Если площадь сечения стружки на единицу длины режущей кромки долота обозначить через F, то то площадь скалывания будет , а усилие скалывания , где К_s - сопротивление скалыванию. Можно записать:

.

Силы А и В определяются из следующих уравнений:

А = Qsin? - fcos?

В = fQsin? + Qcos? ( 4 )

Подставляя значения А и В в уравнение 3, получим:

(5)

или

(6)

откуда

Напряжение сжатия в плоскости скалывания обычно мало, поэтому f можно принять равным нулю, тогда

После обозначения получим:

Так как F пропорциональна толщине стружки (в), то на единицу длины режущей кромки долота противодействия сила будет равна:

( 7 )

Исходя из уравнений 1, 2, и 7 усилия подачи и давление резания будут равны:

( 8 )

( 9 )

Силу R можно заменить выражением рS, где

р - сопротивление вдавливанию, т. е. твердость;

S - площадь контакта.

Угол ? для долот большого диаметра очень мало отличается от нуля, поэтому cos? = 1.

Внося эти изменения в уравнения 8 и 9, получим в окончательном виде:

(10 )

(11 )

Таким образом, при бурении долотами скалывающе-режущего типа, приходится преодолевать сопротивление вдавливанию и сопротивление чистому скалыванию (сдвигу).

Сила Р₂ (усилие резания) обычно меньше силы Р₁ (усилие подачи - нагрузка). При этом виде бурения исключительно большое значение имеют силы трения (fpS), которые очень велики и распределяются на небольшой площади.

Соприкосновение между передней гранью долота и породой происходит по всей толщине стружки.. В начальный момент после скалывания очередного элемента стружки соприкосновение незначительно, а затем, по мере вращения долота и разрушения породы под его передней кромкой, площадь соприкосновения увеличивается до тех пор, пока возникающее при этом усилие не превзойдет

предела прочности породы по плоскости скалывания, и в этот момент происходит образование нового элемента стружки, можно назвать шагом долота, величину которого обозначают через а (рис.52).

Шаг долота можно считать прямо пропорциональным, что вытекает из чисто геометрических соображений.

Рис.52

Технические требования к конструкции лопастных долот

Как правило, детали лопастных долот изготовляются из стали марки 40. Армировка рабочих поверхностей выполняется в соответствии с техническими условиями. Однако, возможны случаи, когда долота такого типа изготавливаются по специальной технологии, согласованной с заказчиком.

Лопасти долота должны привариваться по всему контуру. Сборка деталей долота производится, как правило, автоматической сваркой под слоем флюса.

При изготовлении долот возможны различные отклонения от нормали. Это связано с несовершенством оборудования, низкой квалификацией работников и т. д. Существуют специальные нормали, которые регламентируют допускаемые отклонения.

Для повышения долговечности все рабочие поверхности лопастных долот армируются твердыми сплавами. (На практических занятиях мы с вами подробно разбирали варианты армировки, поэтому на этом вопросе останавливаться не будем). Можно добавить лишь то, что калибрующие грани после армирования не должны выступать за пределы окружности, определяющей диаметр долота. В конструкции долота важное место занимает промывочная система. Этот вопрос мы будем рассматривать отдельно после рассмотрения всех видов долот.

Конструктивные особенности долот истирающего действия

Мы с вами уже знаем, что к долотам истирающего действия относятся алмазные и фрезерные долота для сплошного и колонкового бурения.

Как правило, алмазные долота применяются при бурении средних, твердых, средне- и малоабразивных пород на больших глубинах.

Эти долота выпускаются следующих размеров по диаметру: 140, 188, 212 и 267 мм. На выпуске таких долот в нашей стране специализируются два предприятия - ВНИИБТ и Московский комбинат твердых сплавов. Изготовление алмазных долот обусловлено техническими условиями ВНИИБТ.

Согласно этих условий, алмазные долота различаются по диаметру и конструкции. К конструктивным особенностям алмазных долот можно отнести геометрическую форму долота. Здесь возможны долота ступенчатые, радиальные, спиральные, ступенчатые с торовидными выступами и т. д.

