Общие сведения о породоразрушающим инструменте

Лекция 3 Общие сведения о породоразрущающем инструменте 1 Общие сведения Важные проблемы, стоящие перед работниками отрасли народного хозяйства страны, осваивающей минерально-сырьевые ресурсы, возможно при применении высокоэффективного бурового инструмента и передовой технологии строительства нефтяных и газовых скважин. Великий русский ученый М.В. Ломоносов так определил эти проблемы: «Велико это дело заглядывать разумом во глубины земные». За сравнительно короткий промежуток времени породоразрушающий буровой инструмент, используемый на нефтяных и газовых промыслах, существенно изменился на основе широкого применения научных достижений отечественных исследователей и опыта передовых зарубежных компаний производителей буровых долот. В настоящее время в бурении широко используются высокопроизводительные долот и бурильные головки лучших буровых компаний мира, таких как «Хьюз тул компани», «Смит Тул компани», «Рад Тул компани», Хейкалог», «Кристенсен» и др. На российских заводах ОАО «Волгобурмаш», НПП «Буринтех», ОАО «Уралбурмаш» проведена существенная перестройка техники и технологии изготовления долот с учетом зарубежного опыта. В результате на нефтяные и газовые промыслы приходят все новые типы шарошечных долот, алмазно-твердосплавный инструмент, новые гидравлические двигатели для их привода. Все это определяет необходимость того, чтобы каждый инженер хорошо знал конструкцию, ассортимент отечественного и зарубежного породоразрушающего бурового инструмента (ПБИ). Должно быть нормой знания основных особенностей видов и типов ПБИ, знания о порядке выбора долот и бурильных головок и привязка их к определенным породам геологического разреза, умение рационально отрабатывать ПБИ в соответствующих геолого-технических условиях. 2 Общие понятия, параметры и классификации ПБИ К ПБИ следует отнести буровые шарошечные, лопастные, алмазные долота, бурильные головки для отбора керна, а также вспомогательный (специальный) инструмент. По назначению ПБИ классифицируется на 3 класса: 1 Для бурения сплошным забоем. Это буровые долота. Благодаря тому, что долото разрушает горную породу по всей площади забоя, удается применить рабочие элементы, позволяющие создать на забое значительные осевые нагрузки и наибольший крутящий момент. 2 Для бурения глубоких скважин на нефть и газ кольцевым забоем с образованием в центре столбика (колонки) горной породы, называемого керном. В этом случае в качестве ПБИ применяются бурильные головки. Для бурения разведочных скважин на твердые полезные ископаемые, для проходки структурно-поисковых и гидрогеологических скважин глубиной до 500-600 м нередко ведется непрерывный отбор керна. В этом случае способ бурения называют колонковым, а в качестве ПБИ применяют буровые коронки. 3 ПБИ специального (вспомогательного технологического) назначения. К этой группе относят расширители, разрушающие горную породу при увеличении диаметра скважины, а также калибраторы, стабилизаторы, центраторы, которые частично участвуют в разрушении породы на стенках скважины, выполняя также основную цель опорно-центрирующего ПБИ. К специальным инструментам относят пикообразные долота, применяемые для расширения суженных участков скважин и разбуривания цементных мостов. Для последней цели применяют также твердосплавные долота. При разбуривании боковых стволов применяют ряд специальных долот-фрезеров. Некоторые специалисты к этому классу ПБИ причисляют буровые амортизаторы, шламоулавливающий, а также отклоняющий и противоприхватный, включаемый в состав компоновки низа, бурильной колонны, инструмент. По конструктивному исполнению различают шарошечные, лопастные, алмазные, твердосплавные, алмазно-твердосплавные, типа ИСМ долота и бурильные головки. По характеру воздействия рабочих элементов ПБИ на горную породу при ее разрушении долота и бурильные головки подразделяются на следующие группы: - режуще-скалывающие (РС); - истирающе-режущие (ИР); - дробяще-скалывающие (ДС); - дробящие (Д). Схема разрушения горной породы инструментом режущескалывающего действия представлена на рисунке 3.1. Лопасть или резец алмазно-твердосплавного долота перемещается по забою со скоростью V0, срезает слой породы толщиной  , при этом элемент лопасти вдавливается в горную породу осевой нагрузкой с силой Рz и перемещаясь, срезает породу с силой Р  . Рисунок 3.1 - Схема разрушения горной породы инструментом режуще-скалывающего действия Истирающе-режущие инструменты, имеющие рабочий элемент в виде алмазного зерна разрушает горную, вырезая в забое круглую канавку под действием сил Рв и Р  (рисунок 3.2). Происходит микрорезание породы или ее истирание. Это, прежде всего алмазные долота и бурильные головки, а также ПБИ на основе сверхтвердого материала «Славутич». К этой группе следует отнести фрезерные долота, ныне почти не используемые для бурения, кроме такого инструмента, как арбузный фрезер, применяемого для зарезки окон при проходке боковых стволов. Рисунок 3.2 – Круглая канавка в забое под действием сил Рв и Р  К инструментам режуще-скалывающего действия относят двух и трехшарошечные долота. Зуб шарошечного долота (рисунок 3.3), у которого ось шарошки смещена вправо относительно предполагаемой оси, проходящей через центр долота, вдавливается в горную породу с силой Рz на глубину  и одновременно скользит со скоростью V  и угловой скоростью . Рисунок 3.3 – Зуб шарошечного долота При скольжении зуб преодолевает сопротивление породы скалыванию силой Р  . Соседний в венце шарошки зуб, наносит удар, двигаясь с предударной скоростью Vу, равной Vу = V  + V  . В последующем вся нагрузка перемещается на второй зуб, а первый выходит из контакта с породой. К инструментам дробящего действия