Бурильные головки
В настоящее время в связи с отказом производственников от турбин-
ных керноотборных устройств выпускаются только бурильные головки к устройствам без съемного керноприемника серии К. Из шарошечных на- ходят применение бурголовки типа МСЗ, СЗ, СТиТКЗ, изготовленные ОАО «Уралбурмаш». Выпускаются в ограниченном масштабе бурголовки лопастные, алмазные, типа ИНМ (ИСМ). Широкое применения нашли ал- мазно-твердосплавные бурильные головки. Бурильные головки серии К типа М состоят из остова корпуса 2 с присоединительной резьбой 1. По- следняя модификация (рисунок 3.98) бурголовки включает три ступенча- тые лопасти с тангенциальным размещением относительно остова. По-
верхности лопастей оснащены твердосплавными резцами ВК-3. Промы- вочные каналы (их девять в модификации на рисунке 3.98а) отведены от керноприемного отверстия. В модификации, представленной на рисунок
3.98 шесть промывочных отверстий, а лопасти размещены радиально отно-
сительно остова. Бурильные головки типа М осуществляют режущее воз-
действие при разрушении мягких малоабразивных пород.
Рисунок 3.98 – Бурильные головки типа М
Бурильные головки серии К типа МСЗ (рисунок 3.99) относятся по способу разрушения к инструментам режущего действия. Они состоят из корпуса 1 с присоединительной резьбой. Бурильные головки МЗС диамет- ром 187,3м и больше имеют восемь шарошек, а диаметром 158,7/67 и ме- нее – четыре. На рисунке изображена бурголовка К187,3/80 МЗС. Здесь каждая пара шарошек размещается на оси, закрепленная винтом 4. одна из шарошек является скважинообразующей – 3, вторая кернообразующей – 2. Четыре оси размещены в корпусе горизонтально по касательной относи- тельно керноприемного отверстия в головке. Шарошки имеют твердо- сплавные клиновидной формы зубки 5, которыми разрушается горные по- роды по всей площади кольца. Шарошки имеют также вспомогательные зубки 6 для калибровки стенки скважины и керна. Оригинальность этой бурильной головки в том, что в процессе бурения шарошки вращаются и происходит непрерывный процесс смены зубков. Это достигается благода-
ря тому, что режущие кромки зубков расположены под углом 450 к обра-
зующей боковой поверхности шарошек, а направление зубков на скважи-
нообразующих и кернообразующих шарошках противоположное.
Рисунок 3.99 - Бурильные головки серии К типа МСЗ
Бурильные головки типа МСЗ предназначены для отбора керна в мягких, с пропластками средней твердости малоабразивных пород.
Промывка забоя производится через девять каналов, проходящих вблизи от керноприемного отверстия корпуса. Важным преимуществом бурильной головки является возможность просто и быстро заменить на бу-
ровой изношенные шарошки на новые.
Бурильные головки серии К типа СЗ применяются для отбора керна в породах средней твердости мало- и среднеабразивных. В работе [23] её от- носят к инструментам режуще-дробящим с преобладанием резания.
Как видно, бурильная головка состоит из корпуса 1 и приваренного к нему ниппеля с присоединительной резьбой 6 на трех цапфах, направлен-
ных наружу, размещены полукруглые шарошки 2 с радиусом, равным по- ловине диаметра бурголовки. Опора шарошки состоит из двух шарико- подшипников, в том числе один радиально упорный, и трех подшипников скольжения, два из которых радиальные и один упорный (рисунок 3.100).
Для разрушения горных пород используются твердосплавные резцы клиновидной формы, причем режущая грань клина ориентирована по ра- диусу шарошек.
На рисунке 3.101 показан общий вид двух модификаций бурильной головки типа СЗ. На рисунке 3.101а показана модификация, у которой пе- риферийные венцы выполнены с фрезерованными крупными зубьями.
Промывочная жидкость проходит к забою через каналы корпуса в проме- жутках между шарошками. На второй модификации промывочные каналы размещены над шарошками с направлением промывочной жидкости к за-
бою по касательной к шарошкам. Последние имеют также пазы на поверх-
ности шарошек, по которым промывка проходит к забою.
