтяная или какая-либо другая скважина.

Лопастное долото

По устройству такое долото значительно проще, чем шарошечное. Фактически, это просто корпус, к которому прикреплены несколько лопастей. Наиболее эффективно показывает себя этот породоразрушающий инструмент в мягких, рыхлых породах.  Лопастное долото способно работать на высоких скоростях и, при благоприятных условиях, давать внушительные результаты бурения. К примеру, пройти за одну проходку около 1500 метров более чем реально.

На сегодняшний день представлены следующие виды буровых долот лопастного типа:

  • однолопастные – для цементных пробок;
  • двухлопастные;
  • трехлопастные;
  • трехлопастные, истерающе-режущие;
  • шестилопастные.

В списке выше все типы, кроме однолопастного, предназначены для довольно пластичных и мягких пород.

Последние три применяются, когда нужна нефтяная или газовая скважина, так как они имеют больший диаметр.

Для продления срока службы инструмента, используется армирование не только самой лопасти, но и её контактного края. Это позволяет понизить разрушающее воздействие пород, а также способствует образованию более гладких и ровных стенок скважин.

Алмазное долото

Если планируется, что скважина будет проходить через ряд различных по твердости пород, нередко применяются алмазные долота. Сам инструмент рассчитан на среднюю твердость, однако используется и тогда, когда твердые породы чередуются с мягкими. Оптимальными считаются породы средней твердости.

Разрушение слоев происходит за счет их истирания. Долото включает в себя алмазные режущие элементы, которые и обеспечивают уничтожение пород. Общая эффективность долота напрямую зависит от того, какого качества и величины алмазы используются.

По типу их расположения различают:

  • однослойное долото;
  • многослойное долото.

Кроме этого, существует классификация, которая опирается на расположение рабочих элементов:

  • радиальные;
  • спиральные;
  • ступенчатые.

Несмотря на довольно внушительные показатели и преимущества, алмазное долото является очень требовательным инструментом. Так, если при бурении нефтяной скважины на его пути попадется металлический объект или же просто слишком твердая горная порода, то инструмент выйдет из строя: алмазный элемент может расколоться или выпасть из корпуса. Впрочем, плохая промывка также приведет к тому, что долото выйдет из строя или же будет работать менее эффективно.

Фрезерное долото

Фрезерные типы буровых долот, по сравнению с другими видами породоразрушающих инструментов, гораздо проще по своему устройству, а также значительно прочнее и устойчивее. Конструкция такого долота представляет собой монолитный корпус. В него и запрессованны дробящие элементы, которые и обеспечивают высокую эффективность.

В отличие от своих аналогов, фрезерное долото не боится твердых прод или металлических элементов. К примеру, его часто используют для того, чтобы пробить бетонную или цементную пробку. Если по какой-то причине в скважине осталась шарошка, то её убирают именно с помощью фрезерных долот.

Несмотря на все свои плюсы, существует и ряд ограничений:

  • не подходят для вязких пород;
  • невозможна быстрая проходка;
  • довольно примитивный способ промывки.

Тем не менее, данный породоразрушающий инструмент просто незаменим для бурения нефтяных, газовых и любых других скважин. Такое долото чаще всего используется в качестве вспомогательного элемента, однако в некоторых случаях применяется и как основное.

Бурение скважин

snkoil.com

Бурильное долото – важнейший компонент эффективного бурения скважин

Как известно, нефть и газ в современных условиях добываются с помощью скважин, пробуренных в пластах земных пород. Бурение сегодня – единственный эффективный метод по разведыванию и наращиванию добываемых объемов нефти и газа. И один из главных элементов в подобных технологиях – долото. Именно долота разрушают горные породы, а поскольку существуют множество технологий бурения, то и видов бурильных долот разработано немало.

При бурении нефтяных, газовых и прочих скважин основным способом разрушения горных пород является механический. Существует несколько видов бурения: сплошное, колонковое, бурение для расширения ствола скважины, для выполнения в скважине спецработ и др. Неотъемлемая часть технологии – использование буровых долот, или искусственно отлитых из металла матриц, на которые монтируются дополнительные детали, такие как шарошки, режущие пластины, зубцы и т. д. Условно долота можно разделить по назначению: для бурения крепких пород, твердых, средней твердости и долота, рассчитанные на бурение мягких пластов.

До 90% всех буровых работ как в России, так и за рубежом в настоящее время выполняется с помощью шарошечных долот. Такое долото разрушает породы дробяще-скалывающим методом, используемым в технологии вращательного бурения. Вооружением долота являются шарошки, которые оснащены стальными и/ или твердосплавными зубьями различной длины и конфигурации либо впрессованными в шарошку штырями из спекаемого карбидовольфрамового порошка – очень твердого материала. В качестве режущих элементов вооружения долот используют также сплавы из никеля, вольфрама, титана, причем видов твердых сплавов очень много.

