Режуще-скалывающие породоразрушающие инструменты

Лекция инструменты 4 Режуще-скалывающие породоразрушающие 1 Основные сведения Применяются для разбуривания очень мягких, мягких вязких, мягких с пропластками средней твердости пород. Это лопастные долота типа 2Л, 3Л, 3ЛГ, пикообразные долота, лопастные истирающе-режущие долота, рабочие кромки которых усилены твердосплавными вольфрамокобальтовыми пластинами. К этому классу следует отнести долота РДГ, армированные сверхтвердым композиционным материалом «славутич». Кроме того, лопастными долотами режуще-скалывающего действия являются алмазно-твердосплавные долота, выполненные в виде лопастей. Другие модификации алмазно-твердосплавных долот, имеют матричную основу породоразрушающих резцов. Основным преимуществом лопастных долот перед другими типами ПБИ является то, что резание и скалывание во много раз эффективнее такой форму разрушения, как дробление (вдавливание), характерной для работы, например, шарошечных долот. По данным работ [1, 3] энергоемкость процесса резания 1 см3 горных пород в среднем равна 0,2 кгс·м, а удельный расход энергии при статическом вдавливании чаще всего составляет несколько кгс·м/см3. Кроме того, лопастные долота просты, не сложны в изготовлении. В них отсутствуют подшипники, а стоимость значительно меньше стоимости шарошечных, алмазных и других типов долот [2]. К этой группе лопастных долот, кроме РХ, следует отнести пикообразные, двухлопастные 2Л, трехлопастные 3Л и 3ЛГ, эллиптические и в определенной степени ступенчатые долота. Все они имеют одну общую конструктивную особенность в виде непрерывной рабочей кромки инструмента, находящейся в постоянном контакте с разрушаемой горной породой. Второй особенностью этой группы долот простота устройства и применение для их изготовления дешевых материалов и самых простых технологий. Лопастные долота этой группы работают в режиме резания для разбуривания самых мягких пород, например, пластичных глин, песков, супесей, суглинков. В середине двадцатого века наметился интерес к бурению лопастными долотами однородных высокопластичных пород в Азербайджане, Краснодарском крае, на Украине, вызванный достижением достаточно высоких показателей. Так при проходке сураханских и сабунчинских свит в Азербайджане проходка на долото и механическая скорость бурения лопастными долотами были соответственно в 3,2 и 1,7 раза выше по сравнению с показателями бурения шарошечными долотами [1, 2 ,3]. 66 При бурении в меловых, юрских, триасовых и верхнепермских отложениях на ряде нефтяных месторождений восточной Украины проходка на лопастное долото и механическая скорость были в 5 и 2 раза соответственно выше показателей шарошечных долот. Благодаря этому, объем бурения лопастными долотами в 1960-1980 г.г. возрос в Азербайджане и Краснодарском крае до 30-35 % от общей проходки и до 25 % на востоке Украины, а промышленность освоила выпуск 84 типоразмеров лопастных долот. Основной объем бурения выполнялся с применением трехлопастных 3Л и 3ЛГ. 2 Лопастные долота первого поколения. Как известно, вращательное бурение, пришедшее на смену ударному, потребовало новых ПБИ. Первым долотом для бурения на нефть и газ следует считать лопастное долото. Эти долота, по-видимому, имели такие же конструкции, как известные нам долота типа РХ (рыбий хвост) (рисунок 3.6) Первым долотом для бурения на нефть и газ следует считать лопастное долото. Долото типа РХ (рыбий хвост) является прототипом современного двухлопастного долота. Оно состоит из пулевидного корпуса и двух лопастей. Известно две модификации долота РХ по конструкции промывочных отверстий: - долото с верхней промывкой; - долото с нижней промывкой. Двух и трехлопастные долота Рисунок 3.6 – Долото типа РХ с верхней промывкой 67 Двухлопастные долота типа 2Л применяются для проходки пластичных мягких, а также мягких, с пропластками средней твердости пород. Общий вид и устройство долота представлено на рисунках 3.7 а, б. а б Рисунок 3.7 – Общий вид и устройство двухлопастных долот 68 Корпус 1 штампуется из стали марки 40 вместе с двумя лопастями 2. Присоединительная резьба может быть выполнена в виде ниппеля 3 или муфты. Промывочный узел включает осевую полость корпуса и два обычных промывочных узла 4, расположенных под углом 600 к тыльной грани лопасти. Боковые грани (периферийные ребра) армируются цилиндрическими вставными штырями 5 из твердого сплава ВК8-В. Промежутки между штырями наплавляются релитом. Передняя грань лопастей армируется или дробленными осколками вольфрамокабальтового сплава 6 (рисунок 3.7) или твердосплавными пластинами, как показано на передней грани трехлопасного долота (рисунок 3.8). Пластины укладываются в пазы и напаиваются чугунным припоем при помощи ацетиленокислородной горелки. Трехлопастные долота типа 3Л и 3ЛГ применяют для проходки мягких пластичных пород без или с включением пропластков средней твердости (М и МС). Они изготавливаются с обычной системой промывки (3Л) или с гидромониторной (3ЛГ). Трехлопастные долота более распространены, чем двухлопастные, так как имеют больший запас долговечность, а следовательно и большие проходки на долото. Они работают в стволе скважины более устойчиво, то есть имеют меньшую вероятность заклиниваний и лучше сохраняют направления ствола. Трехлопастные долота 3ЛГ (рисунок 3.8) состоят из штампового корпуса 1 с присоединительной резьбой 10 типа ниппель и трех приваренных лопастей 2. Рисунок 3.8 –Трехлопастное долото Буровой раствор из осевой полости подводится к забою через три цилиндрических канала с установленными в них сменными минералокерамическими насадками 3. Пространство между стенками отверстия и гидромониторными насадками уплотнено двумя резиновыми кольцами 4, находящимися в 69 кольцевых канавках. Закрепление насадки производится шайбой с раструбом 5, которая фиксируется стопорным болтом 6. Последняя грань армируется твердосплавными вольфрамо-кабальтовым трубчатозернистым сплавом. Боковые грани защищены твердосплавными штырями цилиндрической формы 8 и твердосплавными пластинами. Геометрия режущей части лопастных долот имеет важное значение. Основные компоненты геометрии включают углы резания и заострения (рисунок 3.9). Рисунок 3.9 – Углы резания и заострения режущей части лопастных долот Угол резания  образуется передней гранью лопасти и плоскостью забоя. Угол между передней и задней гранями  называют углом заострения. Угол резания зависит прежде всего от твердости разбуриваемых пород. При проходке вязких глин рекомендуется угол резания принимать равным 700, а для разбуривания песчаных и сланцевых глин – 800. В породах средней твердости типа песчаников и маргелей для модификаций лопастных долот режуще-истирающего типа) угол резания увеличивается до 85-900. Механическая скорость бурения увеличивается при уменьшении угла заострения. Для удовлетворения условию прочности лопасти рекомендуется принимать угол  равным 20-250 [1, 3]. Следует отметить то, что в конструкции лопастных долот последующих поколений угол резания принимается равным 85-900, а в лопастных долотах, оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами и резцами угол резания принят отрицательным. Основной недостаток лопастных долот первого поколения это большая контактная площадь лопастей с горной породой. Например, для долот диаметром 243 мм контактная площадь при осевой нагрузке 3 тс у лопастных и шарошечных долот составляет соответственно 235 и 186 мм 2 [1]. Следствием этого является большая моментоемкость лопастных долот и больший износ рабочих элементов. На износ лопастных долот при 70 непрерывном контакте лопастей с горной породой оказывает катастрофическое воздействие рост температур в зоне разрушения. Многочисленные исследования показали то, что температурные вспышки на гранях лопасти достигают 1300 0С, в то время как в шарошечных долотах температура на зубьях шарошки не превышает 850 0С [1]. Исследования кинематики работы лопастных долот показывают, что разные точки по длине лопасти имеют разные окружные скорости движения. Участки лопасти, лежащие вблизи оси долота, имеют минимальные скорости, а при удалении к периферии окружная скорость точек на лезвии долота существенно возрастает. По данным Дверия В.П. увеличение скорости с удалением от оси к периферии изменяется по закону гиперболы. Из этого следует, что для породохранения периферийных участков лопастей от катастрофического износа размещение твердосплавных пластин и наплавка зернистым твердым сплавом по лопасти должны также соответствовать закону гиперболы. По расчетам, сделанным в работе [1] следует, что на центральной части лопасти породоразрушающие резцы могут иметь одинарное перекрытие забоя, а на второй части ее двойное перекрытие. Периферийная часть лопасти должна иметь резцы, обеспечивающие тройное перекрытие забоя. Используемое для лопастных долот типа 2Л, 3Л и 3ЛГ твердосплавное армирование не соответствует по прочностным характеристикам этому условию. Следует также отметить то, что лопастные долота типа 2Л, 3Л и 3ЛГ вследствие большой моментоемкости применяются при роторном бурении. Новые поколения лопастных долот, которые будут описаны ниже, включающие профилированные, расчлененные типов ИСМ и алмазнотвердосплавные лопастные долота эффективно применяются с приводом от гидравлических забойных двигателей. Справедливости ради необходимо отметить, что первые испытания турбобура Капелюшникова М.