- •Лекция 1
- •1. Общие поняТия о строительстве скважин
- •1.1. Понятие о скважине, ее конструкции и элементах
- •1.2. Классификация скважин по назначению
- •1.3. Основные представления о современных способах бурения
- •1.3.1. Ударное бурение
- •1.3.2. Вращательное бурение
- •1.3.3. Схема установки для бурения глубоких скважин
- •1.4. Понятие о цикле строительства скважины. Структура цикла.
- •1.5. Геостатическая температура горных пород и тепловой режим скважины
- •Лекция 2
- •2. Породоразрушающие инструменты
- •2.1 Назначение и классификация породоразрушающих инструментов
- •2.2. Конструкции, достоинства и недостатки, области применения буровых долот
- •2.2.1. Лопастные долота
- •2.2.2. Шарошечные долота
- •2.2.3. Алмазные долота
- •2.2.4. Долота исм
- •2.3. Долота для бурения с отбором керна
- •2.4. Долота специального назначения
- •Лекция 3
- •3. Забойные двигатели
- •3.1. Турбобуры
- •4.1.1. Принцип действия
- •3.1.2. Характеристика турбины, способы изменения характеристики
- •3.1.3. Конструктивные особенности турбобуров для бурения без отбора керна, с отбором керна, для искривления скважины
- •3.2. Винтовой забойный двигатель
- •Лекция 4
- •4. Бурильная колонна
- •4.1. Состав и назначение бурильной колонны
- •4 .2. Конструктивные особенности элементов бурильной колонны
- •5.2.1. Ведущие бурильные трубы
- •4.2.2. Стальные бурильные трубы
- •4.2.3. Соединительные замки
- •4.2.6. Переводники
- •4.2.7. Специальные элементы бурильной колонны
- •4.3. Условия работы бурильной колонны
- •4.4. Комплектование и эксплуатация бурильной колонны
- •4.5. Принципы расчета бурильной колонны при роторном бурении и при бурении с забойными двигателями.
- •5. Режим бурения
- •5.1. Понятие о режиме бурения, его параметрах и показателях работы долота
- •5.2. Влияние параметров режима бурения на показатели работы и износ долота.
- •5.2.1. Осевая нагрузка
- •5.2.2. Частота вращения
- •5.2.3. Расход промывочной жидкости
- •5.2.4. Влияние состава и свойств промывочной жидкости на эффективность работы долота
- •5.2.5. Влияние параметров режима бурения на работу долот
2.2.2. Шарошечные долота
Шарошечным долотом называется такой породоразрушающий инструмент, у которого основным рабочим органом является шарошка — стальная конусообразная деталь, свободно посаженная на ось и несущая на своей поверхности инденторы — зубцы, штыри (рис.11). Оно представляет собой своеобразный механизм, у которого вращение его корпуса преобразуется во вращательное движение шарошек вокруг их оси, в результате чего происходит поражение забоя зубцами, периодически вступающими с ним в контакт.
В нашей стране на долю шарошечных долот приходится свыше 90 % объема глубокого бурения.
Долото может иметь от одной до трех и более шарошек. Наиболее распространены трехшарошечные долота; одно- и двухшарошечные долота производят в ограниченном количестве. Одношарошечные долота предназначены для бурения твердых неабразивных пород на больших глубинах, двухшарошечные — в основном для бурения на небольших глубинах в мягких породах с пропластками пород средней
твердости. Каждая шарошка снабжена множеством резцов, которые располагаются венцами. |
Рис. 11. Шарошечное долото:
2 - лапа с опорой; 3-шарошка. |
Всем венцам шарошек присвоены буквенные индексы по направлению от вершины к основанию: А,Б,В,Г. Венец, расположенный у основания шарошки, называют периферийным. Венцы соседних шарошек расположены таким образом, что позволяют разрушать породу по всей поверхности забоя. Применяют два способа оснащения шарошки зубцами: фрезерование зубцов из тела шарошки с последующей наплавкой зерненого твердого сплава (релита и т.п.) или установка твердосплавных штырей (резцов) в гнезда методом холодного прессования. У одного и того же долота шарошки могут различаться по виду. Так, у некоторых трехшарошечных долот только первая шарошка имеет полный конус, а две (вторая и третья по ходу часовой стрелки с торца) имеют форму усеченного конуса. Шарошки нумеруются в зависимости от числа зубьев на венце А. Первая имеет на этом венце наименьшее, а третья наибольшее число зубьев.
Шарошечные долота выпускаются в соответствии с ГОСТ 20692—75 (таблица). Этим документом предусматривается изготовление шарошечных долот 13 типов, 39 различных номинальных диаметров - от 46 до 508 мм. Типы долот отличаются друг от друга конструкцией и расположением шарошек и зубцов на них, а также конструкцией опор шарошек.