Кинематика работы шарошки заключается в том, что при вращении долота шарошка совершает сложное перемещение, участвуя в относительном движении вокруг собственной оси и во вращательном движении вокруг оси долота. При сложении двух вращательных движений шарошка совершает поворот вокруг некоторой мгновенной оси. В зависимости от положения этой мгновенной оси меняется и характер взаимодействия зубца с породой. При перекатывании шарошки по забою передача нагрузки на породу носит кратковременный характер, и это уменьшает износ долота. А возникающие при этом динамические нагрузки способствуют интенсивному разрушению породы. Большое число породоразрушающих зубьев, установленных в шарошке, обеспечивают равномерное распределение нагрузки в инструменте, и при незначительной площади контакта шарошки с породой на последнюю воздействует высокое удельное давление.

Наибольшее распространение в бурильной отрасли получили трехшарошечные долота, хотя производятся и одно-, и двухшарошечные.

Надо отметить, что сегодня шарошечные долота представлены на рынке большим числом модификаций. Кроме разделения долот по количеству шарошек, существуют долота различных размеров, типов, классов. Например, если рассмотреть трехшарошечные долота, то рынок предлагает 26 типоразмеров таких долот, представленных более чем 150 моделями. Исходя из видов пород, для бурения которых трехшарошечные долота разрабатывались, модели долот разделены на 13 групп, а поскольку в шарошках используются различные твердосплавные материалы, то шарошечные долота подразделяются еще и на 3 класса в зависимости от сплавов, задействованных в вооружении долот.

Популярность шарошечные долота получили благодаря универсальности, хорошей управляемости, особенно при бурении наклонных участков, а также низкой цене. Но при этом шарошечные долота работают с низким крутящим моментом, за счет чего скорость проходки невысокая, а плохая износостойкость, во-первых, заставляет достаточно часто извлекать долото из скважины для замены, а во-вторых, за счет износа вооружения долота диаметр скважины уменьшается с увеличением глубины, и после шарошечного бурения приходится калибровать ствол скважины, например, алмазным долотом.

Еще один распространенный вид буровых долот – лопастные. Наиболее часто применяются они для того, чтобы в короткое время разбуривать мягкие и средние по твердости породы. Долотами этого типа пользуются в том числе и при бурении скважин на воду. За счет высокой скорости проходки в рыхлых и мягких породах за рейс, а это полное время работы долота в скважине до его подъема на поверхность, бурят скважины глубиной в несколько сотен метров, иногда до 2000 м!

Лопастные долота имеют более простую конструкцию, чем шарошечные, и себестоимость их изготовления дешевле. Но режущие элементы долот постоянно находятся в контакте с породой, и в связи с этим лопастные долота изнашиваются намного быстрее шарошечных. В настоящее время применяются лопастные долота Ø76–445 мм пяти видов: однолопастные пикообразные (П), двухлопастные (2А), трехлопастные (3А), трехлопастные истирающе-режущие (ЗИР) и шестилопастные (6ИР).

Конструкция фрезерных долот еще проще, чем устройство лопастных. Фрезерные представляют собой корпус, в торцевой части которого закреплены специальные штыри или твердосплавные вставки, а на всю торцовую часть нанесен слой металла высокой твердости. Такой вид долот предназначен для выполнения нестандартных задач: фрезерные долота применяют, когда необходимо пройти участок в особо твердых пластах, также они незаменимы при удалении оставшихся в стволе скважины после аварии металлических фрагментов бурового инструмента. Для традиционных видов бурения этот инструмент не очень подходит, поскольку скорость проходки очень мала, к тому же фрезерные долота неэффективны при бурении вязких и мягких пород.

Алмазные долота, которые еще называют секторными, применяются для разрушения не­абразивных пород средней и высокой твердости. Рабочим органом этого инструмента является основание с поликристаллическими композитными вставками. Если основание используется стальное, то поликристаллические алмазы монтируются в основание с помощью пайки, если же основанием является порошковая матрица, то алмазы внедряются в материал матрицы по специальной технологии.

У алмазных долот много положительных эксплуатационных качеств, а именно: они формируют при бурении геометрически круглый ствол скважины, в отличие от ствола треугольной формы со скругленными вершинами, получаемого после бурения шарошечными долотами. Поверхность стенок ствола при «алмазном» бурении получается очень гладкой, а кроме того, алмазные долота отличаются износостойкостью. К тому же отсутствие в конструкции подвижных частей также увеличивает надежность алмазного инструмента.

Но есть и негативные факторы. Во-первых, это высокая цена алмазного долота. Во-вторых, эти долота не работают с абразивными породами, а значит, имеют довольно ограниченную область применения. «Минусом» инструмента является и то, что ствол скважины перед бурением алмазным долотом необходимо специально готовить, в частности предварительно пройти шарошечным долотом, а это не всегда удобно.

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.

Ведущие производители долот немногочисленны

Производством буровых долот в России занимается ограниченный круг предприятий. Это связано, с одной стороны, с небольшой емкостью рынка долот, на уровне 90–100 тыс. ед., а с другой – со значительными затратами на организацию высокотехнологичного производства. Выпуск качественного бурового инструмента требует систематических инвестиций в производство, закупку современного оборудования, приобретения новейших технологий, привлечения высококвалифицированных специалистов в компании.

