Породоразрушающий инструмент для бескернового бурения
Поскольку при бескерновом бурении порода разрушается по всей площади забоя скважины, породоразрушающий инструмент должен иметь рабочие элементы, которые при вращении перекрывают всю площадь забоя, – такой инструмент обычно называется ДОЛОТО. Бескерновое бурение применяется в любых породах, причем объемы бурения достаточно велики как в мягких, так и в твердых скальных породах. Для получения наибольшей эффективности естественно необходимо для каждой группы пород применять наиболее соответствующий породоразрушающий инструмент. В мягких, рыхлых и слабых полускальных (мергель, мел, уголь) породах разрушение породы происходит срезанием стружки породы на забое скважины, т.е. порода разрушается резаньем и инструмент соответственно называется – «инструментрежущего действия».
Долота режущего типа (лопастные долота и пикобуры)
Долото режущего действия состоит из корпуса, с резьбой для присоединения к бурильным трубам и с промывочными отверстиями, и с одной, двух, трех или четырех лопастей, армированных в нижней (рабочей) части резцами из твердого сплава. В первые годы развития геологоразведочного бурения применялись лопастные долота, режущая часть которых разделялась прорезью на две части с лезвиями направленными под углом навстречу движения. Такие долота напоминали рыбий хвост и соответственно назывались «рыбий хвост» или долота типа «РХ». (Рис.1). Для повышения износостойкости их режущие кромки наплавлялись порошковым твердым сплавом.
Рис. 1
В современных лопастных долотах режущая часть лопасти армируется пластинами из твердого сплава ВК- 8. Боковая поверхность лопастей долота также армируется штырями из твердого сплава обычно восьмигранного сечения. Поскольку внедрение лезвия долота в мягкие породы не требует больших усилий, то глубина внедрения лезвий – «глубина резанья» зависит главным образом от возможностей потока очистного агента выносить разрушенную породу с забоя, и скорость бурения мало зависит от конструкции лезвий долота. Рациональные устройство (конструкция) и тип долота должны, в первую очередь, обеспечивать его максимальный ресурс (износостойкость) в соответствии с буримостью и абразивностью породы. Чем слабее порода, тем меньше может быть вооружение (количество твердосплавных резцов) лезвий долота и число лезвий долота. В соответствии с этим могут быть однолопастные, с калибрующим сектором (рис. 2а) для самых слабых пород, двухлопастные для слабых, но более плотных пород (рис 3 а, б), а долота большого диаметра (215 мм и более, используемые для забуривания глубоких скважин или бурения скважин для водоснабжения) могут быть трех (рис.2 б), четырех и даже шестилопастные лопастные.
|
|
а б
Рис. 2
а б
Рис. 3
Кроме числа лопастей в зависимости от прочности и абразивности пород, для которых они предназначены, лопастные долота делятся на долота типа «М» для мягких (РИС. 3 а) и «МС» соответственно для мягких с прослоями средних или для полускальных пород. Долота МС (рис. 3 б) в отличие от долот М имеют большее, обычно удвоенное, вооружение резцами.
Реально выпускаются двух и реже трех лопастные долота размером (диаметр окружности описанной по лезвиям, или диаметр скважины) от 76 мм до 151 мм (геологоразведочный стандарт), но могут использоваться и долота больших диаметров: 190 мм, 215 мм, 245 мм. Серийные лопастные долота «заводского изготовления» требуют довольно сложного и дорогого производства, поэтому геологоразведочные организации, имевшие производственную базу, с давних времен конструировали и изготовляли собственные долота режущего типа. Поскольку производственный опыт показывал, что лучше работают долота, имеющие коническую форму режущих лезвий, то такие «самодельные» долота, в отличие от заводских, стали называть «пикобурами». Наиболее удачные двух и трех лопастные пикобуры с гидромониторной промывкой были разработаны и изготавливались в ПГО «Кировгеология» (Рис,4 а и б).
|
|
а б
Рис. 4
Применение пикобуров позволило повысить скорость бурения более чем в 2 раза, а стоимость их в 2,7 раза ниже, чем у серийных лопастных долот. В настоящее время такие трехлопастные пикобуры выпускаются под названием «Буровое долото трехлопастное».
