Глава 5. Разрушение горных пород

§ 14. Породоразрушающий инструмент

При раскопках в Египте, в долине реки Нил, обнаружено громадное число гидрогеологических скважин, возраст которых исчисляется сотнями лет до нашей эры. В некоторых случаях в текстах, высеченных на камнях, сохранились даже даты их прокладки. И что вызывает изумление, есть и такие скважины, которыми население по прошествии почти 20 веков пользуется в пустыне и поныне. Кроме того, не представляет секрета и то оборудование, с помощью которого египтяне в древности производили бурение скважин. В начальный период работа выполнялась неотесанными каменными, сделанными из кремня, долотами, прикрепленными к деревянным палкам (шестам). Однако впоследствии каменное долото сменило металлическое сверло-зубило.

Впоследствии бурение вращательным методом осуществлялось лопастными долотами.

Шарошечное долото с правильным конусом изобретено в США Хьюзом в 1909 году. Это было революционное техническое решение по повышению эффективности бурения нефтяных, газовых, взрывных и др. скважин.

Работа шарошечного долота, как и других видов долот является механическим процессом. Очевидно, что все процессы протекают одновременно и создают сложную картину взаимодействия породо-разрушающих элементов долота с горной породой. Для упрощения различные явления рассматриваются отдельно.

Особенностью работы долота является отсутствие жестких устройств, направляющих инструмент по оси скважины. Забой, по форме близкий к плоскому, не способен центрировать долото, а направляющие инструмент стенки скважины не могут предотвратить колебания оси долота.

В настоящее время, долота, оснащенные резцами PDC, разработанные на базе лопастных долот, почти вытеснили шарошечные долота, но это не говорит о отсутствии интереса к ним буровиков.

Энергозатраты, качество работы и скорость бурения напрямую зависят от правильной подборки долота, от качества его изготовления и свойств материала, из которого он изготовлен. Породоразрушающий инструмент в настоящее время претерпел значительные изменения и постоянно совершенствуется. Повсеместное применение долот типа PDC и увеличение диапазона их применения, значительно улучшило показатели бурения, эксплуатация этих долот существенно отличается от эксплуатации шарошечных долот. Контроль за работой сервисной долотной компании, рациональной отработкой долот, снижает вероятность аварий с долотами, достижению максимальной рейсовой скорости проходки. Основные параметры бурового инструмента: под параметрами инструмента обычно подразумевают все данные, которые позволяют оценить его конструкцию, технический уровень, степень надежности в работе, определяют его техническую и общественную полезность, экономическую эффективность, позволяют выявить область рационального применения и др. Один из важнейших, наиболее универсальных параметров, общий для всех видов бурового инструмента – фактический срок его службы (стойкость). Он обеспечивает возможность оценить общественную полезность (практическую ценность) конструкции инструмента каждого классификационного подразделения и входит в эксплуатационную характеристику в качестве ее основного компонента. Он может быть выражен в различных единицах, чаще всего в часах. Стойкость, или долговечность, инструмента характеризует работоспособность промышленного изделия. Срок службы, стойкость, или долговечность, инструмента, его узла или детали зависит от условий применения и режима эксплуатации. С увеличением глубины бурения роль этих параметров растет и применение инструмента, характеризующегося небольшим сроком службы (или малой часовой стойкостью), оказывается экономически невыгодным. Параметр, весьма близкий к сроку службы, – проходка на инструмент (в метрах). Его называют показателем работы (долота или другого породоразрушающего инструмента). Этот параметр доминирует при анализе работы и сравнительных испытаниях разных моделей или модификаций однотипного бурового инструмента. При анализе работы породоразрушающего инструмента в некоторых случаях (например, при бурении относительно неглубоких интервалов скважин) на первое место выдвигается механическая скорость проходки, чаще всего ее среднее значение как частное от деления проходки на время чистого бурения.

Очень важная составляющая в работе с долотами является оценка износа долот. Этот вид сервиса очень важен для подбора наиболее эффективного инструмента для бурения следующей скважины на данной площади. Изучение износа позволяет точно восстановить ход процесса бурения и определить, какие изменения необходимо сделать в процедуре подбора буровых долот для следующей скважины. Анализ износа долот также дает понятие о возможных путях корректировки параметров бурения с целью повышения качества производства буровых работ и снижения стоимости проходки при бурении последующих скважин.