Алмазные долота различаются (конструктивно) и по количеству слоев с алмазным вооружением( однослойные, двухслойные и т. д.).

Алмазные долота для сплошного бурения изготавливаются (выполняются) с муфтовым соединением с резьбой по ГОСТу 5286-58.

Вес таких долот колеблется от 19 до 92 кг, а вес алмазов в каратах от 192 до 653.

Как шифруются долота? Разберем для примера несколько типов долот.

Радиальное алмазное долото - ДР6С1 - диаметр 140 мм

- ДР9С1 - диаметр 214 мм

Д - долото, Р - радиальное, 6 - диаметр в дюймах, С - тип долота, 1 - модификация.

Радиальное долото с мелкими выступами:

ДР21СТ1, ДР212Т1 и т.д.

Ступенчатое алмазное долото - ДТ6С1, ДТ9С2 и т. д.

Ступенчатое долото с торовидными выступами - ДК212С2 и др.

Более подробно с этими долотами можно познакомиться, используя справочники по долотам.

Алмазные долота для отбора керна называются буровыми головками .

Алмазные буровые головки применяются в комплекте с турбодолотами типа КТД-4, которые обладают повышенным вращающим моментом и позволяют получать керн большого диаметра.

Тип долота, бурильной головки и др. Данные можно записать в виде таблицы:

Шифр долота	Применяемые бур. головки	Грунтоноска
	шифр	? керна, мм
КТД-4-172-19048	7В-К190	48	съемная
КТД4-164-190/40	7В-К190	40	съемная
КТД4-195-214/60	7В-К214	60	съемная

Алмазные бурильные головки имеют следующие шифры и основные параметры:

Радиальные: КР187/48С1 - диам. 187, муфт. соед., вес - 35 кг, тип С.

КР211/60С1 - диам. 211, муфт. соед., вес - 41 кг, тип С.

КР212/80СТ1 - диам. 212, муфт. соед. , вес - 50 кг, тип СТ и ряд других.

Ступенчатые: КТ188/48С2 - диам. 188, муфт. соед., вес 37 кг, тип С.

КТ188/48Т1 - диам. - 188, муфт. соед., вес - 40 кг, тип - C.

Алмазные бурильные головки предназначены для бурения с отбором керна в мало - и среднеабразивных породах до средней твердости. Как правило, алмазные бурильные головки однослойные.

Для изготовления алмазных бурильных долот и головок используются естественные алмазы. Алмазные долота для сплошного бурения состоят из фасонной твердосплавной алмазонесущей головки (матрицы) и стального корпуса (см. 40 х).

Долговечность алмазных долот достигается за счет координированного расположения алмазов с целью получения одинаковой удельной работы разрушения на каждый алмаз. С этой целью алмазы располагаются таким образом, что позволяют осуществить перекрытие всего забоя, взаимозащиту и равномерность износа матрицы.

Алмазные долота отличаются друг от друга формой матрицы и системы промывки.

Алмазные долота имеют в центре коническое углубление, которое способствует получению на забое конического выступа. Этот выступ породы, в свою очередь, позволяет центрировать долото в скважине, тем самым исключая отклонение долота от (вертикали) заданного направления. Все алмазные долота представляют из себя цилиндр с закругленным торцом.

Рабочая часть долот радиального типа характеризуется большой контактной поверхностью.

Рабочая часть спиральных долот выполнена в виде спирали.

У ступенчатых долот режущие кромки расположены ступенчато. Ступенчатые поверхности на периферии плавно переходят в цилиндр, а в центре имеет обратный конус.

Алмазные бурильные головки по своей конструкции однотипны и отличаются, в основном, диаметром, схемой раскладки алмазов и промывочной системой. Алмазная бурильная головка состоит из стального корпуса с внутренней цилиндрической резьбой (муфта) и твердосплавной фигурной матрицей, имеющей каналы для промывочной жидкости, промывочные отверстия. Эта матрица несет алмазы, расположение которых осуществляется также, как и у долот для сплошного бурения.

