Поликристаллические алмазные долота (PDC)

Тема 3. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Учебные вопросы:

1. Назначение и классификация породоразрушающего инструмента

2. Буровые долота.

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Породоразрушающий инструмент (ПРИ) предназначен для разрушения горной породы на забое при бурении скважины.

I. По принципу разрушения породы ПРИ подразделяется на 3 группы:

1) ПРИ режуще-скалывающего действия – применяется для разбуривания вязких, пластичных и малоабразивных пород небольшой твердости;

2) ПРИ дробяще-скалывающего действия – применяется для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твердости, твердых, крепких и очень крепких;

3) ПРИ истирающе-режущего действия – применяется для бурения в породах средней твердости, а также при чередовании высокопластичных маловязких пород с породами средней твердости и даже твердыми.

II. По назначению ПРИ подразделяется:

· Для бурения сплошным забоем (без отбора керна) – буровые долота;

· Для бурения по кольцевому забою (с отбором керна) – бурголовки;

· Для специальных работ в пробуренной скважине (выравнивание и расширение ствола) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня и т.д.)

III. По конструктивному исполнению ПРИ делится на три группы:

· Лопастной (рис. 3.1.);

· Шарошечный (рис. 3.2.);

· Секторный (рис.3.3.);

Поликристаллические алмазные долота (PDC) - student2.ru

Поликристаллические алмазные долота (PDC) - student2.ru

IV. По материалу породоразрушающих элементов ПРИ делится на четыре группы:

1. Со стальным вооружением;

2. С твердосплавным вооружением;

3. С алмазным вооружением;

4. С алмазно-твердосплавным вооружением.

БУРОВЫЕ ДОЛОТА

Шарошечные долота

Наибольшее распространение в практике бурения нефтяных и газовых скважин получили шарошечные долота дробяще-скалывающего действия с твердосплавным или стальным вооружением. Конструкция трехшарошечного долота приведена на рис. 3.4.

Поликристаллические алмазные долота (PDC) - student2.ru

На верхнем конце конструкции долота нарезается присоединительная резьба 1.

Шарошечное долото состоит из следующих элементов и систем:

Первые четыре элемента обязательны для всех конструкций шарошечных долот
А – корпус, его образует верхняя часть сваренных секций с

резьбовым соединением к бурильной колонне;

D – вооружение;

E – система очистки забоя и элементов долота;

F – опоры шарошек;

G – система герметизации маслонаполненных опор.

Устройство: Три лапы 3 сваривают между собой. На верхнем конце конструкции 1 нарезана замковая присоединительная резьба. Каждая лапа в нижней части завершается цапфой 5, на которой проточены беговые дорожки под шарики и ролики. На цапфе через систему подшипников 6 устанавливается шарошка 4 с беговыми дорожками. Тело шарошки оснащено фрезерованными стальными зубьями 7, размещенными по венцам. На торце со стороны присоединительной резьбы выбиваются шифр долота, его порядковый номер, год изготовления.

Шарошечные долота изготавливают с системой промывки:

· центральной,

· боковой (рис. 3.5.).

На лапах долота с боковой гидромониторной системой промывки выполнены специальные утолщения – приливы 2 с промывочными каналами и гнездами для установки гидромониторных насадок (сечение А-А).

Поликристаллические алмазные долота (PDC) - student2.ru

При центральной промывке забоя лучше очищаются от шлама центр забоя и вершины шарошек, шлам беспрепятственно выносится в наддолотную зону. Однако при высокой скорости углубки забоя трудно подвести к долоту необходимую гидравлическую мощность, требуемую для качественной очистки забоя (перепад давления на долотах с центральной промывкой не превышает 0,5-1,5 МПа).

