Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Обоснование работы долот (Лекция 5)

В области кинематики шарошечных долот выполнено много ана­литических и экспериментальных работ B.C. Федоровым, А.Ф. Егере- вым, В.М. Славским, B.C. Владиславлевым, P.M. Эйгелесом и многи­ми другими.

Скалывающее воздействие породоразрушающих элементов ша­рошки на породу зависит от формы шарошек, их расположения в кор­пусе и состояния поверхности забоя. Формы шарошек представлены на рис. 3.11. Трехшарошечные долота выпускаются с одно-, двух-, трех- и четырехконусными шарошками, устанавливаемыми на цапфах по двум схемам, изображенным на рис. 3.12. Угол наклона оси шарош­ки к оси долота а и углы конусов шарошки β, ...,βn, определяют про­

 

филь забоя скважины, характеризующийся углами а_ь а₂, а₃. На рис. 3.13 представлены одноконусная (а) и многоконусная (б) шарошки.

Рис.3.11.

Формы шарошек: а - одноконусная; б - многоконусная I - длина образующей конуса; b - вылет вершины шарошки за ось долота; β - угол основного конуса шарошки; β1 - угол обратного конуса шарошки; β2 - угол допол­нительного конуса шарошки; φ - угол наклона оси шарошки

Рассмотрим условия работы одноконусных шарошек на забое (рис 3,14). Шарошки вращаются вокруг оси долота OA по часовой с грелке с угловой скоростью с»_:, и вокруг своей оси ОБ. пересекающей­ся с осью долота в точке 0, против часовой стрелки с угловой скоро­стью ω_ш.

Рис. 3.12. Виды трехшарошечных долот: а-с пересечением осей шарошек с осью долота в одной точке (для долот марок СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К и ОК); б - со смещением осей шарошек по направлению вращения долота параллельно положению, при котором их оси пересекаются с осью долота, - положительное смещение (для долот марок М, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ)

Рис. 3.13. Профили забоев скважин, формируемых: а - одноконусной шарошкой (выпуклый профиль); б - многоконусной шарошкой (выпукло-вогнутый профиль, характеризующийся углами а1 а2, а3)

Вектор абсолютной скорости w_a определяет положение мгновен­ной оси вращения MN , проходящей через точки 0 и 01. Точка 01 в мо­мент контакта шарошки с забоем неподвижна, а все другие точки, рас­положенные на образующей шарошки, описывают дуги окружностей, радиусы которых равны расстоянию этих точек до мгновенной оси. В результате зубья (штыри) шарошки, расположенные слева и справа от точки 0₁ проскальзывают по забою и поэтому, наряду с дроблением породы будут скалывать ее. След, остающийся при этом на забое, по­казан на рис. 3.14 б.

Рис. 3.14. Характер взаимодействия вооружения шарошки с забоем: а - без скольжения; б - со скольжением ( S_K - площадь проскальзывания)

Условия работы многоконусных шарошек аналогичны. Для уси­ления скалывающего воздействия породоразрушающих элементов на породу все чаще применяют трехшарошечные долота с положитель­ным смещением осей.

 

 

Интенсивность проскальзывания породоразрушающих элементов шарошек по забою оценивается коэффициентом скольжения, полу­чаемым в результате деления суммы площадей, описываемых за один оборот долота зубьями (штырями), на всю площадь забоя скважины. При оценке эффекта скалывания необходимо также учитывать и не­ровность поверхности забоя. Поверхность зубчатая. В результате этого при перекатывании шарошки ее зубья будут соскальзывать с имею­щихся на забое выступов и тем самым усиливать эффект скалывания. Поэтому даже те долота, у которых оси и образующие шарошек пере­секаются с осью вращения долота (рис.3.14 а), будут разрушать породу дроблением со скалыванием, хотя коэффициент скольжения равен нулю.

Эффективность работы долот дробящего типа (ша­рошечных) объясняется ха­рактером воздействия их на породу. При перекатывании шарошки по забою в контакт с ним попеременно вступают зубья шарошки. В общем ви­де возможны два варианта контакта зубьев с забоем: либо опора на одни (рис. 3.15, вариант I), либо опора на па­ру зубьев (вариант II).

Если опорную поверх­ность рассматривать как аб­солютно твердое тело, то пе­ремещение оси шарошки по вертикальной оси z можно представить как                                                   где R - радиус описанной (по вершинам зубьев)

окружности в рассматриваемом сечении шарошки;

 φ = 2л/к, к - число зубьев в рассматриваемом венце шарошки. Или

Шарошки при своем вращении то поднимается, то опускается, производя при этом частые удары по забою. Из зависимости (3.2) вид­но, что амплитуда поступательного движения шарошки прямо пропор­циональна диаметру шарошки и увеличивается с уменьшением числа

ее зубьев.

Определим количество ударов, производимых шарошкой в мину­ту, при диаметре долота Dд числе оборотов долота в минуту я , и числе зубьев шарошки к (рис. 3.16).

Число оборотов шарошки в минуту

где D _ш - диаметр шарошки.

                 Количество ударов в минуту шарошки о забой

Из последнего выражения вид­но, что число ударов шарошкой по забою в минуту прямо пропорцио­нально диаметру долота, числу обо­ротов долота, количеству зубьев ша­рошки и обратно пропорционально диаметру шарошки.

 

Число поражений забоя зубьями в минуту

 

где е_ш - число шарошек; к1 - общее число зубьев на шарошках.

 

Площадь контакта зубьев шарошек

где η - коэффициент перекрытия забоя скважины зубьями шарошек; b - притупление зубьев шарошки.

 

Коэффициент

 

Площадь контакта шарошечных долот с породой в квадратных миллиметрах можно определить по методике УфНИИ (рис.3.17):

 

 

где S _д - площадь контакта долота с породой при внедрении зубьев в породу на глубину А, мм²; h - глубина внедрения зубьев в породу, мм; L - сумма длин всех зубьев долота, мм; 2а - угол между зубьями вен­ца, град.; 2у - угол заострения зубьев, град.; а_с, у_с - средневзвешенные углы, град.; Ь - притупление зубьев, мм.