Что же представляют фрезерные долота? Конструкция их похожа на алмазные долота, только рабочая часть у таких долот сферическая, а, непосредственно, рабочие элементы расположены по спирали и, как правило, армированы твердыми сплавами. У этих долот рабочие элементы могут быть сменными. К таким долотам относятся, например, долота ДФТС. Эти долота применяются для бурения в малоабразивных породах и для разбуривания цементных мостов. Долота типа ДФТС выпускаются различных диаметров (188, 140, 190, 214 и 243 мм). Присоединительная резьба в виде муфты выполнена по ГОСТу 5286-58. Расшифровка ДФТС - долото фрезерное твердосплавное и через тире диаметр в мм.

К долотам истирающего типа относятся также твердосплавные долота типа ИСМ, которые изготавливаются Киевским институтом сверхтвердых металлов (отсюда и расшифровка названия долот). При испытании долот типа ИСМ хорошие результаты были получены при бурении в горных породах средней твердости. Конструкция этих долот чем-то напоминает конструкцию алмазных долот. Эти долота имеют шесть радиально расположенных коротких лопастей.

Рабочие поверхности этих лопастей армированы твердосплавными штырями типа Славутич или зернистым твердым сплавом. Такое долото представляет из себя корпус с приваренными к нему лопастями. Присоединительная конусная резьба выполнена в виде муфты.

Следует отметить , что теоретические вопросы процесса истирания горных пород долотами истирающего типа изучены далеко недостаточно. Поэтому мы с вами ограничимся лишь физической картиной работы таких долот. Наилучший эффект при работе таких долот можно получить, исключив удары о забой и тем более частые удары, как это наблюдается при работе шарошечных долот.

Принцип истирания горной породы основан на ее постоянном контакте с истирающими элементами, в качестве которых применяются алмазы и твердые сплавы (т. е. истирание горной породы происходит в результате воздействия на горную породу истирающих элементов, обладающих значительно большей твердостью, чем разрушаемая среда.

Лекция №13

Конструктивные особенности одношарошечных долот

При бурении на больших глубинах используются долота меньших диаметров. Размеры долота естественно сказываются на прочности его конструкции. На больших глубинах встречаются крепкие и очень крепкие породы. Применение трехшарошечных долот малых диаметров не всегда позволяет осуществить необходимые нагрузки на долото, что снижает эффективность разрушения горных пород. Применение же долот истирающе-режущего типа, фрезерных и алмазных, не всегда возможно в связи с их большой избирательностью и энергоемкостью. Это вызвало необходимость разработки одношарошечных долот. Наиболее известны в нашей стране одношарошечные долота ин-та СевКавНИИ. Шарошка этих долот имеет форму шара, несколько усеченного со стороны цапфы долота.

Центр этого шара совпадает с точкой пересечения осей цапфы долота и скважины. Такая геометрия позволила выполнить шарошку максимально возможного размера, жестко центрировать долото в процессе его работы на забое и обеспечить нормальную работу опорного узла.

Вооружение долота выполнено в виде твердосплавных зубцов, расположенных на теле шарошки в шахматном порядке.

При бурении такими долотами зубки, двигающиеся по сложным траекториям с различными характеристиками и пространственными положениями, при резании забоя наносят на его поверхность «сетку» поражения, расчленяя тем самым забой на отдельные зоны, порода в которых будет обладать меньшей сопротивляемостью разрушению. Одношарошечные долота выпускаются диаметром от 93 до 269 мм, с допустимой нагрузкой от 2,5 до 30 т.

С целью изучения кинематики одношарошечного долота рассмотрим вопрос погружения твердого сферического тела в неупругую среду с горизонтальной поверхностью под действием вертикальной осевой нагрузки, проходящей через центр тяжести шара.

Действующие усилия на одношарошечное долото располагаются по схеме, показанной на рис. 53.