Боковая гидромониторная промывка обеспечивает лучшую очистку наиболее зашламованной периферийной части забоя, позволяет подвести к долоту большую гидравлическую мощность (перепад давления на долотах с гидромониторной промывкой достигает 5-15 МПа). Однако мощные струи бурового раствора, выходящие из гидромониторных насадок экранируют транспортирование шлама через проемы между секциями долота, поэтому часть шлама циркулирует некоторое время в зоне действия шарошек и переизмельчается, а часть – транспортируется в зазорах между стенкой скважины и спинками лап. Поэтому зачастую переходят на ассиметричную систему промывки, заглушая одну или две гидромониторные насадки для повышения пропускной способности основных транспортных каналов долота.

Беговые дорожки цапфы и шарошки и тела качения без сепараторов составляют опору шарошки. Помимо подшипников качения опора может включать подшипники скольжения (антифрикционные втулки) и торцевую пяту (антифрикционный диск). Полость опоры заполняется консистентной смазкой.

Опоры шарошек – наиболее ответственные узлы шарошечного долота, стойкость которых чаще всего определяет долговечность долота в целом. Опоры воспринимают радиальные и осевые нагрузки (по отношению к цапфе).

Опоры шарошек в зависимости от типоразмера долот конструируются из различных сочетаний:

· шариковых и роликовых подшипников качения

· подшипников скольжения.

Шариковые подшипники легче разместить в ограниченных размерах шарошки, они слабо реагируют на возможные перекосы осей шарошек и цапф. Однако из-за проскальзывания шариков по боковым дорожкам эти подшипники быстро нагреваются и требуют интенсивного охлаждения.

Роликовые подшипники могут воспринимать большую, чем шариковые подшипники нагрузку, но труднее вписываются в ограниченные размеры шарошек. Они весьма чувствительны к перекосам осей шарошек и цапф и при износе роликов нередко шарошки заклиниваются на цапфах.

Подшипники скольжения способны воспринимать наибольшие нагрузки. Однако эффективны они только при невысоких частотах вращения долота, когда трущиеся поверхности шарошек и цапф и соседних подшипников качения сильно не нагреваются.

В каждой системе опор обязательно имеется один шариковый подшипник, называемый замковым радиально-упорным подшипником двухстороннего действия. Он удерживает шарошку на цапфе и воспринимает усилия, направленные вдоль и перпендикулярно к оси цапфы. Устанавливается этот подшипник в последнюю очередь, через цилиндрический канал в цапфе, затем в этот канал вставляется стержень (палец) и его наружная часть приваривается к телу цапфы.

Подшипники шарошек в процессе бурения смазываются и охлаждаются буровым раствором, проникающим к ним по зазору между основанием шарошки и упорной поверхностью в цапфе. Поэтому в буровой раствор добавляются специальные реагенты, улучшающие его смазочные свойства.

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

В последние годы все большее применение находят долота с герметизированной маслонаполненной опорой (рис. 3.6.), у которых специальная смазка поступает к подшипникам из эластичного баллона по имеющемуся в лапе и цапфе каналу. Проникновению бурового раствора в полость такой опоры и утечке смазки препятствует жесткая уплотнительная манжета. Долговечность таких долот при ограниченной частоте оборотов на порядок и более превосходит долговечность долот с открытой опорой.

Поликристаллические алмазные долота (PDC) - student2.ru

Для бурения скважин в абразивных породах различной твердости с целью повышения долговечности вооружения шарошки оснащают вставными твердосплавными зубками (штырями). Такие долота часто называют штыревыми. Вставные зубки закрепляются в теле шарошки методом прессования. Для бурения в малоабразивных породах, в теле стальной шарошки фрезеруются призматические зубья, поверхность которых упрочняется термохимической обработкой.

По ГОСТ 20692 «Долота шарошечные» предусматривается выпуск долот диаметром 76-508 мм. трех разновидностей: одно- двух- и трехшарошечных. Наибольший объем бурения нефтяных и газовых скважин в Западной Сибири приходится на трехшарошечные долота диаметрами 190,5; 215,9; 269,9; 295,3 мм.

