Долота, оснащенные натуральными и синтетическими алмазами и композиционными материалами
При бурении скважин на нефть и газ на забое встречаются различные по твердости и абразивности горные породы. Для повышения эффективности разрушения и выноса разрушенной породы из скважины целесообразно использовать (особенно при глубине скважин более 2000 м) алмазный буровой инструмент.
Наиболее эффективно применять алмазный буровой инструмент
в регионах, где стоимость буровых работ высока, например при использовании тяжелых буровых установок на суше, при бурении глубоких и очень глубоких скважин или при бурении с платформ, при бурении отбором керна, при бурении скважин малого диаметра, в том числе наклонно направленных.
Технико-экономический эффект от применения алмазных долот получается за счет сокращения количества и времени на спуско-подъемные операции, за счет больших проходок на алмазное долото.
Современный алмазный буровой инструмент разрабатывается на базе результатов большого объема стендовых и промысловых исследований в процессе бурения реальных скважин в различных геолого-технических условиях.
Разработаны также специальные типы алмазных долот: зарезные – для зарезки и бурения наклонно направленных скважин и долота-фрезеры – для фрезерования окон в обсадных колоннах.
Алмазный буровой инструмент изготавливается в соответствии с российскими и международными стандартами. В России типы и размеры долот и бурильных головок, оснащенных алмазами и сверхтвердыми композиционными материалами, соответствуют ГОСТ 26474-85. В соответствии с этим стандартом долота изготавливаются пяти типов – для бурения в мягких породах (М), в мягких с пропластками пород средней твердости (МС), в породах средней твердости (С), породах средней твердости с пропластками твердых пород (СТ), твердых породах (Т) диаметрами от 91,4 до 391,3 мм.
|
|
|
В соответствии со стандартом долота обозначаются следующим образом. Например, долото наружным диаметром 214,3 мм для бурения пород средней твердости: Долото 214,3 С ГОСТ 26474-85.
Допускается условные обозначения долот и бурильных головок дополнять буквами и цифрами, определяющими их конструкцию.
По требованию потребителя допускается изготавливать долота и бурильные головки с номинальными размерами по наружному диаметру, равными номинальным размерам на наружные диаметры шарошечных долот по ГОСТ 20962-2003 «Долота шарошечные. Технические условия».
Устройство и особенности бурения алмазными долотами
Алмазное долото (рис. 5.9 а)состоит из полого стального корпуса,включающего головку 1 и переводник 2 с присоединительной резьбой, матрицы 3, на поверхности которой размещены алмазы 6. В матрице долота выполнены промывочные отверстия 5, переходящие в радиальные промывочные каналы 6, обеспечивающие промывку забоя и охлаждение алмазов и долота в целом.
|
|
|
Рис. 5.9. Конструкция алмазного долота (а), схема однослойного крепления алмаза и его взаимодействие
горной породой (б), импрегнированный слой (в)
В отличие от ранее рассмотренных неалмазных долот, профиль рабочих элементов (лопастей, секторов) алмазного долота не имеет углов. Центральная часть выполняется конической (внутренняя конусная поверхность), образующей выпуклый забой. Коническая часть плавно переходит в скругленную (торовую) торцовую поверхность, а та в свою очередь — в наружную коническую поверхность, которая плавно переходит в наружную цилиндрическую (калибрующую) поверхность. У долота, показанного на рис. 5.9 а, наружная коническая поверхность отсутствует, т.е. торцовая поверхность непосредственно сопряжена с наружной цилиндрической по-верхностью. Торцовая и наружная коническая поверхности долота могут быть выполнены гладкими или ступенчатыми, как показано на рис. 5.9 а.
Алмазы на рабочей поверхности долота крепят разными способами. Наиболее распространен способ порошковой металлургии. Алмазные зерна раскладывают в пресс-форме по заданной схеме и фиксируют клеем.
В пресс-форму засыпают порошкообразную шихту (смесь карбида вольфрама и кобальта) и спрессовывают, причем в качестве пуансона используют головку породоразрушающего инструмента. Далее инструмент спекают при температуре около 1300 С в защитной среде (например, в водородной печи). Зерна алмазов должны выступать над матрицей на 1/5…1/4 от их диаметра. Фирма Norton Christensen изготавливала долота, у которых алмазные зерна выступают над поверхностью до 1/3 от их диаметра. Для оголения алмазов, если это не было предусмотрено в пресс-форме, используется пескоструйная обработка рабочих поверхностей инструмента.
|
|
|
Алмазы, размещенные на калибрующих поверхностях матрицы, утапливаются в ней заподлицо.