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.

Среди производителей бурового инструмента можно назвать холдинг «Таргин», входящий в 500 крупнейших компаний России. Компания «Таргин» разработала собственные буровые долота PDC под торговой маркой «Таргин Тарбит».

В линейке, предлагаемой предприятием, долота и буровые головки для бурения скважин от 42 до 490 мм. Компания предлагает также услуги по восстановлению изношенных и поврежденных PDC-долот с сохранением первоначальных свойств и технических параметров.

Для водоснабжения, для строительной, горнорудной и других отраслей нашей экономики главными поставщиками долот являются предприятия ОАО «Уралбурмаш» и ЗАО «Гормаш». Поскольку долота, используемые в горнорудной отрасли, не так нагружены, как у нефтяников и газовщиков, то предприятия производят стандартные недорогие долота. Для строительной отрасли глубина бурения не превышает 30 м, для водоснабжения иногда требуются скважины глубиной до 300 м, но не более. Для строительного бурения и при буровых работах в горнорудном производстве используются главным образом шарошечные и лопастные долота, а вот долота с фиксированной головкой практически не встречаются.

Инструмент для бурения инженерно-геологических, гидрогеологических, поисковых скважин, долота для установки буронабивных свай и и укрепления фундаментов производит ООО «Завод буровых технологий» из Санкт-Петербурга. Предприятие предлагает серию долот PDC в качестве альтернативы шарошечным долотам при бурении скважин в песчаниках, известняках, аргелитах. Завод также выпускает классические шарошечные долота различных модификаций для бурения твердых малоабразивных пород и твердых с пропластками очень твердых. Для бурения мягких и средней твердости пород ЗБТ предлагает 2- и 3-лопастные шнековые долота ТМ «Карьер». Главной особенностью этих долот является то, что лопасти имеют оригинальную ступенчатую форму, что позволяет добиться более высоких скоростей бурения и повышает износостойкость инструмента.

Большой спектр бурового инструмента предлагает предприятие «Буровой инструмент» из Кургана. В предлагаемом ассортименте шнековые долота, долота для малогабаритных бурильных установок (МГБУ), а также долота с боковой и центральной промывкой. Завод освоил производство лопастных долот, предназначенных для бурения геологоразведочных шурфов и скважин в трещиноватых абразивных горных породах.

Для геологических партий, а также для предприятий, занимающихся частным бурением, предприятие выпускает пикабуры, применяемые при бурении мягких и средних пород. Для сооружения водных скважин пикабуры являются оптимальным инструментом, поскольку они обеспечивают высокую скорость бурения и продуктивность работы при небольшой стоимости.

Конструкторы предприятия из Кургана разработали также долота PDC с резцами из поликристаллических алмазов. Оптимальное количество резцов размещается на минимальном числе лопастей, что позволяет достичь высоких скоростей бурения, а благодаря износостойким резцам инструмент эффективен при работе с породами мягкими и твердыми. Причем в качестве опции долото может комплектоваться резцами повышенной стойкости для бурения пород с пропластками до V–VII категорий твердости.

Надо сказать, что в мире насчитывается не более трех десятков компаний, серьезно занимающихся разработкой и производством бурового инструмента, а свыше 80% мирового рынка находится под контролем всего нескольких транснациональных компаний, таких как National Oilwell Varco, Schlumberger, Halliburton и Baker Hughes. Высокая концентрация производства связана, как и в России, с ограниченностью спроса бурового инструмента и большими затратами на организацию производственного цикла.

GemDrill-Gemsa, SEG – один из ведущих в мире производителей и поставщиков буровых установок и бурильного оборудования для горнодобывающей промышленности. Компания работает более чем в 86-ти странах. При создании продукции и организации сервиса основное внимание GemDrill уделяет обеспечению максимальной безопасности оператора, высокой производительности и энергоэффективности, а также эргономике оборудования. В обширной производственной линейке компании есть буровые установки для самых разных видов работ, для бурения под землей и с поверхности земли, включая поиск полезных ископаемых, горные разработки, бурение скважин в отраслях гидрологии и энергетики, а также в целях развития инфраструктуры.

Буровые установки GemDrill универсальны и имеют низкую стоимость владения. Все установки комплектуются высококачественными узлами и деталями, произведенными в соответствии с правилами «Безопасности машин» Евросоюза и имеют соответствующую маркировку.

На нашем рынке инструмент для буровых работ активно предлагают многочисленные зарубежные производители, в основном из США, Европы и, конечно, Китая. Интересно, что качество наших долот, как правило, не уступает показателям аналогичной импортной продукции, однако стоимость российского инструмента оказывается минимум на треть дешевле. А есть примеры, когда цена российского долота была ниже на 300% по сравнению с ценой предлагаемого «брендового» из-за рубежа!