 

На основном и дополнительных конусах шарошки размещаются зубья по венцам (рис.3.18). Венец расположенный у основания ша­рошки, называется периферийным, остальные венцы - внутренние. Нумерация венцов начинается от вершины шарошки, нумерация ша­рошек - от наиболее высокой с минимальных числом зубьев на первом венце. Обратный конус калибрует ствол, защищает лапу от износа и подшипники от раскрытия.

 

Рис. 3.17. Схема внедрения долота в породу забоя: а - одним зубом; б - двумя зубьями

 

 

Рис. 3.18. Элементы конструкции шарошки I, В, В, Г- венцы шарошки; 2/? - угол конуса шарошки; 1р_г - угол обратного кону­са шарошки; / - длина образующей конуса шарошки; D „, - диаметр шарошки

 

 

Величина смещения зависит от типоразмера долота, составляет от 0,5 до 10 мм и определяет величину проскальзывания вершин шаро­шек. В вертикальной плоскости угол между осью долота и осями вра­щения шарошек в зависимости от типоразмера долота изменяется от 52 до 57˚

 

В самоочищающихся долотах венцы зубьев и межвенцовые впа­дины совмещаются, что улучшает очистку межвенцовых впадин от горной породы, а также позволяет увеличить диаметр шарошки, раз­мер, стойкость и прочность опор (рис.3.19).

Конструктивные сведения о зубьях шарошек представлены на рис. 3.20. Для зубьев долот диаметром 93 - 490 мм: длина / = 5 19 мм; высота h = 5 + 25 мм; а = 36 56°; шаг z = 10 -s- 80 мм.

 

 

Величина притупления зубьев b составляет 1,75 - 0,25 мм. Для до­лот диаметром 215,9 мм площадь контакта в зависимости от типа составляет 100 - 250 мм².Длина зубьев определяет коэффициент перекрытия К„, под кото­рым понимается отношение суммы длины зубьев всех внутренних венцов шарошки и периферийного венца с наибольшей длиной зубьев к радиусу долота. В зависимости от типа долота К„ = 0,7 -f- 1,3. Если Л"_п< 1, то часть забоя не поражается и на забое образуется «рейка».Материалы, применяемые для шарошечных долот, следующие. Для изготовления лап используются малоуглеродистые легированные стали 19ХГНМА, 22ХГНМА, 14Х2НЗМА и 14ХНЗМА, для изготов­ления шарошке - стали 16ХНЗМА, 17НЗМА и 18ХНЗМА. Скользя­щие поверхности шарошек и цапф подвергаются цементации на глу­бину 1,5 - 1,8 мм, после цементации - термообработке, которая обес­печивает твердость беговых дорожек HRC 56 - 62. Шарики и ролики изготавливаются из стали 55СМ5ФА. Для армирования стальных зубьев используется релит типа 3 или ТЗ с зернистостью 0,2 - 1,6 мм, для вставных зубьев - ВК6В; ВК8В; ВК11ВК, где 6,8 и 11 - содержа­ние кобальта в процентах. Типы шарошечных долот приведены в табл. 3.1.

 

Таблица 3. 75

Типы шарошечных долот

Тип долота Диаметр долота, мм Горная порода Смещение осей цапф, мм Скольжение Вооружение М 146-490 Мягкая 3-10 в зависимости от диаметра Большое С большим шагом, высокие стальные зубья мз 161-295,3 Мягкая абразивная -   Высокие стальные твердосплавные зу­бья в виде притуплённого клина с боль­шим шагом мс 161-295,3 Мягкая с прослой­ками средней твер­дости 4-7   С большим шагом, высокие стальные зубья мсз 161-295,3 Мягкая абразивная с прослойками средней твердости -   То же с 93-490 Средней твердости -   Стальные зубья средней высоты со сред­ним углом заострения и средним шагом сз 161-295,3 Абразивная сред­ней твердости 2-5 Среднее Вставные твердосплавные зубья в виде притуплённого клина средней высоты со средним шагом СТ 161-295,3 Средней твердости с прослойками твердой породы -   Стальные зубья средней высоты со сред­ним углом заострения и средним шагом

Продолжение таблицы 3.1

Тип долота	Диаметр долота, мм	Горная порода	Смещение осей цапф, мм	Скольжение	Вооружение
Т	76-295,3	Твердая	0,5 - 1,5	Малое	Низкие, с большим углом заострения, с малым шагом. Зубья стальные
ТЗ	76-295,3	Твердая абразив­ная			Низкие стальные твердосплавные зубья в виде притуплённого клина с малым шагом
ТК	161-295,3	Твердая с про­слойками крепких	0,5 - 1,5		Стальные зубья аналогичные типу Т и вставные твердосплавные зубья с полу­сферической головкой
ТКЗ	161-295,3	Твердая абразив­ная с прослойками крепкой породы	-	и и	Стальные зубья аналогичные типу Т и вставные твердосплавные зубья аналогич­ные типу ТЗ
к	76-295,3	Крепкая	-		Низкие, с малым шагом вставные твердо­сплавные зубья с полусферической голов­кой
ок	76-490	Очень крепкая	-	Очень малое	То же

Навинчивают и отвинчивают долота с помощью долотной доски.

Дальнейшее совершенствование шарошечных долот ведется в следующих направлениях: повышения прочности и износостойкости материалов; улучшения конструкции основных узлов, повышения точ­ности их изготовления с целью увеличения надежности, долговечно­сти и эффективности разрушения горной породы и очистки забоя. Особая задача заключается в совершенствовании способа доставки долота к забою.

На рисунках 3,21, 3,22 и 3,23 представлены двухшарошечные и одношарошечные долота.

