Вспомогательный технологический инструмент

Лекция 9 Вспомогательный технологический инструмент К этому классу инструментов относятся расширители скважин, опорно-центрирующий инструмент типа калибраторов, центраторов, стабилизаторов, инструмент для зарезки боковых стволов. 1 Расширители скважин В большинстве случаев расширение производится при наличии ранее пробуренного участка ствола скважины, называемого пилотным. Иногда вместо проходки скважины долотом большого диаметра применяют бурение пилотного участка с одновременным расширением его. По данным [3, 12] бурение скважин с одновременным их расширением позволило значительно улучшить технико-экономические показатели проходки скважин. Конструктивно расширители подразделяются на 2 класса – нераздвижные и раздвижные. По виду рабочих органов расширители подразделяются на лопастные и шарошечные. 2 Нераздвижные расширители Это расширители с жестко закрепленными рабочими органами, чаще всего с шарошками. Наиболее известен расширитель РШУ (рисунок 3.118). Он состоит из корпуса 1 и сменных породоразрушающих узлов 2, которые крепятся эксцентричными пальцами 3 и штифтами 4 к лапе 6. Пилотный наконечник (долото) крепится резьбой 5. На рисунке 3.119 приведен шарошечный расширитель GРШ, являющийся первым расширителем, принятым от ВНИИБТ в серийное производство. Сменные породоразрушающие узлы 1 промывающиеся гидромониторными узлами 2, снабженными твердосплавными насадками. Применяется для расширения участков ствола скважин в породах МС и ТК. В широком по твердости диапазоне пород (от М до К) могут быть использованы расширители шарошечные ступенчатые (рисунок 3.120). Расширители применяются как с предварительным бурением пилотных скважин, так и при одновременном бурении и расширении. Расширители включают в себя ствол 1, боковые шарошки 4, корпус 2, и обжимное кольцо 3. шарошки сменные (их число то 3 до 6) и предназначены для разрушения пород Тима М, С, Т и К. Сравнительно меньшее распространение в стране получил одношарошечный расширитель РОП (рисунок 3.121), состоящий из корпуса 1, шарошки 4 с твердосплавными зубками 5. Шарошка крепится при помощи шариков 3, находящихся в кольцевых проточках корпуса, закрытых замковым кольцом 2. ОАО «Волгабурмаш» осваивает производство нераздвижных расширителей большого диаметра для расширения нефтяных и газовых 208 скважин в интервалах многолетне-мерзлых пород, а также для разбуривания восстающих горных выработок и выработок под каркасные свайные сооружения. Это трех или четырех шарошечные расширители со сменными шарошками с твердосплавным или фрезерованным вооружением. Расширители функционируют в породах от М до ТЗ. Для очистки шарошек применяется промывка через три или четыре сменные насадки в корпусе инструмента. Соотношение диаметров расширителя и пилот-долота следующее: 558,8/311,1; 700/444,5; 850/490. Рисунок 3.118 – Расширитель РШУ 209 Рисунок 3.119 – Расширитель GРШ 210 Рисунок 3.120 – Расширитель шарошечный ступенчатый Рисунок 3.121 – Одношарошечный расширитель РОП 211 3Зарубежные нераздвижные расширители За рубежом разработано и широко применяется множество конструкций расширителей. Высокой надежностью отличаются расширители фирмы «Секьюрити» (компания «Дрессер») (рисунок 3.122). Цельный корпус 1 несет блок с тремя сменными режущими узлами, которые могут быть быстро заменены при износе шарошек. Устройство снабжено шестью сменными гидромониторными насадками, три из которых (2) размещены в промежутках между шарошками, а три (3) в гнездах шарошек. Пилотное (направляющее) долото соединяется резьбой 4. На рисунке показаны четыре типа шарошек, которые в зависимости от твердости и абразивности пород монтируются в расширители. Шарошки на рисунке показаны в увеличенном масштабе. Рисунок 3.122 – Расширитель фирмы «Секьюрити» Фирмой «Секьюрити» разработан также расширитель сравнительно простой конструкции (рисунок 3.123). Полый корпус 1 имеет три приваренные лапы (2), на которых смонтированы цилиндрические шарошки с фрезерованными зубьями 4. Шарошки фиксируются штифтами, 212 размешенными в проушинах 3. В проеме между шарошками монтируются три сменные гидромониторные насадки, направленные на периферийную часть разрушаемых пород. Рисунок 3.123 – Нераздвижной расширитель фирмы «Секьюрити» 4 Раздвижные расширители Применяются для увеличения диаметра отдельных участков ствола, например при спуске эксплуатационной колонны до кровли продуктивного пласта с последующим бурением большим диаметром и установкой фильтра с гравийной обсыпкой. Расширение отдельных участков ствола скважины производятся перед установкой профильных перекрывателей, спускаемых в интервалы поглощающих пород. Нередко раздвижной расширитель используется для зарезки вторых стволов, после определенного его переоснащения. Раздвижные расширители до места работы спускаются в транспортном положении, причем режущие органы занимают исходное 213 место в пределах номинального диаметра расширителя. Перевод инструмента в рабочее положение в нужной точке ствола скважины производится дистанционно с помощью гидравлики или механическим способом. По типу производства раздвижные расширители могут быть гидравлическими, гидромеханическими и механическими. Из отечественных раздвижных расширителей серийно изготавливаются расширители типа РРБ, конструкции ВНИИБТ, в пяти модификациях. В связи с широким распространением алмазно-твердосплавных долот при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин, а также боковых стволов, появилась необходимость в создании расширителей с алмазно-твердосплавным вооружением режущих рабочих органов. На рисунке 3.124 приведен расширитель типа РР конструкции НПП «Буринтех». Расширитель состоит из корпуса 1 с коническим наконечником 5, армированным алмазными вставками, и стабилизатором 6. Благодаря поршню 2 при подаче бурового раствора производится перемещение штока 4 Рисунок 3.124 – Расширитель РР и выдвижение оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами, лопастей 4. Расширитель типа РР предназначен для расширения участков скважин, стенки которых сложены мягкими и средней твердости горными породами. За рубежом широкой популярностью пользуются расширители «Локоматик», выпускаемые фирмой «Бейкер» рисунок 3.125. Расширитель состоит из полого шпинделя 1, имеющего отверстие 3 для сообщения полости шпинделя с кольцевой гидравлической камерой 2. Нижний конец шпинделя имеет замок запирающего механизма 5 и циркуляционный штуцер 6. Корпус 4 в нижней части имеет вырезы, в которых находятся в транспортном положении (рисунок 3.125,а) лапы 7 с шарошками 8, а также спиральный направляющий наконечник 9. 214 Рисунок 3.125 – Расширитель «Локоматик» Крутящий момент от шпинделя на корпус передается через шлицевое соединение между ними. Включение расширителя в работу производиться подачей бурового раствора через полость шпинделя 1, отверстия 3 в камеру 2. При этом корпус 4 перемещается вверх по 215 шпинделю 1, а лапы 7, скользящие по выступам и буртам замка 5, раздвигаются из вырезов корпуса и фиксируются в рабочем положении (рисунок 3.125,б). Перевод механизма в транспортное положение осуществляется путем приподнимания бурильной колонны, при котором шпиндель выводится из корпуса с одновременным отводом кулачков замка и переводом лап с шарошками в утопленное в вырезах положение. Описанный нами расширитель серии К выпускается в виде 21 модификации. 