Но к сожалению, наши предприятия выдерживают пока мощный натиск зарубежных конкурентов только благодаря низким ценам на свою продукцию. Видимо, без активных действий по объединению мелких отечественных предприятий в холдинги, а также без использования мощных рычагов поддержки своего производителя в форме государственных защитных протекций конкурировать российским предприятиям, выпускающим буровой инструмент, с мировыми гигантами будет очень и очень сложно.

os1.ru

Какие бывают виды буровых долот

Существующие виды буровых долот можно разделить в зависимости от назначения, исполнения и разрушения породы. По назначению долота бывают сплошными (которые предназначены для разрушения скважины по периметру всего забоя), с отбором керна (центральная часть забоя оставляется, порода разрушается не до конца) и особых предназначений (фрезер, расширитель и т. д.). По исполнению существуют долота лопастного типа, шарошечного, ступенчатого, пикообразного.

Виды лопастных долот.

Буровые долота по воздействию делят на режуще-скалывающие, дробяще-скалывающие, режуще-истирающие. Первое название носит лопастное буровое долото, второе — шарошечное, третье — алмазное. Каждый из вышеперечисленных видов имеет свое применение и индивидуальные характеристики. Однако задача у них одна — пробурить скважину на необходимую глубину. Сделать долото своими руками почти невозможно, так как требуются детали, которые закрепляются на производственных предприятиях. Рекомендуется приобретать долота в комплекте с буровыми установками, чтобы обеспечить высокое качество работы.

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.

Схема трехлопастного долота.

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.

Технические характеристики

Лопастные долота делятся на 2 типа: М и МС. Первый тип служит для бурильных работ по мягкому грунту, второй — для пород средней твердости.

Оборудование может быть с наличием калибрирующего сектора, опережающим лезвием или вогнутыми лопастями. Каждый из вариантов служит для определенных работ и имеет особенности расположения отверстий для промывки. Долота М типа обуславливаются наличием гидромониторных и струйных насадок.

Схема режущего долота ИСМ первой модификации.

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.

Цилиндрические зубцы армируются в боковые части долота. Они прессуются в проделанные отверстия. Твердый сплав наполняет свободные промежутки, образовавшиеся между зубцами.

Второй вид лопастного долота приспособлен для отбора керна и обуславливается наличием шарошечных и бурильных головок. Они делаются со съемным (несъемным) керноприемником. Изготавливаются эти детали специально для керноприемного оборудования. Благодаря колонковым долотам с таким керновым устройством, можно отбирать керн с забоя скважины без процесса поднятия колонны для бурения.

Конусообразная форма ребер позволяет смещаться разрушенной породе в центральную часть колонны. Элементы, которые разрушают породу, армируются различными формами в виде квадрата, многогранника или круга.

Схема колонкового долота.

Лопастные долота с отбором керна имеют коронки, задача которых заключается в бурении мягких пород (в составе могут быть твердые пропластки). Буровая коронка применяется для вращательного способа бурения с кольцевым забоем. Состоит из корпуса, матрицы и промывочного канала. Буровые коронки бывают алмазными и твердосплавными. Работоспособность оборудования зависит от качества коронок.

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).

Долота малогабаритного размера с режущим элементом, предназначенным для процесса буровых работ с мягкой почвой или породы с прослойками. Бурильные работы производятся с помощью очистки забоя агентом для промывания или шнековым устройством. Таким образом, порода разрушается по принципу резания.

Чаще всего буровое оборудование используется для геологоразведочных скважин, а также с целью обустройства колодца. В зависимости от уровня сложности работы, долотом можно бурить до 15 часов без остановки. По сравнению с применением тяжелого оборудования нефтяного типа, это время минимальное (такое буровое устройство работает до 200 часов). Однако практичность и удобство процесса бурения легкими установками дает им преимущество.

Схема трехшарошечного долота.

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.

Бурильные работы шарошечным долотом

Этот вид долота обуславливается скалыванием и дроблением породы. Предназначено такое устройство для бурения скважин с целью добычи газа или нефти. Оборудование выглядит так: комбинация сложного типа с вращающимися зубьями разных размеров.

Используются долота шарошечного вида для бурильных работ всех уровней твердости породы. Благодаря этому универсальному свойству, имеют широкое применение. Своими руками сделать такую установку невозможно, рекомендуется приобрести.

Данное оборудование содержит инструмент вращательного бурения с наличием карьерных станков и шарошки, которая имеет зубья различной длины и конфигурации. В нее могут быть впрессованы штыри на основе твердого сплава. Карбид вольфрама (из которого сделаны зубья) способен разрушить любую горную породу, от самой мягкой до твердой.

Шарошечное долото используется для бурения:

  • разведочных скважин;
  • эксплуатационных;
  • поисковых;
  • разведочных;
  • инженерно-геологических и др.

Схема одношарошечного долота/

По технологии и конструкции это оборудование отличается сложностью изготовления. Они бывают одно- двух- трех- четырехшарошечное.

Особенности конструктивных параметров:

  1. Ось шарошек и их вершины относительны оси долота.
  2. Угол наклона оси шарошки определяется осью устройства.
  3. Количество конусов на шарошках.
  4. Месторасположение зубьев венца.
  5. Своеобразие геометрических параметров элементов долота.