3.4. Двухшарошечные долота

Двухшарошечные долота (рис. 3.21) предназначены в основном для бурения на небольших глубинах в мягких порода с пропластками пород средней твердости. Эти долота изготавливаются трех типораз­меров: В112МГ, В132МГ и В151МГ. У первых двух этих долот про­мывка боковая. Промывочные каналы оснащаются иногда металлоке- рамическими соплами. У долота 2В93С и 2В112СМ, предназначенных для бурения в породах средней крепости промывка забоя центральная, через одно отверстие круглого сечения. Зубил шарошек фрезерован­ные, крупные, заостренные и защищенные твердосплавной наплавкой. I сть долота и со штыревым вооружением типа К. Они предназначены для бурения в крепких, абразивных породах. Двухшарошечные долота применяются в основном при бурении геологоразведочных скважин. Они менее устойчивы при работе на забое и редко применяются при бурении глубоких скважина на нефть и газ.

Одношарошечные долота

Одношаротечные долота (рис.3.22 и 3.23] разработаны в СевКавНИПИ и применяются в основном с твердосплавным вооружением. Од- ношарошечное долото состоит из корпуса с присоединительной головкой, лапы и сфериче­ской шарошки. Промывочное устройство в виде сквозного периферического отверстия.

Опора включает два шарикоподшипника, один из которых вы­полняет роль замка, и два подшипника скольжения. Основные нагруз­ки, особенно радиальные, несут шариковые подшипники. Долото на забое не устойчиво. Но, так как очень мощная у этого долота опора, то оно в основном используется при зарезании бокового ствола в аварий­ной ситуации или восстановлении нефтегазоотдачи истощенного ме­сторождения.

Специальные долота

Долота для специальных целей предназначены для работ в про­буренной скважине и в обсадной колонне (зарезные, расширители, фрезерные и др.). Так фрезерное долото предназначено для разбури- вания металлических предметов в скважине при аварийной ситуации см. рис. 3.24.

Сведения о долотах приведены в табл. 3.2 - 3.5.

 

       Таблица 3.2

Одношарошечн ые

139,7 СЗ-Н

3-88

17 180 161,0 СЗ-Н

3-88

21 250 190,5 СЗ-Н

3-177

37 300 215,9 МЗ-Н

3-177

46 380

Двухшарошечные

93 С-ЦВ

3-50

3,5 40 93 С-ЦВ

3-50

4 40 112 М-ГВ

3-63,5

6 50 132М-ГВ

3-63,5

8 65

Трехшарошечные

98.4С-ЦА 3-66   5 80 Т-ЦА 3-66   5 80 ОК-ЦА 3-66   5 80 120,6 С-ЦА 3-76   7,5 140 Т-ЦА 3-76   7 140 132 С-ЦВ 3-63,5   9 65 Т-ЦВ 3-63,5   8 65 К-ЦВ 3-63,5   10 65 139,7 С-ЦВ 3-88   12 100 Т-ЦВ 3-88   12 100 151 С-ЦВ 3-88   13 160 Т-ЦВ 3-88   12 160 К-ЦВ 3-88   14 160 161 С-ЦВ 3-88   18 160 Т-ЦВ 3-88   17 170 Т-ПВ 3-88   17 170 К-ЦВ 3-88   18 170

Продолжение таблицы 3.11

Типоразмер	Резьба	Масса, кг	Допускаемая нагрузка кН

Трехшарошечные

190,5 М-ГВ 3-117 32 200 М-ГН 3-117 30 170 МСЗ-ГАУ 3-117 33 190 С-ЦВ 3-117 28 200 с-гв 3-117 30 200 С-ГНУ 3-117 32 240 СЗ-ГВ 3-117 31 200 190,5 СЗ-ГНУ 3-117 35 190 СЗ-ГАУ 3-117 33 190 Т-ЦВ 3-117 27 200 Т-ГНУ 3-117 30 270 ТЗ-ГНУ 3-117 32 210 ТКЗ-ЦВ 3-117 29 200 К-ГНУ 3-117 33 250 215,9 М-ГВ 3-117 38 250 М-ПГВ 3-117 38 250 М-ГАУ 3-117 41 170 МЗ-ГВ 3-117 40 250 МЗ-ГНУ 3-117 40 190 МЗ-ГАУ 3-117 40 190 мс-гв 3-117 38 250 мс-гн 3-117 37 250 МС-ГНУ 3-117 37 250 МСЗ-ГН1 3-117 40 380 МСЗ-ГНУ 3-117 40 220 МСЗ-ГАУ 3-117 40 220 С-ГВ 3-117 36 250 С-ГН 3-117 37 380 СЗ-ГВ 3-117 38 250 СЗ-ГНУ 3-117 41 220 СЗ-ГАУ 3-117 41 220 Т-ПВ 3-117 28 250 ТЗ-ЦВ 3-117 33 250 ТЗ-ПВ 3-117 33 250 ТЗ-ГН 3-117 38 240 ТЗ-ГНУ 3-117 40 240 ТЗ-ГАУ 3-117 38 240 ТКЗ-ЦВ 3-117 32 250 ТКЗ-ГН 3-117 40 380 . К-ПВ 3-117 30 250 К-ГНУ 3-117 41 280 ОК-ПВ 3-117 30 250 244,5 МСЗ-ГНУ 3-152 66 240 С-ЦВ 3-121 51 320