Рис.53

Шар имеет ось вращения, образуемую двумя подшипниками наклоненную под углом ?₀ к вертикали, и эта наклонная ось

Рис.54

вращается относительно вертикальной оси с постоянной угловой скоростью ?₀ под действием постоянно вращающего момента ?₀. Рассматривая реальное движение шарошки, можно описать ее движение по кинематической схеме, т. е. шарошка будет совершать сложное движения по стенкам забоя скважины.

Многие результаты решения задач теоретической механики в общей постановке в настоящее время успешно применяются для решения вопросов, связанных с изучением движения реальной шарошки. Полученные при этом расхождения незначительны и допустимы.

Итак, рассматривание движение шара вокруг наклонной оси и относительно неподвижного центра 0, получим зависимости для определения величин усилий Р₁ и Р₂, возникших в результате передачи шарошке вращающего момента М₀ посредством двух подшипников. Эти усилия (Р₁ и Р₂) направлены перпендикулярно оси у подвижной системы

Р₁аsin?₀ + P₂sinвsin?₀ = М₀

Отсюда найдем Р₁ и Р₂ при условии что:

.

Следовательно, шар, находящийся под воздействием осевой нагрузки и вращающего момента, придет в движение (относительно неподвижного центра) лишь тогда, когда вращающий момент достигнет величины, равной сумме моментов всех сил трения, обусловленных приложенной осевой нагрузкой, т. е.

В реальных условиях осевая нагрузка не может быть сосредоточенной силой, т. к. передается корпусом долота на тело шарошки не через одну точку, а через определенную площадь контакта опорных элементов цапфы шарошки, т.е. будет распределенной силой. Упрощенно, осевая нагрузка является статической распределенной силой по диаметральному сечению шарошки. Закон распределения этой силы зависит от конструктивных особенностей и пространственного положения опоры долота.

Допустим, что осевая нагрузка распределена равномерно по диаметральному сечению шарошки, перпендикулярному оси корпуса долота.

При этом, качественная картина сохраняется (см. рис.) Учитывая принятые допущения, можно записать:

;

где Р - распределенное удельное давление;

G_ос - величина осевой нагрузки;

?R - диаметрального сечения шарошки.

Рассматривая распределение удельных контактных давлений (g) от силы (G по полусферической поверхности забоя, принимаем также, что нормальные напряжения (?_с) в теле шарошки и забоя значительно меньше допустимых и не вызывают деформаций рассматриваемых поверхностей.

Рис.55

Из рис.55 ясно, что удельное контактное давление при принятых нами условиях возрастает от периферии к центру забоя, где оно достигает максимума, однако, с приближением к центру забоя темп роста значительно снижается. Отсюда можно сделать вывод, что при бурении одношарошечными долотами равномерное распределение сил на забое невозможно из-за неравномерного распределения точек приложения этих сил и из-за полусферической формы забоя.

Разрушение горной породы долотами такого типа происходит при движении сферической шарошки без отрыва от поверхности. Характер разрушения при бурении одношарошечными долотами напоминает разрушение пород режуще-истирающими долотами. Отличие заключается в том, что у одношарошечных долот элементы вооружения движутся по сложным траекториям с изменением радиуса своего движения относительно оси скважины.

Эти траектории являются цикличными, пространственными и, как правило, замкнутыми эпициклоидальными кривыми, имеющими равное число точек возврата. Ориентация траектории отдельных элементов различна и зависит от положения данного элемента на поверхности шарошки. При взаимодействии элементов вооружения с забоем на его поверхности образуется своеобразная сетка поражения.

Применение одношарошечных долот позволило резко улучшить количественные и экономические показатели буровых работ, особенно с ростом глубины бурящихся скважин.

Наибольшее распространение эти долота получили в Чечено-Ингушетии.

Лекция №14

Конструктивные особенности шарошечных долот скалывающего действия

История развития долот насчитывается порядка 60 лет. За это время появились разные конструкции от одношарошечных до многошарошечных долот. Из всей этой гаммы долот наиболее распространенные - трехшарошечные долота, которые выпускаются как для сплошного, так и для колонкового бурения.

Различаются корпусные и секционные долота.

