Породоразрушающий инструмент (Лекция 4)

3.1. Условия работы буровых долот

При бурении нефтяных и газовых скважин применяется в основ­ном механическое разрушение горных пород. На забой подается огра­ниченная, часто недостаточная энергия для быстрого разрушения по­роды. Для повышения эффективности процесса разрушения энергия передается не на всю поверхность забоя одновременно, а периодически (шарошечные долота), дискретно и лишь на часть поверхности забоя - концентрированно через породоразрушающие элементы инструмента (зубья, резцы, штыри).

Породоразрушающий инструмент предназначен для концентри­рованной передачи энергии горной породе с целью ее разрушения.

В машиностроении трудно найти инструмент, условия, работы которого были бы такими же жесткими, сложными и трудно контро­лируемыми, как для буровых долот.

Так, реализуемая через долото мощность, приходящаяся на 1 см его диаметра, может достигать 5-10 кВт, статическая осевая нагрузка 10-15 кН (1-1,5 тс). Динамическая осевая нагрузка может превышать статическую в 1,5-2 раза.

Нормальные динамические и статические нагрузки, крутящий момент, продольные, поперечные и крутильные колебания приводят к тому, что элементы долот при бурении испытывают практически все виды напряжений, достигающих иногда предела текучести и прочно­сти материала. Реализуемая механическая энергия при разрушении горной породы в узлах трения долот практически полностью перехо­дит в тепловую, в связи, с чем разогреваются поверхностные слои эле­ментов вооружения и опоры до 800 - 1000 °С.

Для условий работы буровых долот характерны абразивная и коррозионная активность окружающей среды (разрушаемая горная порода, буровой раствор со шламом и химическими реагентами, мине­рализованные пластовые воды), повышенные пластовые давления (до 100 МПа, или 1000 атм) и температура (до 250 °С).

В настоящее время практически отсутствуют методы текущего контроля за состоянием долота на забое. Долота работают в компонов­ке с забойными двигателями и бурильными трубами в скважине, по­этапно перекрываемой обсадными трубами. Поэтому должны быть согласованы диаметры долот, бурильных труб, забойных двигателей с внутренними диаметрами обсадных труб и их нормативными отклоне­ниями. Отклонения по диаметру должны быть в допускаемых преде-

лах (0,5- 2 мм) с учетом взаимозаменяемости, допустимых величин износа. Одним из главных показателей, характеризующих эффектив­ность работы долота при прочих равных условиях, может служить механическая скорость

, (3.1)

где V _м - механическая скорость бурения, м/с; N _д - реализуемая на долоте мощность, Вт; А - удельная энергоемкость разрушения горной породы, Дж/м³; F ₃ - площадь горизонтальной проекции забоя скважи­ны, м².

Для повышения эффективности разрушения горной породы конструкция долота должна быть такой, чтобы обеспечивалась наи­меньшая удельная энергоемкость разрушения горной породы.

Проходка на долото при заданной механической скорости про­порциональна долговечности долота.

Долговечность долота и его элементов зависит от совершенства конструкции, качества изготовления, условий и режима отработки, усталостной прочности, ударной вязкости, коррозионной стойкости и износостойкости инструментальных материалов. Материал для изготовления тяжелонагруженных элементов долот должен обладать теплостойкостью.

Важный резерв повышения долговечности шарошечных долот -дальнейшее совершенствование конструкции системы герметизации и смазки опор.

Конструкция долота в целом (форма) и особенно конструкция системы промывки определяют совершенство очистки забоя и влияют на механическую скорость и на величину проходки на долото. Долото должно формировать ствол скважины цилиндрической формы (что особенно важно для надежного разобщения пластов) с сохранением диаметра, исключать заклинивания при СПО и т.д. Механические и абразивные свойства разбуриваемых горных пород изменяются в ши­роких пределах. Целевое назначение долот также различно. Требова­ния к ним разнообразны, поэтому для их удовлетворения необходима гамма долот.

Вce долота классифицируются по назначению и по характеру воздействия на породу (см. схемы 1 и 2).

Долота дробящего типа разрушают породу дроблением и скалыванием в результате динамического воздействия (ударов) зубьев при перекатывании шарошки по забою. Долота при бурении не должны вызывать скалывающего действия за счет скольжения зубьев.

Дробягще-скалывающие долота разрушают горную породу дроблением -скалыванием при периодическом прерывистом контакте породоразрушающего элемента с породой, который обеспечивается вра­щением долота и перекатыванием шарошек по забою.

Схема 1