А. производились с трехлопастным долотом. На рисунке 3.10 показан один из рабочих моментов (1925 г.) испытаний [5]. Закончена бурением первая в мире нефтяная скважина, пройденная с одноступенчатым турбобуром с редуктором для снижения числа оборотов. В верхней части фотографии на корпусе турбобура виден пружинный центратор, ныне применяющийся для центрирования в стволе скважины обсадных колонн. В настоящее время лопастные долота в нефтяной и газовой отраслях промышленности РФ применяются главным образом в южных районах страны. В государствах СНГ они получили некоторое распространение, например, в Азербайджане, Украине, Казахстане и государствах Средней Азии. 71 Большой объем лопастными долотами выполняется при проходке структурно-поисковых, разведочных и взрывных скважин. Среди этих долот известны двухлопастные долота с опережающим лезвием, лопастные долота для шнекового бурения, такие как долото с опущенным призабойным шнеком, с лопастными окнами, ступенчатые шнековые, спиральные, с круглыми лопастями, дисковые, лопастные фрезерные долота с пальцевыми резцами и др. [7]. Пикообразные долота Пикообразные долота были первым породоразрушающим инструментом, применявшимся при вращательном бурении. Исследованиями Копылова В.Е. установлено, что ручное вращательное бурение с спиральными и перовидными (пикообразными) бурами широко применялось в России в IX-XV веках при проходке буровых скважин на рассолы на территориях в современных Новгородской, Нижегородской, Пермской, Вологодской и других областях. Знаменитые российские ученые Ломоносов М.В. и Менделеев Д.И. также работали над конструкциями буровых инструментов. В их архивах обнаружены зарисовки и фрагменты спиральных и перовидных буров [6]. В настоящее время пикообразные долота потеряли свое значение как породоразрушающий инструмент для нефтяных и газовых скважин, но применяются как вспомогательный инструмент для расширения ствола скважины и разбуривания цементных пробок, металлических деталей низа обсадных колонн, а также для проработки забоя перед проведением ловильных работ по удалению мелких предметов из скважины. За исключением профиля рабочей поверхности пикообразные долота конструктивно не отличаются от лопастных. Выпускаются они диаметром от 98,4 до 444,5 мм. В разведочном бурении при проходке мягких вязких пластичных пород нашли широкое применение плоские пикообразные пикобуры ПКО, эллиптические (рисунок 3.11) и перовые пикобуры (рисунок 3.12). 72 Рисунок 3.11 – Эллиптические пикобуры Рисунок 3.12 – Перовые пикобуры При разведке угольных месторождений эффективно применяются пикобуры Воронова и Новикова. Первый из них представляет крестовидную конструкцию из трубчатого корпуса с четырьмя заостренными пиками. Пикобур Новикова состоит из трубчатого корпуса с приваренными к нему девятью трапецеидальными ребрами из стали марки Ст. 5, армированными ВК-8. Ребра размещены на корпусе в три яруса по три в каждом ряду. Как вспомогательный технологический инструмент при проходке нефтяных и газовых скважин применяются два типа цельноштампованных пикобуров: ПЦ и ПР. Пикобур типа ПР (рисунок 3.13) отличается от пикобура ПЦ тем, что боковые кромки лопасти усилены вооружением из твердосплавных 73 пластин и цилиндрических твердосплавных зубков. Состоит из полого округлого корпуса, с ниппельной резьбовой головкой, лопасти из стали марки 40 с термообработкой. Рабочая грань лопасти, армированная твердосплавными пластинками, заострена под углом 900 в виде пики. Набегающие грани изготовлены с заострением с обратным углом, на этих гранях сделаны пазы для твердосплавных пластин, закрепляемых чугунным припоем. Промежутки поверхности между пластинами, а также между твердосплавными штырями на калибрующей грани наплавляются релитом. 1 – корпус; 2 – лопасти; 3 – рабочая грань лопасти; 4 – цилиндрические твердосплавные зубки; 5 – резьбовая головка (ниппель); 6 – промывочный канал; 7 – внутренняя полость Рисунок 3.13 – Пикобур типа ПР Корпус пикобура снабжен двумя боковыми промывочными каналами, направляющими струю бурового раствора из внутренней полости долота на периферию забоя. Пикобур ПР предназначен для расширения и проработки ствола скважины. Пикобур ПЦ служит для разбуривания цементных мостов и стаканов с обратным клапаном ЦКОД. Пикобур ПЦ (рисунок 3.14) отличается от описанного пикобура ПР только тем, что не имеет армирован на боковых гранях лопасти. Это делается для предотвращения повреждений обсадных колонн. 74 Рисунок 3.14 – Пикобур типа ПЦ В последние годы ряд буровых организаций Тюменской области заменяют пикобуры ПР на специальные долота ДП производства НПП «Буринтех», оснащенные твердосплавными зубками и алмазнотвердосплавными пластинами. При разбуривании цементных мостов, цементных стаканов и технологической оснастки внутри обсадной колонны пикобуры ПЦ нередко заменяются на твердосплавные долота типа ДТ (рисунок 3.15), изготовленные в НПП “Буринтех”, или на долота СП “Удол” серии РС, рисунок 3.15. Рисунок 3.15 – Твердосплавное долото типа ДТ 75 3 Лопастные долота истирающе-режущие с твердосплавным вооружением (ДИР) Предназначены для бурения перемежающихся по твердости мягких с пропластками средней твердости абразивных МСЗ и средней твердости малообразивных С породах. Долота типа ДИР для МСЗ пород выпускаются трехлопастными (рисунок 3.16), для пород С шестилопастными. Рисунок 3.16 – Долото типа ДИР Устройство трехлопастного долота (рисунок 3.17) включает полый корпус, лопасти, твердосплавные штыри и канал для промывки. 1 – корпус; 2 – лопасти; 3, 4 – твердосплавные штыри; 5 – канал для промывки Рисунок 3.17 – Конструкция трехлопастного долота типа ДИР 76 В отличие от 2Л, 3Л и 3ЛГ долота ДИР не имеют изгиба лопастей и отличаются большей толщиной лопастей. Все три лопасти на рабочей кромке имеют каждая свой профиль. Одна из лопастей, условно назовем ее первой, перекрывает весь радиус долота, а вторая и третья имеют расчлененную форму, то есть разные длины гребней и впадин. Все лопасти в нижней части по периферии скошены под углом 450. Рабочие кромки лопастей армированы штырями ВК-8В с большим вылетом над торцом лопасти. Этим обеспечивается прерывистость (гребенчатость) режущей кромки. Калибрующие грани лопастей армированы так же, как и у долот типа 2Л и 3Л. Промежутки поверхности между штырями рабочей и боковой кромками лопастей наплавлены релитом. Передняя поверхности лопастей также армированы релитом типа ТЗ. Шестилопастные долота оснащены тремя такими же рабочими лопастями и тремя короткими калибрующими (рисунок 3.17). ДИР могут выпускаться с обычной схемой промывки и гидромониторной. При бурении в мягких вязких глинах долото ДИР работает в режиме резания, как обычное лопастное долото. При подсечении пропластков средней твердости в работу включаются твердосплавные штыри, разрушающие породы истиранием, фрезерованием. И.К. Масленниковым [3] считает, что в целом долото ДИР скорее всего фрезерующего, чем режущего действия. Долота шифруются так: например долото 3 ИРГ-215,9 МСЗ – это трехлопасное истирающе-режущее (ИР) долото с гидромониторной промывкой (Г) диаметром 215,9 мм для бурения в мягких с пропластками средней твердости абразивных породах. 4 Ступенчатые лопастные долота Одним из направлении совершенствования лопастных долот была разработка ступенчатых конструкций институтом проблем глубинных нефтегазовых месторождений АН Азербайджана [2]. Первая модификация ступенчатого долота появилась в начале 60-х годов прошлого века. Это было двухлопастное двухступенчатое долото режуще-скалывающего действия с гидромониторной промывкой, устройство которого приведено на рисунке 3.18. Долото состоит из корпуса с муфтовой присоединительной резьбой. К корпусу под углом 1800 относительно друг друга вертикально приварены две кованные лопасти, а в промежутках выполнены боковые отверстия с размещенными в них минералокерамическими гидромониторными насадками, кроме двухлопастных применяются также трехлопастные долота. По числу ступеней (ярусов) различают двух- трех- и 77 четырехступенчатые долота. По схеме армирования подразделяются на истирающе-режущие и режуще-скалывающее. долота Рисунок 3.18 – Ступенчатое лопастное долото Рабочие и калибрующие поверхности лопастей истирающе-режущих долот армируются зубками из твердого сплава ВК-8В с наплавкой на рабочие поверхности дополнительно зернистого твердого сплава типа ТЗ. Применяются для бурения скважин роторным способом и с гидравлическими забойными двигателями в перемежающихся по твердости и абразивности средней твердости и пластичных породах, а также в валунно-галечных отложениях. Режуще-скалывающие ступенчатые долота армированы прямоугольными твердосплавными пластинами, причем размещение их на передней грани лопасти такое, что режущая кромка приобретает гребенчатую форму. Это предотвращает резкое увеличение опорной поверхности долота при его износе. Долота применяются при проходке перемежающихся мягких и средней твердости пород. При изготовлении ступенчатых долот применяются штампованные заготовки корпуса и лопастей серийных долот 2Л, 3Л, 3ЛГ. В работе [2] приведены результаты сравнительных испытаний ступенчатых и шарошечных долот. Лучшие результаты получены с помощью ступенчатых долот. Ступенчатые долота имеют некоторое преимущество перед долотами 2Л, 3Л, 3ЛГ: - разрушение породы в несколько ярусов одновременно более экономично по сравнению с разрушением породы в одну ступень. В этом случае нижняя ступень выбуривает ствол небольшого диаметра при одновременном разрушении пород другими ярусами по кольцу, которые 78 ослаблены наличием дополнительной поверхности обнажения и соответственно оказывают меньшее сопротивление при разбуривании. - при бурении в часто перемежающихся по твердости породах нередко возникают моменты когда, например, режущие кромки первой и второй ступени лопасти разрушают породы разной твердости. В этом случае происходит автоматическое перераспределение осевой нагрузки на ступень, встречающую большее сопротивление при разрушении породы. Возрастание удельной нагрузки на участке ступенчатого забоя, где сопротивление разрушению больше, приводит к общему увеличению скорости бурения. Опыт бурения ступенчатыми долотами позволил выявить и недостатки, например, такие, как увеличенный износ пилотной ступени. Как видно из рисунка, гидромониторная струя направлена на угол забоя между ступенями. 