Бурение скважин

Разработанный в последние годы ассортимент шарошечных долот по своим типоразмерам способен удовлетворить самые широкие запросы потребителей. В частности, впервые в мировой практике разработаны шарошечные микродолота диаметром 46 и 59 мм.

2.3 Алмазное долото

Основная особенность алмазных долот - наличие в них алмазных режущих элементов, т.е. алмазов (природных или синтетических) той или иной величины (крупности). В буровых долотах обычно используют наименее ценную разновидность природного алмаза, именуемую карбонадо (бразильские технические алмазы) или черным алмазом, которая характеризуется меньшей твердостью, но значительно большей вязкостью, что в условиях бурения чрезвычайно важно.

Алмазные долото буровое (и бурильные головки) состоят из твердосплавной алмазонесущей рабочей части (матрицы) и стального корпуса с внутренней присоединительной конусной замковой резьбой. Долота отличаются друг от друга формой рабочей части, качеством алмазов и системой промывки. Матрицы этих долот изготавливаются методом порошковой металлургии из различных металлических порошков. Эти порошки обеспечивают хорошее удержание алмазов и позволяют получать матрицы различной твёрдости и износостойкости. Матрица на основе вольфрама, его карбида и меди обеспечивает достаточную прочность, износостойкость и высокую теплопроводность матричного материала. Для изготовления долота (бурильных головок) применяются технические алмазы массой 0,05-0,34 кар. (на долото буровое диаметром 188 мм расходуется 400-650 кар., или 2000-2500 зёрен алмазов). Алмазные долото целесообразно применять при больших (свыше 3000 м) глубинах скважин. Как правило, стойкость алмазного долота буровое в 20-30 раз превышает стойкость шарошечного.

Алмазные долота бывают трех типов: спиральные, радиальные и ступенчатые. В спиральных алмазных долотах рабочая часть имеет спирали, оснащенные алмазами и промывочные отверстия. Долота этого типа предназначены для турбинного бурения малоабразивных и среднеабра-зивных пород. Радиальные алмазные долота имеют рабочую поверхность в виде радиальных выступов в форме сектора, оснащенных алмазами; между ними размещены промывочные каналы. Долота данного типа предназ-начены для бурения малоабразивных пород средней твердости и твердых пород как при роторном, так и при турбинном способах бурения. Ступенчатые алмазные долота имеют рабочую поверхность ступенчатой формы. Они применяются как при роторном, так и турбинном способах бурения при проходке малоабразивных мягких и средней твердости пород.

Технические показатели алмазных долот во многом зависят от качества и размеров алмазов. Качество определяют группой и категорией, а размер - числом камней на 1 кар. (0,2 г). Работоспособность алмазного долота в наибольшей степени, чем инструмента любого другого вида, зависит от чистоты ствола и забоя и качества промывки. При наличии металла или твердого сплава (даже в малом количестве), или крупных обломков крепких пород на забое происходит образование выбоин, выкрашивание или раскалывание алмазов и быстрое разрушение долота. При недостатке бурового раствора наблюдается перегревание и растрескивание (прижог) алмазов. Это значительно осложняет бурение алмазными долотами. Другая, еще более важная специфическая особенность алмазных долот - их доро-говизна и дефицит из-за недостатка алмазов, обладающих высокими техни-ческими свойствами (прочностью, вязкостью, достаточной твердостью, сопротивлением ударам и т.п.). Применение алмазных долот обеспечивает высокие скорости бурения, снижение кривизны скважин. Отсутствие опор качения и высокая износостойкость алмазов повышают их срок службы до 200-250 ч непрерывной работы. Благодаря этому сокращается число спуско-подъемных операций. Одним алмазным долотом можно пробурить столько же, сколько 15-20 шарошечными долотами.

При бурении твердых, крепких и абразивных пород износ матрицы интенсивнее, поэтому во избежание излишнего обнажения алмазов матрица у долот для таких пород должна быть наиболее износостойкой. В породах мягких и средних матрица изнашивается мало, вследствие чего в долотах, предназначенных для бурения этих пород, используется не слишком износостойкий материал для матрицы.

Некоторыми специалистами выделяются и другие, преимущественно комбинированные разновидности.

По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойное и многослойное, т.е. с импрегнированными алмазами. Однослойные долота получают при однослойной укладке относительно крупных алмазов в графитовую пресс-форму, что приводит к их распределению в определенном порядке на поверхности матрицы, а импрегнированные - при равномерном перемешивании алмазов (как правило, мелких и невысокого качества) с частицами карбида вольфрама и другими компонентами матрицы перед спеканием долота.

В целом алмазные долота характеризуются монолитной конструкцией. В России выпускают четыре разновидности алмазных долот: однослойные ступенчатые и радиальные, импрегнированные радиальные и ступенчатые. Долота всех разновидностей изготовляют обоих классов, т.е. с природными и синтетическими алмазами.

Твердосплавные долота отличаются от алмазных тем, что вместо алмазов они армированы сверхтвердыми сплавами.

