Буровое оборудование: породоразрушающий инструмент

[EpikhinAV]

Часть 1

Породоразрушающий инструмент – это категория бурового оборудования, которая используется для разрушения не только горной породы, но также цемента и технологической оснастки в скважине.

 

Существует достаточно широкое многообразие породоразрушающих инструментов, которые отличаются областью применения, конструкцией и принципом работы.

 

В общем виде можно выделить следующий категории породоразрушающего инструмента: буровые долота, бурильные головки, калибраторы, расширители, фрезеры.

 

Важно отметить, что бурильные головки также относятся к категории керноотборного инструмента, фрезеры – к категории аварийного инструмента, а калибраторы – опорно-центрирующего инструмента.

 

Буровые долота используются непосредственно для разрушения горной породы, а также для нормализации забоя после цементировочных работ, то есть для разбуривания технологической оснастки.

 

Бурильные головки используются также для разрушения горной породы на забое, но с тем отличием, что они имеют в центральной части отверстие, куда происходит отбор столбика керна.

 

Расширители – необходимы для увеличения диаметра скважины поступательно за долотом меньшего диаметра или локально в определенном интервале.

 

Калибраторы используются для выравнивания стенок скважины, поддержания номинального диаметра скважины, а также для удаления со стенок скважины неустойчивых элементов, формирующих зону предразрушения.

 

Фрезеры необходимы для разрушения на забое твердых элементов (преимущественно металлических и твердосплавных), оставленных на забое при инцидентах и авариях. Также они могут использоваться для нормализации забоя и разбуривания ненормативных цементных стаканов.

[EpikhinAV]

Часть 2

Буровые долота можно классифицировать по следующим критериям: по механизму разрушения горной породы и по типу долота. Естественно, что в данном контексте мы рассматриваем инструмент для вращательного механического бурения.

 

По механизму разрушения горной породы выделяют:

-            Дробящего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие перекатывания вооружения по забою и создания ударов по нему, приводящих к хрупкому разрушению породы (дроблению). Такой механизм разрушения характерен для шарошечных долот, работающих с твердыми и крепкими горными породами. Результатом разрушения является лунка в месте контакта единицы вооружения и забоя концентрической формы, а шлам представлен кусочками шлама более или менее одинаковой формы и схожими линейными размерами по всем сторонам.

-            Дробяще-скалывающего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие перекатывания вооружения по забою. Но в отличие от дробящих инструментов – они вдавливают вооружение в горную породу и затем выкалывают его за счет крутящего момента. Естественно, что момент вдавливания сопровождается и дроблением горной породы под пятном контакта.  Такой механизм разрушения характерен для шарошечных долот. Результатом разрушения является выкол в месте контакта единицы вооружения и забоя (лунка может быть концентрической, а может быть вытянутой в виде борозды) , а шлам представлен кусочками шлама более или менее одинаковой формы и схожими линейными размерами по всем сторонам.

-            Режущего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие линейного движения вооружения по забою. Для того, чтобы шло разрушение необходимо обеспечить внедрение вооружения в забой на какую-либо глубину. Результат разрушения является борозда, а шлам представляет собой длинную линейную «стружку». Такой механизм разрушения характерен для лопастных долот, работающих по мягким и пластичным горным породам.

-            Режуще-скалывающего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие линейного движения вооружения по забою, но в отличие от долот режущего действия – стружка является более хрупкой и часто отламывается, что провоцирует образование частиц шлама с размерами, близкими во всех сечениях. Для того, чтобы шло разрушение необходимо обеспечить внедрение вооружения в забой на какую-либо глубину. Результат разрушения является борозда, а шлам представляет собой короткие обломки «стружки». Такой механизм разрушения характерен для лопастных долот.