5 Долота с расчлененной лопастью Многочисленными исследованиями установлено, что основными недостатками лопастных долот являются: - большая контактная рабочая площадь режущих граней; низкая стойкость лопастей, армированными вольфрамокобальтовыми твердыми сплавами. Таким образом, основными направлениями совершенствования лопастных долот могут быть: - уменьшение контактной площади лопастных долот путем расчленения их; - существенное увеличение прочности резцов, участвующих в процессе резания горной породы на забое скважины. Для реализации первого направления совершенствование лопастных долот проведены большие исследовательские работы в УкрНИИПНД, УКрНИГРИ и ИСМ АН Украины и разработана конструкция расчлененного профилированного долота ПЛД для бурения мягких и средней твердости породах с твердыми абразивными пропластками небольшой толщины. Это трехлопастное гидромониторное долото с торцовой режущей частью, на которой размещены твердосплавные зубки из сплавов ВК-8В или ВК-8ВК, закрепленные в просверленных отверстиях с помощью пайки латунью. Боковые грани лопастей также армированы твердосплавными зубками. Нижняя режущая часть лопастей выполнена в виде гребенки, которая включает чередующиеся впадины глубиной 18-20 мм и шириной 15-20 мм и выступы. Профиль лопастей предусматривает перекрытие впадин одной лопасти выступами соседней. Такая конструктивная особенность долота 79 позволяет увеличить удельные давления на забой с целью улучшения эффективности разрушения породы и уменьшения моментоемкости инструмента. На рисунке 3.19 показаны гребенки всех трех лопастей. Рисунок 3.19 – Трехлопастное гидромониторное долото Гидромониторные насадки с внутренним диаметром 12-14 мм размещены в корпусе долота под разными углами с целью равномерного поражения струями всей площади забоя. Дверием В.П. [1] исследованы энергетические показатели шести типов ПЛД, различающихся по профилю торцовой поверхности: - с горизонтальной поверхностью – как у долот типа 2Л, 3Л и 3 ЛГ; - с пикообразной лопастью с углом при вершине 1200; - с пикообразной поверхностью и углом заострения пики 600; - с ступенчатой лопастью; - с расчлененной горизонтальной лопастью; - с расчлененной тороидальной лопастью. Результаты исследований показали, что с помощью расчлененных долот с горизонтальной поверхностью получены лучшие показатели. Например, при этом типе долота получена наибольшая глубина внедрения в породу за один оборот, то есть, достигнута наивысшая механическая скорость бурения. Энергоемкость процесса разрушения породы расчлененными долотами в 6 раз меньше по сравнению с обычными лопастными 80 долотами, в 3,7 раз меньше по сравнению с пикообразными долотами, в 3 раза меньше по сравнению со ступенчатыми долотами. Наибольшая энергоемкость процесса разрушения выявлена у трехлопастных долот. Проведенные промысловые испытания долот ПЛД показали, что новые долота эффективнее лопастных по проходке на долото в 3,8 раза, а по рейсовой скорости на 46 % [1]. Дальнейшим совершенствованием лопастных долот следует считать армирование ПДЛ сверхтвердым конструкционным материалом (СКМ) славутич, разработанном в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ, г. Киев). Опытное бурение, по данным Дверия В.П., позволило увеличить проходку на долото в 10 раз, а механическую скорость в 1,5-2 раза по сравнению с первыми конструкциями ПДЛ, оснащенными твердым сплавом ВК-8В. Следует отметить, что на основе обобщения вышеприведенных материалов в ИСМ разработан ряд конструкций режущих долот на основе использования СКМ Славутич, которые будут описаны в разделе «Алмазные долота». 6 Зарубежные лопастные долота За рубежом объем бурения с помощью лопастных долот претерпел существенное уменьшение. Происходит замена их поликристаллическими алмазными долотами РДС, именуемыми в России долотами с алмазнотвердосплавными пластинами и резцами, а также шарошечными долотами. По сообщениям зарубежных источников большие объемы бурения лопастными долотами производятся в Китае и странах Юго-восточной Азии. В США в сокращенных объемах лопастные долота изготавливаются фирмами «Варел», «Рид», «СиПи», «Грюнер» [3]. Основные конструкционные особенности американских долот следующие [3, 12]: - определенное количество долот выпускаются разборными со сменными лопастями. Это долота фирм «Варел» и «СиПи»; - долота СРС фирмы «СиПи» имеют гребенчатую форму. Лопасти выполняются пикообразными, причем вершина пики размещается ближе к периферии, а на длинной части пики имеется по две трехугольных впадины, не совпадающих друг с другом по радиусу; - на тыльной поверхности лопастей ряда долот размещены гребни, повышающие прочность и жесткость долота и улучшающие отвод шлама и тепла от забоя и режущих кромок; выпускаются четырехлопастные долота цельнокованой конструкции с утолщенными лопастями, армированными крупными твердосплавными зубками. Лопасти разделены глубокими и широкими 81 выемками. Предназначены для бурения в породах средней твердости и средней твердости с пропластками твердых; - фирма «Рид» выпускает гидромониторные лопастные долота, корпус которых изготовляется из высококачественных хромомолибденовых сталей. Материал насадок твердый вольфрамокобальтовый сплав. Сообщается, что при бурении с увеличенными скоростями истечения бурового раствора резко возрастает интенсивность разрушения породы и очистки забоя и в 3-4 раза увеличивается механическая скорость углубления скважины по сравнению с проходкой лопастными долотами с обычной промывкой. Долота применяются для бурения в мягких и средней твердости породах. 7 Истирающе-режущие долота с природными и синтетическими алмазами Природные алмазы Первым использовал алмаз в качестве рабочего элемента породоразрушающего инструмента русский инженер Войслав Г.С., разработавший в конце ХIХ века метод чеканки алмазных зерен в матрицу буровой коронки для отбора керна. Алмазный буровой инструмент (АБИ) подразделяется на следующие группы: - алмазные долота истирающе-режущего типа с природными и синтетическими (искусственными) алмазами; - долота типа ИСМ истирающего-режущего и режуще-скалывающего действия; - долота с алмазно-твердосплавными пластинами и резцами. За рубежом их называют как – «алмазные долота РДС», что означает «алмазные долота с поликристаллическими алмазными режущими элементами». Эта группа АБИ подразделяется на долота лопастного и матричного исполнения. В последние годы преобладает лопастной вид долот и бурильных головок. Алмаз – это уникальный минерал в виде кристаллической модификации углерода. Аморфная модификация углерода представлена графитом, используемом в бурении в качестве смазочной добавки к буровым растворам. В россыпных и жильных месторождениях он встречается как монокристаллами и их обломками, а также в виде сростков (агрегатов) кристаллов, то есть поликристаллов. 82 Размер зерен алмазов колеблется обычно в пределах 0,4-4÷6 мм. Масса кристаллов алмаза измеряется в каратах. Один карат равен 0,2 г. Монокристаллы имеют форму куба, октаэдра, ромбододекаэдра и переходных между ними форм. Уральские алмазы (Пермский край), открытые в 1829 году, имеют кубическую форму, а якутские, открытые после второй мировой войны, представлены в виде октаэдров. Алмазы делят на 2 категории: ювелирные и технические. Некоторые специалисты выделяют также третью категорию. Это алмазы, применяющиеся при изготовлении прецизионных инструментов. Ювелирные алмазы имеют кристаллическую форму, прозрачные, без трещин и мутных участков. Ювелиры называют их алмазами «чистой воды». Известны очень крупные ювелирные алмазы – «Куллинан (3106 карат), «Эксцельсиор» (971,5 карат), «Коинур» (794 карата). Из российских алмазов самым крупным был «Звезда Якутии» (232 карата). Среди технических алмазов находят применение и очень мелкие до нескольких сотых долей карата. Алмаз имеет высокую плотность (3,0∙103-3,5∙103 кг/м3), наибольшую твердость и высокую жесткость. По твердости алмаз занимает первое место из природных минералов. В шкале твердости Мооса ему отведена 10 категория. Микротвердость его равна 950-1000 МПа. Это заметно больше по сравнению с кварцем (~100 МПа) и вольфрамо-кобальтовым сплавом (~170 МПа). Таким образом, микротвердость алмаза в 10 раз больше, чем у кварца и в 6 раз превышает микротвердость твердого сплава. Модуль упругости (Юнга) алмаза, то есть способность к деформации при воздействии, выше, чем у любых других материалов, созданных природой. Он равен 90∙104 МПа, тогда как у твердого сплава 60∙104 МПа, то есть в 1,5 раза меньше. Алмаз хрупок. Его предел прочности на изгиб равен 2,1-5 МПа против 11-15 МПа у твердого сплава. Следует отметить, что в некоторых литературных источниках и повседневной жизни встречается древнегреческое название алмаза – «адамас» (в переводе несокрушимый). Как видим из вышеприведенных цифр, это не соответствует установленным данным. Алмазы имеют самую высокую из минералов теплопроводность (0,35 ккал/см∙с∙0С). Это в 2-5 раз выше, чем у твердого сплава. Способность хорошо отводить тепло от алмазных зерен долота весьма важна при разрушении горных пород. Удельная теплоемкость примерно в 3 раза выше по сравнению с твердым сплавом, что важно при размещении зерен алмаз в твердосплавной матрице. На воздухе при температуре t = 600 0С алмаз окисляется, а при температуре 1200 0С сгорает, превращаясь в графит. Стойкость алмазов к химическим воздействиям достаточно велика. Известно, что природный 83 алмаз растворяется только в щелочной среде при температуре свыше 600700 0С. Природные технические алмазы подразделяются на борты, балассы и карбонадо. Алмазы типа борт представлены обломками, камнями трещиноватыми и плохой окраски, сростками. Они имеют высокую твердость, но хрупки, поэтому плохо сопротивляются нагрузкам и ударам и их износ велик. Балласы – это прежде всего кристаллы сферической формы с очень большой твердостью, поэтому чаще всего используются для армирования однослойных долот. Карбонадо (синонимы бразильские, черные) плотные овальной формы из мелкозернистых кристаллов. Для них характерна высокие износостойкость при