Корпусные (диаметр от 394 до 490 мм) долота состоят из литого корпуса, к которому привариваются лапы с цапфой и шарошкой. Однако, эти долота устарели и выпуск из резко сокращается.

Основная продукция долотных заводов - это секционные долота, которые изготавливаются путем сварки трех (двух, четырех) секций, на цапфах которых с помощью различных комбинаций подшипников (скольжения, шариковый, роликовый) укрепляются шарошки. Причем, вооружение шарошки изготавливается соответствующим конкретному типу долота, предназначенного для бурения соответствующих горных пород по механическим свойствам.

При сварке секций образуется корпус долота с внутренней полостью для организации промывки забоя скважины. На верхней части этого корпуса нарезается наружная коническая резьба.

Шарошечные долота отличаются друг от друга конструкцией шарошек, их расположением, вооружением, конструкцией опор шарошек.

В настоящее время широко применяются 10 различных схем опор с подшипниками при рассмотрении их от основания к периферии:

С-Ш-С 2. С-Ш-Ш 3. Р-Ш-С 4. С-Ш-Р 5. Р-Ш-Ш

6. Ш-Ш-Ш 7. Р-Ш-Р 8. Ш-Ш-Р 9. Ш-Ш-Р 10. Р-Ш-С_тп

(С_тп - подшипник скольжения, твердосплавный, с опорной пятой).

Следует отметить, что первые шесть схем применяются в долотах до 145 мм. Для долот большого диаметра применяются 7-10 схемы.

Проведенные исследования различных видов бурения показали, что в зависимости от вида бурения различных схем опор различна. Для турбинного бурения предпочтительно применять схемы: Ш-Ш-Ш, Ш-Ш-Р, Р-Ш-Р, а для роторного Р-Ш-С_тп.

Шарошечные долота для сплошного бурения выпускаются следующих основных диаметров: 46 мм, 59, 76, 93, 112, 118, 132, 140, 145, 151, 161, 172, 190, 214, 243, 269, 295, 320, 346, 370, 394, 445, 490.

В зависимости от диаметра нагрузка на долото возможна в пределах от 1,5 до 40 т.

Все эти долота выпускаются с ниппелем.

Бурильные головки выпускаются диаметром от 76 до 346 мм.

Качество изготовления долот и бурильных головок резко сказывается на показателях бурения. Одним из дефектов буровых долот является разновысотность шарошек.

В результате такого дефекта буровое долото опирается на одну или две шарошки. В этом случае нагрузка на отдельные лапы превышает допустимое, что сопряжено с аварией. Преждевременный выход из строя возможен и при радиальном при радиальном биении шарошки относительно цапфы.

В общих случаях неравномерно изнашивается вооружение шарошек и опоры, т. е. подшипников С. Р. Ш.

В случае несоосности элементов бурильной головки приводит к поломке керна, а, следовательно, и к снижению % выноса керна.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает 13 типов долот.

Тип М. Долота этого типа выпускаются диаметром 145-490 мм (кроме 151 мм). Эти долота предназначаются для бурения самых мягких, несцементированных пород типа наносов, мягких и вязких глин , сланцев, мягких известняков.

Тип МЗ. Долота этого типа выпускаются диаметром 161-295 мм. Эти долота используются для бурения мягких, слабо абразивных пород типа песчаников и мергелей.

Тип МС. Диаметр этих долот может быть в пределах 161-295 мм. Хорошие результаты бурения этими долотами можно получить при бурении мягких неабразивных пород с пропластками пород средней твердости. К этим породам можно отнести мел с пропластками слабосцементированных песчаников, каменную соль с пропластками ангидритов, глинистые сланцы.

Тип МСЗ. Долота этого типа выпускаются (также) диаметрами 161-295 мм. ,ти долота хорошо зарекомендовали себя при бурении мягкихя. Слабосцементированных пород с пропластками пород средней твердости . К этим породам можно отнести песчаноглинистые сланцы, плотные глины с пропластками песчаников.

