Классификация шарошечных долот по IADC

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Институт Нефти и Газа
Кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по дисциплине «РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ
НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН» специальности 130504 «Бурение
нефтяных и газовых скважин» для студентов очной, заочной и заочносокращенной форм обучения
(часть 2 - Породоразрушающий инструмент)
Тюмень – 2007
Утверждено редакционно-издательским советом
Тюменского государственного нефтегазового университета
Составители: В.Г. Абатуров - к.т.н., доцент;
А.Ф. Семененко – ассистент.
Под общей редакцией профессора В.П. Овчинникова
Рецензент: д-р техн. наук, профессор Г.А. Кулябин
© Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2007
2
Содержание
Введение………………………………………………………………....4
Назначение и классификация породоразрушающего инструмента….4
Лабораторная работа № 1 Изучение конструкций шарошечных
долот…...………………………………………………………………....6
Лабораторная работа № 2 Изучение и кодирование износа отработанных долот……………………………………………………………15
Лабораторная работа № 3 Изучение конструкций двух- трехлопастных, пикообразных, лопастных истирающе-режущих, ступенчатых
долот…………………………………………………………………….21
Список использованных источников…………………………………30
3
Введение
Методические указания предназначены для студентов специальности
130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной, заочной и заочносокращенной форм обучения и могут быть использованы при выполнении
учебно-исследовательских работ студентами других специальностей.
Целью ознакомления студентами конструкций шарошечных, двухтрехлопастных, пикообразных, лопастных истирающе-режущих, ступенчатых долот, а также изучение и кодирование отработанных долот.
Методические указания будут полезны при изучении курсов по технологии бурения нефтяных и газовых скважин и заканчивания скважин.
Назначение и классификация породоразрушающего инструмента
При бурении нефтяных и газовых скважин применяется в основном
механический способ разрушения горных пород. При этом энергия от привода бурового станка к разрушаемой породе передается породоразрушающим инструментом. Энергия может передаваться непрерывно частью или
всей рабочей поверхностью породоразрущающего инструмента всему забою или дискретно, лишь на часть поверхности забоя скважины.
Таким образом, породоразрушающий инструмент предназначен для
концентрированной передачи энергии горной породе с целью ее разрушения.
Породоразрушающим инструментом называется инструмент, применяемый непосредственно для бурения путем разрушения горных пород.
Первые породоразрущающие инструменты режуще-скалывающего
действия изготовлены с началом бурения скважин. Так как первые скважины бурились ударным способом, породоразрушающие инструменты
были похожи на инструмент, предназначенный для обработки (долбления)
древесины (долото). В последующем, главным образом с развитием вращательного бурения, долота непрерывно улучшались. Совершенствование
породоразрушающих инструментов продолжается и в настоящее время [1].
Породоразрушающий инструмент разделяют по назначению, по характеру воздействия на породу, по конструктивному исполнению, по типам (рисунок 1).
4
5
Рисунок 1 – Классификация породоразрушающего инструмента
Лабораторная работа № 1
Тема: Изучение конструкций шарошечных долот.
Цель работы: Изучение конструкции шарошечных долот и заводского шифра долот по ГОСТу 20692-2003 “Шарошечные долота”.
Шарошечные буровые долота предназначены для бурения скважин и
представляют собой буровой инструмент, породоразрушающими органами
которого являются шарошки, перекатывающиеся по забою.
Шарошечные долота наиболее распространенный вид породоразрушающего инструмента. Они выпускаются в наибольшем ассортименте по
числу типов, серий, модификаций и моделей.
В России и СНГ основными производителями долот являются: ОАО
“Волгабурмаш”, ОАО “Уралбурмаш”, ОАО “ДДЗ” (Дрогобычский долотный завод, Украина).
По конструкции корпуса трехшарошечные долота подразделяются на
секционные и корпусные. Секционные долота сваривают из отдельных
секций (лап), на которых расположены шарошки, и последующей обработкой получают долото. На рисунке 2 представлена компоновка узлов и деталей секционного трехшарошечного долота.
Рисунок 2 – Компоновка узлов и деталей секционного трехшарошечного
долота
Секционные долота выпускаются всех серий и типов диаметром до
393,7 мм. Секционное трехшарошечное долото состоит из трех одинаковых по размеру шарошек и трех идентичных лап. Шарошки оснащены во6
оружением, представленными венцами основного, периферийного и обратного конусов шарошки. На цапфах лап расположены подшипники различной конфигурации, образующие опору долота. Шарошки удерживаются от осевого перемещения с помощью замкового шарикового подшипника, собираемого через отверстия в цапфах. Отверстия в цапфах закрываются специальным пальцем, который заваривается на спинке лапы.
Промывочные каналы могут иметь различную форму, расположение
или количество в зависимости от назначения, типа и размера долота.
Наибольшее распространение получили два типа промывочных каналов:
одно отверстие расположенное в центре долота (центральная схема промывки) и боковые каналы в каждой лапе долота (гидромониторная схема
промывки). Схемы промывки долот представлены на рисунке 3.