истирании и устойчивость к ударам, но они менее тверды, чем борты. За рубежом считаются идеальным средством для оснащения расширителей. В нашей стране в основном используют наиболее дешевые алмазы типа борт. Перед укладкой алмазов в пресс-формы они подвергаются предварительному осмотру для разделения их по форме и размерам. Обработка алмазов состоит из ряда операций, каждая из которых имеет цель повысить качество зерен. Операции обработки включают дробление, овализацию, полирование, термическую обработку, металлизацию. Дробление низкосортных алмазов имеет цель раскалывания кристаллов по трещинам и дефектам. Для овализации алмазных зерен стараются придать им округлую форму путем трения друг с другом. По данным работы [3.] алмазы с острыми кромками быстро растрескиваются. При овализации алмазных зерен стремятся увеличить углы на кромках не менее, чем до 1100. Механическое или химическое полирование предусмотрено для лучшего визуального просмотра кристаллов, а также для уменьшения силы трения зерна о горную породу. В этом случае существенно уменьшается износ алмазов. Термическая обработка кристаллов и обломков предназначены для снятия внутренних напряжений их и тем самым для повышения прочности. Термическая обработка состоит из нагрева до 920-940 0С с медленным охлаждением. Заключительная операция это металлизация кристаллов, то есть их покрытие тонким слоем (5-10 мкм) тугоплавкого металла. Эффект металлизации объясняется прежде всего тем, что многие цветные металлы матрицы алмазного долота плохо смачивают кристалл алмаза, поэтому он не всегда хорошо закрепляется в матрице. Замечено также, что при металлизации происходит также «залечивание» микротрещин и тем самым повышается стойкость кристалла. Чаще всего для металлизации применяется хром. 84 Синтетические алмазы и сверхтвердые материалы Синтетические алмазы (СА) синтезируются при перестройке структуры графита в структуру алмаза. Впервые теоретические положения об условиях, необходимых для синтеза алмазов, и определения устойчивых областей существования алмаза разработал в 1938 г. академик Лейпунский О.П. На основе этой теории в ряде развитых стран мира было освоено производство СА. Сначала это был синтез очень мелких алмазов. В 1955 г. фирма «Дженерал Электрик» (США) сообщила о получении алмазов диаметром до 2 мм. Вскоре об успехах в синтезе было объявлено в Швеции, Бельгии, Японии. В 1960 г. первые синтетические алмазы были получены в институте физики высоких давлений АН СССР под руководством академика Верещагина Л.Ф., а год спустя началось производство СА институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) АН УССР и его опытным заводом (г. Киев). В основе процесса синтеза лежит сжатие сажи или графита или древесного угля при высоком давлении и высокой температуры. На первом этапе промышленностью страны был освоен выпуск монокристаллических алмазов марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС. Алмазы первых трех марок выпускаются размером от 0,04 до 0,63 мм, а АСК и АСС – до 1 мм. Прочность алмазов АСС близка к прочности природных алмазов. Настоящая революция в синтезе алмазов произошла после появления поликристаллических СА, таких как АСБ (алмаз синтетический баллас), АСПК (алмаз синтетический поликристаллический карбонадо), СВС – П (синтетический, ВНИИТС, светлый, поликристаллический). АСПК выпускается в виде цилиндров диаметром 2,3,4 мм и длиной до 4 мм. Налажен выпуск СА СВС-П в виде цилиндров размером 3,5х4 мм и массой 0,6÷0,8 карат. Последний СА разработан специально для буровых долот, используемых в тяжелых условиях бурения глубоких скважин. Отметим также то, что он относится к термостойким СА. В работе [15] сообщается, что термостойкость алмазов СВС-П близка к термостойкости природных алмазов. При кратковременном нагреве до 1200 0С твердость его не изменяется. Микротвердость алмазов СВС-П сопоставима с микротвердостью природных алмазов (12000÷15000 кгс/мм2), а стоимость СВС-П меньше стоимости природных алмазов. Для армирования торцевой поверхности ДАП, разработанных лабораторией алмазного бурового инструмента ВНИИБТ, применяются поликристаллические синтетические термостойкие алмазы типа ПСТА мозаичной конструкции [27]. Кроме поликристаллических СА в стране разработан ряд сверхтвердых материалов (СТМ). Это композиционный материал славутич, использующийся в долотах типа ИСМ и для армирования 85 калибрующих поверхностей алмазно-твердосплавных долот и бурильных головок. Славутич состоит из твердого сплава ВК и мелких размером менее 0,8 мм зерен природных и синтетических алмазов в объеме не менее 25 % смеси. Структура резца цилиндрической формы такова, что алмазные зерна размещены в его рабочей части толщиной 7-8 мм. Остающаяся часть его, утопленная в матрице, состоит только из твердого сплава, так как в разрушении горной породы она не участвует. К СТМ относится кубический нитрид бора (КНБ), представленный модификациями под названиями эльбор, исмит, баразон. Эти материалы применяются в буровых коронках для бурения неглубоких скважин с отбором керна, а также для резания металла в машиностроении. Устройство алмазных долот Предназначены для проходки на больших глубинах песчаников, известняков, доломитов и других мягких, средней твердости и твердых пород малой, средней и реже высокой абразивности. Преимущества алмазных долот по сравнению с шарошечными следующие: - высокая износостойкость, а следовательно и высокая рейсовая скорость, обеспечивающая сокращение СПО и экономию средств; - бурение осуществляется при низком уровне всех видов колебаний; - сравнительно небольшие осевые нагрузки позволяют лучше управлять направлением скважины. Рассмотрим устройство алмазного долота (Рисунок 3.20а). Долото состоит из полого стального корпуса 1, алмазосодержащей рабочей головки, называемой матрицей 2, алмазов 3, присоединительной резьбы в виде ниппеля 4. Корпуса в основном изготавливаются из стали марки 40Х. На корпусе имеется выемка 6 под ключ для свинчивания и навинчивания долота. Матрица изготавливается из твердого сплава. В России применяется метод порошковой металлургии, называемый также «спеканием». За рубежом отдельные фирмы применяют также литейный способ – изготовления – матрицы. Система промывки долота включает широкие пазы – проемы 7 и глубокие напорные каналы 5, в которые попадает буровой раствор из центрального отверстия долота 8. По форме рабочих элементов матрицы различают следующие разновидности долот с природными алмазами, выпускаемых отечественными предприятиями: радиальные – ДР (рисунок 3.20а); ступенчатые – ДК (рисунок 3.20б); лопастные – ДЛ (рисунок 3.20в); зарезные – ДВ (рисунок 3.20г); 86 импрегнированные – ДИ (рисунок 3.20д); с уменьшенной рабочей поверхностью - ДУ (рисунок 3.20е). За рубежом выпускают также долота с матрицей спиральной формы. Долота радиальные ДР отличается от других тем, что наружная рабочая поверхность матрицы разделена на 3 спаренных сектора, размещенных радиально. Торцевая и калибрующая поверхности армированы природными алмазами. 87 Рисунок 3.20 - Устройство алмазного долота Долота (ДК (рисунок 3.20б) внешне напоминают по форме матрицы долото ДР, но торцевая часть выполнена ступенчато с округлыми (тороидальными) выступами. Рабочая поверхность долота ДЛ (рисунок 3.20в) выполнено в виде девяти лопастей. Удлиненные лопасти (их шесть) имеют узкую форму на торцевой части, при переходе в калибрующую боковую поверхность уширяются. Зарезные долота ДВ (рисунок 3.20г) имеют близкий к плоскому укороченный торец. Предназначено для зарезки боковых стволов. Долото импрегнированное ДИ (рисунок 3.20д), как было описано выше, отличается неупорядоченным насыщением рабочей части матрицы мелкими алмазами (0,05-0,2 кар.) на глубину 5-6 мм. Долото с уменьшенной по площади рабочей поверхностью ДУ (рисунок 3.20е) имеет три основные лопасти, вооруженные природными алмазами и три узкие лопасти, армированные импрегнированно. За последние годы существенно изменилась конструкция радиальных долот. Значительно уменьшилась суммарная площадь секторов матрицы. Современное долото типа ДР или ДРС отличается узкими секторами, разделенными напорными каналами. Каждый сектор имеет один ряд алмазов (Рисунок 3.21). 88 Рисунок 3.21 - Долото типа ДР новой модификации В большинстве алмазных долот просматриваются две конструктивные особенности: - плавный переход от калибрующей поверхности в торцевую для уменьшения износа периферийных алмазов, а также тех, что находятся во внутреннем конусе. Профиль матрицы почти всех отечественных алмазных долот цилиндробиконический; - центральная часть матрицы выполнена конусной (вогнутой). В процессе разрушения породы в центре забоя образуется конус, который препятствует возникновению поперечных и частично крутильных колебаний. Известно два способа армирования матрицы: однослойное и многослойное, чаще называемое импрегнированным. При однослойном армировании алмазы при укладке в пресс-форму размещают в один наружный слой с вылетом зерен алмазов над поверхностью матрицы. Импрегнированные долота имеют матрицу, у которой торцевая часть насыщена синтетическими алмазами зернистостью 0,03-0,25 карат/шт. на глубину до 8 мм. При однослойном размещении алмазов вылет их над поверхностью матрицы должен быть равным на ¼ -1/5 диаметра зерна. Известная американская фирма «Нортон кристенсен», являющаяся одним из лидеров по алмазному инструменту, рекомендует вылет около 1/3 диаметра зерна. Алмазы калибрующей поверхности долота должны иметь нулевой вылет, 89 то есть быть утоплены в матрицу для предотвращения слома их при спуске долота на забой. Кроме долот с природными алмазами выпускаются также долота с СА. Это типы ДРС, ДКС, ДЛС, ДУС, а также долота импрегнированные ДКСИ и ДЛСИ. В нашей стране алмазные долота производятся диаметром 138,1; 141,3; 157,1; 163,5; 188,9; 214,3; 267,5; 292,9 мм. Шифр алмазного долота включает особенности конструкции, тип алмазов, диаметр в мм, твердость