Тип С. Эти долота выпускаются диаметрами от 93 до 490 мм. Долота типа С рационально применять при бурении пластичных и хрупко-пластичных неабразивных пород средней твердости, таких как плотные глины, глинистые сланцы, известняки средней твердости.

Тип СЗ. Долота этого типа выпускаются следующих диаметров: 132 мм, 161-295 мм. Эти долота предназначены для бурения абразивных пород средней твердости, таких как песчаники, песчанистые сланцы.

Тип СТ. Диаметры таких долот возможны в пределах 161-295 мм. Хорошие результаты бурения долотами этого типа можно получить при бурении хрупко-пластичных пород средней твердости с пропластками твердых пород, таких как, песчаник с пропластками гипса, известняк с пропластками гипса, ангидрит.

Тип Т. Эти долота выпускаются диаметрами в пределах 76-394 мм. Долота этого типа рекомендуется применять для бурения твердых неабразивных пород, таких как твердые известняки, доломиты, доломитизированные известняки.

Тип ТЗ. Долота этого типа выпускаются в пределах 76-295 мм, кроме долота диаметром 151 мм. Эти долота применяются для бурения твердых абразивных пород, т. е. окварцованных известняков, доломитов.

Тип ТК. Долота типа ТК выпускаются диаметрами в пределах 161-295 мм. Эти долота предназначены для бурения твердых пород с пропластками крепких пород, такие как твердые известняки с пропластками мелкокристаллических известняков и доломитов.

Тип ТКЗ. Диаметр таких долот возможен в пределах 151-295 мм. Долота типа ТКЗ рекомендуется применять для бурения абразивных твердых пород с пропластками крепких пород. К таким породам относятся окремнелые аргеллиты, твердые известняки и доломиты, мелкозернистые сильно сцементированные песчаники.

Тип К. Эти долота выпускаются диаметрами от 76 до 295 мм, кроме долот диаметром 97, 118, 140 мм. Долота типа К применяются при бурении крепких пород, таких как окремнелые мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты.

Тип ОК. Диаметр таких долот возможен в пределах от 76 до 490 мм, кроме долот диаметром 93, 151, 161, 172, 346 и 370 мм. Эти долота применяются при бурении очень крепких пород типа гранита, кварцита и диабаза.

Все шарошечные долота производят разрушение горной породы за счет удара элементов вооружения шарошек на поверхности забоя, т. е. используется эффект скалывания.

В случае смещения осей шарошек возможно получить дополнительный эффект фрезерования.

По всей конструкции шарошки имеют вид конуса. Возможно несколько разновидностей шарошек - одноконусная, двухконусная, трехконусная и четырехконусная (рис.56).

Рис.56

одноконусная

шарошка двухконусная

шарошка трехконусная

шарошка

? - угол наклона оси шарошки к оси долота;

f - вылет вершины шарошки за ось долота;

2?, 2?₁, 2?₂, 2?₃ - углы конусов;

- длины образующих конусов.

Размещение шарошек в плане возможно двух видов (рис.57):

Рис.57

- величина положительного смещения, вперед по вращению долота.

По первому варианту сконструированы долота типа СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К и ОК, а по второму - М, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ.

Угол наклона оси шарошки к оси долота (?) и углы конусов шарошки определяют профиль забоя.

Профиль забоя характеризуется углами ?₁, ?₂, ?₃ ( рис.58).

Вооружение шарошек располагается на венцах, число которых зависит от типа долота, его диаметра и типа породоразрушающих элементов. В зависимости от расположения венцов на шарошках различа ют самоочищающиеся и несамоочищающиеся долота.-

Рис.58

Самоочищающиеся долота снабжены одноконусными шарошками без смещения, а несамоочищающиеся долота снабжены одноконусными или многоконусными шарошками без смещения или с положительным смещением (рис.59).



Рис.59

Несамоочищающееся долото Самоочищающееся долото

Шарошки для мягких, средних и твердых неабразивных пород снабжены фрезерованными зубьями.

По мере увеличения твердости пород долота должны применяться с уменьшающимся шагом и высотой зубцов и с увеличивающимся углом заострения.