Однослойные долота — это инструменты, оснащенные сравнительно крупными алмазами диаметром 2…3 мм (от 3 до 12 зерен на карат), которые размещаются непосредственно в рабочей поверхности матрицы (рис. 5.9 б). Показанное на рисунке долото может быть выполнено одно-слойным и импрегнированным.
Импрегнированные долота —это инструменты,оснащенные мелкими алмазами (до 1000 зерен на карат). Их смешивают с шихтой, которая образует поверхностный слой матрицы толщиной 5…6 мм, сечение которого показано на рисунке 5.9 в.
|
|
|
Алмазы разрушают горные породы микрорезанием, передеформированием с последующим усталостным отделением частиц породы или ее истиранием, что обусловливает весьма низкую механическую скорость проходки (0,5…1,5 м/ч). Низкая механическая скорость и высокая стоимость долот ограничивают область их применения. Долота конкурентоспособны только на глубинах, превышающих 2500 м, когда большая проходка на долото компенсирует потери времени из-за низкой механической скорости бурения за счет уменьшения числа спускоподъемных операций для смены долота.
Применение алмазного долота требует предварительной подготовки ствола и забоя скважины. Необходимо проработать суженные участки ствола и интервалы, где наблюдались посадки инструмента. Под посадкой понимают резкое уменьшение показания индикатора веса при спуске инструмента. Последние рейсы не алмазными долотами следует выполнять
с установкой над ними шламометаллоуловителя для очистки забоя от металла и кусков твердой горной породы. Устройство одной из конструкций шламометаллоуловителя и схема его работы показана на рис. 5.10.
На не алмазное долото 1 навинчен шламометаллоуловитель, состоящий из корпуса 2 и шламовой трубы 3. Выше расположены утяжеленные бурильные трубы 6. Соотношение диаметров скважины и шламовой трубы таково, что в зазоре между ними скорость движения жидкости составляет около 5 м/с. При такой скорости с забоя выносятся не только шлам и куски горной породы, но и твердосплавные зубки и их обломки, которые могли остаться на забое при повреждении вооружения предыдущих долот. Выше шламовой трубы сечение скважины резко увеличивается, а скорость восходящего потока промывочной жидкости падает примерно до 1 м/с. Происходит завихрение потока жидкости, и металл и крупные куски горной породы осаждаются внутрь шламовой трубы, а мелкий шлам транспортируется дальше вверх по кольцевому зазору между стенкой скважины и бурильным инструментом. Забой считается подготовленным, если после бурения долотом, предшествующим алмазному и отработанному не более, чем на половину его ресурса, в шламометаллоуловителе не обнаружено обломков металла и твердых горных пород. В противном случае выполняют специальный рейс по очистке забоя.
Особенности бурения алмазными долотами обусловлены конструкцией рабочих элементов и свойствами алмазов. Алмазы выступают из матрицы на незначительную величину, поэтому с увеличением осевой нагрузки на долото внедрение алмазов быстро достигает предельного значения. Дальнейшее повышение нагрузки не приведет к росту интенсивности разрушения горной породы, а возрастающая при этом работа трения мо-жет вызвать опережающий износ матрицы, оголение и выпадение алмазов. Кроме того, растет опасность чрезмерного повышения температуры алмазов, их окисления и даже графитизации. В этом случае большую роль играет эффективное охлаждение рабочих поверхностей алмазных породоразрушающих инструментов.
Рис. 5.10. Шламометаллоуловитель МУТ и схема его работы в скважине
Но слишком интенсивная промывка может вызвать эрозионное изнашивание матрицы. Поэтому режим работы алмазных инструментов строго регламентирован инструкциями по их эксплуатации.
Опасность перегрузок и раздавливания алмазов периферии долота не допускает его использования для проработки скважины (расширения ствола до номинального диаметра). В то же время некруглое сечение скважины или потеря ее диаметра, обусловленные применением предшеcтвующего не алмазного долота, затрудняет спуск алмазного долота в скважину. Поэтому диаметр алмазных инструментов меньше диаметра обычных инструментов на 0,5–2,5 мм, а допуск на диаметр долота – только отрицательный.
Выход из строя (отказ) алмазных породоразрушающих инструментов может произойти в результате абразивного и эрозионного изнашивания матриц и потери алмазов, растрескивания и выпадения алмазов под действием динамических нагрузок, истирания и пригорания алмазов при их перегреве, забивания системы промывки долота и образования на нем сальника. Признаки отказа долота – снижение механической скорости бурения или увеличение давления промывочной жидкости на насосе.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1372; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!