Читать книгу Строительство нефтяных и газовых скважин - А. С. Новиков - Страница 21

Новым типом породоразрушающего инструмента являются долота оснащенными резцами PDC. Рис. 52 Изначально область их применения – бурение в мягких породах, разработчики долот успешно проектируют и начинают опробовать долота PDC в средних и твердых породах и даже абразивных. Преимущества долот PDC перед шарошечными долотами:

1. Отсутствие опоры долота;

2. Более высокая механическая скорость проходки;

3. Более высокая стойкость и соответственно проходка на долото по сравнению с шарошечными долотами;

4. При правильном выборе интервала применения долот PDC, значительная их экономическая эффективность по сравнению с шарошечными долотами и долотами истирающего типа.

Рис. 5.10. Долото PDC

Рис. 5.11. Механизм разрушения горной породы различными типами долот.

1 – разрушение зубком шарошки;

Раздавливание и отрыв частиц породы, зубок требует высоких удельных нагрузок для дробления породы сжатием.

2 – разрушение резцом PDC;

PDC резец срезает слой породы. Породы легче разрушаются при боковой нагрузке в связи с анизотропными свойствами горных пород;

3 – разрушение истиранием (алмазосодержащим зубком алмазные долота, ИСМ).

Долота PDC имеют наиболее энергетически эффективную режущую структуру.

Современные резцы PDC используются при бурении от мягких до средне-крепких, абразивных пород. Долота PDC конструируются и изготавливаются индивидуально, в строгом соответствии с требованиями заказчика. [48]

Основные конструктивные параметры долот PDC:

1. Профиль долота;

2. Размер и тип резцов;

3. Плотность установки резцов;

4. Распределение резцов;

5. Распределение режущих усилий;

6. Стабилизирующие устройства;

7. Гидравлика;

8. Система калибрующих резцов.

Профиль долота

Профиль режущей структуры долота выбирается исходя из физико-механических свойств проходимых пород, а также в соответствии с технологическими особенностями бурения (направленное и т. п.).

Размер резцов.

Из большого разнообразия диаметров резцов PDC, имеющихся на рынке, используются 6мм, 9мм, 13мм, 16мм, 19мм и 22мм резцы;

6 мм – резцы – примененяются только в долотах малого диаметра;

9 мм – резцы-применяются в долотах для бурения твёрдых пород там, где ранее использовались долота, армированные натуральными алмазами;

13 мм – резцы-наиболее широко используемый размер, оптимален для бурения средних и средне-твёрдых пород;

16 мм – резцы-используются в тех случаях, когда 13мм резцы, слишком твёрдые породы, а 19мм, – слишком мягкие породы;

19 мм – 22 мм резцы-предназначены для бурения в мягких и средне мягких породах с высокой скоростью проходки. [48]

Профиль долота.

Влияет непосредственно на:

• Стабильность работы долота;

• Управление направлением бурения;

• Плотность посадки резцов;

• Надёжность долота;

• V мex;

• Очистку и охлаждение долота.

Компоненты профиля долота.

• Центр;

• Конус;

• Нос;

• Плечо или наружный конус;

• Наружный диаметр (ODR);

• Калибрующие.

Центр – (геометрический центр долота).

Различается по углу открытия Cone

• Глубокий конус (~90°);

• Мелкий конус (~150°).

Глубокий конус.

Преимущества:

• Высокая стабильность долота;

• Повышенное содержание алмазов.

Недостатки:

• Сложность управления направлением бурения;

• Хуже очистка;

• Снижение агрессивности

Мелкий конус

Преимущества:

• Управляемость направлением бурения;

• улучшение очистки;

• Повышение агрессивности.

Недостатки:

• Снижение стабильности;

• Уменьшение объёма алмазов.

Рис. 5.12. Профили долот PDC

Профиль долот

4 основных типа:

• Плоские;

• Короткая парабола;

• Средняя парабола;

• Длинная парабола.

• Долота с плоским профилем используются для бурения крепких, мало абразивных пород;

• Долота с длинным параболическим профилем предназначены для бурения мягких пород;

Обратный угол резания:

• Угол атаки породы;

• Увеличение его даёт повышение ударной прочности и износостойкости резца;

• Снижение обратного угла повышает Vmex;

• Выбирается в соответствии с условиями бурения с учётом получения максимальной производительности долота.

Больший обратный угол резания соответствует более мягким породам и наоборот.

Величины обратных углов

• 5° – 10° Очень мягкие – глины, сланцы, высокие скорости бурения;

• 15° Универсален, мягкие поды – сланцы;

• 20° Универсален, дольше жизнь резца, абразивные породы;

• 30° Крепкие породы, типично для калибрующих резцов. [94]

Рис. 5.13. Типовые обратные углы резания

Рис. 5.14. Обратный угол резания

Классификация долот PDC

• С твердосплавным вооружением;

• С комбинированным вооружением:

• Твердосплавное вооружение + PDC;

• Для бурения с отбором керна;

• Для зарезки боковых стволов;

• Для наклонно-направленного бурения;

• Для бурения с одновременным расширением ствола скважины (бицентричные долота)

• Ступенчатые.

Рис. 5.15. Типы долот PDC

Рис. 5.16. Характеристика износа сегментов долот PDC

Таблица 11. Классификация долот PDC по коду IADC

Перспективным направлением совершенствования долот PDC, являются долота с матричным корпусом. Матрица изготавливается из композиционных материалов. Металлическая матрица композиционных материалов (спеченный твердый сплав, обладающий высокими противо абразивными, упруго пластичными свойствами и микро твёрдостью) выбирается из условий получения максимальной удельной прочности материала, обеспечения связи между упрочняющими элементами и получения необходимых технологических и эксплуатационных свойств. Она обеспечивает передачу нагрузки на волокна, вносит существенный вклад в модуль упругости и снижает чувствительность к концентраторам напряжений. В качестве матриц используются магний, алюминий, титан, кобальт, никель и их сплавы, стали. [48]

В отличие от долот с одноразовым стальным корпусом, матричные долот подлежат ремонту. Восстановление PDC долота позволяет значительно увеличить его ресурс. Износ PDC долота в основном заключается в абразивном истирании PDC резцов, скалывании их алмазных пластин, а также утрате PDC долотом номинального диаметра и возникновении кольцевых проточек на его корпусе.