Пород разрушающий инструмент для бурения структурно- поисковых скважин

Введение
В настоящее время бурение именно наклонно направленных скважин занимает лидирующее место в России. Наклонное бурение применяют при бурении скважин на нефть и газ в Западной Сибири, на севере европейской части, на Северном Кавказе, в Татарстане, Башкортостане, Самарской области и других районах. Потому как в наших регионах есть огромное количество факторов которые каким-либо образом препятствуют прямому бурению.Например при вскрытии нефтяных и газовых пластов, залегающих под пологим сбросом или между двумя параллельными сбросами;при отклонении ствола от сбросовой зоны направлении продуктивного горизонта;при проходке стволов на нефтяные пласты, залегающие под соляными куполами, в связи с трудностью бурения через них;при необходимости обхода зон обвалов и катастрофических поглощений промывочной жидкости;при вскрытии продуктивных пластов, залегающих под Дном океанов, морей, рек, озер, каналов и болот;В процессе бурения скважины, подверженные естественному искривлению, могут не выйти на нефтегазоносные слои и, следовательно, не выполнить своих проектных заданий. Но накопленный фактический материал по естественному искривлению позволил установить ряд общих закономерностей, учитывая которые буровики научились проходить скважины в строго заданном направлении. Такие скважины получили название наклонно направленных. Искусственное отклонение - это направление ствола скважины в процессе бурения определенному плану с доведением забоя до заданной точки. На искривление проходки скважины влияют многие факторы, такие как отклоняющая сила, степень перфорации долота, физические свойства горных пород, также влияют различные искусственные отклонители (кривые переводники, эксцентричные ниппели, отклоняющие клинья и прочие специальные устройства). Но мы рассмотрим особенности конструкций буровых долот, которые влияют на искусственное искривление скважины.1. Колонковые долотаВ процессе бурения разведочной, а иногда и эксплуатационной скважины периодически отбираются породы в виде нетронутых целиков (кернов) для составления стратиграфического разреза, изучения литологической характеристики пройденных пород, выявления содержания нефти, газа в порах пород и т. д.Для извлечения на поверхность керна применяют колонковые долота (рис. 1). Состоит такое долото из бурильной головки 1 и колонкового набора, присоединенного к корпусу бурильной головки с помощью резьбы.Рис. 1. Схема устройства колонкового долота: 1 — бурильная головка; 2 — керн; 3 — грунтоноска; 4 — корпус колонкового набора; 5 — шаровой клапанВ зависимости от свойств породы, в которой осуществляется бурение с отбором керна, применяют шарошечные, алмазные и твердосплавные бурильные головки.Шарошки в бурильной головке смонтированы таким образом, чтобы порода в центре забоя скважины при бурении не разрушалась. Это создает условия для образования керна 2. Существуют четырёх-, шести- и далее восьмишарошечные бурильные головки, предназначенные для бурения с отбором керна в различных породах. Расположение породоразрушающих элементов в алмазных и твердосплавных бурильных головках также позволяет разрушать горную породу только по периферии забоя скважины .Образующаяся колонка породы поступает при углублении скважины в колонковый набор, состоящий из корпуса 4 и колонковой трубы (грунтоноски) 3. Корпус колонкового набора служит для соединения бурильной головки с бурильной колонной, размещения грунтоноски и защиты её от механических повреждений, а также для пропуска промывочной жидкости между ним и грунтоноской. Грунтоноска предназначена для приёма керна, сохранения его во время бурения и при подъеме на поверхность. Для выполнения этих функций в нижней части грунтоноски устанавливаются кернорватели и кернодержатели, а вверху — шаровой клапан 5, пропускающий через себя вытесняемую из грунтоноски жидкость при заполнении её керном.По способу установки грунтоноски в корпусе колонкового набора и в бурильной головке существуют колонковые долота со съемной и несъёмной грунтоноской.Колонковые долота со съемной грунтоноской позволяют поднимать грунтоноску с керном без подъема бурильной колонны. Для этого в бурильную колонну спускают на канате ловитель, с помощью которого извлекают из колонкового набора грунтоноску и поднимают ее на поверхность. Затем, используя этот же ловитель, спускают и устанавливают в корпусе колонкового набора порожнюю грунтоноску, и бурение с отбором керна продолжается.Колонковые долота со съемной грунтоноской применяют при турбинном бурении, а с несъемной — при роторном.2. Виды буровых породоразоушающих инструментовПри бурении скважин на нефть, газ и другие полезные ископаемые в качестве породоразрушающего инструмента применяют шарошечные, лопастные, ИСМ, алмазные и фрезерные буровые долота. 1. Шарошечные долота Шарошечные долота, несмотря на сложность их конструкции и технологии изготовления, - основной пород разрушающий инструмент при бурении скважин. На их долю ежегодно приходится 90-95% объема проходки скважин в России и за рубежом. Шарошечные долота для сплошного бурения конструктивно могут быть выполнены трехшарошечными, двух шарошечными и одношарошечными. Наибольшее применение при бурении скважин получили трехшарошечные долота. Основные элементы шарошечных долот: корпус, шарошки, лапы с цапфами, опоры и промывочные устройства. Опора шарошек состоит из подшипников и торцовой пяты. 1.1  Одношарошечные долотаРис. 