У шарошек долот типа ТК на периферийном венце добавляются твердосплавные сферические штыри. У шарошек долот типа К и ОК на всех венцах запрессованы такие штыри (твердосплавные, сферические).

Шарошки долот, предназначенных для бурения абразивных пород твердосплавными зубцами клиновидной формы.



Рис.60

Шарошки долота обозначаются римскими цифрами. Наиболее полная шарошка является первой (I) и т. д.

Венцы шарошки обозначаются по порядку с вершины буквами русского алфавита.

Лекция №15

Гидромониторные долота

На практических занятиях мы с вами изучали основные моменты, связанные с потоками и струями и рассмотрели соответствующие эпюры динамического давления и поперечных потоков и т. д.

Гидромониторные долота, в отличие от долот с обычной промывкой, используют энергетические характеристики потока с целью достижения более совершенной очистки скважины.

У обычных долот буровой раствор попадает в основном на шарошки, способствуя лучшей очистке шарошек от выбуренной породы. Совершенная очистка забоя такими долотами практически не достижима.

У гидромониторных долот поток бурового раствора с помощью гидромониторных насадок, расположенных в приливах лап между шарошек, формируется в струи. Эти струи имеют направление на забой и проходят мимо шарошек. В этом случае можно получить более интенсивную очистку забоя скважины.

Гидромониторные насадки закрепляются в специальных корпусах с элементами крепления и герметизации. Вся эта конструкция носит название «гидромониторный узел».

Наиболее простой гидромониторный узел конструктивно выглядит так (рис.61).

Насадки выполняются либо минералокерамические, либо твердосплавные.



Рис.61

Разрушение горных пород кольцевым забоем и отбор керна

Колонковое долото для бурения горных пород кольцевым забоем с целью отбора керна состоит из бурильной головки и колонкового набора (Принципиальная схема колонкового долота показана на рис.62).

Рис.62

Лекция №16

Влияние различных факторов на показатели работы долот

Влияние нагрузки на механическую скорость проходки

При бурении скважин нагрузка на долото осуществляется весом части бурильной колонны, которая называется статической нагрузкой. В результате действия этой статической нагрузки (осевой нагрузки) и крутящего момента (при вращательном способе бурения) происходит разрушение горных пород. При перекатывании шарошек долота по забою возникает и динамическая составляющая нагрузки, которая составляет порядка 20-30% от величины статической нагрузки.

Величина динамической нагрузки тем больше, чем выше жесткость низа бурильной колонны, чем выше скорость вращения долота, чем больше шаг зубьев и твердость горной породы. Уменьшение динамической составляющей происходит с ростом пластичности горной породы и величины проскальзывания шарошек.

Рис.63

Зависимость механической скорости проходки от осевой нагрузки для шарошечных долот можно представить в виде графика (рис.63).

I область - нагрузка на долото по площади контакта зубьев с породой меньше предела усталости породы - происходит поверхностное разрушение в виде истирания.

II область - контактное давление в этой области также меньше твердости породы. Однако возможно объемное разрушение за счет усталостных явлений. Разрушение породы происходит при многократных ударах. С увеличением нагрузки повышается контактное давление, возрастает также и энергия удара. В результате этого в этой области механическая скорость бурения растет быстрее, чем осевая нагрузка.

III область - контактное давление вооружения на породу превышает твердость породы. Это обеспечивает эффективное объемное разрушение.

На графике показано два максимума. Это точки В и 0. Нагрузка, соответствующая точке В (Р_д^/) будет оптимальной для первого скачка хрупкого разрушения, а нагрузка Р_д^// будет оптимальной для второго скачка. В обоих этих случаях удельная объемная работа разрушения будет минимальной.

При постоянной нагрузке вследствие износа зубьев, уменьшается контактное давление. Это вызывает необходимость увеличивать осевую нагрузку с целью поддержания необходимого режима поверхностного и усталостного разрушения породы.

Динамическая составляющая нагрузки может возникать и при бурении лопастными и фрезерными долотами в тот момент, когда происходит хрупкое разрушение.