Продолжение таблицы 3.11

Типоразмер	Резьба	Масса, кг	Допускаемая нагрузка, кН
269,9 М-ГВ	3-152	68	350
М-ГН	3-152	72	240
МСЗ-ГНУ	3-152	77	270
МСЗ-ГАУ	3-152	77	270
С-ГВ	3-152	67	350
С-ГНУ	3-152	66	350
СЗ-ГВ	3-152	73	350
СЗ-ГНУ	3-152	76	270
СЗ-ГАУ	3-152	76	270
СТ-ГН	3-152	72	380
Т-ЦВ	3-152	62	350
ТЗ-ЦВ	3-152	63	350
Т-ЦВ	3-152	77	400
ТЗ-ЦВ	3-152	77	400
320 С-ГВ	3-152	84	450
Т-ПГВ	3-152	90	450
ТЗ-ПГВ	3-152	100	450
349,2 М-ЦВ	3-152	104	450
М-ГВ	3-152	114	450
С-ЦВ	3-152	103	450
С-ГВ	3-152	115	450
Т-ЦВ	3-152	99	450
393,7 М-ЦВ	3-171	167	470
М-ГВ	3-171	164	470
С-ЦВ	3-171	176	470
С-ГВ	3-171	171	470
Т-ЦВ	3-171	123	470
444,5 С-ЦВ	3-171	252	500
490 С-ЦВ	3-171	316	500

Примечание. Обозначения: породы: М - мягкие, МЗ - мягкие абразивные, МС - мягкие с пропластками пород средней твердости, МСЗ - мягкие абразивные с пропластками пород средней твердости, С - средней твердости, СЗ - средней твердости абразивные, СТ - средней твердости с пропластками твердых пород, Т - твердые абра­зивные, ТК - твердые с пропластками крепких пород, ТКЗ - твердые абразивные с про­пластками крепких пород, К - крепкие, ОК - очень крепкие; промывка: Ц - центральная, Г гидромониторная; продувка: П - центральная, ПГ - боковая; опоры: В - на подшип- никах качения, Н - на одном подшипнике скольжения (остальные подшипники с телами качения), А - на двух и более подшипниках скольжения, У - маслонаполненные с авто- матической подачей смазки.

 

 

Таблица 3.3

Типоразмер

Резьба Масса

Допускаемые

    нагрузка, кН момент, Н-м

Двухлопастные

2Л-93М 3-50 2,3 20 220 2Л-97М 3-50 2,4 20 220 2Л-98,4М 3-50 2,4 20 220 2Л-112М 3-50 2,6 30 380 2Л-118М 3-50 2,7 30 420 2Л-120.6М 3-50 2,7 35 450 2Л-132М 3-50 2,8 40 540 ЗДР-В2М 3-50 4,0 . _ 6ДР-132МС 3-50 4,5 - - . 2Л-139.7М 3-63,5 4,1 45 680 2Л-146М 3-63,5 4,2 45 720 2Л-151М 3-63,5 4,3 50 880 2Л-161М 3-63,5 4,4 55 980 2Л-165,1М 3-63,5 4,4 55 1020

Трехлопастные¹

ЗЛ-120,6 3-76 8,0 50 600 ЗЛ-132 3-88 10,0 55 720 ЗЛ-139,7 3-88 10,0 60 840 ЗЛ-146 3-88 11,0 80 1170 ЗЛ-151 3-88 11,0 80 1200 ЗЛ-161 3-88 12,0 85 1350 ЗЛ-165,1 3-88 12,0 90 1500 ЗЛ-171,4 3-88 12,0 90 1500 ЗЛ(Г)-200 3-117 27,0 130 2600 ЗЛ(Г)-212,7 3-117 27,0 130 2750 ЗЛ(Г)-215,9 3-117 27,0 130 2800 ЗЛ(Г)-222,3 3-117 27,0 140 3100 ЗЛ(Т)-242,9 3-121 33,0 160 3900 ЗЛ(Г)-244,5 3-121 33,0 160 3900 ЗЛ(Г)-250,8 3-121 33,0 160 4000 ЗЛ(Г)-269,9 3-152 35,0 170 4600 ЗЛ(Г)-295,3 3-152 61,0 220 6500 ЗЛ(Г)-ЗП,1 3-152 61,0 230 7100 ЗЛ(Г)-320 3-152 61,0 230 7500 ЗЛ(Г)-349,2 3-152 63,0 250 8700 ЗЛ(Г)-374,6 3-177 87,0 310 11 600 ЗЛ(Т)-393,7 3-177 87,0 330 13 000 ЗЛ(Г)-444,5 3-177 90,0 370 15 700

Трехлопастные истирающие режущего типа

4Э-139.7МС 3-88 9,0 50 _ ЗИРГ-190,5С 3-117 25,0 180 3800 ЗИРГ-219,9С 3-117 27,0 220 4700

'Для пород М и МС

     

 

Таблица 3.4

Таблица 3.5

Виды алмазных резцов

Тип долота

Код долота по IADC

Мягкие

Средние

Твердые

М.А С.А М.А С.А М.А С.А В.А

Алмазно- Твердосплавные пластины (АТП)

ДАП 104,8 МС ДАП 120,6 МС ДАП 159,4 МС ДАП 165,1 МС ДАП 188,9 МС ДАП 214,3 М2 ДАП 214,3 М5 ДАП 215,9 МС7 ДАП 295,3 Ml

М225 М226 М326 М326 М326 М355 М324

М355

М326

       

 

 

 

                                     

 

   

 

   

Синтетические алмазы - трех­гранные призмы (ПСТА)

ДЛС 120,6 СТ ДЛС 159,4 СТ1 ДЛС 165,1 СТ ДЛС 214,3 СТЗ ДЛС 295,3 СТ

Т259 T3R8 T3R8 T5R8 T6R8

 

 

       

 

                                       

СИнтетические алмазы СВС-П в виде цилиндров или их частей

ДФС 118 СТ ДРС 120,6 СТ ДРС 138,1 СТЗ ДФС 139,7 СТ ДРС 149,4 СТ4 ДРС 159,4 СТ4 ДВС 188,9 С2 ДКСИ 188,9 С6 ДВС 214,3 С2

Т9Х9 Т226 T5R9 Т9Х9 T5R9 T5R9 T7R9 Т5Х0 T7R9

 

 

       

 

                                               

 

 

 

                       

 