Данный тип оборудования применим к бурению геологоразведочных скважин и скважин для взрывания. Особенно необходим он для разрушения крепких пород. Изобретение долота с наличием шарошек конусной формы принадлежит США.

Бурильное долото шарошечного типа считается неотъемлемым элементом буровых работ. В России стал популярен благодаря быстрому и эффективному бурению скважин для нефти и газа.

С помощью шарошек, которые сделаны из твердой стали или сплава, разрушаются крепкие горные породы. Они вращаются, закрепленные на опорах долота, а вместе с ними вращается и само оборудование, прижимаясь при этом к забою.

Колонковая бурильная коронка может состоять из множества шарошек разной формы. Элементом породоразрушения являются зубки из сплавленной стали или фрезерованные зубья. Их комбинация способствует эффективному разрушению любой породы. Для повышения стойкости шарошек к всевозможным повреждениям, их заливают сплавом из карбида вольфрама. Форма и параметры этого оборудования (угол заострения, длина и расположение зубьев) зависит от свойств породы. Для бурильных работ применяются зубья с клиновидной формой на конусе.

Чтобы разрушить твердую породу, используются опоры в конструкции долота. Герметизация опор необходима для сложных работ.

Шарошечные долота бывают цельнокорпусной конструкции и секционной. Первый тип долот характерен свариванием лап с шарошками, второй — свариванием отдельно взятой секции.

Алмазные буровые долота

Системы очистки забоя скважины и охлаждения шарошечного долота.

Этот вид оборудования обуславливается наличием алмазных элементов, которые режут и, следовательно, разрушают породу. Качество такого оборудования зависит от параметров алмазов. Могут применяться как натуральные, так и искусственные камни, но чаще всего используется карбонад.

Долото из алмаза состоит из матрицы и конуса на основе стали (которая имеет конусную замковую резьбу). Долота этого вида различаются между собой системой промывки, качеством алмазов и особенностями конструкции.

Матрица — неотъемлемая часть бурильного оборудования алмазного типа, производится из металлического порошка.

Порошок обеспечивает хорошее удержание режущего покрытия.

Алмазные бурильные долота подразделяются на ступенчатые, радиальные и спиральные. Спиральный вид бурильного оборудования содержит спирали, которые сделаны из алмазов, и отверстия для промывки. Таким долотом обрабатываются малоабразивные и среднеабразивные земли.

Радиальные долота обуславливаются наличием выступов. В промежутках между этими секторами (которые образуют выступы) есть каналы для промывания. Предназначено подобное оборудование для малоабразивных пород, которые имеют среднюю твердость. Может применяться и для твердого грунта.

Своеобразие ступенчатого долота для бурильных работ — в форме ступенек. Используется при способах бурения турбинным и роторным методом. Применяются для всех малоабразивных пород.

moyaskvazhina.ru

Г л а в аIi буровые долота § 1. Назначение и классификация

Долото — буровой инструмент для механического разрушения горных пород на забое скважины в процессе ее проходки.

По характеру воздействия на породу долота можно классифицировать следующим образом.

1. Долота режуще-скалывающие — лопастные долота (рис.22), предназначенные для разбуривания вязких и пластичных пород небольшой твердости (вязких глин, малопрочных глинистых сланцев и др.) и малой абразивности.

Рис. 22. Двухлопастное долото

2. Долота дробяще-скалывающего действия — шарошечные долота (рис. 23), предназначенные для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких.

3. Долота режуще-истирающего действия — долота с алмазными и твердосплавными породоразрушающими вставками. Предназначены они для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже малоабразивными твердыми.

По назначению буровые долота подразделяются на три вида:

1) долота, разрушающие горную породу сплошным забоем;

2) долота, разрушающие горную породу кольцевым забоем (колонковые долота);

3) долота специального назначения.

Долота для сплошного и колонкового бурения предназначены для углубления скважины, а. специального назначения — для работы в пробуренной скважине (расширение и выравнивание ствола скважины) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня).

Как для сплошного, так и для колонкового бурения созданы долота, позволяющие разрушать горную породу по любому из перечисленных выше принципов. Это облегчает подбор типа долота в соответствии с физико-механическими свойствами данной горной породы. Выпускаются долота диаметром от 46 до 580 мм.

Рис. 23. Трехшарошечные долота:

а — для пород средней твердости (типа С) с клиновидными выфрезерованными зубцами; б — для твердых абразивных пород при продувке скважины воздухом (тип ТЗП) с запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами с клиновидной породоразрушающей поверхностью; в — для крепких пород (типа К) с запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами со сферической породоразрушающей поверхностью

§ 2. Долота для сплошного бурения

Лопастные долота

По числу лопастей лопастные долота разделяются на двухлопастные долота (типа 2Л) и трехлопастные (типа ЗЛ). В верхней части долота имеется муфта с присоединительной резьбой и двумя или тремя лопастями, расположенными по отношению друг к другу под углом соответственно 180° и 120°. Двухлопастные долота изготовляются цельноковаными, а трехлопастные— сварными. Штампованные лопасти у трехлопастных долот приваривают к цельнокованым корпусам по всему контуру касания.

