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.
§ 15. Шарошечные долота
В настоящей главе рассмотрены долота Волгобурмаш рис. 44. Отечественные долота Волгабурмаш приведены к мировым стандартам и соответствуют стандартам API, и по коду IADC всегда можно подобрать аналог долота любого производителя.
Условные обозначения долот ВБМ по коду IADC
Классификация шарошечных долот по IADC основана на четырехсимвольном коде, отражающем конструкцию долота и тип горных пород, для бурения которых оно предназначено. Первые три символа цифровые, а четвертый буквенный. Последовательность цифровых символов определяется как «серия тип опора / калибрующая поверхность». Четвертый буквенный символ определяется как «дополнительные характеристики».
Первая цифра кода серия вооружения долота (18).
Восемь категорий серий вооружения соответствуют общей характеристике горных пород, для бурения которых предназначено долото. Серии от 1 до 3 определяют долота с фрезерованным вооружением, а серии от 4 до 8 долота с твердосплавным вооружением. Внутри групп фрезерованных и штыревых долот увеличение цифры серии означает увеличение твердости пород, для которых предназначено долото.
Вторая цифра кода тип вооружения долота (14). Каждая серия разделена на 4 типа в зависимости от твердости разбуриваемых пород. Тип I означает долота для бурения наиболее мягких пород в пределах серии, а тип 4 относится к наиболее твердым породам в пределах серии.
Третья цифра (17) характеризует конструкцию опоры и наличие (или отсутствие) твердосплавных вставок на калибрующих поверхностях шарошек.
1 открытая (негерметизированная) опора.
2 открытая опора для бурения с продувкой воздухом.
3 открытая опора + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек.
4 герметизированная опора на подшипниках качения.
5 герметизированная опора на подшипниках качения + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек.
6 герметизированная опора на подшипниках скольжения.
7 герметизированная опора на подшипниках скольжения + твердосплавные вставки на калибрующих поверхностях шарошек. Категории 8 и 9 резервные, для возможного использования в будущем. [43]
Четвертый буквенный символ кода «дополнительные характеристики» (необязательная). 16 букв используются для обозначения специальных конструкций вооружения, опор, промывочных устройств и защиты корпусов долот.
Некоторые конструкции долот могут иметь более чем одну из дополнительных характеристик. В таких случаях указывается наиболее существенная из них.
А долота для бурения с продувкой воздухом вместо промывки буровым раствором;
B специальная конструкция уплотнений, допускающая, на пример, бурение с повышенной частотой вращения;
С центральная насадка;
D специальная конструкция вооружения, минимизирующая отклонение ствола скважины;
Е удлиненные насадки;
G усиленная защита козырьков лап наплавкой или твердосплавными зубками;
Н долота для направленного или горизонтального бурения;
J гидромониторные долота для бурения с набором кривизны;
L калибрующие накладки на спинках лап, армированные твердосплавными зубками;
М долота для бурения с забойными двигателями;
S стандартные долота с фрезерованным вооружением;
Т двухшарошечные долота;
W усовершенствованное вооружение;
X зубки преимущественно клиновидной формы;
Y зубки конической формы;
Z другие формы зубков. [43]
Трехшарошечные долота
215,9 AULLS62Y-R437
215,9 Диаметр, мм;
AUL Продуктовая линия;
LS62Y Префиксы;
R437 Суффиксы;
62-Код IADC (две первые цифры)
Суффиксы:
X Клиновидный зубок, Y Конический зубок;
Z Зубок другой формы;
T Усиленная объемная наплавка зубьев;
G Армирование твердосплавными зубками обратного конуса шарошки;
D Армирование зубками с алмазным покрытием обратного конуса шарошки;
GG Двойной ряд плоских зубков на тыльном конусе шарошек;
DD Двойной ряд алмазных зубков на тыльном конусе шарошек;
P Дополнительный калибрующий ряд зубков (подрезные зубки);
F Высокоскоростное покрытие шарошек карбидом вольфрама.