-            Истирающего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие линейного движения вооружения по забою и истирания ее мелким высокоабразивным вооружением. Для того, чтобы шло разрушение необходимо обеспечить внедрение вооружения в забой на небольшую глубину и интенсивное вращение. Результат разрушения являются мелкие борозды или царапины на забое, а шлам представляет собой мелкофракционные частицы породы – другими словами «пыль». Такой механизм разрушения характерен для алмазных долот.

[EpikhinAV]

Часть 3

Буровые долота – это тип породоразрушающего инструмента, который используется для сооружения скважины сплошным забоем, то есть скважина выглядит условно в виде цилиндра.

Буровые долота в общем виде могут классифицироваться на следующие типы:

- Лопастные – долота, которые разрушают горную породу режущим или режуще-скалывающим способом;

- Шарошечные – долота, которые разрушают горную породу дробящим или дробяще-скалывающим способом;

- Алмазные – долота, которые разрушают горную породу истирающим или истирающе-режущим способом;

- Комбинированные – долота, которые объединяют в себе несколько типов единовременно.

Стоит отметить, что разрушение горной породы в реальных условиях обычно имеет сложную динамику и тесно связано с ее генезисом и физико-механическими характеристиками. Поэтому логично учесть, что, например, шарошечные долота в определенных условиях могут осуществлять небольшое режущее движение по забою, равно как и лопастные долота могут в дополнение к режущему воздействию – дополнительно истирать горную породу.

Стандартно конструкция долота может состоять из различных элементов:

- Корпус – это часть долота, на котором и внутри которого располагаются все остальные элементы конструкции;

- Вооружение – это часть долота, которая осуществляет непосредственный контакт с горной породой и производит ее разрушение;

- Система обеспечения разрушения – это часть долота, которая обеспечивает работу вооружения (у лопастных долот – это лопасти, у шарошечных – шарошки, вращающиеся на подшипниках);

- Система охлаждения и очистки – это часть долота, которая отвечает за циркуляцию промывочного агента вдоль корпуса и вооружения долота;

- Система смазки – это часть долота, которая отвечает за функционирование подшипников (если они имеются) долота и их смазку;

- Система крепления – это часть долота, которая позволяет закрепить его на конце бурильной колонны (муфтовая или ниппельная резьба).

[EpikhinAV]

Часть 4

Шарошечное долото – это тип долота, который разрушает горную породу вращательным способом за счет перекатывания шарошек с вооружением по забою. Механизм разрушения шарошечного долота – дробяще-скалывающий (для всех пород кроме твердых, крепких и очень крепких) и дробящий (для твердых, крепких и очень крепких горных пород).

 

Шарошечное долото с правильным конусом было изобретено в США Хьюзом лишь в 1909 году.

 

Шарошечное долото состоит из нижеследующих элементов:

-   корпус с присоединительной резьбой муфтового или ниппельного типа;

-   лапы – это элементы продолжающие корпус, разветвляющие его для размещения шарошек;

-  цапфы – посадочные узлы для подшипников, на которых размещаются шарошки; цапфы являются частью (продолжением лапы), то есть вытачиваются на них, а также они выполняют роль оси для вращения шарошки;

-  шарошки – это вращающиеся на подшипниках элементы долота, которые имеют вооружение для разрушения горной породы, а во время работы долота – они перекатываются по забою, создавая дробяще-скалывающий или скалывающий эффект;

- подшипники – это узлы, которые размещаются на цапфах и на которые устанавливаются шарошки для вращения при работе по забою;

-  вооружение – это элементы выфрезерованные в теле шарошки или впрессованные в него, которые непосредственно внедряются в массив горной породы;

- смазочная система и уплотнения – смазочная система необходима шарошечному долоту для обеспечения долговечности работы подшипников, а уплотнения ограничивают попадание скважинной среды (бурового раствора) в зону подшипников;

- промывочные отверстия и гидромониторные насадки – это специальные каналы в теле долота для обеспечения акцентированной промывки и охлаждения его при работе на забое; гидромониторные насадки обеспечивают необходимую скорость истечения раствора из тела долота для эффективной очистки забоя от шлама.