Типы и область применения шарошечных долот приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Типы трехшарошечных долот и их назначение

Тип долота Рекомендуемые области применения долот  
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 (песчаноглинистые сланцы, плотные глины с пропластками песчаников)
С Пластичные и хрупкопластичные неабразивные, 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, доломитизированные 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 сильносцементированные песчаники)
К Крепкие, абразивные (окремнелые мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты)
ОК Очень крепкие, абразивные (граниты, квациты, диабазы)

I. По материалу вооружения шарошечные долота делятся на два класса:

1 класс – долота с фрезерованным стальным вооружением для бурения малоабразивных пород (М, МС, С, СТ, Т, ТК);

2 класс – долота со вставным твердосплавным вооружением для бурения абразивных пород (МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ, ТКЗ, К, ОК)

В настоящее время долота типа СТ и ТК не выпускаются.

II. По расположению и конструкции промывочных или продувочных каналов шарошечные долота делятся:

· с центральной промывкой (Ц);

· с боковой гидромониторной промывкой (Г);

· с центральной продувкой (П);

· с боковой продувкой (ПГ).

III. По скорости (режиму) бурения:

· Долота для высокооборотного бурения (частота оборотов долота более 400 в минуту) изготовляют с опорами на подшипниках качения (В).

· Долота для низкооборотного бурения (частота оборотов долота 100-400 в минуту) изготовляют с опорами на подшипниках качения и одном подшипнике скольжения (Н).

· Долота для бурения на пониженных частотах (частота оборотов долота не более 100 в минуту) изготовляют с опорами на двух и более подшипниках скольжения и подшипниках качения (А).

Выпускаются долота с открытой опорой и с уплотнительными манжетами и резервуарами для смазки (У).

Условное обозначение (шифр) долота: III – 215,9 С-ГНУ 2354,

где III – трехшарошечное;

215,9 – номинальный диаметр долота, мм;

С – тип долота (для бурения пород средней твердости);

Г – боковая гидромониторная промывка;

Н – опора для низкооборотного бурения на одном подшипнике скольжения;

У – опора маслонаполненная с уплотнительной манжетой;

2354 – заводской номер долота.

В маркировке трехшарошечных долот и долот с центральной промывкой цифра III и буква Ц не указывается.

2.1.2. ЛОПАСТНЫЕ ДОЛОТА

При бурении нефтяных и газовых скважин чаще всего применяют трехлопастные (3Л и 3ИР) и шестилопастные (6ИР) долота.

Лопастное долото 3Л состоит из:

1) корпуса, верхняя часть которого имеет ниппель с замковой резьбой для присоединения к бурильной колонне,

2) трех приваренных к корпусу долота лопастей, расположенных по отношению друг к другу под углом 120 градусов.

3) промывочных отверстий, расположенными между лопастями (для подвода бурового раствора к забою).

Лопасти выполнены заостренными и слегка наклонными к оси долота в направлении его вращения. В этой связи по принципу разрушения породы долота 3Л относят к долотам режуще-скалывающего действия, так как под влиянием нагрузки лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента скалывают ее.

Долота 3Л предназначены для бурения в неабразивных мягких пластичных породах (тип М) и для бурения в неабразивных мягких породах с пропластками неабразивных пород средней твердости (тип МС).

Для увеличения износостойкости долот их лопасти укрепляют (армируют) твердым сплавом. У долот типа М в прорезанные по определенной схеме пазы на лопастях наплавляют зернистый твердый сплав релит и лопасть покрывают чугуном, а у долот типа МС в пазы укладывают и припаивают твердосплавные пластинки и покрывают лопасти релитом.

Долота 3Л выпускают как с гидромониторными насадками, так и без. В последнем случае выходные кромки промывочных каналов армируют релитом.

Согласно ОСТ 26-02-1282 «Долота лопастные» предусмотрен выпуск долот 3Л диаметром от 120,6 до 489,9 мм.