По принципу разрушения породы лопастные долота относятся к долотам режуще-скалывающего действия, так как под влиянием нагрузки на забой их лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента — скалывают ее. Для увеличения износостойкости лопасти армируют твердыми сплавами. Наиболее сильно армируют периферийные участки и боковые поверхности лопастей, так как они выполняют наибольший объем работы по разрушению породы.

Долота имеют специальные отверстия, через которые промывочная жидкость из бурильной колонны направляется к забою скважины. Отверстия эти (два у двухлопастных и три у трехлопастных долот) расположены так, что выходящие из них струи жидкости, отклоняясь несколько вперед от плоскостей лопастей, ударяются о забой на расстоянии 2/3 радиуса долота.

Для эффективного разрушения породы и очистки забоя от выбуренных частиц породы скорость истечения жидкости из промывочных отверстий должна быть не менее 80—120 м/с. При такой скорости струй стенки отверстий, просверленных в стальном корпусе долота, подвергаются быстрому эрозионному и абразивному износу. Во избежание этого в отверстия вставляются сменные насадки, изготовленные из твердого сплава. Для уменьшения гидравлических сопротивлений кромки отверстий в насадках на входе сглаживают, а само сечение плавно сужают к выходу. Вставляют насадки в отверстия долота с помощью маслонефте-стойких уплотнительных резиновых колец, обеспечивающих герметичность пространства за насадкой. Во избежание сильного рассеивания энергии струй жидкости насадки устанавливают с максимальным приближением к поверхности забоя.

Шарошечные долота

Шарошечные долота успешно применяются при вращательном бурении пород самых разнообразных физико-механических свойств с промывкой забоя любой промывочной жидкостью .и с продувкой забоя воздухом. Созданы конструкции шарошечных долот с одной, двумя, тремя, четырьмя и даже с шестью шарошками. Однако наиболее распространены трехшарошечные долота, некоторые типы которых приведены на рис. 23. Из шарошечных долот других типов в настоящее время применяют од-ношарошечные (рис. 24).

Трехшарошечные долота выпускаются в основном секционные (рис. 25), изготовляемые путем сварки трех кованых сек-

Рис. 24. Одношарошечное долото

Рис. 25. Секционное гидромониторное трехшарошечное долото:

I — присоединительная резьба; 2 — промывочное отверстие; 3 — секция долота; 4 — шарошка; 5 — цапфа; 6 — роликовый подшипник; 7 — шариковый подшипник

ций 3, на цапфах 5 которых вращаются на подшипниках 6 и 7 шарошки 4, оснащенные породоразрушающими элементами — зубцами. На верхнем конце долота после сварки секций нарезается наружная присоединительная резьба /. Для подачи циркулирующего агента на забой в корпусе предусмотрены промывочные отверстия 2.

В зависимости от физико-механических свойств горных пород трехшарошечные долота выпускают следующих типов (табл. 2).

Долота различных типов отличаются друг от друга конструкцией шарошек и подшипников, конструкцией зубцов и шагом между ними, утлом наклона оси шарошки к оси долота и конструкцией промывочных отверстий.

Трехшарошечные долота изготовляют с одно-, двух-, трех-и четырехконусными шарошками. При вращении долота по часовой стрелке шарошки, перекатываясь по забою против часовой стрелки, совершают сложное вращательное движение. В результате зубцы шарошек наносят удары по породе, дробят и скалывают ее. Поэтому шарошечные долота по принципу разрушения породы относятся к долотам дробяще-скалывающего действия.

Т а бл иц а 2 Типы трехшарошечных долот и их назначение

Тип долота

Горные породы, для разбуривания которых предназначены долота

М

Самые мягкие, несцементированные, пластичные (наносы, мягкие и вязкие глины, сланцы, мягкие известняки)

МЗ

Мягкие, слабосцементированные абразивные (песчаники, мергели)

МС

Мягкие, неабразивные с пропластками пород средней твердости (мел с пропластками слабосцементированных песчаников, каменная соль с пропластками ангидритов, глинистые сланцы)

МСЗ

Мягкие, слабосцементированные абразивные с пропластками пород средней твердости (песчано-глинистые слайды, плотные глины с пропластками песчаников)

С

Пластичные и хрупкопластичные неабразивные породы средней твердости (плотные глины, глинистые сланцы, известняки средней твердости)

сз

Абразивные средней твердости (песчаники, песчанистые сланцы)

ст

Хрупкопластичные средней твердости с пропластками твердых пород (песчаники с пропластками гипса, известняки с пропластками гипса, ангидриты)

т

Твердые, неабразивные (твердые известняки, доломиты, до-ломитизированные известняки)

тз

Твердые абразивные (окварцованные известняки и доломиты)

тк

Твердые с пропластками крепких (твердые известняки с пропластками мелкокристаллических известняков и доломитов)

ткз

Абразивные твердые с пропластками крепких (окремнелые аргиллиты, твердые известняки и доломиты, мелкозернистые сильно сцементированные песчаники)

к

Крепкие (окремнелые мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты)

ок

Очень крепкие (граниты, кварциты, диабазы)

В зависимости от пород, для бурения которых предназначается долото, шарошки имеют различные породоразрушающие элементы — зубцы, изготовляемые либо вместе с телом шарошки путем фрезерования или накатки, либо отдельно из специальных твердых сплавов. Последние имеют клиновидную или сферическую контактную поверхность и запрессовываются в гнезда, высверленные в теле шарошки.