Префиксы:
C Центральная промывка;
K Комбинированная промывка;
A Продувка воздухом;
N Удлиненные насадки;
L Наплавка козырька и набегающей грани лапы;
S Армирование спинки лапы твердосплавными зубками;
D Армирование спинки лапы зубками с алмазным покрытием;
B скос на спинке лапы.
Алмазные долота
215,9 FD-377M-A03 (S333)
215,9 Диаметр долота;
FD Продуктовая линия;
FD долота для бурения сплошным забоем;
D долота для набора кривизны;
BD долота для бурения с одновременным расширением скважины;
CB долота-головки бурильные для отбора керна.
M Тип породы:
S Мягкие;
SM Мягкие-средние;
M Средние;
MH Средние-твердые;
H Твердые.
Рис. 5.1. Шарошечное долото
Шарошечные долота выпускаются: с одной, двумя и тремя шарошками. По характеру воздействия на горную породу подразделяются: дробящего действия, дробяще-скалывающего действия, истирающе-режущего типа, режуще-скалывающего типа. [9]
Долота типа М Рис. 44 предназначены для бурения самых мягких, нецементированных, а также более плотных и менее пластичных сланцевых глин, пористых мергелей, песчаников, органогенных и органогенно-обломочных сильнопористых известняков, рыхлых песков, чередующихся слабоцементированных песчаников и глин. Имеют самоочищающиеся шарошки, оси шарошек смещены в направлении вращения, чем достигается эффект резания. Большой угол наклона оси шарошки к оси долота позволяет вписать в скважину шарошки больших диаметров.
Долота типа МС предназначены для разбуривания вязких, пластичных, абразивных пород, бурение которых долотами типа М вызывает интенсивный износ вооружения. Оси шарошек также смещены в сторону вращения относительно оси долота. Отличие двух типов долот в вооружении. Долота типа МС применяются для проходки мягких, с прослойками средней твердости абразивных пород; сланцевых глин плотных и слабопористых, глинистых мергелей, пористых глинистых сланцев и аргиллитов плотных и слабопористых, твердых сланцев с раковистым изломом и метаморфизованных, гипса, каменной соли, меловых отложений, цементированных ангидридов, известняков средней твердости, доломитов.
Шарошки двух и трех конусные самоочищающиеся, со смещенными осями долота в сторону вращения, но меньше, чем у долот типа М. Вооружение то же, но высота меньше. [8]
Долота типа МС3 Рис. 5.3 применяются для проходки мягких с прослойками средней твердости абразивными породами. Аналогичны долотам МС, но в шарошках вместо литых зубьев запрессованы твердосплавные зубки клиновидной формы. Рис. 5.4.
Рис. 5.2. Долото тип С
Рис. 5.3. Долото типа М
Рис. 5.4. Долото типа МСЗ
Долота типа С Рис. 5.2 используются для бурения средних по твердости малоабразивных пород (пластичных, хрупких): глинистых песчанистых сланцев и аргиллитов сильнопористых, алевролитов кварцевых с глинистым базальным цементом плотных и слабопористых, алевролитов с глинистым поровым цементом, пористых известняков.
Долота дробящего действия (долота типа СТ) применяются для бурения пород средней твердости с пропластками твердых пород (хрупких и пластичных); алевролитов кварцевых с глинистым цементом плотных и слабопористых, алевролитов кварцевых с карбонатным базальным цементом плотных и слабопористых песчаников кварцевых с контактным цементом пористых, известняков пористых органогенных и органогенно-обломочных мелкозернистых, доломитов сильно пористых, слабопористых, доломитов чередующихся с глинистыми и гипсовыми прослойками, ангидридов и конгломератов твердых и других пород, перемежающиеся с прослойками более твердых и окременелых, и более абразивных пород.