Долота 3ИР в сравнении с 3Л имеют следующие отличительные особенности. Три лопасти выполнены притупленными, а не заостренными и приварены к корпусу так, что они сходятся на оси долота, а не наклонены к ней. Лопасти долота армируются также как и у 3Л типа МС, но с дополнительным усилением кромок лопастей, контактирующих с забоем и стенкой скважины, твердосплавными зубками (штырями).

Такая особенность вооружения позволяет долоту 3ИР разрушать породу резанием и истиранием (микрорезанием) абразивных мягких пород с пропластками пород средней твердости (тип МСЗ).

Отраслевым стандартом ОСТ 26-02-1282 предусмотрено изготовление долот 3ИР диаметром от 190,5 до 269,9 мм.

Долота 6ИР имеют три основные лопасти, предназначенные для разрушения породы на забое, и три дополнительные укороченные лопасти, калибрующие стенку скважины. Основные лопасти притуплены и сходятся на оси долота. Дополнительные лопасти также притуплены и расположены между основными лопастями. Эти долота относятся к типу С.

По ОСТ 26-02-1282 предусмотрено изготовление долот 6ИР диаметром от 139,7 до 269,9 мм.

Лопастные долота имеют ряд существенных недостатков:

· интенсивный износ лопастей в связи с непрерывным контактом режущих и калибрующих ствол скважины кромок лопастей долота с забоем и стенками скважины;

· сужение ствола скважины в процессе бурения из-за относительно быстрой потери диаметра долота;

· относительно высокий крутящий момент на вращение долота;

· неудовлетворительная центрируемость на забое, приводящая к интенсивному непроизвольному искривлению.

Отмеченные недостатки объясняют причины редкого применения лопастных долот в практике бурения нефтяных и газовых скважин даже при разбуривании мягких пород.

2.1.3. АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА

Алмазные долота предназначены для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твёрдых.

Алмазное долото состоит из:

1) стального корпуса с присоединительной замковой резьбой

2) фасонной алмазонесущей головки (матрицы). Матрица разделена на секторы радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия.

Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. При однослойном размещении алмазов применяют алмазы в 0,05-0,4 карата (карат – единица измерения массы алмазов, 1 карат равен примерно 4,5 мм). Для бурения в твердых породах изготовляют долота с объемным размещением мелких (менее 0,02 карата) кристаллов алмаза в матрице (импрегнированные алмазные долота). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей поверхностью матрицы составляет 0,1-0,25 их диаметра.

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.

Отраслевым стандартом ОСТ 39.026 предусмотрено выпускать алмазные долота диаметрами от 91,4 до 292,9 мм.

Основными достоинствами алмазных долот являются:

· хорошая центрируемость их на забое;

· формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).

Существенным недостатком алмазных долот является

1) крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная не превышает 3 м/ч). Для сравнения максимальная мех. скорость бурения шарошечными долотами составила около 120 м/ч.

2) имеют узкую область применения (исключаются абразивные породы),

3) предъявляются повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины.

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).

Эти долота имеют вооружение из сверхтвердого композиционного материала «Славутич», в состав которого входят мелкокристаллические алмазы и дробленный карбид вольфрама. Для оснащения долот применяют цилиндрические вставки (штыри) диаметром 8-12 мм с плоскими или полусферическими рабочими торцами. Штыри в корпусе долота припаивают в гнездах.

Существует две разновидности долот ИСМ по конструкции:

1) Лопастная;

2) 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.

Присоединяют долото к бурильной колонне при помощи замковой резьбы.

Отраслевым стандартом ОСТ 39026 предусмотрено выпускать долота ИСМ диаметрами от 91,4 до 391,3 мм.

Преимуществами долот ИСМ являются:

· значительная проходка на долото, достигающая (при соблюдении условий эксплуатации) нескольких сотен метров

· относительно высокая рейсовая скорость.

К недостаткам следует отнести:

· узкую область применения (только в неабразивных порода М, МС и С)

· высокий момент на вращение долота, ограничивающий применение забойных двигателей.