5 Опорно-центрирующий инструмент Применяется при бурении скважин с самыми разными профилями. Опорно-центрирующий инструмент подразделяют на три вида: калибраторы, центраторы, стабилизаторы. Все они в целом служат для выполнения следующих функций- калибрования стенок ствола, стабилизации положения оси инструмента и центрирования элементов КНБК. Тем не менее, калибратор, установленный над долотом, предназначен прежде всего для выравнивания стенок ствола, а так же для центрирования низа бурильной колонны и снижения поперечных и крутильных колебаний долота. За рубежом он носит название «наддолотный стабилизатор». Стабилизаторы получили название за функцию сохранения параметров кривизны в нужных пределах. Центратор предназначен для поддержки оси долота и забойного двигателя по оси призабойного участка скважины. Отечественные конструкции В России выпускается много видов калибраторов, главным образом в лопастном или шарошечном (роликовом) исполнении. Наибольшее распространении имеют лопастные калибраторы. На рисунках 3.126а,б изображено устройство спирального калибратора 5КС и калибратора с прямыми лопастями 9К. Корпус калибраторов цельнокованый с тремя спиральными и четырьмя прямыми лопастями. Лопасти армируются по периферийной, наружной и передней боковой поверхностям твердосплавными вставками с плоской головкой (форма Г54). В промежутках между ними производится наплавка трубчато-зерновым сплавом релит. Калибраторы выпускаются типов МС (К) и СТ (КС). На рисунке 3.127а,б приведен общий вид калибраторов КС и К. Заметим, что на рисунке 3.126 видны отверстия в лопастях для предупреждения образования сальников. Так же пользуются известностью лопастные калибраторы со сменной муфтой типа 8КС и 8К (рисунок 3.128). Калибраторы являются разборным 216 устройством. На корпусе 1 навернута сменная муфта 2 с тремя спиральными лопастями 3 (калибратор типа КС). Лопасти вооружены твердосплавными вставками, запрессованными в тело лопасти. От калибраторов 5КС, описываемый калибратор отличается усиленным вооружением концов лопастей 4. Кроме того отметим, что в теле лопастей находятся промывочные отверстия для предупреждения образования сальников. Калибраторы лопастные со сменной муфтой типа К изготавливаются по аналогичной схеме, но с шестью прямыми лопастями. Калибраторы применяются при бурении долотами диаметром 295,3 и 393,7 мм в мягких, средней твердости и средней твердости с пропластками твердых породах. Рисунок 3.126 – Устройство калибраторов 9К и 5КС 217 Рисунок 3.127 – Общий вид калибраторов 9К и 5КС 218 Рисунок 3.128 – Лопастной калибратор со сменной муфтой При бурении скважин алмазно-твердосплавными долотами применяется ряд опорно-центрирующих инструментов (рисунок 3.129), носящих комплексное название калибратор-расширитель типа КР. Они армируются частично твердым сплавом, частично импрегнированными алмазными вставками. Центраторы предназначены, как было указано выше, для поддержания оси долота и ГЗД по оси скважины, а также для опоры и центрирования КНБК при бурении с высокими осевыми нагрузками на долото. Передвижной центратор забойного двигателя З-ЦДП (рисунок 3.130) состоит из муфты с шестью прямыми лопастями 3 и цанги 2 с 219 одной ступенчатой прорезью 4. Лопасти 3 армированы твердосплавным вставками с плоской головкой. Перед установкой центратора на забойный двигатель, муфта навинчивается на Рисунок 3.129 – Калибратор – расширитель КР Рисунок 3.130 - Центратор забойного двигателя З-ЦДП цангу. При закреплении центратора на корпусе ГЗД навинчивание продолжается до полного охвата корпуса и обеспечения закрепление центратора. Для опоры и центрирования КНБК применяется колонный центратор повышенной прочности (рисунок 3.131). Корпус центратора 1 изготавливается вместе с двумя спиральными лопастями 2, рабочая 220 поверхность которых защищена запрессованными твердосплавными вставками. Концевые участки лопастей имеют повышенное армирование для сохранения равностойкости вооружения по всей длине лопасти. Нижняя заходная фаска лопасти 3 оснащена дополнительными зубками. Кроме вышеописанных конструкций квадратные центраторы, а так же упругие центраторы типа ЦУ, разработанные НПК ТОБУС. Рисунок 3.131 – Колонный центратор В зарубежной практике широко применяются лопастные стабилизаторы, которые выпускают все ведущие фирмы, производящие долота с алмазно-твердосплавным вооружением. На рисунке 3.132 приведены два типа лопастных неразборных