2.4 Выбор долота

Задачу выбора типа долота для разбуривания конкретной горной породы или пачки пород можно решать с помощью специальной методики, основанной на статистической обработке обширной промысловой информации.

На основе региональных исследований физико-механических свойств горных пород определяются классификационные характеристики пород, и строится мелкомасштабный геологический разрез. Для разделения проектного геологического разреза на характерные пачки используется метод реперных долот, который позволяет, обоснованно группировать смежные разности горных пород в характерные пачки или разделять эти разности в отдельные пачки, а также устанавливать четкие границы залегания этих пачек пород.

Выбор рациональных типов долот осуществляется по обобщенной классификационной таблице соответствия типов шарошечных долот свойствам горных пород (ОКТ) (приложение 6) или по Классификационной таблице парных соответствий категорий твердости и абразивности пород типам шарошечных долот (КТС) (приложение 7).

Структура ОКТ (прилодение 6) разработана таким образом, что гистограммам содержания (в %) в пачках разных по твердости и абра-зивности горных пород классификационно поставлены в соответствие определенные типы шарошечных долот, наилучшим образом (по минимуму эксплуатационных затрат на проходку 1 м скважины) обеспечивающие это соответствие. Выбор рационального типа долота осуществляется путем сравнения гистограмм, полученных при построении МКР, с типовыми гистограммами в ОКТ.

Например, если при построении МКР получены гистограммы, в наибольшей степени совпадающие по форме и абсолютным значениям содержания пород с различными категориями твердости и абразивности, соответствующие типовым гистограммам в ОКТ, расположенным во второй строке сверху, то для такой пачки рациональным будет долото типа МЗГ.

В случае, если гистограммы, полученные в МКР, значительно отличаются от типовых в ОКТ, то необходимо выбирать рациональный тип долота по КТС.

Величина Е_уд представляет собой меру эффективности работы долота в конкретных условиях и характеризует взаимодействие между долотом и породой:

(2.1)

породы за 1 мин, м3,

Е_д=Р_д2рRn; (2.2)

V=рR²х_м; (2.3)

R - радиус долота, м.

Е_уд зависит от типа и конструкции долота и не учитывает основные механические свойства пород. Однако то обстоятельство, что при бурении мягких и твердых горных пород значения Е_уд различны, позволяет использовать эту величину как метод для выбора соответствующего типа долота.

При заданных способе бурения и сочетаниях параметров режима бурения критерием выбора рационального типа долота для конкретной породы является стоимость 1м проходки (в руб.)

(2.4)

где С_д - стоимость долота (с учетом соответствующих порайонных надбавок снабженческих организаций), руб.; t_б - среднее значение времени механи-ческого бурения, руб.; t_спо- продолжительность спускоподъемных операций, ч; t_в- продолжительность вспомогательных операций за рейс, ч; С_ч - стоимость 1ч работы буровой установки по затратам, зависящим от продолжительности ее работы, руб/ч: h - среднее значение проходки на долото, м.

Выбор долот на основе минимальной стоимости 1 м проходки обеспечивает самое низкое значение стоимости в данном интервале скважины.

Однако во всех случаях следует рассмотреть возможность применения новых, ранее не использовавшихся на площади высокопроизводительных породоразрушающих инструментов, в т.ч. и долот с новым типом опор, вооружения схемой промывки.

При оценке возможности применения лопастных долот следует учесть большой вращательный момент, необходимой для работы таких долот, наличие твердых и абразивных пропластков, снижающих способность этих долот.

На выбор алмазных и ИСМ долот, а также долот фрезерного типа влияет наличие твердых и абразивных пород, возможность использования турбобуров. При этом необходимо учесть положительные факторы алмазного бурения: уменьшение количества спускоподъемных операций и отсутствие вращения бурильной колонны. Уменьшение воздействия на стенки скважины при алмазном бурении имеет большое значение при наличии во вскрытом разрезе неустойчивых пород.

Интервалы гидромониторной промывки выбирают с учетом потерь давления при заданной по технологическим условиям подаче насосов. Вид опоры (низкооборотная или высокооборотная) и окончательный шифр долота выбирают после определения его рациональной частоты вращения и способа бурения. Бурильные головки и керноотборные снаряды выбирают с учетом рекомендаций, изложенных выше и действующих руководящих документов.

Пример 1. Подобрать тип шарошечного долота для выделенной пачки горных пород в интервале 300-1300 м, представленной следующими породами:

К_т=(6·100+7-200+6·300+7·400)/(1300-300)=6,6;

К_а=(4·100+5-200+4·300+7·400)/( 1300-300)=5,4.

Полученные данные наносятся на рисунок 7 (приложение 7). Из рисунка видно, что расчетная точка Д наиболее близко расположена к эталонной точке, соответствующей долоту типа ТЗ, (ТКЗ). Таким образом, для бурения пачки пород с заданными значениями классификационных характеристик рациональным является долот ТЗ (ТКЗ).