Поликристаллические алмазные долота (PDC)

· Долота PDC серии T (Матричный корпус--T XXXX, стальной корпус-- TS XXXX) – это новое поколение долот.

Эта серия долот вобрала в себя значительные прорывы во многих областях, включая:

· вычислительную гидродинамику,

· оптимизацию профиля,

· конструкцию расположения резцов,

· конструкцию с малым моментом,

· материалы (поликристаллические),

· технологические процессы и т.д.

Долота PDC серии T имеют лучшие показатели работы и более широкие области применения.

Долота PDC серии T:

· Оптимизированный профиль долот

· Высокая режущая способность как основной, так и периферийной лопастей, эволютное расположение резцов с адекватным углом резания

· Защита калибровочной части композитными материалами и конструкция с малым моментом

· Гидравлически сбалансированная конструкция, разработанная с помощью вычислительной гидродинамики

· Спиральная защита калибровочной части

· Основное и периферийное вооружение

· Балансирная лапа для разделения давления

· Используются конические, аркоподобные, упрочненные отполированные волнообразные твердосплавные вставки.

Номенклатура PDC долот

1-Диаметр долота

2 - Код серии

3- Пласт

4 - Размер резцов

5 - Код коронки

6 - Количество лопастей

7- Дополнительные особенности

T 3 4 4 4

Количество лопастей: 4-ех лопастное долото

Код коронки: короткие параболические

Размер резцов: резцы 19.05mm

Код пласт: мягкий до средне мягкий

Код серии долот

Размер долота (диаметр)

Пример:

В долотах PDC в качестве резцов используются поликристаллические алмазные вставки(PDC). Режущие

кромки резцов PDC обладают способностью самозатачиваться, и резец может проникать в пласт при сравнительно

низких нагрузках на долото и достигать высокой механической скорости проходки путем разрушения пластов

срезывающим воздействием.

В долотах PDC используются резцы различной формы и размеров, различная плотность резцов,

различный угол атаки, расположение резцов, а также соответствующая гидравлика для получения наилучшей

производительности в различных пластах.

Долота PDC могут применяться в роторном бурении или с забойными двигателями.

Поликристаллические алмазные долота (PDC)

Долота PDC серии T (Матричный корпус--T XXXX, стальной корпус-- TS XXXX) – это новое поколение

долот, разработанное нашей Компанией. Через творческое усвоение внедренных технологий и сочетание

результатов науки с независимыми правами на интеллектуальную собственность, эта серия долот вобрала

в себя значительные прорывы во многих областях, включая вычислительную гидродинамику, оптимизацию

профиля, конструкцию расположения резцов, конструкцию с малым моментом, материалы, технологические

процессы и т.д.

Долота PDC серии T имеют лучшие показатели работы и более широкие области применения.

Долота PDC серии T

- Оптимизированный профиль долот

- Высокая режущая способность как основной, так и периферийной лопастей, эволютное

расположение резцов с адекватным углом резания

- Защита калибровочной части композитными материалами и конструкция с малым моментом

-Гидравлически сбалансированная конструкция, разработанная с помощью вычислительной

гидродинамики

- Спиральная защита калибровочной части

- Основное и периферийное вооружение

- Pressure separation balance pad балансирная лапа для разделения давления

-Используются конические, аркоподобные, упрочненные отполированные волнообразные

твердосплавные вставки.

Характеристики долот PDC серии T

РИНКО АЛЬЯНС 43

Основные характеристики

- Оптимизированный короткий параболический профиль, пригодный для бурения однородных мягких

до средне мягких пород.

- Расположение асимметричной эволютной спиральной режущей лопасти обеспечивает долотам

большую стабильность во время бурения.

- Основное и периферийное вооружение продлевает срок службы долот.

- Гидравлически сбалансированная конструкция, разработанная с помощью вычислительной

гидродинамики, приводит к лучшей очистке долот и удалению шлама.

- Использование комбинированных высокопроизводительных вставок PDC существенно продлевает

срок службы долот.

T3444 / M222

Основные__

Наши рекомендации