стабилизаторов «Нортон Кристенсен». На рисунке 3.132а изображен стабилизатор открытого типа с тремя лопастями. Рисунок 3.132б посвящен четырех лопастному стабилизатору, лопасти которого оставляют значительно меньше 221 пространство в сечении для промывки каналов. Калибрующие поверхности лопастей армируются твердосплавными пластинами или пластинами с природными или синтетическими алмазами. В некоторых конструкциях производиться наплавка лопастей фирменным наплевочным твердым сплавом. Рисунок 3.132 – Лопастные стабилизаторы фирмы «Нортон Кристенсен» Также широко применяются шарошечные стабилизаторы с наклонным расположением шарошек, например фирмой «Секьюрити» («Дрессер») (рисунок 3.133а,б). Судя по описанию устройства оно может быть использовано для расширения ствола скважины и его калибровки. Конструктивно это устройство внешне схоже с калибратором КШ-3, выпускавшимся Бакинским машиностроительным заводом имени Кирова С.М. Основным элементом режущих узлов стабилизатора являются сменные цилиндрические шарошки. Для использования в мягких и средней твердости породах применяются шарошки со спиральным рифлением, обеспечивающим режущее действие на породу (1). Второй тип шарошек (2) применяются при работе в породах средней твердости и твердых и для компоновок в наклонно-направленных скважинах. Зубья имеют спиральное рифление, плоские вершины имеют большую поверхность, что уменьшает срезающее воздействие на стенки ствола. 222 Рисунок 3.133 – Стабилизатор с наклонным расположением шарошек Третий тип шарошек (3) предназначен для стабилизации и калибровки в твердых абразивных породах. Короткие твердосплавные зубки овоидальной формы (Г26) обеспечивают большую износостойкость шарошкам. 6 Инструмент для бурения скважин больших диаметров При бурении под кондуктор глубоких, сверхглубоких, эксплуатационных и разведочных скважин необходимо применение специального оборудования и специального инструмента. Одним из таких инструментов являются специальные буры с двумя, тремя или четырьмя турбобурами, соединенными параллельно. Они стали называться реактивно-турбинными бурами (РТБ). Первоначально ВНИИБТ разрабатывали их для проходки вертикальных горных выработок, в частности вентиляционных и водопонижающих. Первое промышленное испытание РТБ было произведено в 1953 г. в Донбассе, в результате чего был пробурен вентиляционный шурф диаметром 2,07 м глубиной 17,5 м. В последующем успешные испытания были проведены в г. Караганде и Луганской области с проходкой стволов 1,02 м и 2,08 м. В практике бурения скважин применяются двухтурбинные РТБ. На рисунке 3.134 изображен РТБ 394М. Он состоит из переводника к бурильной колонне 1, траверсы 2, к которой с помощью ниппелей 3 прикрепляются турбобуры 4. Грузы-утяжелители 5 закрепляются на 223 корпусах турбобуров 4 при помощи хомутов и продольных стяжек 6 к траверсе 2. Буровой раствор, направленный в бурильную колонну, вращая валы и долота 7, жестко связанные между собой. Бурильная колонна и траверса РТБ получает вращение от ротора. Такая компоновка РТБ называется роторно-турбинной. Начиная с диаметра РТБ более 760 мм при подаче раствора в турбобурах возникают реактивные силы, вращающие долота. В этом случае вращение долота от вала до турбобура и переносное вращение от реактивного вращения позволяет долотам обрабатывать всю площадь забоя. В этом случае бур носит название реактивно-турбинного. В качестве породоразрушающего инструмента до сих пор использовались обычные серийные шарошечные долота и специальные корпусные долота для РТБ типа ДРБ. Они изготавливаются не на долотных заводах, а в местных мастерских. Секции долот ДРБ производит Дрогобычский долотный завод (рисунок 3.135). РТБ успешно Рисунок 3.134 - РТБ 394М 224 применяют при забуривании сверхглубоких скважин. Например, при проходке разведочной скважины СГ-2 в (Западный Казахстан) с помощью РТБ-920 и РТБ-640 пройден ствол до глубины 1369 м. В процессе строительства