а
б
в
а – центральная насадка;
б – боковая с тремя удлиненными насадками;
в – боковая с тремя стандартными насадками
Рисунок 3 – Схемы промывки забоя скважины
Для повышения эффективности разрушения мягких пород в корпус
долота встраиваются профилированные насадки при движении через которые поток промывочной жидкости приобретает скорость до 60-120 м/с.
Сменные насадки изготавливают из металлокерамических сплавов.
Наибольшее распространение получили насадки с каналом, имеющим
форму очертания сжатой струи (с целью повышения коэффициента расхода). Повышение эффективности гидромониторного эффекта достигается за
счет уменьшения расстояния от насадки до забоя до 20 мм. Благоприятным
также является расположение оси насадки под углом 8 0 в сторону, противоположную вращению долота. Характеристики стандартных и удлиненных насадок приведены в таблицах 1 и 2.
7
Таблица 1 - Характеристика стандартных насадок
Насадка
Диаметры выходного отверстия, мм
Диаметр
долота, мм 5,6 6,4 7,1 7,9 8,7 9,5 10,3 11,1 11,9 12,7 14,3 15,9 17,5 19,1 20,6 22,2
R3510 120,6-124,6 +
+ + + + +
+
+
+
+
R3401 139,7-152,4 +
+ + + + +
+
+
+
+
+
+
R1804 155,6-171,4
+ + + +
+
+
+
+
+
+
R0030 190,5-244,5
+ + + + +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
R0101 250,8-444,5
+ + + + +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Таблица 2 –Характеристика удлиненных насадок
Тип долота
Насадка,
обозначение
Диаметр
долота, мм
Долото с фрезерованным вооружением
Долото с твердосплавным вооружением
НУГ-15/47
НУГ-18/47
НУГ-20/47
НУГ-5/52,5
НУГ-8/52,5
НУГ-0/52,5
190,5-215,9
Диаметры выходного
отверстия, мм
15,0
18,0
20,0
+
+
+
+
+
+
215,9
Рассматриваемое долото имеет гидромониторную промывку (рисунок 3), поэтому в каждой лапе долота выполнены гнезда под насадку.
Насадка уплотняется резиновым кольцом и крепится с помощью стопорного гвоздя.
Для подвода смазочного вещества к элементам опоры шарошки в
процессе бурения в лапе предусмотрен узел смазочного резервуара. Смазочное вещество находится в стакане и под действием диафрагмы, которая
деформируется при перепаде давления, подается к опоре долота. Система
смазки представлена на рисунке 4.
Рабочая поверхность шарошек снабжена зубчатыми венцами, которые выполняются как одно целое с телом шарошки или шарошка армируется породоразрушающими элементами из твердого сплава. Вооружение
буровых долот представлены на рисунке 5.
8
Рисунок 4 - Система смазки
Рисунок 5 – Вооружение буровых долот
Для эффективно разрушения горных пород необходимы соответствующие удельные нагрузки и внедрение зубка в породу, то есть улучшение разрушающей способности вооружения зависит от формы рабочей части зубка [2]. Форма таких зубков показана на рисунке 6.
9
а
б
в
г
д
ж
е
з
и
а – зубок типа М; б – зубок типа М2; в – зубок типа Г-25; г – зубок
типа Г-54; д - зубок типа С; е – зубок типа Т; ж – зубок типа Г-26; з – зубок
типа К; и – зубок типа СТ
Рисунок 6 – Твердосплавные зубки
Выбор типа и вида вооружения для оснащения вооружения шарошек
долота в основном определяется свойствами разбуриваемых пород.
10
Шарошки современных долот выполняются многоконусными. Один
из конусов обычно несет вооружение, калибрующее стенки скважины, и
называется обратным.
Краткая характеристика вооружения всех типов долот и описание
разбуриваемых ими пород приведено в таблице 3.
Таблица 3 – Характеристика вооружения шарошечных долот
Тип долота
Разбуриваемые породы
М
МЗ
Мягкие
Мягкие абразивные
МС
Мягкие с пропластками пород
средней твердости
Мягкие абразивные с пропластками пород средней
твердости
Средней твердости
Абразивные средней твердости
МСЗ
С
СЗ
СТ
Т
ТЗ
ТК
ТКЗ
К
ОК
Средние с пропластками твердых пород
Твердые
Твердые абразивные
Твердые с пропластками крепких пород
Твердые абразивные с пропластками крепких пород
Крепкие
Очень крепкие
Характеристика
вооружения
Фрезерованные стальные зубья
Твердосплавные зубки клиновидной
формы
Фрезерованные стальные зубья
Комбинированное стальное и твердосплавное вооружение клиновидной
формы
Фрезерованные стальные зубья
Твердосплавные зубки клиновидной
формы
Фрезерованные стальные зубья
Фрезерованные стальные зубья
Твердосплавные зубки клиновидной
формы
Фрезерованные стальные клиновидные
и твердосплавные сферической формы
Твердосплавные зубки клиновидной и
сферической формы
Твердосплавные зубки сферической
формы
Твердосплавные зубки сферической
формы
Параметры элементов вооружения изменяются в зависимости от типа и размеров долот.
Полнота поражения забоя по радиусу скважины характеризуется коэффициентом перекрытия, под которым понимается отношение суммы
длин зубьев, одновременно контактирующих с забоем, к радиусу долота.