Характер взаимодействия зубцов шарошки с забоем, а следовательно, и специфика разрушения горных пород на забое зависят от размеров и плотности размещения зубцов в венце, а также от конфигурации шарошек и расположения их осей.
Таблица
Типы шарошечных долот и области их применения (ГОСТ 20692-75)
Общая характеристика горной породы |
Характеристика механических свойств |
Шифр долота |
Исполнение вооружения шарошки |
Мягкие породы |
Неабразивные рыхлые, пластичные (слабые супеси, наносы, пластичные глины, мягкие известняки и т.д.) |
М |
С фрезерованными зубьями |
Абразивные слабосцементированные (слабые песчаники, суглинки, мергели и т.п.) |
мз |
Со вставными зубками |
|
Мягкие породы с пропластками пород средней твердости |
Неабразивные породы (каменная соль с пропластками ангидритов, тонко переслаивающиеся глины с пропластками слабых песчаников и т.п.) |
мс |
С фрезерованными зубьями |
Абразивные слабосцементированные породы (с пропластками песчаников, сланцы мягкие с пропластками сланцев средней твердости и т.п.). |
мсз |
Со вставными зубками |
|
Породы средней твердости |
Неабразивные пластичные и хрупкопластичные породы (известняки средней твердости. слабые доломиты, плотные глины и т.п.) |
с |
С фрезерованными зубьями |
Абразивные породы средней твердости (песчаники, алевролиты и т.п.) |
сз |
Со вставными зубками |
|
Породы средней твердости с пропластками твердых |
Неабразивные хрупкопластичные породы средней твердости с пропластками твердых (переслаивающиеся известняки, гипсы, доломиты, аргиллиты и т.п.) |
ст |
С фрезерованными зубьями |
Твердые |
Неабразивные твердые породы (аргиллиты, доломиты, твердые известняки и т.п.) |
т |
С фрезерованными зубьями |
Абразивные твердые породы (крепкие песчаники, окварцованные известняки, доломиты и т.п.) |
тз |
Со вставными зубками |
|
Твердые с пропластками крепких |
Неабразивные твердые породы с пропластками крепких (переслаивающиеся твердые известняки, доломиты, ангидриты и т.п.) |
тк |
С комбинированным вооружением (фрезерованные и вставные зубья) |
Абразивные твердые породы с пропластками крепких (мелкозернистые песчаники, окремнелые аргиллиты и т.п.) |
ткз |
Со вставными зубками |
|
Крепкие |
Крепкие породы (окремнелые разности известняков, доломитов, кварциты, изверженные крепкие породы) |
к |
Со вставными зубками |
Очень крепкие |
Скальные магматические породы (граниты, гнейсы, диабазы и т.п.) |
ок |
Со вставными зубками |
Особенность кинематики работы шарошки состоит в том, что каждая шарошка участвует в сложном вращательном движении: относительном движении вокруг собственной оси и переносном вращательном движении вокруг оси долота (рис.12). В результате сложения двух вращательных движений в каждый момент времени шарошка совершает вращение вокруг некоторой мгновенной оси с частотой а.
Если мгновенная ось вращения шарошки проходит через линию контакта описанного конуса с поверхностью забоя (рис.12,а), то взаимодействие зубцов с забоем происходит без их относительного смещения. Если известна угловая скорость вращения долота д, то угловая скорость вращения шарошки вокруг своей оси равна ш = д / sin (/2) или ш = n / 30 sin (/2), где п — частота вращения долота, мин-1; — угол при вершине шарошки.
Если мгновенная ось пересекается с линией контакта шарошки с забоем (рис. 12, б), то при вращении шарошки зубцы, удаленные от точки А, будут проскальзывать по забою, производя скол. Скольжение зубцов шарошечного долота оценивается коэффициентом скольжения kск,, который равен отношению суммарной площади, описываемой зубцами долота за один его оборот при их проскальзывании по забою, к площади забоя. Коэффициент скольжения kск может изменяться от 0 до 0,15. Увеличение коэффициента скольжения достигается использованием многоконусных шарошек со смещением их осей относительно оси долота.
Таким образом, в зависимости от приведенных выше конструктивных особенностей шарошечное долото может быть отнесено к породоразрушающему инструменту дробяще-скалывающего или дробящего действия. В мягких породах применяют шарошечные долота с высокими коэффициентами скольжения, добиваясь тем самым усиления скалывающего действия зубцов.
|
Рис. 12. Характер взаимодействия вооружения шарошки с забоем:
а – без скольжения; б – со скольжением; Sk – площадь проскальзывания
В твердых и особенно в абразивных породах шарошечные долота должны работать без скольжения. Эти долота оснащаются шарошками, представляющими собой правильный конус, вершина которого лежит на оси долота. Коэффициент скольжения такого долота теоретически равен нулю.