а б
Рисунок 3.101 - Общий вид двух модификаций бурильной головки типа СЗ
Следует также отметить, что бурильные головки типа СЗ диаметром
212,7 мм и более имеют отрицательные смещения осей шарошек, что уве-
личивает скалывающий эффект в процессе разрушения горной породы при отборе керна. Бурильные головки типа СЗ широко применялись при отборе керна в разведочных скважинах «Главтюменьгеологии» и концерна «Тю-
меньгеология». Около 50 % из общего метража, пройденного с отбором керна, приходится на бурильные головки типа СЗ (ранее 6-8К.)
Бурильные головки серии К типа ТКЗ применяются при отборе керна в твердых с пропластками крепких абразивных пород. Устройство буриль- ной головки приведено на рис. 3.102 а и б.
а б
Рисунок 3.102 – Бурильные головки серии К типа ТКЗ
Видно, что бурильная головка состоит из корпуса (наружняя секция
4 и внутренняя 2) и присоединительной муфты 5. Промывка забоя осуще-
ствляется буровым раствором, который проходит через отверстия 1 между шарошками.
Разрушение забоя осуществляется слабоконическими шарошками с твердосплавным вооружением. Бурильные головки диаметром 187,3 и
212,7 выпускаются серийно в шестишарошечном исполнении. Бурильные
головки меньших размеров выпускают опытными партиями с пятью ша- рошками. Внутренняя секция корпуса 2 имеет три цапфы и шарошки 3 вы- буривающие керн, и три шарошки на цапфах наружной секции 4, разру- шающие периферийную часть забоя. Опоры скважинообразующих шаро- шек имеют один радиальный и два осевых подшипника скольжения.
Необходимо отметить, что поверхности цапф наплавлены твердым сплавом, что помогает, по мнению авторов разработки, самоустановке на-
ружных шарошек по мере износа опор и сохраняет постоянным наружный диаметр бурильной головки.
В лаборатории керноотборного инструмента и технических средств для бурения скважин ВНИИБТ предпринимались неоднократные усилия
по модернизации бурильных головок типа ТКЗ. Например, на базе бурго- ловок с диаметром керна 100 мм разрабатывалась бурголовка с комбини- рованным вооружением (вариант ТКЗ-5), разработка бурголовки ТКЗ с маслонаполненной герметизированной опорой, причем промысловые ис- пытания новых устройств были успешными. Но в послеперестроечные го- ды работы не были продолжены.
В геологоразведочных экспедициях Главтюменьгеологии накоплен значительный опыт бурения с отбором керна. Общий объем бурения до 37 тыс. метров в год. Расход бурильных головок более 3,5 тысяч. Основной
объем бурения с отбором керна выполнен шарошечными бурголовками К189, 3/80 СЗ и к 212,7/80 СЗ. Менее 10 % метража с отбором керна про- бурен бурголовками М, МСЗ, ТЗ, ТКЗ. Из алмазных наибольший объем
пройден бурильными головками КСС 188,9/100 МС-1 с керноотборным устройством «Кембрий» СКУ-172/100. Испытания проводились в Прав- динской, Красноленинской и Восточно-Мегионской НГРЭ на Тепловской,
Мало-Балыкской, Крючковской, Пальяновской, Ем-Еговской, Ван- Еганской, Тагринской площадях. Основные результаты сравнительных ис- пытаний приведены в таблице 3.6 [29].
Видно, что проходка на алмазную бурильную головку в 15 раз боль- ше проходки на шарошечную головку. Механическая скорость бурения выше на 11 %, а вынос керна алмазными бурголовками на 14,6 % больше
этого показателя, достигнутого с помощью шарошечных бурголовок типа
СЗ.