В зависимости от типа долота коэффициент перекрытия изменяется в
пределах от 0,7 до 1,3.
Контактная площадь зубьев долота определяется как сумма площадей контакта зубьев всех шарошек, одновременно находящихся во взаимодействии с горной породой. При вращении долота и шарошек контактная
11
площадь меняется, поэтому обычно определяется среднее значение этой
величины.
После сборки лап и шарошек в секции их сваривают вместе в монолитную конструкцию, а затем нарезают резьбу для присоединения к бурильной колонне.
Фиксирование сопряженных граней и секций перед сваркой производится с помощью установочных штифтов, под которые в каждой лапе
высверливаются глухие отверстия.
Внедрен ГОСТ 20692-2003 “Долота шарошечные”, которым предусмотрен выпуск долот 42 типоразмеров от 76,0 мм до 508,0 мм.
Шифр долота включает сведения о виде долота по числу шарошек,
его диаметре, типе долота, характеризующем его вооружение, расположение промывочных и продувочных каналов, отличие конструкции опоры
(рисунок 7).
Рисунок 7 – Долото серии ГВ
Следует изготовлять:
одношарошечные – I,
двухшарошечные – II,
трехшарошечные – III.
Диаметр долота в миллиметрах, часто встречаются в практике буровых работ следующие диаметры долот: 190,5; 215,9; 244,5; 269,9; 295,3;
349,2; 393,7; 445; 490 [3].
В шифре долота заложено обозначение породы, для которой данное
долото предназначено. Породы по твердости условно делятся на следующие категории: мягкие (М), средние (С), твердые (Т), крепкие (К), и очень
крепкие (ОК).
12
По виду вооружения разработаны следующие типы долот: для бурения мягких пород (М), для мягких абразивных пород (МЗ), для мягких с
пропластками средней твердости пород (МС), для мягких абразивных с
пропластками средней твердости пород (МСЗ), для средней твердости пород (С), для средней твердости с пропластками твердых пород (СТ), для
средней твердости абразивных пород (СЗ), для твердых пород (Т), для
твердых абразивных пород (ТЗ), для твердых с пропластками крепких пород (ТК), для твердых абразивных с пропластками крепких пород (ТКЗ),
для крепких пород (К), для очень крепких пород (ОК).
Наличие в обозначение типа долота буквы З указывает на то, что шарошки оснащены твердосплавными зубьями. Буква З отсутствует, если
шарошки имеют фрезерованные или литые зубья, армированные твердым
сплавом.
Расположение промывочных или продувочных каналов:
Ц – долото с центральной промывкой,
Г – с гидромониторной боковой промывкой,
П – с центральной продувкой,
ПГ – с боковой продувкой.
Имеются также уточняющие сведения о конструкции опоры. Так,
например: В – долото предназначено для высокочастотного вращения,
имеет только подшипники качения, Н – долото предназначено для низкочастотного вращения, при этом опора шарошки на одном подшипнике
скольжения в сочетании с подшипниками качения, А – в опоре два и более
подшипников скольжения, У – опоры, выполненные с герметизацией подшипников уплотнительными кольцами и имеющие резервуары для смазки.
Пример условного обозначения трехшарошечного долота диаметром
215,5 мм для бурения абразивных пород средней твердости (СЗ), с боковой
гидромониторной промывкой (Г), на двух и более радиальных подшипниках скольжения с одним или более упорным подшипником скольжения и
герметизацией опоры (АУ):
Долото шарошечное III 215,9 СЗ-ГАУ ГОСТ 20692-2003.
Классификация шарошечных долот по IADC
Классификация шарошечных долот по IADC (International
Association of Drilling Contractors) — Международной ассоциации буровых
подрядчиков — основана на четырехсимвольном коде, отражающем конструкцию долота и тип горных пород, для бурения которых оно предназначено. Первые три символа — цифровые, а четвертый — буквенный.
Последовательность цифровых символов определяется как «серия — тип
— опора / калибрующая поверхность». Четвертый буквенный символ
определяется как «дополнительные характеристики».
Первая цифра кода — серия вооружения долота (1 - 8). Восемь категорий серий вооружения соответствуют общей характеристике горных по13
род, для бурения которых предназначено долото. Серии от 1 до 3 определяют долота с фрезерованным вооружением, а серии от 4 до 8 — долота с
твердосплавным вооружением. Внутри групп фрезерованных и штыревых
долот увеличение цифры серии означает увеличение твердости пород, для
которых предназначено долото.
Вторая цифра кода — тип вооружения долота (1 - 4). Каждая серия
разделена на 4 типа в зависимости от твердости разбуриваемых пород. Тип
I означает долота для бурения наиболее мягких пород в пределах серии, а
тип 4 — относится к наиболее твердым породам в пределах серии.
Третья цифра (1-7) характеризует конструкцию опоры и наличие
(или отсутствие) твердосплавных вставок на калибрующих поверхностях
шарошек.