Пример 2. На рисунке 8 (приложение 8) представлены данные по 43 скважинам, пробуренным до средней глубины 2650 м. Удельные энергии четырех типов буровых долот (кривые, 1, 2, 3 и 4) наиболее часто используемых в данном районе, были определены и нанесены на график в зависимости от глубины. Долота типов, представленных кривыми 1 и 2, - штыревые, а кривыми 3 и 4 - с фрезерованными зубцами. Необходимо найти лучшие типы долот для бурения последующих скважин.

Решение. При минимальном значении Е_уд, используемой как критерий для выбора долота, из рисунка 3 видно, что долота типов 1,2 и 3 можно использовать для бурения интервалов 762-1753, 1753-2377 и 2377-2650 м соответственно.

При выборе типов долот могут быть использованы данные о результатах бурения соседних скважин. Однако показатели свойств различных пород в том или ином интервале бурения изменяются в широких пределах и по-разному влияют на износостойкость долот, что приводит к возникновению вероятностного подхода к проблеме их выбора.

Заключение

Разрушение горных пород является основной операцией при добыче и переработке полезных ископаемых. В процессе бурения скважин важную роль играет качество проходки бурового долота и качество забоя. Правильный подбор буровых долот для соответствующей горной породы, соблюдение техники бурения и качественной промывки скважин позволяет добиться высокой скорости бурения с минимальными потерями бурового инструмента. Например: для мягких пород при неглубоких скважинах целесообразно использовать лопастные долота, а при бурении твердых и глубоких пород лучше подходят шарошечные или алмазные долота.

Интенсивное развитие промышленного и разведочного бурения в настоящее время связано с использованием различного оборудования и инструментов. Применение тех или иных технических средств или технологических мероприятий в конкретных геологических условиях, часто резко различающихся по физико-механическим свойствам пород, обусловливает сложность выбора буровых долот. Поэтому при бурении скважин следует строго соблюдать технику бурения и учитывать особенности типа бурового долота. При несоблюдении техники могут возникнуть осложнения в виде разрушений бурового долота, перегреве, смещения осей шарошечных долот, и вследствие этого, быстрое изнашивание инструмента и проведение дополнительных операций по извлечению поврежденного оборудования из скважины.

В настоящее время разрабатываются новые виды долот. С использованием современных технологий производства удается получить долота с высоким сроком службы, большой проходкой и скоростью работы, что позволяет уменьшать энергозатраты на процесс бурения скважин, а также эффективно проводить сверхглубокие и горизонтальные скважины.

Литература

1. Воздвиженский Б.И. Разведочное бурение / Б.И. Воздвиженский, О.Н. Голубинцев, А.А. Новожилов. - М.: Недра, 1979. - 510 с.

2. Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф. Приоритетные направления развития техники и технологии бурения нефтяных скважин /15 лет РАЕН: Сб. науч. тр. / РАЕН - Москва: Изд-во РАЕН, 2005. - С. 258-266

3. Советов Г.А. Основы бурения и горного дела / Г.А. Советов, Н.И. Жабин. - М.: Недра, 1991. - 368 с.

4. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н. и др. Буровое оборудование. Справочник: в 2-х т. Т. 1. М.: ОАО «Издательство «Недра», 2000. -269 с.

5. Муравенко В.А., Муравенко А.Д., Муравенко В.А. Буровые машины и механизмы. В 2-х т. Том 1. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. - 520 с.

Приложение 1

Рис. 1 - Схема бурения скважины:

1 - долото; 2 - бурильные трубы; 3 - переводник; 4 - ротор; 5 - лебедка; 6 -двигатели привода лебедки и ротора; 7 - ведущая труба; 8 - вертлюг; 9 - крюк; 10 - талевой канат; 11 - талевой блок; 12 - буровой шланг; 13 - вышка; 14 - желоба; 15 - емкость циркуляционной системы; 16 - буровой насос; 17 - двигатель насоса; 18 - нагнетательный трубопровод; 19 - обсадная колонна; 20 - тампонажный цемент; 21 - забойный двигатель.

Приложение 2

Рис. 2 - Двухлопастное долото

Приложение 3

Рис. 3 - Трехшарошечное долото:

а, б, в - соответственно для средних, твердых и крепких пород; 1 - присоеди-нительная резьба; 2 - промывочный узел; 3 - секция долота; 4 - шарошка; 5 - цапфа; 6 - роликовый подшипник; 7 - шариковый замковый подшипник.

Приложение 4

Рис. 4 - Алмазное долото для бурения сплошным забоем:

а, б - разные конструкции рабочих элементов: 1 - алмазная несущая головка; 2 - корпус долота: 3 - замковая резьба; 4 - контактный сектор; 5 - выемка для циркуляции промывочного агента.

Приложение 5

Рис. 2.5. Схема колонкового долота:

1 - бурильная головка; 2 - керн; 3 - грунтоноска; 4 - корпус колонкового набора; 5 - шаровой клапан.

Приложение 6

Рис.6 - Обобщённая классификационная таблица соответствия типов шарошечных долот свойствам горных пород

Приложение 7

Рис. 7 - Классификационная таблица парных соответствий категорий твердости и абразивностя пород типам шарошечных долот

Приложение 8

Рис. 8 - Зависимость удельной энергии от глубины скважины для различных типов долот

Размещено на Allbest.ru