Шарошечные долота для сплошного разбуривания забоя

В России, а также в США и других зарубежных странах для бурения нефтяных и газовых скважин в основном используют шарошечные долота с коническими шарошками. Шарошечные долота предназначены для сплошного бурения нефтяных, газовых и геолого-разведочных скважин, а также скважин различного назначения в горнодобывающей промышленности и строительстве с очисткой забоя жидкостью или воздухом.

В соответствии с ГОСТ 20692 — 75 шарошечные долота изготовляются трех видов: одношарошечные — I; двухшарошечные — II; трехшарошечные — III.

Трехшарошечные долота получили наибольшее распространение (рис. 4). По расположению и конструкции промывочных или продувных каналов долота изготовляются: с центральной промывкой — Ц, боковой гидромониторной промывкой — Г, центральной продувкой — П, боковой продувкой — ПГ. Гидромониторные долота, как правило, выпускаются со сменными насадками, когда в нижней части промывочного канала долота растачивается гнездо для установки сменных насадок из износостойкого материала. В этом случае можно установить в долото насадки любого необходимого диаметра на выходе.

Рис. 4. Трехшарошечные долота: а — для пород средней твердости (типа С) с клиновидными выфрезерованными зубцами; б — для твердых абразивных пород при продувке скважины воздухом (тип ТЗП) с запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами с клиновидной породоразрушающей поверхностью; в — для крепких пород (типа К) с запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами со сферической породоразрушающей поверхностью

Опоры шарошек изготовляются: на подшипниках качения — В; одном подшипнике скольжения (остальные — подшипники качения) — Н; одном подшипнике скольжения с герметизацией уплотнительными кольцами и резервуарами для смазки — НУ; двух подшипниках скольжения и более — А; двух подшипниках скольжения и более с герметизацией — АУ (табл. 2).

Для классов горных пород, приведенных ниже, в настоящее время рекомендуется применять следующие типы трехшарошечных долот:

Мягкие – М; Мягкие абразивные – МЗ; Мягкие с пропластами средней твердости – МС, МСЗ; Средней твердости - С; Абразивные средней твердости – СЗ; Средней твердости с пропластами твердых – СТ; Твердые – Т; Твердые абразивные – ТЗ; Твердые с пропластами крепких – ТК; Твердые абразивные с пропластами крепких – ТКЗ; Крепкие – К; Очень крепкие - ОК.

Кроме трехшарошечных в практике бурения применяют двухшарошечные и одношарошечные долота. Двухшарошечные долота предназначены для бурения мягких и вязких пород с пропластками пород средней твердости. Отличительной особенностью двухшарошечных долот по сравнению с трехшарошечными одинаковых диаметров является увеличение размеров шарошек и более благоприятные условия для расположения промывочных отверстий.

Таблица 2

Цифровые и буквенные обозначения конструкций долот (пример)

Число шарошек Диаметр долота, мм Тип долота Система промывки Вид опор Герметизация опор
III 190,5 мз Г А У
III 215,9 ткз Г Н У
III 215,9 с г Н —
III 269,9 м г В —
III 269,3 т Ц В —

 

Одношарошечные долота (рис. 5) применяются для бурения твердых пород, залегающих на большой глубине. Рис. 5. Одношарошечное долото

 

4. Алмазные долота и долота, армированные синтетическими поликристаллическими алмазными вставками*

Алмазные долота предназначены для бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин при прохождении песчаников, доломитов, известняков и других пород, в которых эффективность применения шарошечных долот резко снижается.

Алмазные долота, подобно лопастным, не имеют самостоятельно движущихся частей. Они состоят из фасонной алмазонесущей головки (матрицы), выполненной из порошкообразного твердосплавного материала, и стального корпуса с присоединительной замковой резьбой (рис. 6.)

Алмазные долота изготавливаются диаметрами 91,4...391,3 мм двух модификаций:

однослойные с размещением зерен алмазов в поверхностном слое матрицы по определенным схемам; типы — радиальные ДР, ступенчатые ДТ и ступенчатые с шаровидными выступами ДК;

импергнированные (импергнированным называется алмазное долото, в котором при изготовлении объемные алмазы перемешиваются с материалом матрицы — шихтой, обеспечивая тем самым равномерную насыщаемость матрицы алмазами) с примерно равномерным распределением мелких зерен алмазов в объеме матричного материала; тип — ДИ.

Рис. 6. Алмазные долота для сплошного бурения 1 — алмазная несущая головка; 2 — корпус; 3 — резьба; 4 — контактный сектор; 5 — канал для направления жидкости

Алмазные долота при турбинном бурении по сравнению с роторным бурением дают более высокую механическую скорость при одинаковой величине проходки на долото. Бурение алмазными долотами может продолжаться без перерыва до 200...250 ч.

Бурение алмазными долотами не разрешается в часто перемежающихся трещиноватых, кавернозных породах, сложенных различными окаменелостями и другими крепкими абразивными породами. Перед началом бурения алмазными долотами ствол скважины калибруется, а забой скважины очищается от металла[1].

Алмазное долото считается полностью отработанным при общей потере 40 % алмазов.

Рис. 7. Механика разрушения горных пород различными долотами:

I — стратапакс; II — алмазными; III — шарошечными;

а — разбуривание твердых пород (частичное обнажение резца);

б — разбуривание мягких пород (полное обнажение резца);

в — истирание-измельчение;

г — вдавливание; 1 — корпус долота; 2 — алмазно-твердосплавная пластина

Рис. 8. Долота с алмазо-твердосплавными пластинами (PDC)

Начиная с 1977 г. при бурении нефтяных и газовых скважин за рубежом началось широкое применение долот, получивших название стратапакс (торговая марка). Это долота, армированные синтетическими поликристаллическими алмазными вставками. Долота стратапакс предназначены для разбуривания мягких и средней твердости пород. При бурении долотами этого типа обеспечиваются большие механическая скорость проходки и проходка на долото по сравнению с алмазными и трехшарошечными долотами при меньших энергетических затратах. Это обусловлено тем, что разрушение горных пород осуществляется путем резания (рис. 7), которое более эффективно, чем вдавливание (шарошечное долото) и истирание-измельчение (алмазное долото).

Алмазные диски и карбид-вольфрамовые подложки к ним главным образом производятся фирмой «Дженерал Электрик» (США).

Еще одним из важных преимуществ долот стратапакс является то, что изменение плотности бурового раствора не влияет на механическую скорость проходки.

Долота с алмазо-твердосплавными пластинами — это высокоэффективный инструмент для бурения пород мягких и средней твердости, при разрушении которых резцы сохраняют острые кромки длительное время (рис. 8). При роторном бурении и бурении винтовыми забойными двигателями долота этого типа обеспечивают увеличение механической скорости проходки в 2 раза по сравнению с шарошечными долотами, проходки на долото в 3...7 раз при осевой нагрузке в 2... 2,5 раза меньшей и при сопоставимом крутящем моменте.

Долота стратапакс получили дальнейшее развитие. Так за рубежом используются долота типа балласет (фирма-изготовитель «Нортон Кристенсен» — США). В этих долотах применяются режущие элементы из термостойких синтетических поликристалл-лических алмазов. Данные долота пригодны для эффективного разбуривания твердых, плотных и абразивных горных пород. Эффективная работа долот балласет достигается при малой нагрузке на долото и высокой частоте вращения. Долота этого типа успешно используются при бурении глубоких скважин.