Продолжение таблицы 3.11

Виды алмазных резцов

Тип долота

Код долота по IADC

Мягкие

Средние

Твердые

М.А С.А М.А С.А М.А С.А В.А

Синтетические алмазы СВС-П в виде цилиндров или их частей

ДКСИ 214,3 С6 ДЛС 214,3 С2 ДКС 267,5 С6 ДКС 292,9 С6 ДЛС 295,3 С8

Т4Х0 T5R8 Т4Х9 Т9Х9 T5R8

 

 

 

     

 

 

 

 

               

Природные алмазы

ДК 104,8 СТ ДК 149,4 С6 ДР 163,5 ТЗ ДК 188,9 С6 ДР 188,9 ТЗ ДИ 188,9 С6 ДК 214,3 С6 ДР 214,3 ТЗ ДИ 214,3 С6

D5X8 D4X9 D5R6 D5X6 D5R9 D5X0 D4X9 D5X9 D4X0

 

 

 

     

 

                                   

 

             

М.А. - малоабразивные породы; С.А. - среднеабразивные породы В.А. - высокоабразивные породы; ДВС - зарезное долото ДФС - долото-фрез для вырезки окон в обсадной колонне

 

3.7. Долота для колонкового бурения

Эти долота предназначены для отбора образцов проходимых пород (керна) с целью изучения геологического строения разреза скважин, механических, абразивных, коллек- торских свойств, состава и строения горных пород, а также состава и свойств насыщаю­щего породу флюида. Для отбора керна бурят кольцевым забоем, при этом конструкция до­лота и режим бурения должны обеспечить со­хранность керна.

 

Колонковое долото (рис. 3.25) состоит из следующих элементов: бурильной головки 1, корпуса 2, грунтоноски 6 с дренажным клапаном 5, в которую входит керн, керно- приемного устройства 7, кернорвателя 8. Долото соединено с бурильной колонной переводником 3. Грунтоноска подвешена к корпусу долота жестко или на подшипниках 4, предотвращающих ее вращение при вращении бурильного инструмента, что способствует сохранности керна внутри грунтоноски.

 

При использовании колонковых долот со съемной грунтоноской керн извлекают без подъема бурильной колонны при помощи специ­ального ловителя на канате. Затем съемную грунтоноску вновь опус­кают, устанавливают в колонковом долоте и продолжают отбор керна.

При турбинном бурении керн отбирают колонковым турбодоло- гом со съемной грунтоноской типа КТДЗ и КТД4.

Таблица 3.6

Технические характеристики

Диаметр скважины, мм­

Таблица 3.7

Таблица 3.8

Параметры

«Силур»

«Кембрий»

СКУ-146/80 СКУ-114/52 СКУ1-172/100 СКУ-122/67 Длима керноприемного устройства, мм 9267 8617 16 380 5560 Число секций устройства 1 1 2 1 Дпииа корпуса, мм 8240 7422 7464 4025 Диаметр корпуса, мм: наружный внутренний 146 124 114 92 172 132 122 90

 

 

Продолжение таблицы 3.11

Параметры

«Силур»

«Кемрий»

СКУ-146/80 СКУ-114/52 СКУ1- 172/100 СКУ-122/67 Длина керноприемной трубы, мм 6878 6545 7277 4000 Диаметр керноприемной трубы, мм: наружный внутренний 102 88 73 58 123 109 81 17 Присоединительная резьба: к бурильной колонне 3-121 3- 101 3-121 3-88 к бурильной головке МК 150x6x1:8 МК 110x6x1:8 3-161 МК 110x6x1:8 Масса керноприемного устройства, кг 620 300 1630 317 Диаметр бурильной головки / керноприемни- ка, мм 187,3/80 212,7/80 139,7/52 187,3/100 212,7/100 139,7/67

 

Таблица 3.9

Продолжение таблицы 3.11

Параметры	КТДЗ-240- 269/47	КТД4С-172- 190/40	КТД4С-195- 214/80-60
Внутренний диаметр керноприемной
Трубы, мм:
Съёмной	58	48	60
несъемной	-	-	80

Бурильные головки

Бурильные головки выпускаются трех типов: лопастные, шаро­шечные и алмазные для керноприемных устройств без съемного керноприемника (К) и со съемным керноприемником (КС).

Лопастные бурильные головки (рис 3.27) предназначены для бу­рения мягких пород (М) и средней твердости (МС)

Рис. 3.27. Лопастные и фрезерные бурильные головки: 1 - корпус долота; 2 - лопасти; 3 - резцы; 4 - промывочные сопла; 5 Твердосплавные режущие инструменты; 6 - боковые промывочные сопла

 

Шарошечные бурильные головки (рис.3.28 и 3.29) - для бурения пород мягких с прослоями средней твердости, абразивных пород (Л/О); средней твердости, абразивных (СЗ); средней твердости с про­слоями твердых (СТ); для твердых абразивных (ТЗ); для твердых с прослоями крепких абразивных (ТКЗ). Пример обозначения: КС - 212,6/60 СТ - бурильная головка для съемного керноприемного уст­ройства диаметром 212,7 мм, диаметр керна 60 мм для бурения пород средней крепости с прослоями крепких пород.

Алмазные бурильные головки (рис. 3.30 и 3.31) выпускаются од­нослойные с выступами радиаль­ными (КР) и торцевыми (КТ)\ импрегнированные (КИ). Например: КТ - 138,1/52 С - однослойная го­ловка с торцевыми выступами диа­метром 138,1 мм, диаметр керна 52 мм для бурения пород средней крепости. Шарошечные бурильные головки типа МСЗ (ВНИИБТ), предназначены для отбора керна при роторном бурении скважин в мягких мало абразивных породах с прослоями пород средней твердо­сти. Шарошки смонтированы в па­зах корпуса на съемных цапфах. Конструкция бурильных головок типа МСЗ позволяет заменять изно­шенные шарошки, цапфы и шайбы, что обеспечивает возможность многократного использования корпуса (см. табл. 3.10). С каждой го­ловкой может поставляться комплект запасных шарошек, цапф и шайб. Во ВНИИБТ выпускались алмазные бурильные головки для

 

отбора керна с твердосплавной изосостойкой матрицей, оснащенные природными и синтетическими поликристаллическими и алмазами типа СВС-П, алмазнотвердосплавными пластинами и резцами (АТП и АTP), поликристаллическими синтетическими алмазами (ПСТА), а также с комбинированным воору­жением (АТП+ПСТА) рабочих поверхностей (см.табл. 3.12 и 3.13).