При разрушении породы на забое скважины резаньем, работа по углубке скважины делится на две части: собственно разрушение породы – сдвиг и отделение от массива, и на работу сил трения на торце режущего элемента. Работа сил трения приводит к истиранию режущих частей инструмента, его износу. Чем тверже и, особенно, абразивнее порода, тем больше работа сил трения и больше износ режущих частей инструмента. Если помнить, что главное достоинство бескернового бурения значительная углубка за рейс, которая определяется, как правило, только износостойкостью долота, а ресурс лопастных долот по мере увеличения твердости породы будет резко уменьшаться, применять лопастные долота и пикобуры целесообразно только в мягких и слабых полускальных породах, где она могут проходить до нескольких сотен метров.
|
|
Шарошечные долота.
В скальных породах долота режущего действия будут изнашиваться (затупляться) уже на первых метрах проходки. Поэтому для бурения в скальных породах применяют долота, которые не режут, а дробят и скалывают породу на забое скважины – шарошечные долота, В последние годы наряду с шарошечными долотами стали широко применяться долота с алмазотвердосплавными пластинами – АТП (РDC), Свое название шарошечные долота получили от названия их основных рабочих элементов – шарошек. Шарошка (корень – шар) представляет собой полный или усеченный конус (есть вариант и шар), на наружной поверхности которого выступают зубья или штыри. Зубья имеют острую треугольную форму, штыри имеют полусферическую рабочую часть. Шарошки закрепляются на опорах долота на подшипниках качения или скольжения и при вращении долота они катятся по поверхности забоя скважины, вращаясь вокруг своих осей.
Идея работы шарошечных долот в том, что когда зуб шарошки перпендикулярен забою, шарошка занимает наиболее высокое положение (точка О на рис.50), а при качении шарошки по забою, следующий зуб как бы падает на поверхность забоя и при этом наносит удар по породе. Таким образом, при вращении долота и соответственно качении шарошек, их зубья последовательно наносят удары по породе забоя и дробят ее (Рис. 5).
Рис. 5
Поэтому шарошечные долота относят к долотам дробящего или дробящее скалывающего действия. Шарошечные долота широко применяются для бурения эксплуатационных скважин на нефть, газ и воду, но и в геологоразведочном бурении они тоже применяются довольно широко для участков скважин бескернового бурения.
Поскольку шарошечные долота применяются в очень широком диапазоне горных пород от III до XII категорий по буримости, естественно, для такого широкого разнообразия пород требуется большое разнообразие долот.
Первое различие долот - различие по свойствам пород. При конструировании и последующем выборе любого породоразрушающего инструмента закладывается принцип, чем тверже порода, тем больше (тупее) угол заострения резца (зуба) и тем мельче резцы (зубья). Этот принцип использован и в шарошечных долотах, для разных по твердости и абразивности (буримости) пород. Долота, предназначенные для разных пород, обозначаются буквами, соответствующими породам: М - мягкие, МС - мягкие с прослойками слабых скальных пород, С- средние скальные, СТ. - средние с прослойками твердых пород, Т - твердые, ТК - твердые с пропластками крепких, К- крепкие и ОК - очень крепкие. Зубья долот М и МС – стальные, выфрезеровываются непосредственно из тела шарошки закаляются и наплавляются с одной стороны зернистым твердым сплавом «Релит». В долотах С, СТ, Т, ТК могут быть стальные фрезерованные зубья, или могут быть твердосплавные зубки, зачеканенные в отверстия в корпусе шарошки, В последнем случае к букве типа долота по породе добавляется буква З (зубок), т.е. будет СЗ, СТЗ, ТЗ, ТКЗ. Вооружением долот типа К и ОК являются цилиндрические твердосплавные штыри с полусферической рабочей поверхностью, эти долота часто называют «штыревые» ( рис. 8). Как ни парадоксально, полукруглая поверхность оказывается самая эффективная для разрушения самых твердых пород. В этом случае происходит ударно-объемное разрушение породы (нет элементов скалывания), а округлая форма рабочей части штыря является самой износостойкой, (любой острый инструмент по мере износа становится полусферой – чем тверже порода, тем больше угол резца - предел полусфера).