У этих долот, как правило, двух или трех конусные самоочищающиеся шарошки, оси которых пересекаются в одной точке на оси долота. Шарошки снабжены мелкими зубьями с большими углами заострения. [9]
Долота типа Т предназначен для бурения твердых хрупких скальных малоабразивных с пропластками крепких абразивных пород: песчаников кварцевых, плотных слабопористых, с карбонатным или сульфатным базальным цементом, с регенерационным цементом, чередующихся с пропластками окремелых пород, сильноабразивных, доломитов плотных слабопористых, кремниевых сланцев. Отличие от долот типа Т и ТЗ наличием на периферийной части венца шарошек вставных твердосплавных зубов с полусферической рабочей частью. Применяются для бурения с промывкой и продувкой воздухом.
Долота типа ТКЗ применяются для бурения скальных пород с прослоями абразивных. Отличаются от долот типа Т и ТК вооружением шарошек, в которые вместо фрезерованных зубьев впрессованы штыри с клиновидной формой.
Долота типа К применяются для разбуривания самых твердых и крепких абразивных пород (хрупких) окременелых и кремнистых, мелкокристаллических известняков, доломитов, кварцитов, нитритов и др. Оснащен полусферическими зубками.
Долота типа ОК предназначены для разбуривания очень крепких пород, сильно абразивных (горнорудная промышленность). Вылет зубка малый.
Шарошечными долотами бурили 90 % скважин на нефть и газ, в настоящее время долота PDC вытесняют повсеместно шарошечные долота. Несмотря на более высокую стоимость долот PDC, они эффективней шарошечных долот, но полностью заменить шарошечные не смогут. [48]
По конструкции корпуса шарошечных долот делятся на две группы: А секционные долота от 46 до 346 мм, корпус сварной; Б корпус целый, литой. Шарошки на долоте вращаются на шариковых и роликовых подшипниках. Шариковый также служит замком, удерживающим шарошку на цапфе. В зависимости от комбинации подшипников долота могут быть: низкооборотные, преобладают ролики, в шифре долота имеется буква Н; высокооборотные, преобладают шарики, в шифре имеется буква А; долота с герметизированной опорой, где подшипники герметизированы специальным сальниковым уплотнением, а смазка подается по каналам в лапах из специальной полости, в шифре присутствует ГНУ и ГАУ. У серии ГНУ опора качения (ролики), ГАУ опора скольжения. Характерная особенность долот этих серий: вращение долот невозможно без приложения начальной нагрузки. [9]
Компоновка узлов и деталей шарошечного долота приведена на Рис. 5.5.
Рис. 5.5. Компановка шарошечного долота
Существуют различные виды узлов промывки: центральная, гидромониторная, асимметричная, с горизонтальным направлением одного сопла, с вертикальным направлением. Для гидромониторной промывки применяются насадки, изготовляются за рубежом из вольфрама кобальтового твердого сплава, устойчивого к абразивному износу, в России из металлокерамики. Диаметр и количество насадок рассчитываются для конкретных условий бурения, для создания гидромониторного эффекта и эффективной очистке забоя. Насадки могут быть мини удлиненные и макси удлиненные. Также изготавливаются щелевые насадки из высокопрочного чугуна. [9]
Ассортимент шарошечных долот достаточно велик. По диаметрам, диапазон долот составляет от 93 мм до 914,4 мм. Компанией Huges Christensen разработано гибридное долото на базе шарошечного и долота PDC рис. 5.6. По сравнению с обычными типами алмазных долот PDC, уровень крутильных колебаний в системе буровых долот Kymera на 50 процентов меньше, поэтому его называют динамически устойчивым. Предназначены для бурения в перемежающихся твердых абразивных породах, состоящая из сланцевой глины, песка, эрозионного гранита, плотного песчаного пропластка, известняка и ангидритов, перемежающихся породах. Прерывистое скольжение возникает только при низких оборотах вращения долота. Так же снижены вихреобразные возмущения при высоких оборотах вращения долота. [21]
Рис. 5.6. Гибридное долото
§ 16. Кинематика шарошечного долота при бурении скважин