1. Модификация отечественных одношарошечных долот: а - основная (серийная); б - с кольцевыми расточками на шарошке; в - с нижней промывкой; г - с коническими зубкамиЭти долота разработаны в СевкавНИПИнефти. Все они относятся к одному классу (с твердосплавным вооружением) и к одному типу (СЗ), предназначены для разбуривания пород средней твердости (доломитов, конгломератов, известняков и других хрупких пород). Одношарошечные долота состоят из корпуса, выполненного вместе с цапфой, на которой монтируется шарошка сферической формы. По ГОСТ 20692-75 унифицированные конструкции одно- шарошечных долот должны выпускаться диаметрами 139,7; 165,1; 190,5; 215,9 и 244,5 мм. Двухшарошечные долота.Двухшарошечные долота разрабатываются СКБ ВПО "Союзгеотехника" совместно с Верхнесергинским долотным заводом в основном для бурения геологоразведочных скважин. Основные размеры этих долот должны соответствовать данным. Они выпускаются диаметром от 59 до 151 мм.Рис. 2 Двухшарошечные долота: а - В112МГ; 1 - секция (лапа); 2 - узел опор; 3 - шарошка; 4 - вооружение; б - 2В93С 1.3Трехшарошечные долота.Трехшарошечные долота делятся: по конструкции Корпуса - на две группы; по технологии изготовления - на шесть серий; по материалу и способу изготовления вооружения шарошек - на три класса; по назначению и свойствам разбуриваемых пород - на четыре группы и 13 типов; по типоразмеру - на более чем на 150 моделей (с учетом опытных долот) ; по схемам выполнения опоры, вариантам выполнения промывочного устройства и вооружения периферийных зубьев - на десятки модификаций.Рис. 3. Секционные трехшарошечные долота: а - 1АН244,5СГ; б - 2АН269,9СГ; в - 1АВ269.9СЗГ; 1 - узел принудительной смазки; 2 - секция (лапа); 3 ~ узел опор; 4 - шарошка; 5 - вооружение 2. Лопастные долотаЭти долота отличаются простотой конструктивного исполнения и технологии изготовления. Разрушая породы по принципу резания и истирания, в мягких, рыхлых и несцементированных породах они оказываются наиболее эффективными: обеспечивают проходку за рейс в несколько сотен, а иногда и более тысячи метров. Однако вследствие наличия в разрезе скважин перемежающихся по твердости пород, а также твердых и абразивных пропластков, диаметр долота часто уменьшается, что приводит к значительному уменьшению диаметра скважины и необходимости расширения и проработки ствола перед спуском очередного долота, а также обсадных колонн. Ввиду того, что контактная поверхность этих долот по сравнению с шарошечными больше и постоянно взаимодействует с забоем скважины, лопастные долота применяются при разбуривании высокопластичных пород. Моментоемкость их высока, что требует подведения к долоту повышенных вращающих моментов. Лопастные долота выпускаются следующих разновидностей: 2Л - двухлопастные, ЗЛ - трехлопастные, ЗИР - трехлопастные истирающе-режущие и 6ИР - шести лопастные ис- тирающе-режущие. Трехлопастные долота ЗЛ выпускаются диаметром 118-445 мм типа М и МС в сварной модификации, т.е. с приваренными к корпусу лопастями. Режущие кромки лопастей у долот типа М армированы релитом, а у долот типа МС - твердосплавными пластинками. Промывочные устройства выполняются с соплами (гидромониторными) или без них.Конструкции отечественных лопастных долот    Эти долота выпускаются следующих пяти разновидностей: 2Л – двухлопастные, 3Л – трехлопастные, 3ИР – трехлопастные истирающе-режущие, 6ИР – шестилопастные истирающе-режущие, П – пикообразные однолопастные. В настоящее время выпускают лопастные долота диаметрами от 76 до 445 мм. 3. Фрезерные долота Фрезерные долота имеют более простую конструкцию, чем лопастные. Долото состоит из удлиненного монолитного корпуса, составляющих с этим корпусом единое целое рабочих органов, армированных твердым сплавом, и простейшего промывочного устройства. Во многих современных конструкциях рабочие органы отсутствуют и роль породоразрушающих элементов выполняют не режущие кромки рабочих органов, а твердосплавные штыри, запрессованные в торец фрезерного долота. Промывочным устройством могут служить один или несколько каналов в корпусе долота. Эти долота могут быть использованы не только для бурения скважины в присутствии металлического и твердосплавного скрапа, но и для разбуривания оставшихся на забое шарошек и других металлических предметов, бетонных и иных пробок. Эта функция фрезерных долот привела к выделению и совершенствованию отдельной их разновидности – фрезеров. В процессе выполнения основной функции бурового долота – бурения массива горных пород на забое скважины – наряду с высокой стойкостью и прочностью фрезерных долот по сравнению с шарошечными и некоторыми преимуществами (например, хорошая сопротивляемость, износ по диаметру при требуемом армировании боковой поверхности, большая устойчивость, прочность и др.) перед лопастными выявились существенные недостатки фрезерных долот (низкая механическая скорость проходки, низкая проходка на долото в твердых и крепких породах, непригодность для бурения глин и других вязких и пластичных пород). Долота ИСМ.