Типы породоразрушающего инструмента

Породоразрушающий инструмент делится на следующие типы по характеру разрушения горной породы:

• Скалывающего и дробяще – скалывающего типа (шарошечные долота);

• Режущего типа (лопастные долота и долота PDC);

• Истирающего типа (алмазные долота и долота ИСМ);

Шарошечное долото представляет из себя механизм, состоящий из сваренных между собой секций (лап), на цапфах которых на телах качения или скольжения вращаются оснащенные вооружением в виде твердосплавных зубков или фрезерованных зубьев шарошки. В корпусе долота выполняются промывочные устройства для подачи через них на забой промывочной жидкости.

На наружной поверхности ниппеля, образованного хвостовиками лап, нарезается присоединительная замковая резьба. С целью предотвращения потери диаметра долота, спинки и козырьки лап могут армироваться износостойким материалом. Для обеспечения работы опоры в смазке шарошки на цапфе герметизируются уплотнительным устройством, а в корпусе устанавливается компенсирующее устройство, заполненное смазочным материалом.

В зависимости от физико-механических свойств горных пород долоту необходимо придать качество, обеспечивающее наибольшую эффективность разрушения породы (резанием, дроблением, дробящее-скалывающим, режуще-скалывающим, истирающим) действием, при наименьших энергетических затратах. [9]

На сегодняшний день в мире серийным производством шарошечных долот, занимаются 20 компаний. Из них первое место по техническому уровню и качеству долот принадлежит пяти компаниям:

Hughes Christensen – аббревиатура долот: R, GTX, MAX, GT, STR, MX, HR,XL, STX.

Smith – аббревиатура долот: DSJ, MGSS, FDS, FGS, XR+, DTJ, OFS, GMS, MG, FG, MF, MGS, MF, FI, F, GFI.

Reed – аббревиатура долот: EMS, N, HP, ENT, TD, MNT, SL, Y, EHP, EM, TDD.

Security DBS – аббревиатура долот: XN, XT, XS, XLC XS, XLD.

Varel – аббревиатура долот: L, ETR, CH, CHS, ETD, LH, V, M.

В России и СНГ остались прежние производители долот ОАО «Волгабурмаш» ОАО, создана и работает компания «Буринтек». Кроме того, долота в меньших объемах выпускают фирмы США: Rock Bit, Walker-McDonald и др, Япония: TIX, Румыния: Industrial, Венгрия: DKG, Китай: Kingdream и др. [43]

Долговечность шарошечных долот определяет эффективность процесса углубления скважины, при этом их прочность и износостойкость во многом определяется правильным выбором и качеством сталей и других конструкционных и упрочняющих металлов, и сплавов, резин и смазок.

В связи с тем, что буровые долота эксплуатируются в исключительно тяжелых условиях, подбор сталей и других материалов должен быть строго дифференцирован для каждого отдельного элемента долота – от тел качения и подшипников скольжения до корпусов лап, шарошек и армирующих твердосплавных наплавок.

Опора лапы долота – цапфа, на которой вращается шарошка, подвергается воздействию значительных статических и динамических нагрузок. Особенности условий работы цапфы характеризуется контактно-усталостным изнашиванием в случае негерметизированной опоры. Поэтому сталь, используемая для изготовления лапы долота, должна обеспечивать высокую прочность и вязкость в сочетании с высокой контактной выносливостью и хорошей износостойкостью. Кроме того, конструктивные особенности буровых долот обуславливают необходимость хорошей свариваемости материала лап. К материалу корпуса шарошки, особенно с твердосплавным вооружением, предъявляется не менее сложный комплекс требований, поскольку он должен обеспечивать надежное удержание твердосплавных зубков, закрепляемых в отверстиях шарошки способом холодной запрессовки. [9]

В соответствии со способами разрушения горных пород изготавливаются следующие типы буровых долот:

1 – Шарошечные;

2 – Долота типа PDC;

3 – Фрезерные;

4 – ИСМ;

5 – Алмазные долота;

6 – Бицентричные, оснащенные резцами PDC;

7 – Долота для ударного бурения;

8 – Долота для бурения с отбором керна (кольцевым забоем);

9 – Лопастные.

Заслуживает внимания повышение показателей работы долот в результате криогенной обработки. По анализу работы 196 долот, отработанным в глубоком бурении, повышение показателей опытных долот над серийным составило по проходке на 31,5 %, по стойкости 14 % и по механической скорости бурения на 17 %. По долотам ИСМ получено увеличение проходки в четыре раза по сравнению с серийными, за счет предотвращения разрушения промывочных каналов и образования кольцевой выработки на торце долота. У долота PDC обработанного жидким азотом износостойкость корпуса значительно повысилась.

§ 15. Шарошечные долота

В настоящей главе рассмотрены долота Волгобурмаш рис. 44. Отечественные долота Волгабурмаш приведены к мировым стандартам и соответствуют стандартам API, и по коду IADC всегда можно подобрать аналог долота любого производителя.

