Читать книгу Строительство нефтяных и газовых скважин - А. С. Новиков - Страница 15

При раскопках в Египте, в долине реки Нил, обнаружено громадное число гидрогеологических скважин, возраст которых исчисляется сотнями лет до нашей эры. В некоторых случаях в текстах, высеченных на камнях, сохранились даже даты их прокладки. И что вызывает изумление, есть и такие скважины, которыми население по прошествии почти 20 веков пользуется в пустыне и поныне. Кроме того, не представляет секрета и то оборудование, с помощью которого египтяне в древности производили бурение скважин. В начальный период работа выполнялась неотесанными каменными, сделанными из кремня, долотами, прикрепленными к деревянным палкам (шестам). Однако впоследствии каменное долото сменило металлическое сверло-зубило.

Впоследствии бурение вращательным методом осуществлялось лопастными долотами.

Шарошечное долото с правильным конусом изобретено в США Хьюзом в 1909 году. Это было революционное техническое решение по повышению эффективности бурения нефтяных, газовых, взрывных и др. скважин.

Работа шарошечного долота, как и других видов долот является механическим процессом. Очевидно, что все процессы протекают одновременно и создают сложную картину взаимодействия породо-разрушающих элементов долота с горной породой. Для упрощения различные явления рассматриваются отдельно.

Особенностью работы долота является отсутствие жестких устройств, направляющих инструмент по оси скважины. Забой, по форме близкий к плоскому, не способен центрировать долото, а направляющие инструмент стенки скважины не могут предотвратить колебания оси долота.

В настоящее время, долота, оснащенные резцами PDC, разработанные на базе лопастных долот, почти вытеснили шарошечные долота, но это не говорит о отсутствии интереса к ним буровиков.

Энергозатраты, качество работы и скорость бурения напрямую зависят от правильной подборки долота, от качества его изготовления и свойств материала, из которого он изготовлен. Породоразрушающий инструмент в настоящее время претерпел значительные изменения и постоянно совершенствуется. Повсеместное применение долот типа PDC и увеличение диапазона их применения, значительно улучшило показатели бурения, эксплуатация этих долот существенно отличается от эксплуатации шарошечных долот. Контроль за работой сервисной долотной компании, рациональной отработкой долот, снижает вероятность аварий с долотами, достижению максимальной рейсовой скорости проходки. Основные параметры бурового инструмента: под параметрами инструмента обычно подразумевают все данные, которые позволяют оценить его конструкцию, технический уровень, степень надежности в работе, определяют его техническую и общественную полезность, экономическую эффективность, позволяют выявить область рационального применения и др. Один из важнейших, наиболее универсальных параметров, общий для всех видов бурового инструмента – фактический срок его службы (стойкость). Он обеспечивает возможность оценить общественную полезность (практическую ценность) конструкции инструмента каждого классификационного подразделения и входит в эксплуатационную характеристику в качестве ее основного компонента. Он может быть выражен в различных единицах, чаще всего в часах. Стойкость, или долговечность, инструмента характеризует работоспособность промышленного изделия. Срок службы, стойкость, или долговечность, инструмента, его узла или детали зависит от условий применения и режима эксплуатации. С увеличением глубины бурения роль этих параметров растет и применение инструмента, характеризующегося небольшим сроком службы (или малой часовой стойкостью), оказывается экономически невыгодным. Параметр, весьма близкий к сроку службы, – проходка на инструмент (в метрах). Его называют показателем работы (долота или другого породоразрушающего инструмента). Этот параметр доминирует при анализе работы и сравнительных испытаниях разных моделей или модификаций однотипного бурового инструмента. При анализе работы породоразрушающего инструмента в некоторых случаях (например, при бурении относительно неглубоких интервалов скважин) на первое место выдвигается механическая скорость проходки, чаще всего ее среднее значение как частное от деления проходки на время чистого бурения.

Очень важная составляющая в работе с долотами является оценка износа долот. Этот вид сервиса очень важен для подбора наиболее эффективного инструмента для бурения следующей скважины на данной площади. Изучение износа позволяет точно восстановить ход процесса бурения и определить, какие изменения необходимо сделать в процедуре подбора буровых долот для следующей скважины. Анализ износа долот также дает понятие о возможных путях корректировки параметров бурения с целью повышения качества производства буровых работ и снижения стоимости проходки при бурении последующих скважин.