1 — открытая (негерметизированная) опора; 2 — открытая опора
для бурения с продувкой воздухом; 3 — открытая опора + твердосплавные
вставки на калибрующих поверхностях шарошек; 4 — герметизированная
опора на подшипниках качения; 5 — герметизированная опора на подшипниках качения + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях
шарошек; 6 — герметизированная опора на подшипниках скольжения; 7 —
герметизированная опора на подшипниках скольжения + твердосплавные
вставки на калибрующих поверхностях шарошек; категории 8 и 9 — резервные, для возможного использования в будущем.
Четвертый буквенный символ кода — «дополнительные характеристики» (необязательная). 16 букв используются для обозначения специальных конструкций вооружения, опор, промывочных устройств и защиты
корпусов долот.
Некоторые конструкции долот могут иметь более чем одну из дополнительных характеристик. В таких случаях указывается наиболее существенная из них.
А — долота для бурения с продувкой воздухом вместо промывки буровым раствором.
B — специальная конструкция уплотнений, допускающая, на пример, бурение с повышенной частотой вращения.
С — центральная насадка.
D — специальная конструкция вооружения, минимизирующая отклонение ствола скважины.
Е — удлиненные насадки.
G — усиленная защита козырьков лап наплавкой или твердо- сплавными зубками.
Н — долота для направленного или горизонтального бурения.
J — гидромониторные долота для бурения с набором кривизны.
L — калибрующие накладки на спинках лап, армированные твердосплавными зубками.
М — долота для бурения с забойными двигателями.
S — стандартные долота с фрезерованным вооружением.
14
Т — двухшарошечные долота.
W — усовершенствованное вооружение.
X — зубки преимущественно клиновидной формы.
Y — зубки конической формы.
Z — другие формы зубков.
Примеры использования кода IADC
124Е — долото для бурения мягких пород с фрезерованным вооружением (12), герметизированной опорой на подшипниках качения (4) с
удлиненными насадками (Е).
437Х — долото для бурения мягких пород с твердосплавным вооружением (43), герметизированной опорой на подшипниках скольжения с
твердосплавными вставками на калибрующих поверхностях шарошек (7), с
зубками клиновидной формы (X).
Кроме трехшарошечных выпускаются двух- и одношарошечные долота. По основным конструктивным признакам двухшарошечные долота
мало отличаются от трехшарошечных. Изготавливаются они в основном
малого диаметра и применяются ограничено.
Одношарошечные долота также имеют ограничительное применение
и используются при бурении скважин в мягких пластичных породах. Конструкция одношарошечного долота представлена на рисунке 8.
1 – корпус; 2 – резьбовая головка; 3
– лапа; 4 – спинка лапы; 5 - подшипник скольжения; 6 – шариковый
замковый подшипник; 7 – подшипник скольжения; 8 – продольные
промывочные канавки; 9 – шариковый подшипник; 10 – концевой
упорных подшипник; 11 – твердосплавные зубки; 12 – хвостовик
твердосплавного зубка; 13 – головка
твердосплавного зубка; 14 – цапфа;
15 - шарошка
Рисунок 8 – Конструкция одношарошечного долота
Лабораторная работа № 2
Тема: Изучение и кодирование износа отработанных долот.
Цель работы: Изучение износа и кодирование шарошечных долот.
Для этого необходимо провести замеры износа вооружения и опоры
отработанного долота, сделать запись износа долота с помощью кода. Изучить рекомендации по использованию информации о характере и уровнях
износа долот с целью выбора рационального типа долота. Выполнить ана15
лиз износа отработанного долота, позволяющий выявить особенности износа долот в каждом интервале бурения и провести подбор типа долота
для бурения в соответствии с разбуриваемыми породами на основе выявленных особенностей износа долот в различных геолого–технических
условиях.
Износ шарошечных долот методика ВНИИБТ (РД 39-2-51-78)
Кодирование износа шарошечного долота. Описание износа дается
по следующим элементам:
1 – вооружение, 2 – опора, 3 – аварийный износ долота, 4 – повреждения гидромониторных узлов и системы герметизации, 5 – уменьшение
диаметра долот.
1 Износ вооружения определяется величиной сработки зубьев (штырей) по высоте (хотя бы на одном венце): ВО – износа нет, В1 – уменьшение износа зубьев на 1/4, В2 - уменьшение износа зубьев на 1/2, В3 уменьшение износа зубьев на 3/4 (предельное состояние), В4 - уменьшение
износа зубьев на 4/4 (полный износ хотя бы одного венца).
При наличии скола зубьев, скола и выпадении твердосплавных зубков добавляется индекс “C”. Общее количество (в %) разрушенных зубьев,
сколотых и выпавших штырей записывается в скобках, например, В2С
(20). Закругление калибрующих кромок зубьев периферийных венцов требует добавки индекса “P”, например, В2С (20) Р.
При зацеплении зубьев периферийных венцов добавляется индекс
“Ц”, например, В2С (20) РЦ.
2 Износ опоры (хотя бы одной шарошки) оценивается по величине
люфта шарошек: ПО – отсутствие износа, П1 – износ небольшой “качка”
торца шарошки относительно оси невелика (например, для долот диаметром 190,5 мм и 215,9 мм – до 2 мм, диаметром 244,5 мм и 295,3 мм – до 3
мм). Тела качения не обнажены, козырьки лап не изношены. П2 – уровень
износа средний, “качка” торца шарошки большая (для долот диаметром
190,5 мм и 215,9 мм – до 4 мм, диаметром 244,5 мм и 295,3 мм – до 5 мм).