горных пород, для разбуривания которых предназначено это долото и номер заводской модификации. Например, шифр долота ДК 188,9 С6 расшифровывается так: долото с природными алмазами диаметром 188,9 мм для разбуривания малоабразивных пород средней твердости, 6- номер заводской модели. Изготовление алмазных долот производится способом порошковой металлургии. Он включает следующие операции: - укладка алмазных зерен в пресс-форму по определенной схеме и закрепления их клеем; - приготовление смеси порошков, включая кобальт и карбиды вольфрама с медным или другим инфильтратом и засыпка порошков в пресс-форму; - установка корпуса долота и холодное прессование корпусом, как пуансоном; - операция спекания при нагреве до 1300 0С в вакуумной или водородной печи; - механическая обработка, включая нарезку резьбы, фрезерование промывочных каналов, пескоструйная обработка матрицы. При укладке алмазов в пресс-форму схема их размещения должна учитывать неравенство скоростей движения алмазных зерен по радиусу забоя. Известно, что в центре забоя скорость близка к нулю, а на периферии она максимальна. Изменение скорости зерен по радиусу забоя носит гиперболический характер. Алмаз на периферии за один оборот долота будет проходить значительно больший путь и разрушать больший объем породы, чем алмаз в центральной части, поэтому удельная работа, выполняемая им будет существенно больше и его износ интенсивнее. Таким образом, размещение алмазных зерен по площади рабочей поверхности должно быть таким, чтобы условие равенства удельной работы каждым алмазом было выполнено. Кроме того, работоспособность алмазного долота в значительной степени зависит от того применяется ли при укладке алмазов ориентированное размещение их или нет, как в импрегнированном инструменте. Дело в том, что алмаз, как и некоторые другие минералы обладает анизотропией, то есть его твердость и износостойкость не равны по разным направлениям. Причина этого объясняется неравномерным расположением атомов в так называемых плоских сетках алмазов. По 90 данным работы [16] сопротивления износу алмазов по разным направлениям меняется в 100 раз и более. Определено, что в алмазном зерне существуют направления наибольшей и наименьшей твердости. Таким образом, если направление по твердому вектору алмаза совпадет с равнодействующей реактивных сил породы при разрушении, то это может значительно уменьшить износ инструмента. В работе [14] расчетом показано, что ориентированное размещение алмазов по твердому вектору без учета реакции забоя может повысить стойкость долота в 2 раза. 8 Одношарошечные долота По характеру воздействия вооружения одношарошечного долота на горную породу они относятся к истирающе-режущим инструментам. Автором первых одношарошечных долот был американец Зублин Д. Широкиой известностью пользовались его долота типа Симплекс. Такое долото отличалось от других тем, что к корпусу прикладывались сменные шарошки восьми типов, предназначенные не только для углубления ствола скважины в мягких вязких и средней твердости породах, но и для расширения ствола скважины, зарезки вторых стволов, фрезерования на забое металлических деталей, выправлении смятых участков обсадных колонн и разбуривания цементных стаканов. Известны также долота Зублина Д., названные дифференциальными. Конструкция современного одношарошечного долота представлена на рисунке 3.24. Корпус 1 с лапой 2 переходит в цапфу 3. Рисунок 3.24 - Конструкция современного одношарошечного долота 91 Опора долота состоит из трех скольжения и двух шариковых подшипников: два больших подшипника скольжения 9 и 11 и упорный подшипник 5, а также шарикоподшипник замковый 10 и радиально упорный шарикоподшипник 4. Шарикоподшипник замковый 10 собирается на месте через проход 8, который запирается замковым пальцем, фиксируемым электросваркой. Промывка забоя осуществляется через отверстие 7, направляющего поток бурового раствора по касательной к шарошке. Вооружение шарошки выполнено плосковыпуклыми твердосплавными зубками формы Г23. При вращении долота резец находясь в постоянном контакте с забоем и совершая сложное движение периодически вырезает в породе канавку по проекции на плоский забой, напоминающую эпитрохоиду. Одношарошечные долота выпускаются ОАО «Волгабурмаш» в ограниченном объеме, причем 5 типоразмеров изготавливается с маслонаполненной герметизированной опорой для бурения пород средней твердости и средней абразивности и только 1 типоразмер выпускается с открытой опорой для проходки пород средней твердости и средней абразивности. На рисунке 3.25 изображен общий вид одношарошечного долота с маслонаполненной опорой. Корпус 1 включает камеру с диафрагмой для выравнивания давления, закрытую крышкой 2, и присоединительную резьбовую головку 3. Рисунок 3.25 - Общий вид одношарошечного долота с маслонаполненной опорой 92 Промывка забоя производится при помощи отверстия 4 и продольных пазов 5. Главный недостаток одношарошечных долот заключается в низкой механической скорости бурения по сравнению с этим же показателем у трехшарошечных долот. Несмотря на то, что сетка поражения забоя резцами одношарошечного долота существенна, однако на забое часто образуются гребни с неразрушенной породой, называемые также целиками. Целики раздавливаются корпусом шарошки, но в целом эффективность разрушения породы по всей площади забоя низка, поэтому востребованность одношарошечных долот производством мала. В настоящее время на основе одношарошечных долот разработаны маслонаполненные герметизированные расширители типа ОДР и развальцеватели ОРШ, применяемые при установке в скважине профильных перекрывателей ПП216 и ПП216У при ликвидации интенсивных поглощений буровых растворов. Расширитель ОДР (рисунок 3.26) предназначен для увеличения диаметра пробуренного ранее ствола скважины в породах различной твердости и абразивности. Круглая шарошка усечена цилиндром меньшего диаметра, ось которого является продолжением оси присоединительной Рисунок 3.26 - Расширитель ОДР резьбы. В транспортном положении благодаря совпадению оси цилиндрической поверхности шарошки с осью резьбы расширитель имеет, уменьшеный диаметр, поэтому он свободно проходит по стволу к месту расширения для установки профильного перекрывателя. ОАО «Волгобурмаш» выпускает три типа расширителя: ОДР 216/237, ОДР 145/152, ОДР 125/133. 93 На рисунке 3.27 а, б дан разрез и общий вид развальцевателя ОРШ. Наружная поверхность шарошки отличается от сферы наличием специальных пазов-лысок, предназначенных для улучшения промывки поверхности шарошки и ее охлаждения при нагреве во время развальцовки перекрывателя (рисунок 3.27б). Развальцеватели выпускаются ОАО «Волгабурмаш» трех размеров – ОРШ 196, ОРШ 208, ОРШ 216, причем цифра в шифре развальцевателя означает диаметр шарошки в мм. - расход бурового раствора (л/с). Это количество бурового раствора, подаваемого к ПБИ в единицу времени для привода забойного двигателя, охлаждения инструмента и выноса шлама с забоя скважины. Рисунок 3.27 - Разрез и общий вид развальцевателя ОРШ Расчетное количество подаваемого бурового раствора (промывочной жидкости) обеспечивает полное и своевременное удаление шлама с забоя для беспрепятственного его разрушения. На качество очистки забоя влияют также свойства буровых растворов, которые в данной работе не рассматриваются. 9 Основные требования к ПБИ 1 Обеспечение высокой механической скорости бурения. 2 Достижение большой проходки на долото, то есть инструмент должен быть достаточно долговечен при работе на забое. 3 Сохранение возможности передавать горной породе на забое значительные осевые нагрузки и воспринимать большой крутящий момент. 94 4 ПБИ должен иметь простое устройство, позволяющее вести отработку специалистам, подготовленным в техникумам, технических училищах и школах буровых кадров. 5 Стоимость ПБИ должна быть сравнительно небольшой. В случае, если инструмент изготовлен из дорогостоящих материалов и по специальным технологиям, имеющим затратный характер, необходимо показать, что высокие показатели ПБИ экономически целесообразны по сравнению с базовым дешевым инструментом. 10 Долота с алмазно-твердосплавными пластинами и резцами (АТП, АТР) Общие сведения Режущим элементом долот с алмазно- твердосплавными пластинами и резцами (ДАП) является пластина твердого сплава, покрытая тонким слоем (0,5-0,7 мм) поликристаллических алмазов. За рубежом за ними закрепилось название « алмазные долота РДС (Polycrystalline Diamond Compact)». Первой разработала такой сверхтвердый режущий элемент фирма «Дженерал Электрик» (США) в начале 70-х годов прошлого века. После значительной доработки в течение 1974-1977 г. алмазнотвердосплавные пластины торговой марки стратапакс нашли широкое применение для оснащения в виде режущего элемента буровых долот. Тонкий слой синтетических поликристаллических алмазов прочно связан с твердосплавной пластиной методом диффузионной сварки или под давлением. Созданный сверхтвердый композиционный материал имеет высокие прочность и износостойкость. По микротвердости он немного уступает природным алмазам (950-1000 МПа) превосходя в несколько раз твердый сплав по твердости. Предел прочности твердого сплава на изгиб в 1,7 раз больше этого же показателя у поликристаллического алмазного слоя. К тому же выявлено, что алмазный слой АТП и АТР не имеет анизотропности, что предотвращает появление трещин и увеличивает износостойкость в процессе резания горной породы. Отмечено, что АТП и АТР имеют свойство самозатачивания. На рисунке 3.28 а, б изображено крепление АТП и АТР к корпусу или лопасти долота. АТП и АТР имеют формы круга, треугольника и в виде вырезанных лазером секторов круга. 