 

Таблица 3.10

Таблица 3.11

Продолжение таблицы 3.11

Типоразмер	Резьба	Масса, кг	Допустимая на­грузка, кН
КС-212,7/60 ТКЗ	3-161	36	150
КС-212,7/60 ТКЗ-НУ	3-161	36	150
К-139,7/52 ТКЗ	3-110	16	70
К-158,7/67 ТКЗ	3-133	18	80
К-187,3/80 М	3-150	-	-
К-187,3/80 СЗ	3-150	29	120
К-187,3/80 СТ	3-150	33	110
К-187,3/80 ТКЗ	3-150	33	120
К-212,7/80 М	3-150	-	-
К-212,7/80 СЗ	3-150	35	160
К-212,7/80 МСЗ	3-150	25	100
К-212,7/80 СТ	3-150	39	130
К-212,7/80 ТКЗ	3-150	40	140
К-212,7/100 ТКЗ	3-150	40	140

 

Таблица 3.12

Таблица 3.13

Тип бурильной головки

Код буриль­ной го­ловки по IADC

Мягкие

Средние

Твердые

М.А С.А М.А С.А М.А С.А В.А

Алмазно- твердосплавные пластины (АТП)

КАП 133,3/67 МС КАП 138,1/52 МС КАП 138,1/67 МС КАП 159,4/67 МС КАП 188,9/80 МС КАП 188,9/100MC КАП 214,3/80 МС КАП 214,3/100MC КАП 214,3/60 МС

M6R5 M2R5 M2R5 M5R5 M5R5 M5R5 M6R4 M5R5 M6R5

       

 

 

 

                                                                       

Продолжение таблицы 93 .13

Ннды алмаз­ных резцов

Тип бурильной головки

Код буриль­ной го­ловки по IADC

Мягкие

Средние

Твердые

М.А С.А М.А С.А М.А С.А В.А

Синтетиче­ские алмазы - фехгранные призмы (ИСТА)

КСС 138,1/67 СТ КСС 159,4/67 СТ2 КСС 163,5/67 СТ КСС 214,3/80 СТ1

T5R8 T6R5 T6R8 T6R8

Синтетиче­ские алмазы ( ИС-П в виде

цилиндров или их частей

КТСИ 138,1/52 СЗ КРС 159,4/67 СТ1 КТСИ 188,9/80 СЗ КСС 188,9/80 CTI КТСИ 188,9/100CT1 КСС 188,9/lOOMCl КТСИ 214,3/80 СЗ КТСИ214,3/100CT1 КРС 214,3/100 СТ1 КСС 295,3/100МС1

ТЗХО Т2Х9 Т2Х0 T4R8 T6R0 T5R7 Т2Х0 T2R0 T4R9 T6R8

11риродные алмазы

КТ 138,1/52 СЗ КР 163,5/67 СТ2 КР 188,9/80 СТ2 КИ 188,9/80 СЗ КР 214,3/80 СТ2 КИ 214,3/80 СЗ

D3X9 D6X9 D5X9 D2X0 D5X9 D2X0

М.А. - млоабразивные породы; С.А. - среднеабразивные породы; В.А. - высокоабразивные породы

Применение алмазных бурильных головок, работающих в режиме резания, обеспечивает увеличение механической скорости проходки и проценты выноса керна по сравнению с шарошечными головками. При бурении с отбором керна каждая алмазная бурголовка заменяет 8 -20 шарошечных. Наиболее эффективны алмазные бурильные головки в интервалах сильного отбора керна.

Обоснование работы долот (Лекция 5)

В области кинематики шарошечных долот выполнено много ана­литических и экспериментальных работ B.C. Федоровым, А.Ф. Егере- вым, В.М. Славским, B.C. Владиславлевым, P.M. Эйгелесом и многи­ми другими.

Скалывающее воздействие породоразрушающих элементов ша­рошки на породу зависит от формы шарошек, их расположения в кор­пусе и состояния поверхности забоя. Формы шарошек представлены на рис. 3.11. Трехшарошечные долота выпускаются с одно-, двух-, трех- и четырехконусными шарошками, устанавливаемыми на цапфах по двум схемам, изображенным на рис. 3.12. Угол наклона оси шарош­ки к оси долота а и углы конусов шарошки β, ...,βn, определяют про­

 

филь забоя скважины, характеризующийся углами а_ь а₂, а₃. На рис. 3.13 представлены одноконусная (а) и многоконусная (б) шарошки.

Рис.3.11.

Формы шарошек: а - одноконусная; б - многоконусная I - длина образующей конуса; b - вылет вершины шарошки за ось долота; β - угол основного конуса шарошки; β1 - угол обратного конуса шарошки; β2 - угол допол­нительного конуса шарошки; φ - угол наклона оси шарошки

Рассмотрим условия работы одноконусных шарошек на забое (рис 3,14). Шарошки вращаются вокруг оси долота OA по часовой с грелке с угловой скоростью с»_:, и вокруг своей оси ОБ. пересекающей­ся с осью долота в точке 0, против часовой стрелки с угловой скоро­стью ω_ш.