Тела качения не обнажены, козырьки лап не изношены. П3 – уровень износа большой, “качка” торца шарошки значительная (для долот диаметром
190,5 мм и 215,9 мм больше 5 мм, диаметром 244,5 мм и 295,3 мм – больше
6 мм). Имеется опасность выпадения тел качения “заедание” шарошки при
вращении рукой, козырьки лап разрушены. П4 – разрушение опор. Разрушение и поворот роликов, разрушение шариков, лап и тыльной части шарошек с выпадением тел качения, наличие трещин и лысок на шарошках.
При заклинивании шарошек к обозначению износа добавляется индекс “К”. Количество заклиненных шарошек указываются в скобках,
например, ПЗК(2).
3 Аварийный износ долота:
Ав – поломка и оставление в скважине вершины шарошки,
Аш - поломка и оставление в скважине шарошки,
16
Ас - поломка и оставление в скважине на забое цапфы лапы с шарошкой.
Количество оставленных на забое лап, шарошек и их вершин, обозначенных условными номерами шарошек, указывается в скобках римскими цифрами, например, Ав(I). Это означает, что оставлена вершина первой
шарошки.
4 При повреждении гидромониторного узла (размыв гнезда, выпадение насадок) к характеристике состояния добавляется индекс “Г”. Число
поврежденных узлов указывается в скобках, например, Г(3).
При повреждении системы герметизации маслонаполненной опоры
(выход из строя уплотнения или его износ и разрушение) к характеристике
износа долот добавляется индекс “У”. Число поврежденных узлов указывается в скобках, например, У(2).
5 Уменьшения диаметра долота обозначается индексом “Д” и выражается в мм. Цифра показывает величину сработки долота по диаметру в
мм, например, Д4.
Примеры применения кода для оценки износа долот
Вооружение сработано на 10 %, опоры имеют средний износ, “заклинены” 2 шарошки, диаметр долота сохранился – В1П2К(2)Д.
Вооружение изношено на 3/4 (по высоте), 50 зубьев имеют сколы,
калибрующие кромки зубьев периферийных венцов закруглены, опоры
имеют большой износ, “качка” торца шарошки 10 мм, диаметр долота
уменьшился на 7 мм. – ВЗС(50) РПЗД 7.
Вооружение “сработано” полностью, опора вышла из строя, часть
тел качения выпала, на шарошках возникли трещины, первая шарошка
оставлена на забое – В4П4Аш(I).
В скважине оставлены все шарошки – Аш(I, II, III).
Методика IADC
Кодирование износа шарошечных долот по системе кодов IADS
отличается от методики ВНИИБТ. Более подробным описанием элементов долота и включает 8 позиций (по методики ВНИИБТ - 6), хотя по
объему информативности они стоят почти на одном уровне. Кроме того, в
системе предусмотрено описание износа по типам долот. Все данные
должны записываться в карточку согласно приведенной ниже расшифровке
кодов (таблица 4).
Таблица 4 – Карточка
Вооружение
I
1
O
2
D
3
L
4
Опора
(подшипник
уплотнение)
В
5
Внешний
диаметр
Второстепенный
износ
Причина подъема
G
6
D
7
R
8
17
1(1)- ВНУТРЕННИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВООРУЖЕНИЯ (все внутренние
ряды)
0(2) - ВНЕШНИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВООРУЖЕНИЯ (все внешние ряды)
В колонках 1 и 2 для описания состояния вооружения используется
линейная шкала от 0 до 8 в соответствии со следующим:
Фрезерованное вооружение:
0 - отсутствие потери высоты зуба
8 - полная потеря высоты зуба
Со вставными твердосплавными зубками:
0 - отсутствие износа вооружения
8 - полная потеря вооружения
С фиксированными резцами:
0 - отсутствие износа вооружения (алмазные и т. д.)
8 - полная потеря вооружения
D (3) - ОПИСАНИЕ ИЗНОСА ВООРУЖЕНИЯ (используются только коды относящиеся к вооружению)
* - показать № шарошки или № в разделе 4
Коды описания износа вооружения представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Коды описания износа вооружения
Код, описание износа
*ВС - Слом шарошки
BF - Слом алмазной пластины по шву
Код, описание износа
LN - Потеря насадки
LT - Потеря зубков или резцов
ВТ - Слом зубьев или резцов
BU - Салникообразование на долоте
ОС - Эксцентричный износ
РВ - Повреждение при СПО (сжатое
долото)
PN - Закупорка насадки
*СС - Трещина в шарошке
*CD - Истирание шарошки, потеря вращения шарошки
С1 - Перекрытие шарошек (задевание
одной шарошки за другую)
CR - Кернение долота или разрушение
центра шарошки
СТ - Скол зубков
ER - Эрозия
FC - Стачивание верхушек зубьев
НС - Термическое растрескивание
JD - Износ от посторонних предметов на
забое
*LC -Потеря шарошки
RG - Износ по внешнему диаметру,
скругление внешних резцов
R0 - Кольцевой износ
SD - Повреждение козырька лапы
долота
SS - Износ самозатачивающихся зубков
TR - Образование гребней на забое
W0 - Промыв инструмента, размытое долото
WT - Износ зубков или резцов
N0 - Отсутствие износа
L (4) – МЕСТОНАХОЖДЕНИЕ (таблица 6).