Шарошки долот типов М, МС, С, СТ и Т имеют фрезерованные или накатанные зубцы, высота и шаг которых уменьшаются, а угол при вершине зубца увеличивается от долот типа М к долотам типа Т.

На всех шарошках породоразрушающие элементы располагаются, как правило, концентрическими венцами. Число венцов у шарошек долот типа М наименьшее, а у долот типа Т — наибольшее. Делается это для усиления дробящего воздействия долота на более твердую породу.

Поскольку периферийные венцы трех шарошек поражают один и тот же участок забоя, форма и расположение зубцов на них у каждой шарошки приняты с учетом этой особенности работы долота. Так, если периферийный венец у одной шарошки имеет обычные призматические зубцы, то у другой шарошки он может быть оснащен призматическими, но менее широкими зубцами, расположенными в шахматном порядке. Так как грани зубцов, обращенные к стенке скважины, подвержены абразивному износу, некоторые заводы зубцы на периферийных венцах выполняют Г-образной, Т-образной или П-образной формы.

Шарошки долота типа ТК имеют на внутренних венцах фрезерованные или накатанные призматические зубцы, а на периферийных венцах — зубцы из твердого сплава со сферической породоразрушающей поверхностью.

Шарошки долот типов К и ОК имеют на всех венцах зубцы из твердого сплава со сферической породоразрушающей поверхностью.

Шарошки долот типов МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ и ТКЗ, предназначенные для бурения пород, обладающих абразивными свойствами, оснащены запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами, имеющими клиновидную породоразрушаю-щую поверхность. Число венцов и клиновидных зубцов в каждом венце выбирается в зависимости от твердости породы, для которой предназначено долото (у долот типа МЗ наименьшее, а у долот типа ТКЗ наибольшее).

Один из основных узлов шарошечного долота — опора шарошек, вращающихся вокруг цапф. При работе долота на забое опоры воспринимают при высокой частоте вращения шарошек

Рис. 26. Опоры трехшарошечных долот: /, II, III — ряды подшипников

значительную нагрузку от бурильной колонны и сил реакции забоя и стенки скважины. Поэтому опора должна иметь подшипники, воспринимающие как радиальную, так и осевую составляющие действующей на нее нагрузки.

Многообразие типоразмеров долот (см. табл. 2), предназначенных для бурения различных пород при разных нагрузках на забой и частотах вращения долота, обусловило создание многих схем опор шарошек. Однако наиболее распространены схемы, приведенные на рис. 26. Как видим, опоры различаются различным сочетанием подшипников: качения (шариковых и роликовых) и скольжения (шарошки по цапфе). При этом в каждой схеме предусмотрен шариковый подшипник, называемый замковым, так как он не только воспринимает усилия, направленные вдоль и перпендикулярно оси цапфы, но и удерживает шарошку на цапфе. Для этого после закладывания необходимого числа шариков через отверстия в цапфе (на рис. 25 и 26 показано пунктиром) пальцем 2 (рис. 27) отверстие это закрывают, а палец приваривают к телу цапфы /.

Рис. 27. Цапфа / и палец 2 трехшарошечного долота

Выбор типов подшипников определяется требуемыми нагрузками на забой, частотами вращения долота и размерами шарошек.

При бурении мягких пород и пород средней твердости требуется сравнительно небольшая нагрузка на забой и повышенная частота вращения долота, что создает условия для применения в /,и /// рядах шариковых подшипников (см. рис. 26, а).

При бурении в твердых породах нагрузку на забой увеличивают, а частоту вращения долота уменьшают, и поэтому предпочтительнее применение более надежных роликовых (/ ряд на рис. -26, б или / и /// ряды на рис. 26, в) вместо шариковых подшипников.

При бурении в крепких и очень крепких породах нагрузку на забой еще более увеличивают, а частоту вращения долота уменьшают до минимально возможного значения. В этих условиях более эффективно применение подшипников скольжения в / и /// рядах (см. рис. 26, д) и подшипника скольжения на вершине цапфы (ряд IV на рис. 26,г).