В разных породах разрушение породы на забое шарошечным долотом происходит по-разному. В мягких и слабых породах порода будет плохо дробиться и поэтому для таких пород долота делают так, чтобы при движении шарошки по забою, она не просто катилась, а еще ее зубья, после внедрения в породу, могли бы двигаться в горизонтальной плоскости, срезая слой породы на поверхности забоя. Такое движение (скольжение) зубьев достигается смещением осей шарошек относительно оси долота (центра окружности забоя). Рис.6 б. Чем больше смещение осей, тем больше «скольжение».
Рис. 6
На характер разрушения породы влияют и другие параметры: угол приострения зубьев, положение осей шарошек относительно горизонтальной плоскости – форма забоя, из скольких усеченных конусов состоит шарошка. Рассмотрим, как это проявляется в шарошечных долотах разного типа.
Долота М, МС – разрушение режуще-скалывающего действия
- много (двух-трех) конусная шарошка,
- большое скольжение, смещение осей на 3 – 5 мм,
- острые крупные фрезерованные зубья с углом 30 – 37о,
- выпуклый забой 10 – 20о (Рис.7).
Рис. 7
Долота С, СТ - разрушение – скалывание,
- многоконусные шарошки,
- значительное скольжение, смещение осей на 2 - 3 мм,
- зубья с углом 37 – 40о или твердосплавные зубки,
- выпуклый забой 8 – 14о.
Долота Т, ТК - разрушение ударно-скалывающее,
- очень слабое скольжение,
- зубья с углом 40 – 45о или твердосплавные зубки,
- выпуклый забой 4 – 8о.
Долота К. ОК - разрушение ударно-дробящее,
- чистое качение без скольжения,
- плоский забой (Рис.8).
Рис. 8
Второе различие - шарошечные долота могут различаться по числу шарошек в долоте. В принципе долото может включать одну, две, три, четыре и даже более число шарошек, но реально для геологоразведочного бурения применяются двух и трех шарошечные долота. Обычно долота типа М делаются двухшарошечными (рис. 7) (исключение трехшарошечное долото IIIМ-151), остальные могут быть и двух и трехшарошечные (в шифре долота соответственно II и III). Рис. 7 и 9.
Рис. 9
Выбор между двух и трех шарошечными долотами для различных пород зависит от их особенностей и диаметра. Двухшарошечные долота имеют при том же диаметре более крупные шарошки и соответственно могут иметь более крупные зубья, а также более прочные опоры. При бурении в мягких и слабых скальных породах они дают более высокие скорости бурения и больший ресурс, чем трехшарошечные долота. При двух шарошках будут более прочные опоры у долот малых диаметров 46 и 59 мм. Они проще в изготовлении и дешевле. С другой стороны у двухшарошечных долот слабее защищены боковые поверхности шарошек, что приводит к быстрому износу по наружному диаметру долота и к «конушению» скважины при бурении в абразивных породах. Двухшарошечные долота менее устойчивы на забое и могут содействовать искривлению скважины. Трехшарошечные долота имеют большее число зубьев, что делает их более работоспособными в твердых породах. У них лучше защищена боковая поверхность, и они более устойчивы на забое, т.е. меньше искривление скважины.
Третье различие шарошечных долот – устройство опор шарошек. Шарошки должны быть надежно закреплены на опорах и при этом свободно вращаться вокруг своей оси.
Опоры должны быть достаточны прочными, так как через них на шарошки передается часто весьма значительная осевая нагрузка, (так максимальная осевая нагрузка рекомендуется 5 кН на 1 см. диаметра долота, что для долота диаметром 151 мм составит 7,5тонн!)