Условные обозначения долот ВБМ по коду IADC

Классификация шарошечных долот по IADC – основана на четырехсимвольном коде, отражающем конструкцию долота и тип горных пород, для бурения которых оно предназначено. Первые три символа – цифровые, а четвертый – буквенный. Последовательность цифровых символов определяется как «серия – тип – опора / калибрующая поверхность». Четвертый буквенный символ определяется как «дополнительные характеристики».

Первая цифра кода – серия вооружения долота (1–8).

Восемь категорий серий вооружения соответствуют общей характеристике горных пород, для бурения которых предназначено долото. Серии от 1 до 3 определяют долота с фрезерованным вооружением, а серии от 4 до 8 – долота с твердосплавным вооружением. Внутри групп фрезерованных и штыревых долот увеличение цифры серии означает увеличение твердости пород, для которых предназначено долото.

Вторая цифра кода – тип вооружения долота (1–4). Каждая серия разделена на 4 типа в зависимости от твердости разбуриваемых пород. Тип I означает долота для бурения наиболее мягких пород в пределах серии, а тип 4 – относится к наиболее твердым породам в пределах серии.

Третья цифра (1–7) характеризует конструкцию опоры и наличие (или отсутствие) твердосплавных вставок на калибрующих поверхностях шарошек.

1 – открытая (негерметизированная) опора.

2 – открытая опора для бурения с продувкой воздухом.

3 – открытая опора + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек.

4 – герметизированная опора на подшипниках качения.

5 – герметизированная опора на подшипниках качения + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек.

6 – герметизированная опора на подшипниках скольжения.

7 – герметизированная опора на подшипниках скольжения + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек. Категории 8 и 9 – резервные, для возможного использования в будущем. [43]

Четвертый буквенный символ кода – «дополнительные характеристики» (необязательная). 16 букв используются для обозначения специальных конструкций вооружения, опор, промывочных устройств и защиты корпусов долот.

Некоторые конструкции долот могут иметь более чем одну из дополнительных характеристик. В таких случаях указывается наиболее существенная из них.

А – долота для бурения с продувкой воздухом вместо промывки буровым раствором;

B – специальная конструкция уплотнений, допускающая, на пример, бурение с повышенной частотой вращения;

С – центральная насадка;

D – специальная конструкция вооружения, минимизирующая отклонение ствола скважины;

Е – удлиненные насадки;

G – усиленная защита козырьков лап наплавкой или твердосплавными зубками;

Н – долота для направленного или горизонтального бурения;

J – гидромониторные долота для бурения с набором кривизны;

L – калибрующие накладки на спинках лап, армированные твердосплавными зубками;

М – долота для бурения с забойными двигателями;

S – стандартные долота с фрезерованным вооружением;

Т – двухшарошечные долота;

W – усовершенствованное вооружение;

X – зубки преимущественно клиновидной формы;

Y – зубки конической формы;

Z – другие формы зубков. [43]

Трехшарошечные долота

215,9 AUL–LS62Y-R437

215,9 – Диаметр, мм;

AUL – Продуктовая линия;

LS62Y – Префиксы;

R437 – Суффиксы;

62-Код IADC (две первые цифры)

Суффиксы:

X – Клиновидный зубок, Y – Конический зубок;

Z – Зубок другой формы;

T – Усиленная объемная наплавка зубьев;

G – Армирование твердосплавными зубками обратного конуса шарошки;

D – Армирование зубками с алмазным покрытием обратного конуса шарошки;

GG – Двойной ряд плоских зубков на тыльном конусе шарошек;

DD – Двойной ряд алмазных зубков на тыльном конусе шарошек;

P – Дополнительный калибрующий ряд зубков (подрезные зубки);

F – Высокоскоростное покрытие шарошек карбидом вольфрама.

Префиксы:

C – Центральная промывка;

K – Комбинированная промывка;

A – Продувка воздухом;

N – Удлиненные насадки;

L – Наплавка козырька и набегающей грани лапы;

S – Армирование спинки лапы твердосплавными зубками;

D – Армирование спинки лапы зубками с алмазным покрытием;

B – скос на спинке лапы.

Алмазные долота

215,9 FD-377M-A03 (S333)

215,9 – Диаметр долота;

FD – Продуктовая линия;

FD – долота для бурения сплошным забоем;

D – долота для набора кривизны;

BD – долота для бурения с одновременным расширением скважины;

CB – долота-головки бурильные для отбора керна.