18
Таблица 6 - Местонахождение
Для шарошки
Шарошка №:
Для долота
N - Носовой ряд
М - Средний ряд
G - Внешний ряд
А - Все ряды
1
2
3
С - Шарошка
N - Вершина
Т - Конус
S - Заплечник
G - Шаблон
А - Все зоны
В (5) - УПЛОТНЕНИЕ ПОДШИПНИКА
С открытой опорой (не герметизированные), (герметизированные).
Для описания использованного ресурса применяется линейная шкала
от 0 до 8:
0 - ресурс не использован;
8 - ресурс использован полностью (алмазных)
С закрытой опорой
Е - уплотнения эффективны;
F - уплотнения вышли из строя;
N - не возможно определить;
X - для долот без уплотнений
G (6) - ВНЕШНИЙ ДИАМЕТР
1 - износа по диаметру нет
1/16 - износа по диаметру 1/16 дюйма
1/8 - износа по диаметру 1/8 дюйма
1/4 - износа по диаметру 1/4 дюйма
D (7) - ВТОРОСТЕПЕННЫЙ ИЗНОС (использовать коды из колонки
№ 3)
R(8) - ПРИЧИНА ПОДЬЕМА ИЛИ ПРЕКРАЩЕНИЯ РАБОТЫ
Коды причин подъема долота представлены в таблице 7.
Таблица 7 - Коды причин подъема долота
ВНА - Смена КНБК
СМ - Обработка бур. раствора
СР - отбор керна
DMF - Отказ турбобура
DP - Разбуривание цемента
DSF - Авария с бур. колонной
DST - Пластовые испытания
DTF - Отказ забойного инструмента
FM - Смена геологической обстановки
HP - Авария
HR - Подъем по времени
LIH - Потеря инструмента на забое
LOG –ГИС
РР - Рост или падение давления на стояке
PR - Падение скорости бурения
RIG - Ремонт оборудования
TD - Проектный забой
TQ - Рост крутящего момента
TW - Отворот инструмента
WC - Погодные условия
19
Некоторые причины износа долот представлены в таблице 8.
Таблица 8 – Причины износа долот
Состояние долота
Возможные причины износа
Большое число сломанных и Неправильный выбор долота Неправильная приработка допотерянных зубков
лота Чрезмерно высокая частота вращения Чрезмерно
большая нагрузка Работа по металлу Чрезмерно большая
интенсивность промывки. Слишком продолжительное время механического бурения
Значительный износ по диаметру
Эрозия тела шарошки
Чрезмерный износ опор долота
Чрезмерно высокая частота вращения. Слишком продолжительное время механического бурения Спуск и работа долота в стволе уменьшенного диаметра
Чрезмерно большая интенсивность промывки Большое содержание твердой фазы в буровом растворе Чрезмерно
большая нагрузка Долото предназначено для менее твердых пород
Чрезмерно высокая частота вращения Чрезмерно большая
нагрузка. Слишком продолжительное время механического
бурения Большое содержание твердой фазы в буровом растворе
Задание
Расшифровать код износа долот
Найти ошибку в коде износа
В1ПЗД4
В2С(20)П1К(2)ДО
В4П4Аш(1)Д7
В2С(15)ЦПЗДЗ
В3С(40)РП2Д5
В4С(60)ПЗК(1)Ав(1)Д6
В2С(5)ПЗДЗ
В1С(5)П0Д0
В1П1К(2) Д3
В1П1Д1
В3С(30)ПЗК(3)Д6
ВОП4Аш(3)
ВЗК(1)П4Аш(3)ДЗ
ВОП2Д4
ВОС(50)П3ДО
В4С(20)УПОД6
Порядок выполнения работы
Долото установить на торец резьбы. Замерить высоту зубьев долота.
Установить количество (в %) сколотых зубьев или твердосплавных зубков.
Выяснить, не имеют ли зубья периферийных венцов закругления, не цепляются ли зубья одних шарошек за другие при повороте от руки.
20
Определить “качку” торца шарошки относительно оси цапфы. Изучить состояние подшипников опор. Описать имеющиеся поломки и
“оставление” на забое вершин шарошек, шарошек и лап с шарошкой. Замерить диаметр долота.
Рекомендации по использованию информации о характере и уровнях
износа для выбора типа долот. Если долота с фрезерованными зубьями
шарошек вышли из строя из-за износа опор шарошек (П3 или П4), а износ
фрезерованных зубьев (включая и на периферийных венцах) относительно
не велик (В1 или В2) и долото при этом не “потеряло” диаметр, то применение штыревых долот в этих условиях нецелесообразно.
Если при небольшом (В1 или В2) износе фрезерованных зубьев.