Влияние скорости вращения на механическую скорость проходки

Механическую скорость проходки можно представить как произведение величины глубины забоя на один оборот долота на общее число оборотов в единицу времени.

В области поверхностного разрушения углубление за один оборот не зависит от скорости вращения.

При высоких же контактных нагрузках углубление за один оборот с увеличением скорости вращения уменьшается за счет сокращения длительности контакта зубьев с породой и осложненной очисткой забоя от шлама вследствие ограниченного времени на эту операцию.

С ростом скорости вращения наблюдается также (резкий) интенсивный износ вооружения, что вызывает снижение контактного давления зубьев на породу и др. Факторы.

Влияние расхода бурового раствора на механическую скорость проходки

При недостаточной очистке забоя скважины темп роста механической скорости проходки с увеличением осевой нагрузки снижается. Это объясняется тем, что большая часть энергии, проводимой к долоту, затрачивается на вторичное измельчение шлама.

Механическая скорость проходки с увеличением расхода бурового раствора возрастает в случае постоянной осевой нагрузки и скорости вращения. Однако темп роста постепенно снижается.

(Изменение) очень большое увеличение расхода промывочной жидкости требует больших гидравлических мощностей, а, следовательно, и дополнительных средств.

Существенно улучшить очистку забоя от шлама и тем самым увеличить механическую скорость проходки можно с помощью гидромониторных долот.

Классификация горных пород по буримости

Под буримостью понимается степень трудности разрушения горных пород на данном уровне техники и технологии бурения.

Различаются трудно и легко буримые горные породы.

Буримость горных пород зависит от природных, технологических и технических факторов.

В настоящее время вопрос буримости является нерешенной проблемой из-за сложности взаимосвязи факторов, влияющих на этот фактор.

Чаще всего буримость в настоящее время оценивается по начальной механической скорости V_н, так как в этом случае исключается фактор, зависящий от износа долота.

Интенсивность разрушения горных пород оценивается показателем буримости за один оборот долота.

Начальная скорость бурения и проходка за оборот новым долотом находятся в следующей связи:

d₀ = V_н / 60n,

где d₀ - проходка за один оборот долота в мм/об;

V_н - начальная скорость бурения в мм/ч;

n - скорость вращения долота в обмин.

Следует отметить, что на сегодняшний день отсутствует такой показатель буримости, который бы комплексно учитывал разрушаемость породы и ее абразивные свойства.

Существующие же классификации горных пород по буримости носят временный характер и применимы только для местных, конкретных условий, т. к. одни и те же породы в различных нефтяных районах могут быть отнесены к разным категориям буримости. В настоящее время горные породы по буримости условно делятся на мягкие, средние, твердые, крепкие и очень крепкие породы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А. И. Спивак, А. Н. Попов «Разрушение горных пород при бурении скважин» - М: , Недра, 1994.

2. А. Г. Мессер, А. Н. Сорокин, В. В. Макушин и др. - Керноотборный инструмент и элементы компоновки низа бурильной колонны. Нефтяное хозяйство. - 1993. - №1. - с.4-17

3. 3Г. В. Конесев, М. Р. Мавлютов, А. И. Спивак, Р. А. Мулюков. Смазочное действие сред в буровой технологии. - М, : Недра, 1993

4. В. Е. Копылов Разрушение мерзлых горных пород при бурении скважин. - Тюмень: ТГУ, 1980.

5. И. К. Масленников Буровой инструмент: Справочник. - М, : Недра, 1989.

6. Г.П.Черепанов Механика разрушения горных пород в процессе бурения - М, : Недра, 1997.

7. Н. А. Колесников, А. К. Рахимов, А. А. Брыков и др. Процессы разрушения горных пород и резервы повышения скоростей бурения. - Ташкент: Фан, 1989.

8. М. Г. Абрамсон, Б. В. Байдюк, В. С. Зарецкий и др. Справочник по механическим и абразивным свойствам горных пород нефтяных и газовых месторождений. - М, : Недра, 1984.

Размещено на Allbest.ru