Типы породоразрушающего инструмента

Породоразрушающий инструмент делится на следующие типы по характеру разрушения горной породы:

• Скалывающего и дробяще – скалывающего типа (шарошечные долота);

• Режущего типа (лопастные долота и долота PDC);

• Истирающего типа (алмазные долота и долота ИСМ);

Шарошечное долото представляет из себя механизм, состоящий из сваренных между собой секций (лап), на цапфах которых на телах качения или скольжения вращаются оснащенные вооружением в виде твердосплавных зубков или фрезерованных зубьев шарошки. В корпусе долота выполняются промывочные устройства для подачи через них на забой промывочной жидкости.

На наружной поверхности ниппеля, образованного хвостовиками лап, нарезается присоединительная замковая резьба. С целью предотвращения потери диаметра долота, спинки и козырьки лап могут армироваться износостойким материалом. Для обеспечения работы опоры в смазке шарошки на цапфе герметизируются уплотнительным устройством, а в корпусе устанавливается компенсирующее устройство, заполненное смазочным материалом.

В зависимости от физико-механических свойств горных пород долоту необходимо придать качество, обеспечивающее наибольшую эффективность разрушения породы (резанием, дроблением, дробящее-скалывающим, режуще-скалывающим, истирающим) действием, при наименьших энергетических затратах. [9]

На сегодняшний день в мире серийным производством шарошечных долот, занимаются 20 компаний. Из них первое место по техническому уровню и качеству долот принадлежит пяти компаниям:

Hughes Christensen – аббревиатура долот: R, GTX, MAX, GT, STR, MX, HR,XL, STX.

Smith – аббревиатура долот: DSJ, MGSS, FDS, FGS, XR+, DTJ, OFS, GMS, MG, FG, MF, MGS, MF, FI, F, GFI.

Reed – аббревиатура долот: EMS, N, HP, ENT, TD, MNT, SL, Y, EHP, EM, TDD.

Security DBS – аббревиатура долот: XN, XT, XS, XLC XS, XLD.

Varel – аббревиатура долот: L, ETR, CH, CHS, ETD, LH, V, M.

В России и СНГ остались прежние производители долот ОАО «Волгабурмаш» ОАО, создана и работает компания «Буринтек». Кроме того, долота в меньших объемах выпускают фирмы США: Rock Bit, Walker-McDonald и др, Япония: TIX, Румыния: Industrial, Венгрия: DKG, Китай: Kingdream и др. [43]

Долговечность шарошечных долот определяет эффективность процесса углубления скважины, при этом их прочность и износостойкость во многом определяется правильным выбором и качеством сталей и других конструкционных и упрочняющих металлов, и сплавов, резин и смазок.

В связи с тем, что буровые долота эксплуатируются в исключительно тяжелых условиях, подбор сталей и других материалов должен быть строго дифференцирован для каждого отдельного элемента долота – от тел качения и подшипников скольжения до корпусов лап, шарошек и армирующих твердосплавных наплавок.

Опора лапы долота – цапфа, на которой вращается шарошка, подвергается воздействию значительных статических и динамических нагрузок. Особенности условий работы цапфы характеризуется контактно-усталостным изнашиванием в случае негерметизированной опоры. Поэтому сталь, используемая для изготовления лапы долота, должна обеспечивать высокую прочность и вязкость в сочетании с высокой контактной выносливостью и хорошей износостойкостью. Кроме того, конструктивные особенности буровых долот обуславливают необходимость хорошей свариваемости материала лап. К материалу корпуса шарошки, особенно с твердосплавным вооружением, предъявляется не менее сложный комплекс требований, поскольку он должен обеспечивать надежное удержание твердосплавных зубков, закрепляемых в отверстиях шарошки способом холодной запрессовки. [9]

В соответствии со способами разрушения горных пород изготавливаются следующие типы буровых долот:

1 – Шарошечные;

2 – Долота типа PDC;

3 – Фрезерные;

4 – ИСМ;

5 – Алмазные долота;

6 – Бицентричные, оснащенные резцами PDC;

7 – Долота для ударного бурения;

8 – Долота для бурения с отбором керна (кольцевым забоем);

9 – Лопастные.

Заслуживает внимания повышение показателей работы долот в результате криогенной обработки. По анализу работы 196 долот, отработанным в глубоком бурении, повышение показателей опытных долот над серийным составило по проходке на 31,5 %, по стойкости 14 % и по механической скорости бурения на 17 %. По долотам ИСМ получено увеличение проходки в четыре раза по сравнению с серийными, за счет предотвращения разрушения промывочных каналов и образования кольцевой выработки на торце долота. У долота PDC обработанного жидким азотом износостойкость корпуса значительно повысилась.