Рис. 3.12. Виды трехшарошечных долот: а-с пересечением осей шарошек с осью долота в одной точке (для долот марок СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К и ОК); б - со смещением осей шарошек по направлению вращения долота параллельно положению, при котором их оси пересекаются с осью долота, - положительное смещение (для долот марок М, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ)

Рис. 3.13. Профили забоев скважин, формируемых: а - одноконусной шарошкой (выпуклый профиль); б - многоконусной шарошкой (выпукло-вогнутый профиль, характеризующийся углами а1 а2, а3)

Вектор абсолютной скорости w_a определяет положение мгновен­ной оси вращения MN , проходящей через точки 0 и 01. Точка 01 в мо­мент контакта шарошки с забоем неподвижна, а все другие точки, рас­положенные на образующей шарошки, описывают дуги окружностей, радиусы которых равны расстоянию этих точек до мгновенной оси. В результате зубья (штыри) шарошки, расположенные слева и справа от точки 0₁ проскальзывают по забою и поэтому, наряду с дроблением породы будут скалывать ее. След, остающийся при этом на забое, по­казан на рис. 3.14 б.

Рис. 3.14. Характер взаимодействия вооружения шарошки с забоем: а - без скольжения; б - со скольжением ( S_K - площадь проскальзывания)

Условия работы многоконусных шарошек аналогичны. Для уси­ления скалывающего воздействия породоразрушающих элементов на породу все чаще применяют трехшарошечные долота с положитель­ным смещением осей.

 

 

Интенсивность проскальзывания породоразрушающих элементов шарошек по забою оценивается коэффициентом скольжения, полу­чаемым в результате деления суммы площадей, описываемых за один оборот долота зубьями (штырями), на всю площадь забоя скважины. При оценке эффекта скалывания необходимо также учитывать и не­ровность поверхности забоя. Поверхность зубчатая. В результате этого при перекатывании шарошки ее зубья будут соскальзывать с имею­щихся на забое выступов и тем самым усиливать эффект скалывания. Поэтому даже те долота, у которых оси и образующие шарошек пере­секаются с осью вращения долота (рис.3.14 а), будут разрушать породу дроблением со скалыванием, хотя коэффициент скольжения равен нулю.

Эффективность работы долот дробящего типа (ша­рошечных) объясняется ха­рактером воздействия их на породу. При перекатывании шарошки по забою в контакт с ним попеременно вступают зубья шарошки. В общем ви­де возможны два варианта контакта зубьев с забоем: либо опора на одни (рис. 3.15, вариант I), либо опора на па­ру зубьев (вариант II).

Если опорную поверх­ность рассматривать как аб­солютно твердое тело, то пе­ремещение оси шарошки по вертикальной оси z можно представить как                                                   где R - радиус описанной (по вершинам зубьев)

окружности в рассматриваемом сечении шарошки;

 φ = 2л/к, к - число зубьев в рассматриваемом венце шарошки. Или

Шарошки при своем вращении то поднимается, то опускается, производя при этом частые удары по забою. Из зависимости (3.2) вид­но, что амплитуда поступательного движения шарошки прямо пропор­циональна диаметру шарошки и увеличивается с уменьшением числа

ее зубьев.

Определим количество ударов, производимых шарошкой в мину­ту, при диаметре долота Dд числе оборотов долота в минуту я , и числе зубьев шарошки к (рис. 3.16).

Число оборотов шарошки в минуту

где D _ш - диаметр шарошки.

                 Количество ударов в минуту шарошки о забой

Из последнего выражения вид­но, что число ударов шарошкой по забою в минуту прямо пропорцио­нально диаметру долота, числу обо­ротов долота, количеству зубьев ша­рошки и обратно пропорционально диаметру шарошки.

 

Число поражений забоя зубьями в минуту

 

где е_ш - число шарошек; к1 - общее число зубьев на шарошках.

 

Площадь контакта зубьев шарошек

где η - коэффициент перекрытия забоя скважины зубьями шарошек; b - притупление зубьев шарошки.

 

Коэффициент

 

Площадь контакта шарошечных долот с породой в квадратных миллиметрах можно определить по методике УфНИИ (рис.3.17):

 

 

где S _д - площадь контакта долота с породой при внедрении зубьев в породу на глубину А, мм²; h - глубина внедрения зубьев в породу, мм; L - сумма длин всех зубьев долота, мм; 2а - угол между зубьями вен­ца, град.; 2у - угол заострения зубьев, град.; а_с, у_с - средневзвешенные углы, град.; Ь - притупление зубьев, мм.

 

На основном и дополнительных конусах шарошки размещаются зубья по венцам (рис.3.18). Венец расположенный у основания ша­рошки, называется периферийным, остальные венцы - внутренние. Нумерация венцов начинается от вершины шарошки, нумерация ша­рошек - от наиболее высокой с минимальных числом зубьев на первом венце. Обратный конус калибрует ствол, защищает лапу от износа и подшипники от раскрытия.

 

Рис. 3.17. Схема внедрения долота в породу забоя: а - одним зубом; б - двумя зубьями

 

 

Рис. 3.18. Элементы конструкции шарошки I, В, В, Г- венцы шарошки; 2/? - угол конуса шарошки; 1р_г - угол обратного кону­са шарошки; / - длина образующей конуса шарошки; D „, - диаметр шарошки

 

 

Величина смещения зависит от типоразмера долота, составляет от 0,5 до 10 мм и определяет величину проскальзывания вершин шаро­шек. В вертикальной плоскости угол между осью долота и осями вра­щения шарошек в зависимости от типоразмера долота изменяется от 52 до 57˚

 

В самоочищающихся долотах венцы зубьев и межвенцовые впа­дины совмещаются, что улучшает очистку межвенцовых впадин от горной породы, а также позволяет увеличить диаметр шарошки, раз­мер, стойкость и прочность опор (рис.3.19).

Конструктивные сведения о зубьях шарошек представлены на рис. 3.20. Для зубьев долот диаметром 93 - 490 мм: длина / = 5 19 мм; высота h = 5 + 25 мм; а = 36 56°; шаг z = 10 -s- 80 мм.