Алмазные бурильные головки выпускаются в нашей стране в огра- ниченном ассортименте. Это, прежде всего, КСС (рисунок 3.103а), предна- значенная для разбуривания пород средней твердости с прослоями твер- дых средне абразивных пород. Устройство обычное: стальной корпус, твердосплавная матрица и алмазы, размещенные на шести секторах. Тор- цевая поверхность их оснащена поликристаллическими синтетическими термостойкими алмазами ПСТА в виде упавшей трехгранной призмы, а калибрующая поверхность - синтетическими алмазами СВС-П. На корпусе имеется шесть промывочных каналов. На рисунке 3.103б приведен рису- нок трёх, сходных по внешнему виду, бурильных головок. Это бурильная головка типа КИ, что означает, что она предназначена для отбора керна (К
– колонковая, И – импрегнированная). Три спаренных сектора ступенчатой формы вооружены природными алмазами, которые размещены с малой степенью упорядоченности в твердосплавном слое матрицы толщиной 6,5 мм.
Внешняя бурильная головка КТСИ не отличается от КИ. Различия в том, что КТСИ армирована импрегнированными синтетическими, а не природными алмазами.
Таблица 3.6 - Основные результаты сравнительных испытаний
| Бурильная головка | Интервал, м | Проходка, м | Проходка на б/г, шт. | Количество б/г, шт. | Проходка на рейс, м | Механическая скорость, м/ч | Вынос керна, % |
| КСС 188,9/100 МС-1 | 899-3350 | 7,03 | 1,23 | 83,2 | |||
| К 187,3/80 СЗ | 2203- | 10,3 | 6,45 | 1,06 | 67,6 |
Рисунок 3.103 – Алмазные бурильные головки
Бурильная головка типа КТ отличается от вышеописанных также вооружением. В этом случае ступенчатая поверхность торцевой поверхно- сти вооружена природными алмазами, размещены однослойно.
Бурильная головка типа КАП (рисунок 3.103в) является первой оте- чественной конструкцией бурильной головки, вооруженной алмазно- твердосплавными пластинами (АТП) и алмазно-твердосплавными резцами (АТР).
Бурильная головка типа КР (рисунок 3.102г) отличается радиальны- ми способом размещения промывочных каналов. Предназначена для буре- ния с отбором керна в породах средней твердости и твердых мало- и сред-
неабразивных. Вооружение бурголовки однослойное с природными алма-
зами.
Шесть спаренных секторов имеют ступенчатую (волнистую) поверх- ность с концентрическими выступами, на которых размещены алмазы. Вы- ступы на соседних секторах смещены относительно друг друга для полно- го перекрытия забоя алмазами. В работе [23] отмечается, что твердосплав- ная матрица бурильной головки КР имеет высокую твердость и износо- стойкость, что позволяет ее применять в твердых среднеабразивных поро- дах. Разновидность головки КРС в том, что она оснащена не природными, а синтетическими поликристаллическими алмазами.
Испытания первой в истории нашей страны алмазно-твердосплавной бурильной головки КАП 214,3/80 МС, разработанной в лаборатории ал- мазного бурового инструмента ВНИИБТ, проводили в Правдинской НГРЭ производственно-геологического объединения «Хантымансийскнефтегаз- геология». Бурильная головка состоит из стального корпуса с присоедини- тельной резьбой, шести матричных секторов закругленной формы (рису- нок 3.103в и рисунок 3.104). Алмазно-твердосплавные резцы диаметром
13,5 мм закреплены на рабочей поверхности пайкой. Калибрующие по-
верхности армированы синтетическими алмазами СВС-П и твердосплав-
ными пластинами.
Рисунок 3.104 - Бурильная головка из стального корпуса с присоединительной резьбой
Испытания проводились на Приобской площади на скважинах 271,
254, 400, 429 в интервале 2289,5-2745,1 м в породах готерив-баррема и ва-
ланжина, представленных переслаиванием плотных аргиллитов и песчани- ков с алевролитами. Породы относятся по твердости к средним с пропла- стками твердых [29].
Для отбора керна использовалось керноотборное устройство серии
«Недра» КД11М190/80 в двухсекционном исполнении. Одновременно с испытанием бурголовки типа КАП проводился отбор керна с применением серийной алмазной бурголовки КТСИ 188,9/80 СЗ. Результаты сравни- тельных испытаний указаны в таблице 3.7, в которой приведены также средние показатели лучших из применяемых шарошечных бурголовок ти- па СЗ и ТКЗ.