Опоры шарошек остаются работоспособными (П1 или П2), но вершины
зубьев периферийных венцов имеют значительное “скругление” со стороны стенки скважины, изношены тыльные поверхности шарошек, козырьки
и спинки лап и долото “потеряло” диаметр свыше 5 мм, следует провести
опытную обработку либо штыревых долот, (например, типа ТК), либо долот с фрезерованными зубьями на всех венцах шарошек, но с запрессованными в тыльные конуса шарошек, но с запрессованными в тыльные конуса
шарошек и спинки лап твердосплавными зубками.
Усталостный износ фрезерованных зубьев свидетельствует о целесообразности применения в этих условиях долот, предназначенных для бурения твердых породах.
Деформация (изгиб) и поломки лап и цапф свидетельствует о том,
что в этих условиях величина осевой нагрузки на долото превышала допустимую.
Обработка результатов
На основе анализа данных об износе долота и рекомендаций по использованию информации о характере и уровнях износа породоразрушающего инструмента делается вывод о выборе рационального типа долот в
данном интервале.
Лабораторная работа № 3
Тема: Изучение конструкций двух- трехлопастных, пикообразных,
лопастных истирающе-режущих, ступенчатых долот.
Цель работы: Изучение конструкций лопастных двух- трехлопастных, пикообразных, лопастных истирающе-режущих, ступенчатых долот.
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 рисунок 9.
Известно две модификации долота РХ по конструкции промывочных
отверстий:
21
- долото с верхней промывкой;
- долото с нижней промывкой.
Лопастные долота предназначены для бурения мягких, а также мягких пород с пропластками малообразивных пород средней твердости в
верхней части разреза.
Рисунок 9 – Долото типа РХ с верхней промывкой
Принцип работы лопастных долот заключается в том, что под действием нагрузки лопасти внедряются в породу. По мере поворота лопастей
порода режется, скалывается и затем вытесняется в приствольную зону
скважины.
Лопастные долота производят на забой режущее и скоблящее действие без качения, ударов и вибрации. Лопастное долото внедряется в породу за один оборот бурильной колонны на большую глубину и имеет
большой контакт с породой без доступа охлаждающе-очищающего агента.
При этом поверхности и элементы, входящие в контакт с породой, сильно
разогреваются вследствие трения. Общий вид двухлопастного долота
представлен на рисунке 10.
Рисунок 10 – Общий вид двухлопастного долота
22
Конструкция трехлопастного долота представлена на рисунке 11.
1 – корпус; 2 – лопасти; 3 – сопло; 4 – уплотнительное кольцо; 5 –
шайба; 6 – винт; 7 – стопорная шайба; 8 – твердосплавные штыри; 9 – пазы, в которых крепятся режущие элементы; 10 – присоединительная резьба
(ниппель)
Рисунок 11 – Трехлопастное долото
Трехлопастные долота выполняются в двух модификациях, различающихся по конструкции промывочного узла:
- с тремя обычными, расположенными под углом 1200 друг к другу,
промывочными каналами;
- стремя каналами, оснащенными струйными соплами.
Сопло изготавливается из керамики. Его наружная поверхность выполняется цилиндрическое, а внутренняя – цилиндроконической.
При установке сопла его торец должен находиться заподлицо с дном
центрального канала корпуса долота. А радиальный зазор между соплом и
гнездом под него должен быть не более 0,2 мм. Радиальный зазор между
соплом и гнездом герметизируется уплотнительным и кольцами из маслонефтестойкой резины. Натяг уплотнительного кольца по наружному диаметру сопла должен составлять 0,8 мм. Качество уплотнения должно обеспечивать герметичность при перепаде давления до 12,5 МПа. Промывочные узлы позволяют создавать скорость струи промывочной жидкости до
125 м/с.
Сопло в гнезде удерживается байонетной шайбой, которая в свою
очередь, закрепляется стопорной шайбой при помощи винта.
Корпус трехлопастного долота выполняется штамповкой из стали
марки 40 и подвергается термообработке. Лопасти изготавливаются таким
же образом, из той же стали. В лезвиях лопастей имеются пазы, в которых
крепятся основные режущие элементы: твердосплавные пластины (долото
типа М) или дробленные осколки (долото типа МС).
23
Боковые калибрующие поверхности ребер лопастей армируются
вставными твердосплавными штырями и релитом между ними. Трехлопастные долота изготавливаются только с ниппельной резьбовой головкой.
Трехлопастное долото с обычной промывкой обозначается, например, 3Л-215,9 МС, где 3 – количество лопастей, Л - лопастное долото,
215,9 - номинальный диаметр в мм, МС – тип долота; со струйной – 3ЛГ244,5 М, где Г - означает гидромониторную промывку.
Основные технические параметры трехлопастных долот представлены в таблице 9.
Таблица 9 – Основные технические параметры трехлопастных долот со струйной промывкой
Номинальный калибрующий диаметр, мм
Высота долота, мм
Высота калибрующего
ребра, мм
Толщина лопасти, мм
Наружный диаметр
упорного торца, мм
Диаметр промывочного
отверстия сопла, мм
Масса, кг
Доступная осевая
нагрузка, кН
Допустимый крутящий
момент, Н∙м
190,5-250,8
269,9
295,3-349,2
374,6-444,5
320
130
356
130
420
130
440
130
30
135,5
30
141,3
35
186,9
40
215,1
8-15
12-16
14-16
15-18
25-33
120-160
35
170
61-63
220-250
87-90
310-370
1300-4000
4600
6500-8700
11600-157000
Пикообразные долота
Пикообразные долота были первым породоразрушающим инструментом, применявшимся при вращательном бурении. 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 колон, 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 12 а и
перовые пикобуры рисунок 12 б.