 

 

Величина притупления зубьев b составляет 1,75 - 0,25 мм. Для до­лот диаметром 215,9 мм площадь контакта в зависимости от типа составляет 100 - 250 мм².Длина зубьев определяет коэффициент перекрытия К„, под кото­рым понимается отношение суммы длины зубьев всех внутренних венцов шарошки и периферийного венца с наибольшей длиной зубьев к радиусу долота. В зависимости от типа долота К„ = 0,7 -f- 1,3. Если Л"_п< 1, то часть забоя не поражается и на забое образуется «рейка».Материалы, применяемые для шарошечных долот, следующие. Для изготовления лап используются малоуглеродистые легированные стали 19ХГНМА, 22ХГНМА, 14Х2НЗМА и 14ХНЗМА, для изготов­ления шарошке - стали 16ХНЗМА, 17НЗМА и 18ХНЗМА. Скользя­щие поверхности шарошек и цапф подвергаются цементации на глу­бину 1,5 - 1,8 мм, после цементации - термообработке, которая обес­печивает твердость беговых дорожек HRC 56 - 62. Шарики и ролики изготавливаются из стали 55СМ5ФА. Для армирования стальных зубьев используется релит типа 3 или ТЗ с зернистостью 0,2 - 1,6 мм, для вставных зубьев - ВК6В; ВК8В; ВК11ВК, где 6,8 и 11 - содержа­ние кобальта в процентах. Типы шарошечных долот приведены в табл. 3.1.

 

Таблица 3. 75

Типы шарошечных долот

Тип долота Диаметр долота, мм Горная порода Смещение осей цапф, мм Скольжение Вооружение М 146-490 Мягкая 3-10 в зависимости от диаметра Большое С большим шагом, высокие стальные зубья мз 161-295,3 Мягкая абразивная -   Высокие стальные твердосплавные зу­бья в виде притуплённого клина с боль­шим шагом мс 161-295,3 Мягкая с прослой­ками средней твер­дости 4-7   С большим шагом, высокие стальные зубья мсз 161-295,3 Мягкая абразивная с прослойками средней твердости -   То же с 93-490 Средней твердости -   Стальные зубья средней высоты со сред­ним углом заострения и средним шагом сз 161-295,3 Абразивная сред­ней твердости 2-5 Среднее Вставные твердосплавные зубья в виде притуплённого клина средней высоты со средним шагом СТ 161-295,3 Средней твердости с прослойками твердой породы -   Стальные зубья средней высоты со сред­ним углом заострения и средним шагом

Продолжение таблицы 3.1

Тип долота	Диаметр долота, мм	Горная порода	Смещение осей цапф, мм	Скольжение	Вооружение
Т	76-295,3	Твердая	0,5 - 1,5	Малое	Низкие, с большим углом заострения, с малым шагом. Зубья стальные
ТЗ	76-295,3	Твердая абразив­ная			Низкие стальные твердосплавные зубья в виде притуплённого клина с малым шагом
ТК	161-295,3	Твердая с про­слойками крепких	0,5 - 1,5		Стальные зубья аналогичные типу Т и вставные твердосплавные зубья с полу­сферической головкой
ТКЗ	161-295,3	Твердая абразив­ная с прослойками крепкой породы	-	и и	Стальные зубья аналогичные типу Т и вставные твердосплавные зубья аналогич­ные типу ТЗ
к	76-295,3	Крепкая	-		Низкие, с малым шагом вставные твердо­сплавные зубья с полусферической голов­кой
ок	76-490	Очень крепкая	-	Очень малое	То же

Навинчивают и отвинчивают долота с помощью долотной доски.

Дальнейшее совершенствование шарошечных долот ведется в следующих направлениях: повышения прочности и износостойкости материалов; улучшения конструкции основных узлов, повышения точ­ности их изготовления с целью увеличения надежности, долговечно­сти и эффективности разрушения горной породы и очистки забоя. Особая задача заключается в совершенствовании способа доставки долота к забою.

На рисунках 3,21, 3,22 и 3,23 представлены двухшарошечные и одношарошечные долота.

3.4. Двухшарошечные долота

Двухшарошечные долота (рис. 3.21) предназначены в основном для бурения на небольших глубинах в мягких порода с пропластками пород средней твердости. Эти долота изготавливаются трех типораз­меров: В112МГ, В132МГ и В151МГ. У первых двух этих долот про­мывка боковая. Промывочные каналы оснащаются иногда металлоке- рамическими соплами. У долота 2В93С и 2В112СМ, предназначенных для бурения в породах средней крепости промывка забоя центральная, через одно отверстие круглого сечения. Зубил шарошек фрезерован­ные, крупные, заостренные и защищенные твердосплавной наплавкой. I сть долота и со штыревым вооружением типа К. Они предназначены для бурения в крепких, абразивных породах. Двухшарошечные долота применяются в основном при бурении геологоразведочных скважин. Они менее устойчивы при работе на забое и редко применяются при бурении глубоких скважина на нефть и газ.

Одношарошечные долота

Одношаротечные долота (рис.3.22 и 3.23] разработаны в СевКавНИПИ и применяются в основном с твердосплавным вооружением. Од- ношарошечное долото состоит из корпуса с присоединительной головкой, лапы и сфериче­ской шарошки. Промывочное устройство в виде сквозного периферического отверстия.

Опора включает два шарикоподшипника, один из которых вы­полняет роль замка, и два подшипника скольжения. Основные нагруз­ки, особенно радиальные, несут шариковые подшипники. Долото на забое не устойчиво. Но, так как очень мощная у этого долота опора, то оно в основном используется при зарезании бокового ствола в аварий­ной ситуации или восстановлении нефтегазоотдачи истощенного ме­сторождения.

Специальные долота

Долота для специальных целей предназначены для работ в про­буренной скважине и в обсадной колонне (зарезные, расширители, фрезерные и др.). Так фрезерное долото предназначено для разбури- вания металлических предметов в скважине при аварийной ситуации см. рис. 3.24.

Сведения о долотах приведены в табл. 3.2 - 3.5.

 

       Таблица 3.2