В рассмотренных схемах опор трехшарошечных долот подшипники смазываются промывочной жидкостью, содержащей выбуренные частицы породы, что значительно снижает их работоспособность и долговечность. Поэтому в последние годы трех-шарошечные долота с открытой опорой постепенно заменяются долотами с герметизированной опорой, принципиальная схема устройства которой приведена на рис. 28. Проникновению промывочной жидкости в полость такой опоры препятствует жесткий уплотнительный манжет /. Смазка, помещаемая в лапах долота, изолируется от внешней среды эластичным колпаком 2.

При бурении с продувкой скважины воздухом условия работы подшипников шарошек значительно ухудшаются вследствие недостаточного теплоотвода от трущихся деталей. Поэтому в долотах, предназначенных для бурения с продувкой воздухом, часть воздуха по специальным каналам в лапах и цапфах направляется в опоры шарошек (рис. 29).

Эффективность работы трехшарошечных долот в значительной степени зависит от степени очистки забоя скважины промывочной жидкостью. Поэтому нельзя допускать скопления выбуренной породы под долотом и перемалывания ее породоразрушающими элементами. Необходимо, чтобы разрушенная порода немедленно удалялась с забоя скважины, что достигается не только подачей к забою достаточного количества промывочной жидкости хорошего качества, но и применением рациональных конструкций и схем расположения промывочных отверстий в долоте.

Изготовляют долота с одним (у долот малого диаметра) и тремя промывочными отверстиями. В первом случае отверстие располагают в центре долота и в него устанавливают сменную втулку с максимальным приближением ее кромки к шарошкам. Во втором случае три отверстия располагают наклонно к оси

Рис. 28. Схема лапы трехшарошечного долота с герметизированной опорой:

1 — уплотнительный манжет; 2 — эластичный колпак

Рис. 29. Лапа трехшарошечного долота для бурения с продувкой скважины воздухом

долота так, чтобы они направляли промывочную жидкость на шарошки (см. рис. 25) или к периферии долота между шарошками. Для создания эффективного процесса, разрушения горной породы в промывочные отверстия, как и у лопастных долот, вставляют насадки и создают скорость истечения струй жидкости из них не менее 80—120 м/с. Долота с такими насадками называются гидромониторными.

Тяжелые условия работы шарошечных долот обусловливают применение для их изготовления высококачественных сталей с последующей химико-термической обработкой наиболее ответственных и быстроизнашивающихся деталей (зубцов, рабочих поверхностей цапф и шарошек).

Для повышения износостойкости зубцы и тыльная часть шарошек армируются зернистым твердым сплавом из литых карбидов вольфрама.

Алмазные долота

Алмазные долота применяются при бурении неабразивных и малоабразивных пород средней твердости и твердых, а также при бурении нижних интервалов глубоких скважин, где их высокая стоимость компенсируется долговечностью и, следовательно, снижением затрат времени на спуско-подъемные операции. В СССР выпускаются алмазные долота двух типов: спиральные— для турбинного бурения (рис. 30, а) и радиальные — для роторного бурения (рис. 30,6).

Алмазные долота состоят из фасонной алмазонесущей головки (матрицы) / и стального корпуса 2 с присоединительной замковой резьбой 3. Головку изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в прессформе по заданной схеме размещают кристаллики технических алмазов. После прессования и спекания алмазики оказываются надежно закрепленными в наружном слое головки.

Рис. 30. Алмазные долота для сплошного бурения

/ — алмазная несущая головка; 2 — корпус; 3 — резьба; 4 — контактный сектор; 5 — канал для направления жидкости

Применяя для изготовления матрицы, образовавшейся при спекании смеси, различные материалы, добиваются необходимой степени обнажения алмазов во время работы долота.

При бурении твердых пород износ матрицы интенсивнее, поэтому матрица должна быть более износостойкой, что предотвратит излишнее обнажение алмазов. В породах средней твердости материал матрицы изнашивается менее и поэтому матрица должна быть меньшей износостойкости.

Регулируя степень обнажения алмазов, обеспечивают также сохранение во время работы долота на забое определенного зазора между матрицей и породой. В результате промывочная жидкость, выйдя из промывочных отверстий долота, имеет возможность пройти по зазору между матрицей и забоем скважины, захватить мельчайшие частицы выбуренной породы, направить их в радиальные или радиально-спиральные каналы 5, имеющиеся между контактными секторами 4, и далее в затруб-ное пространство.

Твердосплавные долота

Наряду с долотами, армированными естественными алмазами, при бурении глубоких скважин в последние годы получили применение долота, армированные сверхтвердыми сплавами,

Хорошие результаты, особенно при бурении с забойными двигателями в породах средней твердости, дают долота, армированные зернистым твердым сплавом и зубцами, выполненными из твердого сплава «славутич» (рис. 31). Промывочная жидкость в таких долотах подается к забою скважины по шести промывочным отверстиям, обеспечивая хорошую очистку забоя от выбуренной породы и охлаждение контактных секторов.

Опыт проходки глубоких нефтяных и газовых скважин показал, что одним алмазным долотом ^можно пробурить до 240— 300 м при непрерывном бурении в течение 150—200 ч. Таким образом, одним алмазным долотом можно заменить 15—20 шарошечных долот.

studfiles.net


Смотрите также