95 Рисунок 3.28 - Крепление АТП и АТР к корпусу Круглые пластины в зарубежных долотах выпускаются преимущественно диаметром 13,3 и 19 мм, а в России 8,10, 13, 13,5 и 19 мм. Обычно устройство АТП может быть двухслойным с разной толщиной алмазного слоя и твердосплавной основы и плоской поверхностью между ними. Для улучшения связи двух слоев пластины некоторые зарубежные фирмы фрезеруют перед их соединением прорези в твердосплавном диске для увеличения суммарной контактной поверхности. Устройство долота ДАП и его общий вид приведены на рисунке 3.29. Корпус 1, имеющий осевую полость 6, содержит на себе лопасти 2 с зубками АТП 3. Буровой раствор из полости корпуса через гидромониторные насадки 4 направляется для охлаждения рабочих элементов и удаления шлама с забоя скважины. Для предохранения размыва корпуса и выпадения гидромониторных насадок предусмотрено уплотнительное кольцо 5. Корпус имеет присоединительную резьбу 7. 96 а б Рисунок 3.29 - Устройство долота ДАП и его общий вид Продолжая рассматривать вопрос об устройстве алмазнотвердосплавных долот, следует отметить то, что если первые конструкции долот были в виде сплошной матрицы с размещением резцов по спирали или радиальными рядами, то постепенно определилась тенденция размещать резцы по секторам, а позднее и по лопастям. На рисунке 3.30 изображено одно из первых долот фирмы «Секьюрити», которое в определенной степени разрушает горную породу скорее фрезерованием, чем резанием. Современные алмазнотвердосплавные долота имеют ярко-выраженную агрессивную режущую конструкцию, позволяющую достигать высоких значений механической скорости проходки. Долота с АТП нашли широкое применение на месторождениях США, в Европе (Северное море), в Африке при разбуривании мягких и средней твердости пород, таких как глинистые сланцы, глины, алевролиты, известняки, аргилитты, мел, соли, малоабразивные песчаники. Показатели бурения по проходкам на долото, механической скорости и стойкости были в 3-4 раза больше, чем у шарошечных долот с твердосплавным вооружением и маслонаполненной герметизированной опорой. Зафиксированы такие рекордные результаты, как проходка на долото 4700 м (долото фирмы «Дриллинг энд Сервис), изностойкость 643 часа (долото фирмы «Смит Тул»), а с помощью долота РД-11 фирмы «Страта Бит корп» рекордная механическая скорость составила 72,4 м/ч. 97 Рисунок 3.30 - Одно из первых долот фирмы «Секьюрити» Отмечены следующие преимущества долот с АТП: - высокая стойкость вооружения к абразивному износу; - отсутствие опоры и движущихся элементов, как одной из возможных причин выхода долота из строя; - снижения числа рейсов и уменьшения сроков строительства скважин; - резкое улучшение состояния ствола скважин; - улучшения управлением ствола скважин в процессе бурения; - меньший износ бурильных и обсадных труб и наземного оборудования; - появление возможности уменьшить диаметр скважины; - снижение осевой нагрузки на долото. Резкий рост объемов бурения с алмазно-твердосплавными долотами в странах капиталистического мира позволил некоторым специалистам сделать прогноз о том, что к 1990-93 г.г. половина объема бурения в мире будет выполняться новыми долотами, назвав происходящее второй революцией в области бурового дела. Имелось очевидно ввиду то, что первая революция – это переход от лопастных долот на шарошечные в начале прошлого века. В нашей стране бурение алмазно-твердосплавными долотами началось в 80-х годах прошлого столетия на скважинах Талинского месторождения Красноленинского свода. Использовались долота Lх-22Н, Lх-22гидро, ТД-105 и ТД-202 бельгийской фирмы «Диама Борт». 98 Долота типа Lх выполнено в виде лопастей, имеющих ступенчатую биконическую форму. Алмазно-твердосплавные пластины в виде дисков и секторов, равных ¼ части круга, носят название Диапакс. Размер 13,3 мм. Общий вид долота представлен на рисунке 3.31 . Рисунок 3.31 - Общий вид долота типа Lх Долота Lх предназначены для роторного и турбинного бурения мягких вязких и пластичных пород. Промывка осуществляется через отверстия в центре, калибрирующая часть долота защищена вставками из вольфрамо-кобальтового сплава. Долота типа ТД предназначены для роторного бурения мягких, липких, вязких малоабразивных пород. Рабочая головка выполняется укороченной и скорее всего может быть названа плоской. Долота Lх и ТД отрабатывались в интервале 650-2810 м. Получены следующие результаты: по долотам Lх средняя проходка на долоте составила 3100 м и механическая скорость 16,3 м/ч. Показатели по долотам ТД колеблются в диапазоне 2017-3480 м по проходке на долото и 14,3 м/ч по механической скорости. Для сравнения у шарошечных долот III215,9 МГВ в этом интервале проходка на долото была равна 116 м, а механическая скорость 17,1 м/ч. 99 Первые отечественные долота с АТП и АТР были изготовлены на экспериментальном забое ВНИИБТ (пос. Поворово Московской области), на опытном заводе ИСМ (г. Киев) и опытном заводе «Нефтемаш» (г. Куйбышев) Производство АТП было организовано на опытном заводе ИСМ. Устройство долота ДАП При отработке долот ДАП 214,3 М (три модификации) в интервале 1426-2710 м Талинского месторождения проходка на долото была равна 1820-2003 м, а механическая скорость 14,4-16,5 м/ч. Следует заметить то, что когда в долоте ДАП 214,3 М2 АТП института ИСМ были заменены на зарубежные пластины Стратопакс, то результаты отработки оказались рекордными: проходка на долото составила за 16 рейсов 4587 м, а механическая скорость достигла 19,1 м/ч. В 1989 г. алмазно-твердосплавные долота были испытаны на Ловинской, Западно-Ловинской, Филипповской и Лазаревской площадях Шаимской группы месторождений в глинистых породах с пропластками слабосцементированных алевролитов. Результаты испытаний: средняя проходка на долото 1445,5-1609 м, то есть в 4,7-5,2 раза превышает проходку на шарошечное долото III 215,9 МЗГВ, но механическая скорость бурения шарошечным долотом в 2 раза больше, чем скорость углубления с алмазно-твердосплавным долотом. На рисунках 3.31 и 3.32 и дан общий вид долот ДАП-214,3 М1 и ДАП 214,3 М4. Долото ДАП-214,3 М1 шестилопастное, оснащенное 51 пластинами АТ диаметром 13,5 мм. Имеется три отверстия, не перекрытые тремя короткими лопастями. 100 Рисунок 3.32 - Общий вид долот ДАП-214,3 М1 Рисунок 3.33 – Общий вид долот ДАП 214,3 М4 101 Долото ДАП-214, М4 имеет уменьшенную опорную поверхность. Число лопастей сократилось до трех. Каждая лопасть армирована одним рядом алмазно-твердосплавных пластин и двумя рядами синтетических поликристаллических алмазов СВС-П. Общее число АТП долота равно 29. Пластины дисковой формы диаметром 13,5 мм. Промывка долота производится с помощью трех отверстий размером 18 мм. Суммарная масса алмазов СВС-П составляет 78±20 карат. Резкий рост объемов бурения в Западной Сибири с помощью долот с АТП и АТР произошел на грани конца 20 – и начала 21 столетия. Благодаря усилиям объединения ОАО «Сургутнефтегаз» и научнопроизводственного предприятия «Буринтех» (г. Уфа) были разработаны новые долота типа БИТ, позволившие существенно улучшить техникоэкономические показатели проходки скважин. Например, с помощью первого поколения долот БИТ 214,3 МС; 214,3 МС2; 214,3 С2 (рисунок 3.34), отработанных в нижних интервалах нефтяных скважин (1800-3150 м) Конитлорского, Русскинского, Федоровского¸Северо-Юрьевского, Тончинского месторождений в 2002 г. получены следующие результаты: проходки на долото достигли 653-975 м при стойкости 65-70 часов и механической скорости 10-11,4 м/ч [18, 19]. Рисунок 3.34 – Долото БИТ 214,3 С2 Лучшие результаты получены с помощью долот БИТ 214,3С2. На долото № 173 за 5 рейсов было набурено 2194 м в интервале 2105-2670 м. Сравнение показателей отработки долот БИТ с лучшим по достигнутым 102 результатам в интервале 1522-3294 м шарошечным долотом III 215,9 МЗ ГАУ-R233 показало, что показатели долот БИТ превышают шарошечные долота по проходке на долото в 2,5 раза, по стойкости в 2 раза и по механической скорости в 1,5 раза. Долото БИТ 214,3 С2 (код IADC 5434) предназначено для бурения в малоабразивных породах средней твердости IV-VI категорий с пропластками твердых пород. Долото оснащено АТП диаметром 13,5 мм числом 60 штук. Модификация С2 отличается от долот типа С наличием дополнительных вставок с импрегнированными алмазами (показаны стрелками). Это увеличивает износостойкость инструмента за счет повышения плотности вооружения. Долото имеет четыре промывочных отверстий диаметром 16 мм. Предназначено долото для бурения с ВЗД или ротором. Применение алмазно-твердосплавных долот БИТ в интервале ниже 2000 м позволило получить экономический эффект в сумме 700 тыс. рублей на одно долото. Рисунок 3.35- Долота БИТ 214,3 М5 и БИТ 214,3 М4 103 Дальнейшее совершенствование долот Бит специалистами НПП «буринтех» совместно с производственниками ОАО «Сургутнефтегаз» обеспечило новый рост показателей проходки. Отработка долот второго поколения М4, М5, 2МС с приводом от ВЗД в течение 2003-2004 г.г. показала, что новые долота обеспечивают существенное увеличение скоростей бурения. Лучшие результаты получены при отработке долота БИТ 214,3 М5 (рисунок 3.35). Проходка на долото в 2,3 раза, по стойкости в 1,5 раза выше, чем у долот МС и МС2. Долото БИТ 214,3 М5 (код IADC 5233) предназначено для проходки мягких малоабразивных пород I-III категории твердости. Обладает «агрессивной конструкцией режущей части за счет сравнительно большого вылета АТП над поверхностью всех пяти лопастей. Общее число АТП диаметром 13,5 мм составляет 33 шт. Промывочная система долота содержит 5 отверстий диаметром 13 мм. Рекомендуемый привод ВЗД или ротор. Следует также отметить, что НПП «Буринтех» пойдя навстречу пожеланиям проходчиков скважин выпустило ряд алмазнотвердосплавных долот с увеличенным диаметром для обеспечения лучшей вписываемости элементов КНБК в интервалах набора кривизны. Например, появились долота БИТ 215,9 М4, БИТ 215,9 М5, БИТ 2-215,9 МС, а также БИТ2-220, 7 МС. Таким образом была решена задача улучшения технологии бурения в нижних интервалах скважин, требовавших существенных затрат труда. В дальнейшем НПП «Буринтех» разработало новые долота Бит для бурения под кондуктор, такие, как БИТ 295,3 М4, БИТ-2-295,3 М4, БИТ2-295,3 МС и БИТ 295,3 С9. В целом с помощью одного такого долота были пробурены интервалы скважин под 10-15 кондукторов. Кроме НПП «Буринтех» в нашей стране алмазно-твердосплавные долота производят ОАО «Волгабурмаш» и СП ЗАО «Удол» («Удмуртские долота»), организованное при участии фирмы «DPI» (США) и российских предприятий АО «Удмуртнефть» и ГПО «Воткинский завод». Мировой и отечественной практикой освоены бицентричные алмазно-твердосплавные долота (рисунок 3.36) предназначенные для бурения скважин. В мягких с пропластками средней твердости малоабразивных породах III-IV категории с одновременным расширением ствола вертикальных и наклонно направленных скважин. НПП «Буринтех» относят эти долота к модификации «БИТ 4». Например, шифр бицентричного долота БИТ-4-152,4/175 МС следует понимать так: проходной диаметр 152,4 мм, а 175- это диаметр расширения в мм. Последние две буквы характеризуют группу твердости пород. 