Таблица 3.7 - Результаты сравнительных испытаний
Тип бу- рильной головки
Интервал бурения,
м
Число рейсов
Проход-
ка, м
на рейс на б/г
Механическая скорость,
м/ч
Вынос керна,
%
Серийные шарошечные бурголовки
К 187,3/80
СЗ
К 187,3/80
ТКЗ
2000-2700
2000-2700
0,4
,9
1 1
0,4
9 9
,9
0,69
0,91
80,3
76,2
Серийная алмазная бурголовка
КТСИ
188,9/80
СЗ
2387-2470 6 5
,8
5,0
0,45 75,8
Алмазно-твердосплавная бурголовка
КАП
214,3/80
МС
2289-2745 26 1
2,7
29,3
1,82 88,2
Как видно из таблицы, показатели по алмазно-твердосплавной го-
ловке превышают показатели шарошечных и алмазных бурголовок:
• По выносу керна на 7,9-12,4 %;
• По механической скорости в 2 – 4 раза;
• По проходке на бурголовку в 9-33 раза.
Итоговые цифры испытаний убедительно свидетельствуют о боль- шом преимуществе алмазно-твердосплавных бурголовок перед серийными алмазными и шарошечными. Широкое применение бурголовок с АТП по-
зволяет на 10-15 % уменьшить время строительства разведочных скважин и существенно сократить эксплуатационные затраты на 1 метр бурения с отбором керна [29].
Настоящая революция в вопросе применения алмазно- твердосплавных бурильных головок произошла на границе 19-20 веков благодаря совместным усилиям специалистов ОАО «Сургутнефтегаз» и
Научно-Производственного предприятия НПП «Буринтех» (г. Уфа).
Разработанные в НПП алмазно-твердосплавные бурголовки типа
БИТ стали почти единственным инструментом для бурения с отбором кер-
на в разведочных и поисковых скважинах сургутян. Исключением из этого правила стало подсечение продуктивных пластов, сложенных твердыми с пропластками крепких абразивных пород. Например, в 2005 г. на одной из разведочных скважин на Рогожниковской площади при отборе керна в нефтенасыщенных вулканогенно-осадочных породах была вместо алмаз- но-твердосплавных применена шарошечная бурголовка типа ТКЗ и вынос керна уменьшился 85-95 % до 33 %. Это объясняется тем, что бурголовка ТКЗ имеет самый высокий коэффициент динамичности среди шарошечных бурголовок, а с алмазно-твердосплавными сравнения и не требуются.
Для бурения с отбором керна в мягких с пропластками средней твер-
дости породах применяются бурильные головки типа МС (рисунок 3.105). Увеличения выноса керна обеспечено плавным резанием породы алмазно- твердосплавными пластинами. Изображенная на рисунке бурголовка БИТ-
140/67 МС имеет наружный диаметр 140 мм и диаметр керна 67 мм.
Рисунок 3.105 - Бурильные головки типа МС
Вооружения бурголовки пятнадцать АТП диаметром 13,5 мм. Шесть промывочных каналов диаметром 12 мм отведены от керноприемного от- верстия для предотвращения размыва керна. Рекомендуемый режим буре- ния:
• Частота вращения – 60 – 120 об/мин;
• Расход бурового раствора – 10 – 12 л/с;
• Осевая нагрузка – 2 – 3 т.
Широкое применение нашли для бурения отбором керна в малоабра-
зивных породах средней твердости бурильные головки типа С. На рисунке
3.106 приведена бурильная головка БИТ – 212/80С с наружным диаметром
212 мм и диаметром отбираемого керна 80 мм. Вооружение головки 44
АТП диаметром 13,5 мм. Промывка осуществляется через 8 промывочных каналов диаметром 15 мм.
Рисунок 3.106 - Бурильная головка БИТ – 212/80С Рекомендуемый режим бурения:
- частота вращения – 60 – 120 об/мин;
- расход бурового раствора – 18 – 25 л/с;
- осевая нагрузка – 2-7 т.