24
а
б
а – плоские пикобуры эллиптические; б – перовые пикобуры
Рисунок 12 - 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 [4].
Как вспомогательный технологический инструмент при проходке
нефтяных и газовых скважин применяются два типа цельноштампованных
пикобуров: ПЦ и ПР.
Пикобур типа ПР (рисунок 13) отличается от пикобура ПЦ тем, что
боковые кромки лопасти усилены вооружением из твердосплавных 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.
25
1 – корпус; 2 – лопасти; 3 – рабочая грань лопасти; 4 – цилиндрические твердосплавные зубки; 5 – резьбовая головка (ниппель); 6 – промывочный канал; 7 – внутренняя полость
Рисунок 13 – Пикобур типа ПР
Корпус пикобура снабжен двумя боковыми промывочными каналами, направляющими струю бурового раствора на периферию забоя.
Пикобур ПР предназначен для расширения и проработки ствола
скважины.
Пикобур ПР служит для разбуривания цементных мостов и стаканов
с обратным клапаном ЦКОД. Пикобур ПЦ (рисунок 14) отличается от
описанного пикобура ПР только тем, что не имеет армирования боковых
гранях лопасти. Это делается для предотвращения повреждений обсадных
колонн.
Рисунок 14 – Пикобур типа ПЦ
26
При разбуривании цементных мостов, цементных стаканов и технологической оснастки внутри обсадной колонны пикобуры ПЦ нередко заменяются на твердосплавные долота типа ДТ, изготовленные в НПП “Буринтех”, или на долота СП “Удол” серии РС, рисунок 15.
Рисунок 15 – Твердосплавное долото типа ДТ
Лопастные долота истирающе-режущие с твердосплавным вооружением (ДИР)
Предназначены для бурения перемежающих по твердости мягких с
пропластками средней твердости абразивных МСЗ и средней твердости
малообразивных С породах.
Долота типа ДИР для МСЗ пород выпускаются трехлопастными рисунок 16, для пород С шестилопастными.
Рисунок 16 – Долото типа ДИР8
27
Устройство трехлопастного долота (рисунок 17) включает полый
корпус, лопасти, твердосплавные штыри и канал для промывки.
1 – корпус; 2 – лопасти; 3, 4 – твердосплавные штыри;
5 – канал для промывки
Рисунок 17 – Конструкция трехлопастного долота типа ДИР
В отличие от 2Л, 3Л и 3ЛГ долота ДИР не имеют изгиба 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 ест разные длины гребней и впадин. Все лопасти в нижней части по периферии скошены под углом 450.
Рабочие кромки лопастей армированы штырями ВК-88 с большим
вылетом над торцом лопасти. Этим обеспечивается прерывистость (гребенчатость) режущей кромки. Калибрующие грани лопастей армированы
также, 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.
Ступенчатые лопастные долота
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 18.
Долото состоит из корпуса с муфтой присоединительной резьбой. К
корпусу под углом 1800 относительно друг друга вертикально приварены
две кованные лопасти, а в промежутках выполнены боковые отверстия с
28
Рисунок 18 – Ступенчатое лопастное долото
размещенными в них минералокерамическими гидромониторными насадками.
Кроме двухлопастных применяются также трехлопастные лопастные
долота. По числу ступеней (ярусов) различают двух- трех- и четырехступенчатое долота. По схеме армирования долота подразделяются на истирающе-режущие и режуще-скалывающее.
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 валунногалечных 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.
29
Список использованных источников
1 Копылов В.Е. У истоков бурения скважин. Учебное пособие.- Тюмень: ТюмИИ, 1982.- С. 117.
2 Якушев В.П. Энергоемкость процесса разрушения горных пород
при вдавливании. – В кн: Вопросы деформации и разрушения горных пород при бурении. М.: ГосИНТИ, 1961.- С. 42-54.
3 Мокшин А.С. Шарошечные долота /А.С. Мокшин, Ю.Е Владиславлев, Э.Л. Комм - М.: Недра, 1971.- 216 с.
4 Басарыгин Ю.М Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учеб. для вузов / Ю.М. Басарыгин, А.И. Булатов, Ю.И. Проселков М.:
Недра.- 2001.
5 Справочник бурового мастера /Под общей редакцией В.П. Овчинникова, С.И. Грачева, А.А. Фролова.- М.: «Инфра-Инженерия», 2006.- 608
с.
30
Методические указания по дисциплине «РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ
ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН» специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» для студентов
очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения (часть 2 - Породоразрушающий инструмент). - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007.- 31 с.
Составители: канд. техн. наук, доцент Абатуров В.Г.
ассистент Семененко А.Ф.
31
Подписано к печати
Заказ №
Формат 60х84 1/16
Отпечатано на RISO GR 3750
Бум. ГОЗНАК
Уч.- изд.л.
Усл. печ.л.
Тираж 100 экз.
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625039, г. Тюмень, ул. Киевская, 52
32