сверхглубокой скважины СГ-6 Тюменской успешно использовался РТБ-640 в интервале 0-600 м. Но при бурении в интервале 600-1200 м при помощи РТБ-490 отмечено существенное увеличения зенитного угла до 4º15’ на глубине 880 м. Задача устранить такой набор кривизны была выполнена с помощью бурения пилот-ствола диаметром 295,3 мм с последующим расширением. Бурение с помощью РТБ успешно применялось при строительстве глубоких скважин в Башкирии, на Северном Кавказе, Западной Украине и в Перми. Изготовитель РТБ Кунгурский машиностроительный завод. Кроме описанного метода применяются пилотные КНБК для бурения с одновременным расширением скважины (рисунок 3.136). Компоновка включает долото 1, пилот-направления в виде УБТ 5, расширитель 2, центраторы и УБТ 3, установленные под расширителем и над центратором. Рисунок 3.135 – Секции долот ДРБ 225 Рисунок 3.136 – Компоновка с одновременным расширением скважины Несколько меньше распространена КНБК для современного турбинно-роторного бурения (рисунок 3.137). Она состоит из долота 1, расширителя 2, Рисунок 3.137 – КНБК с турбобуром 226 турбобура 4 и УБТ 3. Как видно пилот-ствол разбуривается долотом и турбобуром с включением калибраторов и центраторов. Таким же образом стабилизируется верхняя часть компоновки. Вся КНБК вращается ротором. В южных регионах страны получила распространение КНБК с применением устройства для ступенчатого бурения (УСБ) (рисунок 3.138). Отличительной чертой данной компоновки является то, что долото 1 и турбобур 4 формируют пилот-скважину, а расширитель 2 через траверсу 5 получают вращение также от турбобура 4. Над расширителем устанавливается УБТ-3. Следует отметить, что ОАО «Волгабурмаш» производит для горной промышленности разбуриватель шарошечный 2КВ-А для расширения пилот скважины диаметром 269,9 до диаметра 1500 мм при проходке восстающих выработок. Рабочим органом служит бур, оснащенный восемью шарошками с твердосплавными зубками формы Г26. Для очистки забоя применяются продувки воздухом или воздушно-водяной смесью. Заметим, что процесс расширения выполнен по схеме подтягивания инструмента «на себя». В настоящее время для проходки тоннелей штреков и других горизонтальных горных выработок большого диаметра применяются специальные буры конструкции фирмы «Вирт», больше известная в нашей стране буровыми трехпоршневыми насосами. Разработанное (рисунок 3.139) фирмой устройство режущего действия типа ТВ применялось с предварительной проходкой пилот-скважин способно расширять выработки от 2,1 до 8,2 м в мягких породах. 227 Рисунок 3.138 – Схема ступенчатого бурения (УСБ) Рисунок 3.139 – Бур ТВ для проходки горизонтальных выработок 7 Специальный инструмент для зарезки боковых стволов В связи с распространением бурения наклонно-направленных, горизонтальных скважин и вторых стволов разработан новый вид инструмента в виде комплектов технических средств для фрезерования «окон» в обсадной колонне и забуривания боковых стволов. На рисунке 3.140 показан комплект, изготовленный НПП «Буринтех». Комплект состоит из следующих компонентов: — 1-стартовый фрезер КФС, служащий для установки клиноотклонителя в стволе скважины, и начала зарезки «окна» в обсадной колонне; — 2-оконный фрезер КФО, применяемый для полного выреза «окна» и начала разбуривания второго ствола; в практике работ получил название «арбузного» фрезера. — 3-фрезер-райбер КФР, используемый для калибрования стенок «окна» Все фрезерующие рабочие поверхности инструментов наплавлены дробленым твердым сплавом типа ВК. За рубежом многие фирмы используют для зарезки боковых стволов внешне схожий с российским инструмент. Например, известная фирма «Нортон Кристенсен» применяет следующий комплекс фрезеров (рисунок 3.141): — стартовый фрезер (а); — конический фрезер (б); — фрезер дынеобразный (в); — колонный фрезер (г). 228 Рисунок 3.140 – Комплект фрезеров для зарезки боковых стволов Рисунок 3.141 – Комплект фрезеров «Нортон Кристенсен» 229