Важная особенность, которая отличает шарошечные долота от лопастных, — то, что с забоем одновременно взаимодействует лишь небольшая часть зубцов. Отношение суммы длин зубцов, выделенных по одной образующей на каждой шарошке, к радиусу долота называется коэффициентом перекрытия kп. В мягких породах применяют долота с коэффициентом перекрытия kп = 1,1, в породах средней твердости kп = 1,4.
Ресурс работы долота определяется не только износом вооружения, но также и износостойкостью опоры шарошки. Опора шарошки — весьма уязвимый узел и нередко именно ее недостаточный ресурс ограничивает продолжительность работы долота на забое.
Опора шарошки включает несколько подшипников, один из которых шариковый, служащий для закрепления шарошки на цапфе и называемый замковым, остальные подшипники качения (шариковые или роликовые) или скольжения. После создания герметизированных маслозаполненных опор, обеспечивающих благоприятные условия работы подшипников, долговечность долота удалось повысить в несколько раз.
Под шифрами ГНУ и ГАУ разработаны две серии долот с герметизированной опорой. Долота серии ГНУ предназначены для роторного бурения и бурения с тихоходными забойными двигателями. В опоре долота серии ГНУ размещаются (от торца шарошки) роликовый подшипник, шариковый "замковый" подшипник и подшипник скольжения. У торца цапфы имеется упорный осевой подшипник скольжения, второй осевой подшипник скольжения введен у внутреннего бурта замкового подшипника.
В опоре долот серии ГАУ роликовый подшипник качения заменен подшипником скольжения. Герметизация опоры имеет упрощенную конструкцию. Наибольшую трудность в изготовлении долот серии ГАУ представляет отыскание материалов для подшипника скольжения и обеспечение высокой точности его размеров.
По расположению и конфигурации промывочных каналов различают долота с центральным промывочным каналом и гидромониторные долота с периферийными каналами. У долот с центральным каналом (цилиндрическим или щелевидным) поток промывочной жидкости направляется на шарошки, омывает их и затем попадает на забой.
Гидромониторные долота имеют каналы, в конце которых установлены сменные металлокерамические или твердосплавные насадки. Наиболее часто используют металлокерамические насадки с коноидальным или коническим каналом. Они предназначены для создания направленного потока, который по выходе из долота со скоростью выше 80 м/с устремляется прямо на забой.
Поскольку шарошечными долотами успешно разбуривают практически все породы — от самых мягких до особо крепких, в соответствии с ГОСТ 20692—75 для обеспечения высоких показателей бурения в породах с различными физико-механическими свойствами применяется широкая гамма долот. Они выпускаются под шифрами М, МЗ, МС, МСЗ, С, СЗ, СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К, ОК.
В условном обозначении долота, кроме шифра области применения, указывают число шарошек, номинальный диаметр долота (мм), конструкцию промывочных каналов и опор шарошек. Центральная промывка обозначается буквой "Ц", гидромониторная — "Г". У долот типов М, МС и С оси шарошек смещены, что позволяет повысить коэффициент скольжения. Долота типов СТ, Т, ТК, К, ОК имеют шарошки с несмещенными осями. Шарошки у долот типов М, МС и С — самоочищающиеся, т.е. венцы зубцов одной шарошки проходят между венцами соседней. Шарошки для долот ТК (частично), К и ОК заправляются резцами из твердых сплавов (штыри) клиновидной или полусферической формы. Все долота, имеющие в шифре букву "3" и предназначенные для бурения в абразивных породах, имеют шарошки, оснащенные твердосплавными резцами клинообразной формы.
Лапы шарошек изготовляют из высококачественной стали марки 20ХНЗА, а собственно шарошки — из стали марок 17НЗМА и 20ХНЗА. Для повышения качества материала шарошек применяют способы шлакового переплава, двойного шлакового переплава и т.п.
При сборке долот с негерметизированной опорой ее заполняют графитовой смазкой. Герметизированные опоры заливаются специальной смазкой, содержащей присадки.
Широкое повсеместное внедрение шарошечных долот обусловлено рядом их существенных преимуществ:
зубцы шарошки поочередно и лишь кратковременно взаимодействуют с забоем, что при большом количестве рабочих элементов обеспечивает большую долговечность вооружения долота;
возможность варьирования механизмом взаимодействия долот с забоем, что позволяет реализовать наиболее эффективный способ разрушения горной породы, — отсюда широкая гамма типов долот для бурения пород от самых мягких до крепчайших;
использование опор качения и скольжения позволяет значительно снизить крутящий момент, требуемый для вращения долота на забое.