относят долота одноконусные без смещения осей шарошек и многочисленные инструменты для ударноповоротного бурения шпуров и взрывных скважин в горно-рудной промышленности. Разрушение происходит при нанесению по забою прямых ударов со скоростью Vу и массой инструмента m (рисунок 3.4) Рисунок 3.4 – Нанесение по забою прямых ударов со скоростью Vу и массой инструмента m При этом в породе выбивается канавка глубиной  . При поражении забоя зубком шарошечного долота с несмещенными осями выкалывается концентрическая лунка. К этой группе ПБИ относят долота Т, ТЗ, К, ОК, имеющих минимальный размер правого смещения осей шарошек (1 мм) или выпускаемых вообще без смещения. В этом случае шарошка прокатывается по забою в режиме «чистого качения», разрушая горную породу дроблением. Дробящий инструмент применяется также при бурении скважин и шпуров в шахтах ударным и ударно-поворотным способами. Справедливости ради необходимо отметить то, что первое шарошечное долото, разработанное Говардом Хьюзом в 1909 г., было двухшарошечным, у которого одноконусные без смещения осей шарошки разрушали горную породу методом вдавливания зуба шарошки в породу с дроблением. Двухшарошечные долота будут нами рассмотрены ниже. В горнорудной промышленности широко применяются устройства дробящего действия для бурения шпуров и скважин в монолитных и трещиноватых твердых абразивных породах, называемые буровыми коронками Рисунок 3.5 – Буровые коронки типов КНШ (а, б), КТШ (в), КПД (г) На рисунках 3.5 а, б, в, г изображены буровые коронки типов КНШ (а, б), КТШ (в), КПД (г), предназначенные для бурения ударным и ударноповоротным способом. 3 Технологические параметры породоразрушающего бурового инструмента Основные параметры ПБИ включают данные, по которым оценивается его эффективность и степень надежности. Это, прежде всего следующие показатели: - проходка на долото или бурильную головку является важнейшим параметром при анализе отработки ПБИ, то есть при оценке эффективности новых конструкций или для определения эффекта в модернизации отдельных базовых инструментов. В бурении постоянно используют этот параметр для оценки изменений параметров режима бурения. Проходка на долото или бурильную головку определяется как длина ствола скважины, пробуренная ПБИ до его полного износа в метрах; - стойкость инструмента в часах (долговечность) является также важнейшим параметром, определяющим его работоспособность. Фактический срок работы в трудных забойных условиях определяют возможность наибольшего времени нахождения долота на забое, что является главным требованием при разработке мероприятий повышения производительного времени. С увеличением глубины скважины возрастает значимость этого параметра. На первый план выходит инструмент с большим сроком работы на забое, позволяющий уменьшить время на спуско-подъем бурильной колонны, которые являются технологически необходимыми операциями, но уменьшающими производительность работ. На буровых работах в Западной Сибири условно принято считать, что с глубины 2000 м стойкость долот становится основным параметром. Необходимо отметить, что проходка на ПБИ и стойкость инструмента являются первичными показателями; - важным параметром ПБИ является механическая скорость бурения (м/ч). Это средняя скорость разрушения горных пород. Она равна проходке на инструмент, отнесенной к времени механического бурения. Изменение механической скорости связано с износом вооружения ПБИ, изменением механических свойств горных пород и сохранении неизменной осевой нагрузки на долото к концу рейса при износе инструмента. Существует также такое понятие, как рейсовая скорость бурения, которая характеризует общий темп углубления скважины. Рейс или долбление (термин сохраняется с 20-х30-х годов прошлого века, когда основным способом бурения был ударный) – это отдельная операция проходки скважины, включающая спуск бурильной колонны с новым ПБИ, углубления с наращиванием свечей и подъем бурильной колонны для смены изношенного долота. Рейсовая скорость, как производная величина, равна отношению проходки к времени рейса, то есть в затраты времени включают время, затраченное на механическое бурение, на спускоподъемные операции и на вспомогательные работы, относящиеся к рейсу. На значимости перечисленных скоростей бурения существенно влияет глубина скважины. При бурении на глубинах до 2000 м на первом плане находится механическая скорость бурения. Ниже темп проходки скважины наиболее полно отражает рейсовая скорость. При бурении с отбором керна в качестве основного показателя эффективности бурильных головок и керноотборных устройств служит вынос керна. Это отношение в процентах длины поднятого из скважины керна к величине проходки за рейс. .4 Параметры режима бурения Параметры ПБИ зависят от основных параметров режима бурения, поэтому рассмотрим их. - Осевая нагрузка на инструмент, кН. Является главным параметром, особенно при шарошечном бурении. В геолого-техническом наряде, режимно-технологической карте указывается рекомендуемый диапазон осевых нагрузок, в котором бурильщик находит оптимальную нагрузку, обеспечивающую максимальную величину механической скорости проходки; - Частота вращения ПБИ, об/мин. Кроме названного выше применяют также термины «число оборотов» и «скорость вращения». Этот параметр играет значительную роль для улучшения эффективности бурения, но и определяющим образом влияет на выбор типов ПБИ обеспечивающих наилучшую производительность при проходке определенных интервалов. По частоте вращения различают три режима работы ПБИ: - низкооборотный (роторный способ) – менее 100 об/мин; - средне-частотный (винтовые забойные двигатели) – 150-250 об/мин; - высокооборотный (турбинный способ) – более 400 об/мин;