Из всех применяемых в Приобье бурильных головок лучшие резуль-
таты получены с помощью бурголовок типа С2 (рисунок 3.107). Они пред-
назначены для отбора керна в породах средней твердости перемежающих- ся пропластками твердых пород. Из этой группы бурголовок чаще других применялась бурголовка БИТ-212/100 С2. Она имеет следующую характе- ристику:
- Наружный диаметр – 212 мм;
- Диаметр отбираемого керна – 100 мм;
- Число резцов АТП – 38 шт;
- Количество промывочных отверстий – 8;
- Диаметр отверстий – 16 мм;
Рекомендуемый режим бурения:
- Частота вращения – 60 – 120 об/мин;
- Расход бурового раствора – 18 – 25 л/с;
- Осевая нагрузка – 2 – 7 т.
Рисунок 3.107 - Бурголовки типа С2
Главное конструкционное отличие: бурголовка типа С2 от С в том, что первая оснащена дополнительными вставками с импрегнированными алмазами (на рисунке показаны стрелками).
Это позволяет увеличить стойкость инструмента. Проведенными промысловыми испытаниями 37 бурильных головок установлен:
• Средняя проходка на бурголовку составляет 99,4 м, то есть почти в 10 раз больше, чем у шарошечных;
• Стойкость бурголовок типа С2 в 5,4 раза превосходит стой-
кость головок ТКЗ;
• Механическая скорость у С2 почти вдвое выше скорости ТКЗ;
• Вынос керна вырос с 59 до 87,2 %.
Зарубежные бурильные головки
За рубежом шарошечные бурильные головки к началу 21 века имеют ограниченное применение. Например, компания «Секьюрити» предлагает
шестишарошечную бурголовку, внешне схожую с российской бурголовкой ТКЗ, фирма «Диама Боарт» бурильную головку, по внешнему виду напо- минающую отечественную головку типа СТ. Японская фирма TSK выпус-
кает лопастную типа М, а также шестишарошечные головки, подобные ТКЗ. Производством бурильных головок алмазного и алмазно- твердосплавного типов занимается сравнительно небольшое число компа-
ний. Лидирующие позиции занимают ДБС (Корпорация «Бароид»), «Кри-
стенсен» (компания «Бейкер Хьюз»), «Диама Борт», «Кристалл Профор»,
«Рид-Хейкалог», «Хьюз Кристенсен» (компания «Бейкер Хьюз»), Секью-
рити (корпорация «Дрессер») – и другие.
Любая из перечисленных компаний производит головки для любого типа пород по твердости и абразивности. Заметим, что в России все три ор- ганизации, выпускающие инструмент для отбора керна (это НПП «Бурин-
тех» г. Уфа, ОАО «Волгабурмаш», г. Самара, СП «Удол», г. Саранск) про-
изводят алмазно-твердосплавные бурильные головки для бурения мягких, мягких с пропластками средних, средней твердости и средней с пропласт- ками твердых малоабразивных пород.
Исходя из этого в этом разделе выделим компании, выпускающие бурильные головки для отбора керна в твердых, крепких, очень крепких
абразивных породах. Анализ конструкций бурголовок выше перечислен- ных зарубежных компаний позволил выделить их конструкционные осо- бенности, позволяющие вести отработку керноотборного инструмента в абразивных породах. Заметим, что при отборе керна в абразивных породах
Т, ТК, К и ОК расход энергии для разрушения пород существенно увели- чивается и в той же степени увеличивается объем тепла, влияющего на стойкость резцов.
Заметим, что для сохранения стойкости инструмента в условиях по- вышенных температур вооружение зарубежных бурильных головок вы- полняется в виде:
- из мелких природных алмазов;
- с применением импрегнированных природных алмазов;
- из термостойких самозатачивающихся поликристаллических резцов типов Балласет и Трипакс;
- с использование термостойких поликристаллических алмазных резцов мозаичного типа.
Необходимо также отметить, что все такие бурголовки изготавлива-
ются с твердосплавной противоэрозионный матрицей.
Из бурильных головок, оснащенных алмазами, необходимо отметить головку С 23 серии С фирмы «Нортон Кристенсен» (рисунок 3.108). Она
предназначена для отбора керна в твердых плотных породах средней абра- зивности. Рабочая поверхность выполнена тороидальной с выступами 1 V- образной формы. Радиально-продольные каналы 2 разделяют уступы друг
от друга. Поверхность матрицы волнообразная (мелкоступенчатая). Ка-
либрующая поверхность матрицы оснащена также природными алмазами.