M – Тип породы:

S – Мягкие;

SM – Мягкие-средние;

M – Средние;

MH – Средние-твердые;

H – Твердые.

Шарошечные долота выпускаются: с одной, двумя и тремя шарошками. По характеру воздействия на горную породу подразделяются: дробящего действия, дробяще-скалывающего действия, истирающе-режущего типа, режуще-скалывающего типа. [9]

Долота типа М Рис. 44 – предназначены для бурения самых мягких, нецементированных, а также более плотных и менее пластичных сланцевых глин, пористых мергелей, песчаников, органогенных и органогенно-обломочных сильнопористых известняков, рыхлых песков, чередующихся слабоцементированных песчаников и глин. Имеют самоочищающиеся шарошки, оси шарошек смещены в направлении вращения, чем достигается эффект резания. Большой угол наклона оси шарошки к оси долота позволяет вписать в скважину шарошки больших диаметров.

Долота типа МС – предназначены для разбуривания вязких, пластичных, абразивных пород, бурение которых долотами типа М вызывает интенсивный износ вооружения. Оси шарошек также смещены в сторону вращения относительно оси долота. Отличие двух типов долот в вооружении. Долота типа МС применяются для проходки мягких, с прослойками средней твердости абразивных пород; сланцевых глин плотных и слабопористых, глинистых мергелей, пористых глинистых сланцев и аргиллитов плотных и слабопористых, твердых сланцев с раковистым изломом и метаморфизованных, гипса, каменной соли, меловых отложений, цементированных ангидридов, известняков средней твердости, доломитов.

Шарошки двух и трех конусные самоочищающиеся, со смещенными осями долота в сторону вращения, но меньше, чем у долот типа М. Вооружение то же, но высота меньше. [8]

Долота типа МС3 – Рис. 5.3 применяются для проходки мягких с прослойками средней твердости абразивными породами. Аналогичны долотам МС, но в шарошках вместо литых зубьев запрессованы твердосплавные зубки клиновидной формы. Рис. 5.4.

Долота типа С Рис. 5.2 используются для бурения средних по твердости малоабразивных пород (пластичных, хрупких): глинистых песчанистых сланцев и аргиллитов сильнопористых, алевролитов кварцевых с глинистым базальным цементом плотных и слабопористых, алевролитов с глинистым поровым цементом, пористых известняков.

Долота дробящего действия (долота типа СТ) – применяются для бурения пород средней твердости с пропластками твердых пород (хрупких и пластичных); алевролитов кварцевых с глинистым цементом плотных и слабопористых, алевролитов кварцевых с карбонатным базальным цементом плотных и слабопористых песчаников кварцевых с контактным цементом пористых, известняков пористых органогенных и органогенно-обломочных мелкозернистых, доломитов сильно пористых, слабопористых, доломитов чередующихся с глинистыми и гипсовыми прослойками, ангидридов и конгломератов твердых и других пород, перемежающиеся с прослойками более твердых и окременелых, и более абразивных пород.

У этих долот, как правило, двух или трех конусные самоочищающиеся шарошки, оси которых пересекаются в одной точке на оси долота. Шарошки снабжены мелкими зубьями с большими углами заострения. [9]

Долота типа Т – предназначен для бурения твердых хрупких скальных малоабразивных с пропластками крепких абразивных пород: песчаников кварцевых, плотных слабопористых, с карбонатным или сульфатным базальным цементом, с регенерационным цементом, чередующихся с пропластками окремелых пород, сильноабразивных, доломитов плотных слабопористых, кремниевых сланцев. Отличие от долот типа Т и ТЗ наличием на периферийной части венца шарошек вставных твердосплавных зубов с полусферической рабочей частью. Применяются для бурения с промывкой и продувкой воздухом.

Долота типа ТКЗ – применяются для бурения скальных пород с прослоями абразивных. Отличаются от долот типа Т и ТК вооружением шарошек, в которые вместо фрезерованных зубьев впрессованы штыри с клиновидной формой.

Долота типа К – применяются для разбуривания самых твердых и крепких абразивных пород (хрупких) окременелых и кремнистых, мелкокристаллических известняков, доломитов, кварцитов, нитритов и др. Оснащен полусферическими зубками.

Долота типа ОК – предназначены для разбуривания очень крепких пород, сильно абразивных (горнорудная промышленность). Вылет зубка малый.

Шарошечными долотами бурили 90 % скважин на нефть и газ, в настоящее время долота PDC вытесняют повсеместно шарошечные долота. Несмотря на более высокую стоимость долот PDC, они эффективней шарошечных долот, но полностью заменить шарошечные не смогут. [48]