Долота ИСМ отличаются от фрезерных и алмазных долот тем, что их рабочие элементы оснащены сверхтвердым материалом славутич. Вставки из славутича прикрепляются к стальному корпусу долота своей цилиндрической посадочной частью методом пайки. Форму рабочей поверхности и количество вставок, марку славутича и его содержание (объем, выраженный в см3 выбирают, исходя из типа долота, т.е. в соответствии с физико-механическими свойствами разбуриваемых пород. Торцовые (зарезные) долота ИСМ предназначены для бурения наклонно направленных скважин и зарезки нового ствола на больших глубинах. Их изготовляют с полым цилиндрическим корпусом, верхняя часть которого имеет замковую муфтовую резьбу, а нижняя выполнена с расширением снаружи и коническим внутренним вырезом, армированным вставками 2 из славутича. Боковую поверхность нижней части также армируют этими вставками. В центральной части торца просверлены промывочные каналы 3, выходящие в радиальные канавки 4, которые разделяют рабочую торцовую поверхность на секторы и соединяются с боковыми пазами 5. Такая схема промывки улучшает охлаждение рабочей поверхности долота и удаление из-под нее шлама.Рис. 2.4. Трехлопастные долота типов М (а) и МС (б): 1 - корпус; 2 - лопасти; 3 - у плотнительные кольца; 4 - твердосплавные штыри;5 - байонетная шайба; 6 - присоединительная резьба; 7 - сопло; 8 - болт; 9 - стопорная шайба; 10 – пластины.Рис. 4. Режущее долото ИСМ первой модификации Алмазные долота .Эти долота изготовляют с режущими элементами из природных или синтетических алмазов различной величины. По форме и направлению пазов, промывочных канавок, рабочих органов и всей рабочей части выделяют три разновидности алмазного долота: радиальную, ступенчатую и спиральную.По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойную и многослойную, т.е. импрегнированную алмазами. Диаметры алмазных долот, как и долот ИСМ, на 2 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных и лопастных долот с целью предотвращения преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины. По конфигурации и принципу действия алмазные долота близки к долотам ИСМ, особенно к истирающим. Долота для колонкового бурения.Эти долота предназначены для отбора образцов проходимых пород (керна) с целью изучения геологического строения разреза скважин, механических, абразивных, коллекторских свойств, состава и строения горных пород, а также состава и свойств насыщающего породу флюида.Рис.5. Алмазные долота: а - однослойное радиальное биконическое долото М311 и отдельные алмазы, используемые для его армирования; б - ступенчатое; в - спиральное ТВ 573; г - импрегнированное ТВ54 Для отбора керна бурят кольцевым забоем, при этом конструкция долота и режим бурения должны обеспечить сохранность керна.
Заключение

Разрушение горных пород является основной операцией при добыче и переработке полезных ископаемых. В процессе бурения скважин важную роль играет качество проходки бурового долота и качество забоя. Правильный подбор буровых долот для соответствующей горной породы, соблюдение техники бурения и качественной промывки скважин позволяет добиться высокой скорости бурения с минимальными потерями бурового инструмента. Например: для мягких пород при неглубоких скважинах целесообразно использовать лопастные долота, а при бурении твердых и глубоких пород лучше подходят шарошечные или алмазные долота.Интенсивное развитие промышленного и разведочного бурения в настоящее время связано с использованием различного оборудования и инструментов. Применение тех или иных технических средств или технологических мероприятий в конкретных геологических условиях, часто резко различающихся по физико-механическим свойствам пород, обусловливает сложность выбора буровых долот. Поэтому при бурении скважин следует строго соблюдать технику бурения и учитывать особенности типа бурового долота. При несоблюдении техники могут возникнуть осложнения в виде разрушений бурового долота, перегреве, смещения осей шарошечных долот, и вследствие этого, быстрое изнашивание инструмента и проведение дополнительных операций по извлечению поврежденного оборудования из скважины.В настоящее время разрабатываются новые виды долот. С использованием современных технологий производства удается получить долота с высоким сроком службы, большой проходкой и скоростью работы, что позволяет уменьшать энергозатраты на процесс бурения скважин, а также эффективно проводить сверхглубокие и горизонтальные скважины.
Список литературы

Аманат Чодри Гидродинамические исследования нефтяных скважин; Премиум Инжиниринг - М., 2011. Большой справочник инженера нефтегазодобычи. Бурение и заканчивание скважин; Профессия - М., 2009. Владимир Григорьевич Храменков Автоматизация управления технологическими процессами бурения нефтегазовых скважин. Учебное пособие для СПО; Юрайт - М., 2016. Ежов И. В. Бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин; ИнФолио - М., 2009. Журавлев Г.И. Бурение и геофизические исследования скважин. Учебное пособие; Лань - М., 2018. Зварыгин В.И. Буровые станки и бурение скважин. Учебное пособие. Гриф МО РФ; ИНФРА-М - М., 2018.