Свободное и надежное вращение шарошек обеспечивается их установкой на опорах (цапфах) на подшипниках. В большинстве случаев применяются подшипники качения – шариковые и роликовые (в шифре обозначаются буквой «В»), но в долотах малого диаметра подшипники качения были бы слишком слабы, и в них устанавливают подшипники скольжения - износостойкие втулки - в шифре обозначаются буквой «А». В долотах среднего диаметра могут быть комбинированные опоры, сочетающие опоры скольжения и качения, в шифре обозначаются буквой «Н» (рис.10 в). В долотах большого диаметра применяют комбинацию шариковых и роликовых опор качения. Опоры долот малого диаметра Ǿ 46, 59 мм - обычно скольжения (рис. 10 г)
Рис. 10
Чтобы обеспечить свободное вращение шарошки на опоре и достаточную износостойкость опор необходимо обеспечить их хорошее смазывание, К сожалению, для наиболее простых и дешевых долот смазка опор предусмотрена непосредственно очистным агентом, который, как правило, загрязнен абразивными частицами шлама. Для уменьшения износа опор шарошечных долот необходимо применять очистные агенты со смазывающими свойствами (эмульсионные, полимерные) или со смазочными добавками (для глинистых растворов и воздуха). Более качественные долота имеют герметизированные маслонаполненные опоры (в шифре долота добавляется буква «У»).
Шарошка должна надежно удерживаться на опоре и при этом легко собираться (надеваться) на цапфу. Эта задача решается с помощью различных замков. В долотах, диаметр которых позволяет применять шариковые подшипники, замком служит ряд шариков, которые при сборке долота закатываются через сверление в цапфе, последнее затем закрывается штырем и заваривается рис.10 а, б и в. В долотах малых диаметров замком служит пружинное разрезное кольцо или центральный опорный палец рис.10 г.
Четвертое различие шарошечных долот в системе промывки забоя. Практически применяется два варианта: прямая центральная промывка (в шифре буква «Ц») и боковая, как правило, гидромониторная промывка (в шифре буква «Г»). При центральной промывке поток очистного агента проходит по каналу в центре корпуса долота, частично омывает зубья шарошек, ударяет по центральной части забоя, выносит частицы шлама к стенкам скважины и далее поворачивает вверх. При боковой промывке в корпусе долота делаются боковые каналы (обычно два) направленные на боковую часть забоя между шарошек. При бурении в мягких вязких и полускальных породах, ударяя по забою, поток жидкости не только удаляет разрушенную зубьями породу, но и сам значительно разрушает породу. Чтобы усилить разрушающее действие потока в промывочные каналы устанавливают гидромониторные насадки, имеющие внутреннюю конусную поверхность и калиброванное отверстие, (смотри рис.7). Из таких насадок струя вырывается со скоростью 50 – 60 м/сек. (Из гидравлики известно, что сила воздействия струи жидкости на твердую преграду пропорциональна квадрату скорости струи F = Cх ∙ S∙υ2 /2. В данном случае F составит примерно 150 Н/см.2).
В итоге шифр долота следующий:
1. Число шарошек – II, III.
2. Породы и вооружение – М, МС, С, СЗ, СТ, СТЗ, Т, ТЗ. ТК, ТКЗ, К, ОК.
3. Диаметр долота – 46 ……. 151 и более.
4. Промывка – Ц, Г.
5. Опоры - А, В, Н.
Например: II 59 К- ЦА, III 93 Т – ЦВ, II 112 – ГВ, III 76 К – ЦАУ.
Специальные шарошечные долота – к таким долотам относятся долота, в которых учтены особенности некоторых разновидностей бурения. Так долота для ударно-вращате6льного бурения с гидроударниками и пневмоударниками имеют значительно усиленные опоры, способные выдерживать ударные импульсы. В долотах для бурения с продувкой, каналы для подачи воздуха проходят в опоры шарошек, где воздух, обдувая, очищая и охлаждая опоры (в воздух надо добавлять капельки масла – «масляный туман») и затем направляется на очистку забоя. Рис.11.
Рис. 11
При бурении пневмоударниками кроме шарошечных долот часто применяются плоские долота с твердосплавными резцами