104 Рисунок 3.36- Бицентричные алмазно-твердосплавные долота Очевидно, что совершенствование алмазно-твердосплавных долот в будущем будет продолжено, как и эффективная их отработка. Но уже сейчас можно отметить, что тенденция замены шарошечных долот алмазно-твердосплавными наметилось, а в передовых буровых организациях стала фактом. Так в Сургутском УБР № 1 ОАО «Сургутнефтегаз» в 2006 г. 70 % объема всего бурения выполнена с помощью долот типа БИТ. Алмазно-твердосплавные пластины используются также для вооружения долот, относящихся к вспомогательному технологическому инструменту. Это специальные долота для расширения и калибрования ствола скважины, применяемые взамен пикообразных долот ПР. В НПП «Буринтех» они выпускаются под шифром ДП (рисунок 3.37). Например, долото ДП-214,3 МС имеет следующие основные параметры: - количество АТП диаметром 13,5 мм 18; - количество твердосплавных резцов 21; - число промывочных отверстий – 7; - привод от ГЗД или ротора. 105 Рисунок 3.37 - Долото ДП-214,3 МС Кроме того, при алмазно-твердосплавном бурении применяются долота типа ДТ, предназначенные для разбуривания цементных мостов и песчаных пробок (рисунок 3.38). Они оснащены твердосплавными резцами. Применяются вместо пикообразных долот типа ПЦ. Рисунок 3.38 – Долота типа ДТ При работе алмазно-твердосплавного долота над ним в КНБК устанавливается калибратор-расширитель «КР», лопасти которого 106 армированы твердосплавными зубками и вставками. На рисунке 3.39 изображен калибратор-расширитель КР-215,9 СТ, предназначенный для калибрования и расширения стенок отдельных участков ствола, сложенных средней твердости и твердыми абразивными породами. Рисунок 3.39 – Калибратор-расширитель КР-215,9 СТ 11 Зарубежные алмазно-твердосплавные долота Как известно, широкое применение ДАП за рубежом и немедленный успех способствовали тому, что ряд крупнейших долотных фирм в 80х-90х годах 20 века приложили немало усилий и средств в исследование и совершенствование этого типа породоразрушающего инструмента. В России этот процесс начался практически 25-30 лет спустя. Вследствие этого организации – производители отечественных ДАП смогли отладить проектирование и изготовление этих долот для бурения в мягких, мягких с пропластками средних, средней твердости малоабразивных породах. Вне этого диапазона остались долота для бурения в твердых, крепких и очень крепких абразивных породах, поэтому в данном разделе наше внимание будет уделено конструктивным особенностям и характеристикам этих алмазно-твердосплавных долот. Такие долота производят почти все долотные фирмы. Но лидерами являются такие компании, как «Кристенсен», ДБС, «Хьюз Кристенсен» и объединенная в 1998 г компания «Рид-Хейкалог»- (Корпорация «Шлюмберже»). Среди долот компании «Нортон» выделяются долота серии S, оснащенные термостойкими самозатачивающими синтетическими 107 режущими элементами Балласет. Например, долото S226 изображенное на рисунке 3.41. Долото состоит из корпуса 1 и размещенной на нем твердосплавной противоэрозионной матрицей. Рабочий торец выполнен цилиндробиконическим с наружным 2 и внутренним 3 конусами. Рабочий торец армирован режущими элементами 5 в виде трехгранных призм. Промывочная система включает щелевые отверстия 4, которые собираются с внутренней полостью долота, каналы 8 и проёмы 7. Рисунок 3.41 – Долото S226 Долото предназначено для проходки в средней твердости, твердых и крепких породах средней абразивности. В этой серии необходимо отметить долота S248, S249, S246, которые могут быть использованы для бурения в твердых, крепких и очень плотных высокоабразивных породах. Среди долот этой серии выделяется импрегнированное долото S279 (рисунок 3.42), применяемое для бурения твердых, очень твердых, крепких и очень крепких весьма абразивных пород с приводом от турбобура. Отличается, как видно из рисунка, довольно плоским торцом, который разрезан промывочными каналами 1 на импрегнированные элементы – выступы 2. Калибрующая поверхность защищена природными алмазами 3. Система промывки долота представлена кроме каналов 1, щелевыми отверстиями 5 и шестью проёмами 4. 108 Рисунок 3.42 – Импрегнированное долото S279 Из долот фирмы «Кристенсен» следует выделить долота серии М, например долото М 437 с термостойкими синтетическими поликристаллическими резцами мозаичного типа. Последний собирается из отдельных термостойких импрегнированных элементов, представленных пластинами трехгранной, квадратной и других форм (рисунок 3.43). Рисунок 3.43 - Долото М 437 109 Рисунок 3.44 - Долото М 437 Долото М 437 изображено на рисунке 3.44. Заметим, что фирма «Кристенсен» выпускает также долота комбинированно типа серии Z. Вооружение этих долот представлена в виде комбинации обычных синтетических поликристаллических резцов с термостойкими резцами мозаичного типа. Долота серии Z по внешнему виду идентичны долотам серии М мозаичного типа. Они имеют твердосплавную матрицу. Калибрующая поверхность защищена природными алмазами. Долота предназначены для бурения в твердых абразивных породах. Лидером поставки алмазных долот для бурения твердых и крепких абразивных долот является также фирма Diamant Boart Stratabit (ДБС). Она выпускает долота серий ТТ, ТВ, ТВТ. Из импрегнированных природными алмазами размером 250 шт./карат долот серии ТВ выделяется долото ТВ 521 itp. (рисунок 3.45), предназначенное для разбуривания очень твердых и крепких весьма абразивных пород. 110 Рисунок 3.45 – Долото ТВ 521 itp Рисунок 3.46 – Долото ТВТ 703 Отличается плоским профилем с тупым внутренним конусом. Промывка осуществляется через центральное сопло. Калибрующая поверхность армирована природными алмазами и наплавкой зерновым твердым сплавом. Из долот серии ТВТ отметим долото ТВТ 703, 111 представленное на рисунке 3.44. Отличается параболическим профилем со средним внутренним конусом. Вооружение торца комбинированное: термостойкие поликристаллические самозатачивающие резцы Трипакс, усиленные каждый круглым природным алмазом размером 3 шт./карат. Промывка производится через центральное сопло. Калибрующая поверхность защищена природными алмазами и наплавкой зерновым твердым сплавом. Американская фирма «Рид-хейкалог» после объединения фирмы «Рид». Сначала с алмазной фирмой «Американ Коулдсет», а затем с фирмой «Хейкалог» существенно расширила выпуск алмазных и алмазнотвердосплавных долот. Объявлено, что объединенная фирма выпустила серию импрегнированных долот «Дурадаймонд» (рисунок 3.47 ). Разработано 5 конструкций долот для бурения от средне- до сильно абразивных пород. На рисунке 3.47 изображен фрагмент матрицы одного типа долота. В описании долот указывается, что импрегнирование произведено на основе термостойких поликристаллических алмазов. Сообщается также, что фирмой разработана новая конструкция алмазнотвердосплавных резцов «TREX», имеющих на 200-400 % большую износостойкость, чем лучшие из резцов типа «Стратапакс». Следует ожидать появление новых типов ДАП с повышенными скоростями бурения в абразивных породах. Рисунок 3.47 - Импрегнированное долото «Дурадаймонд» Известная фирма «Хьюз Кристенсен» выпустила ряд импрегнированных долот (рисунок 3.48). Особенно отличается долото, помещенное на передней позиции рисунка. Рабочие элементы этого долота имеют «столбиковую» форму благодаря тому, что матрица долота 112 кроме радиального расчленения концентрическими каналами. глубокими каналами, разделена Рисунок 3.48 - Импрегнированное долото фирмы «Хьюз Кристенсен» 12 Долота ИСМ Понятие о сверхтвердых материалах Алмазное бурение в силу ряда недостатков занимало в СССР скромное место в общем объеме буровых работ – 1,5 %. Недостатки алмазного бурения следующие: - высокая стоимость долот вследствие дефицита алмазного сырья. В работе [14] отмечается, что якутские алмазы на 70-80 % представлены бортом и только 15-20 % их относятся к высококачественному сырью; - низкая механическая скорость проходки (0,5-1,5 м/ч); - чувствительность алмазных зерен к динамическим нагрузкам в силу их хрупкости; - быстрый износ в крепких и абразивных породах; 113 - необходимость тщательной очистки забоя от механических обломков, в том числе фрезерованных зубьев и твердосплавных зубков. Для преодоления существенных недостатков алмазных долот были разработаны долота ИСМ, армированные сверхтвердым композиционным материалом славутич. СКМ славутич создан на основе недефицитных природных алмазов мелких фракций (размером менее 0,8 мм) и синтетических алмазов, помещаемых в вольфрамокобальтовый порошок. Шихта смеси спекается в виде зубка цилиндрической формы. В структуре СКМ славутич алмазов содержится не менее 25 % от объема СКМ, а остальное твердосплавная основа. Рабочая поверхность резца может быть полусферической, клиновой и плоской формы. Слой славутича в резце имеет толщину 7-8 мм, а в резцах для калибрующей поверхности долота, изготовляемых плоской формы, слой славутича равен 3,5-4 мм. Резцы запрессовываются в сектора и лопасти и закрепляются пайкой. Долота ИСМ предназначены для разрушения пород мягких, мягких с пропластками средней твердости, средней твердости и твердых главным образом малообразивных пород. Только один тип долота ИСМ…Т применяется при бурении твердых пород со средней абразивностью. Разрушение горных пород производиться резанием в мягких высокопластичных породах, микрорезанием в породах мягких, мягких с пропластками средней твердости, истиранием в твердых породах. Процесс разрушения пород складывается из двух этапов: - обнажение алмазных зерен при износе твердосплавной основы СКМ (сверхтвердый композиционный материал - славутич); - микрорезание и истирание горной породы алмазами. По данным [9, 11] вылет зерен из матрицы составляет 0,04-0,10 мм, поэтому механическая скорость мала (0,5-1,5 м/ч) и сопоставима со скоростью алмазного бурения. Устройство долот ИСМ Долота ИСМ выпускаются опытным заводом института сверхтвердых материалов (г. Киев, Украина) и Дрогобычским долотным заводом в трех разновидностях: режущие, истирающие, торцовые (зарезные). Режущие долота выполнены с лопастями с закрепленными на них резцами из СКМ славутич. Они предназначены для проходки глубоких разведочных и эксплуатационных скважин в мягких и средней твердости пластичных породах. По системе промывки они подразделены на две модификации - гидромониторная и обычная. Устройство гидромониторного режущего долота и общий вид представлены на рисунках 3.49 и 3.50. 