Рисунок 3.108 – Бурильная головка С 23 серии С
Из бурильных головок серии С необходимо также отметить головку типа С 201, применяемую для отбора керна в средней твердости и твердых, средней абразивности породах.
Фирма «Нортон Кристенсен» выпускает также бурильные головки серии SC, изготовленные на основе термостойких самозатачивающихся
режущих элементов Балласет и поликристаллических синтетических алма-
зов.
На рисунке 3.109 изображена бурголовка SC 226, применяемая для бурения с отбором керна в средней твердости с пропластками твердых и твердых среднеабразивных породах. Отличается биконическим профилем и узкими V-образными выступами, на которых в один ряд размещены ре- жущие элементы в виде лежащей трехгранной призмы. Выступы 1 разде- лены радиально-продольными каналами 2. калибрующие и кернообразую- щие поверхности армированные природными алмазами 3. Режущие эле- менты показаны цифрой 4. Для улучшения промывки на калибрующей по- верхности сделаны три отвода 5.
Рисунок 3.109 – Бурголовка SC 226
Кроме того, в серии SC необходимо отметить бурголовку SC 279, предназначенную для отбора керна в твердых, очень твердых, крепких и очень в крепких весьма абразивных породах (рисунок 3.110). Конструкция головки существенно отличается от других бурголовок данной серии. То- ровидный торец вооружен синтетическими резцами-сегментами 1, которые насыщены тонкозернистыми импрегнированными алмазами. Как и у бу- рильной головки SC 226 кернообразующая и калибрующая поверхности армированы природными алмазами. Буровой раствор осуществляет про- мывку по каналам 2.
Рисунок 3.110 – Бурголовка SC 279
В серии ZC бурильных головок фирмы «Нортон Кристенсен» приме- нен комбинированный способ вооружения резцами РДС и мозаичными резцами (рисунок 3.111).
Рисунок 3.111 - Резцы РДС и мозаичные
Применяются бурголовки этой серии в мягких, средней твердости, твердых абразивных породах. На рисунке представлена бурильная головка ZC 476. как и бурильные головки серий С, SC эта бурголовка защищена в калибрующей и кернообразующей поверхностях природными алмазами.
В широком диапазоне выпускают бурильные головки французская фирма «Кристалл Профор». В серии С производится бурголовка С 600 (ри-
сунок 3.112), предназначенная для отбора керна в твердых и очень твердых весьма абразивных породах, в том числе известняках, кварцитах. Бурго- ловка с твердосплавной матрицей в рабочий слой которой импрегнирован-
ны природные и синтетические алмазы. В этой серии необходимо отметить бурголовки С 400, С 500, применяемые для бурения с отбором керна соот- ветственно в средней твердости абразивных и твердых абразивных поро-
дах. Бурголовки армированы природными алмазами зернистостью 1/6-1/10
карат на камень.
Рисунок 3.112 – Бурголовка С 600
Среди широкого диапазона бурголовок фирмы ДБС выделяются го- ловки серии СВ и СТ, например бурголовка СВ 601 imp (рисунок 3.113). она предназначена для использования в очень твердых и крепких сильно- абразивных породах. Округлые выступы, разделенные широкими промы- вочными каналами, армированы импрегнированными природными тонко- зернитыми алмазами зернистостью 250 шт/карат.
Рисунок 3.113 – Бурголовка СВ 601 imp
Бурголовка типа СВ 401 имеет на вооружении природные алмазы размером 9-15 шт/карат (рисунок 3.114). Как видно из рисунка, она обла- дает симметричным торовидным рабочим торцом. Калибрующая поверх- ность укреплена природными алмазами и твердосплавными вставками.
Рисунок 3 114 - Бурголовка типа СВ 401
Как отмечалось ранее, фирма ДБС выпускает также бурголовки се- рии СТ, в которых для разрушения пород используется термостойкие по- ликристаллические самозатачивающиеся резцы Трипакс.