114 Рисунок 3.49 – Устройство гидромониторного режущего долота Рисунок 3.50 – Общий вид гидромониторного режущего долота Три основные (большие) лопасти 1 вставлены в специальные пазы составного корпуса 3 и закреплены сваркой. Также в пазах зафиксированы три укороченные стабилизирующие лопасти 2. Система промывки долота состоит из осевой полости корпуса 3 и трех твердосплавных гидромониторных насадок 4. Нижние кромки основных лопастей армируются вставками из славутича, имеющих овальную головку. Калибрующие поверхности всех лопастей оснащены твердосплавными штырями плоской формы. Основные лопасти долота плавно сходятся к центральной оси, образуя выпуклую форму. Задние кромки этих лопастей заострены под углом 150, что увеличивает удельную нагрузку на рабочие элементы долота и улучшает процесс разрушения горной породы. 115 Укороченные лопасти выполняются с трапецевидным профилем. Они обеспечивают устойчивость работы долота в стволе скважины и уменьшают износ его по диаметру. Армирование лопастей этой разновидности долот СКМ славутичем минимальное для создания значительных удельных нагрузок на резцы. Минимальное количество резцов обеспечивает полуторократное перекрытие забоя и количество резцов из славутича увеличивается по радиусу лопасти от центра к периферии. Но общее количество резцов в 6-10 раз меньше, чем в истирающих долотах. Эта разновидность долот рекомендуется для роторного способа бурения. Режущие долота шифруются так: например, полное обозначение долота ИСМ 188РГ-5, что означает название опытного завода института ИСМ. Дрогобычский долотный завод ставит в шифр букву У (УИСМ – Украина), 188 – диаметр долота в мм, буквы РГ – режущее гидромониторное, заводская модель № 5. Режущее долото с обычной промывкой (рисунок 3.51), отличается от вышеописанного наличием корпуса с широким центральным отверстием для промывки и выпукло-вогнутым профилем основных лопастей. Благодаря этому при работе долота на забое в центре образуется конический выступ, предупреждающий возникновение поперечных колебаний. Рисунок 3.51 – Режущее долото с обычной промывкой Эта разновидность режущих долот предпочтительнее использовать в паре с забойным двигателем. Шифр долота аналогичен вышеописанному без буквы Г. 116 В таблице 3.1 приведены техническая рекомендуемые режимы бурения режущими модификаций. характеристика и долотами обеих Таблица 3.1 - Техническая характеристика и рекомендуемые режимы бурения режущими долотами обеих модификаций ИСМ 317-РГ-1 212 267 292 317 3-121 3-147 ИСМ 267-Р-1 ИСМ 292-РГ-1 188 ИСМ 212-Р-8 ИСМ 267-РГ-4 Долота с обычной промывкой ИСМ 212 - РГ-10 Диаметр долота, мм Присоедин ительная резьба Длина долота, мм Объем славутича, см3 Рекомендуе мые режимы бурения ротором: Осевая нагрузка, тс Расход бурового раствора, л/с Гидромониторные долота ИСМ 188-РГ-4 Паспортны е данные 212 267 3-121 3-147 310 310 375 375 405 350 375 28 29 43 38 40 29 43 4-8 8-10 7-13 8-14 10-16 5-10 7-13 20-30 25-40 40-60 45-70 50-75 25-40 40-60 В случае, если режущее долото используется в сочетание с забойным двигателям, то расход бурового раствора определяется по потребностям турбобура или ВЗД. Осевая нагрузка определяется из условия получения максимальной механической скорости бурения. 117 Истирающие долота предназначены для бурения глубоких скважин в породах М, МС, С малообразивных и твердых породах средней абразивности. По принципу действия они напоминают работу алмазных долот, разрушающих забой микрорезанием. Число лопастей в зависимости от диаметра, назначения и условий бурения колеблется от пяти до девяти. Долота диаметром 105 - 188 мм изготавливают пяти лопастными, а диаметром 212 мм – шестилопастными. Форма выполнения матрицы предопределяет модификацию истирающего долота. Она может быть секторной или радиальной. Устройство истирающего секторного долота приведено на рисунке 3.52, а общий вид на рисунке 3.53. Рисунок 3.52 – Устройство истирающего секторного долота Рисунок 3.53 – Общий вид истирающего секторного долота 118 Долото состоит из округлой укороченной цилиндрической головки. Головка может быть названа плоской, так как центральная часть ее имеет небольшой внутренний конус. Наружный ступенчатый корпус оснащен резцами 1 с клиновидной формой, а внутренний конец с закруглением снабжен резцами с полукруглой головкой 2. Калибрующая поверхность долота армируется или вставками из славутича или твердого сплава с плоской поверхностью. Решение о выборе материала принимается с учетом абразивности разбуриваемых пород. Шифр истирающего долота аналогичен шифру режущего, но их вид в шифре не проставляется. Вторая разновидность истирающего долота – это радиальное с удлиненной сужающейся биконической головкой. Применяются в основном при бурении с гидравлическими забойными двигателями скважин с глубиной более 3000 м. Сужающееся к торцу долото производит углубление в породу забоя с расширением до необходимого диаметра. При такой форме головки долота на ней размещается больше резцов, чем обычно. Между приливами, называемыми также лопастями, находятся широкие проемы и наружные каналы, благодаря которым очистка забоя от выбуренной породы эффективна, а эффекта поршневания при спуско-подъеме бурильной колонны не наблюдается. Радиальное истирающее долото, отработанное на скважине Р-33 Тазовской площади показано на рисунке 3.54. Рисунок 3.54 – Радиальное истирающее долото На глубине свыше 2500 м этим долотом было пройдено 109 м горных пород за 152 часа. Торцевые (зарезные) долота применяют для забуривания и проходки вторых стволов, а также для ликвидации аварий. Общий вид долот приведен на рисунке 3.55. 119 Рисунок 3.55 – Общий вид торцевых долот Торцевая поверхность корпуса имеет вогнутый корпус, разрезанный открытыми радиальными глубокими каналами, соединенными с осевой полостью корпуса. Для выхода бурового раствора из каналов в затрубное пространство между головкой долота и стенкой скважины предусмотрены вертикальные пазы. Торцовая часть долота армирована резцами славутича с полукруглой головкой, а калибрующая часть – с плоской формой. Пример шифра торцевого долота для забуривания вторых стволов ИСМ 212 А МС-2. Это означает, что долото ИСМ диаметром 212 мм предназначено для зарезки вторых стволов (А-авария) в породах типа МС, а цифра 2 это номер заводской модели. Для фрезерования металла на забое применяют фрезерное долото, аналогичной конструкции. Шифр его ИСМ 186 Ф. Последняя буква означает фрезер. Диаметр фрезера на 2 мм меньше, чем обычное торцовое долото. Это сделано для предупреждения подклинки долота при истирании металла на забое. Технико-экономические показатели отработки долот ИСМ Промышленное производство долот ИСМ началось в 1967 году и в последующие годы во многих регионах страны получен значительный технико-экономический эффект. Долота широко использовались в Поволжье, на Кубани, Пермской области, республике Коми, Таджикистане, Белоруссии, Туркмении. Во многих объединениях проходка на долото была на порядок больше по сравнению с шарошечными. Например, в объединении «Таджикнефть» на одно из режущих долот получена проходка на долото 120 2118 м. На другое долото отмечена рекордная проходка 2600 м. На Украине в районе г. Львова достигнута проходка на долото 2119 м. В Приуралье проходка на долото ИСМ превысило в 3-4 раза проходку на алмазные долота. В объединении «Нижневолжскнефть» с помощью долот ИСМ выполнялось 20-25 % всего объема бурения. Отметим то, что, этот результат достигнут при проходке нижних интервалов глубоких эксплуатационных скважин (глубина 3500-5000 м). Это позволит оценить по-новому эффективность рассматриваемых долот. Значительный экономический эффект отработки долот ИСМ по сравнению с другими породоразрушающими инструментами объясняется тем, что стоят они в три раза меньше, чем алмазные, подготовка забоя при переходе с шарошечных долот на ИСМ существенно упростилась по сравнению с алмазными. Долота ИСМ менее чувствительны к динамическим нагрузкам. Экономический эффект проявляется на больших глубинах (более 2500 м). Отмечено, что на верхних интервалах буровых скважин применение долот ИСМ нецелесообразно из-за низкой механической скорости проходки. В геологических разрезах Тюменской области применения долот ИСМ было малоэффективным. Проведенные сравнительные испытания шарошечных и ИСМ долот в разведочных скважинах на ЮжноПокачевской, Урьевской, Тазовской площадях в интервалах 2034-2672 м показали то, что проходки на долото ИСМ только в 3-4 раза превосходят проходки на шарошечные долота при меньшей в 2,3-5,6 раза механической скорости бурения. 121