Разрушение горных пород

1.

Министерство науки и высшего образования
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
"УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
А.Н. Попов
РАЗРУШЕНИЕ
ГОРНЫХ ПОРОД
Учебное пособие
2-е издание, переработанное и дополненное
Уфа
2021

2.

УДК 622.24(075.8)
ББК 33.36 я 7
П 58
Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ
в качестве учебного пособия
Рецензенты:
Генеральный директор ООО «Азимут», канд. техн. наук Х.И. Акчурин
Директор НИОКР ООО «Перфобур», д-р техн. наук А.В. Лягов
Попов А.Н.
П 58 Разрушение горных пород. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2021.− 176 с.
ISBN 978-5-7831-0930-0
Рассмотрены горные породы нефтяных и газовых месторождений, их
геологические и механические свойства с точки зрения бурения нефтяных и
газовых скважин. Большое внимание уделено устройству и механике
породоразрушающих инструментов, их взаимодействию с забоем и их
изнашиванию в процессе бурения. Описаны принципы выбора
породоразрушающих инструментов для конкретных условий бурения и их
рациональной отработки.
Пособие предназначено для студентов нефтегазовых вузов и факультетов,
обучающихся по специальности "Бурение нефтяных и газовых скважин"
очной, очно-заочной и заочной форм обучения.
УДК 622.24(075.8)
ББК 33.36 я 7
ISBN 978-5-7831-0930-0
© Уфимский государственный нефтяной
технический университет, 2021
© Попов А.Н., 2021
2

3.

ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи курса "Разрушение горных пород"
Курс «Разрушение горных пород» имеет своим предметом изучение
механических процессов в горных породах при бурении скважин, а также
конструкций и механики породоразрушающих инструментов. Он предшествует
"Технологии бурения нефтяных и газовых скважин" и другим дисциплинам,
профилирующим специальность будущих специалистов в области бурения
нефтяных и газовых скважин. Поэтому задача курса – создать необходимую
теоретическую и экспериментальную базу для их изучения. Теоретической
базой для изучения курса являются фундаментальные положения физики
твердого тела, дающие представление о физической сущности процессов, а
также механики сплошных сред, теоретической механики и деталей машин.
Основными задачами курса являются изучение механических свойств
горных пород нефтяных и газовых месторождений, а также конструкций,
работы и изнашивания породоразрушающих инструментов для бурения
скважин.
При бурении скважин человек вторгается в довольно хрупкую
экологическую среду поверхностных образований земной коры, поэтому, как и
в медицине, основным девизом должно быть «Не навреди!»
Вторым девизом буровиков должны быть слова Паскаля: «Предвидеть значит управлять». При бурении этот девиз приобретает особую значимость,
т.к. механические процессы в скважине и ее окрестностях часто не поддаются
непосредственному контролю, и многие технические решения специалисты
принимают в условиях весьма ограниченной информации.
Сущность процессов в горных породах и породоразрушающих
инструментах
и параметры соответствующих моделей изучаются и
определяются при их физическом моделировании. Особенности горных пород
как твердых тел и неучтенные факторы при моделировании их деформирования
и разрушения обусловливают значительные колебания выходных параметров
испытаний. Для обобщения результатов таких испытаний широко применяются
методы математической статистики.
3

4.

Тема 1. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ НЕФТЯНЫХ
И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
1.1 Осадочные горные породы
По происхождению горные породы делятся на три группы:
магматические, осадочные и метаморфические.
Магматические породы образовались из магмы в результате ее
застывания на глубине или лавы, излившейся на поверхность.
Осадочные породы образовались в результате химико-физического
преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и
отложением в виде пластов (слоев). Они покрывают практически всю
поверхность Земли. В эту группу также входят породы, образованные в
результате жизнедеятельности организмов (органогенные осадочные породы).
Метаморфические породы образовались в результате преобразования
магматических и осадочных пород под действием высоких давления и
температуры.
Нефть и газ залегают преимущественно в осадочных породах, поэтому
ниже рассматриваются только осадочные горные породы.
Осадочные горные породы делятся на две большие группы: обломочные
и хемогенные кристаллические. Описанием пород по составу занимается наука
литология. В свою очередь обломочные горные породы делят на три
подгруппы. Некоторые характеристики пород приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Осадочные горные породы
Подгруппы
Вид связей
Примеры
Обломочные
глинистые (54 %)
Обломочные
мелкоземистые и
песчаные
(21 %)
Кристаллические
хемогенного и
органогенного
происхождения
(24 %)
Связные
Сцементированные
Рыхлые
Сцементированные
Глины
Аргиллиты, глинистые сланцы
Алевриты, пески
Алевролиты, песчаники
Кристаллизационные
Карбонаты (известняки,
доломиты)
Сульфаты (ангидриты,
гипсы)
Галоиды (каменная соль, калийная
соль, бишофит)
В скобках показано осредненное содержание рассматриваемых горных
пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений.
4

5.

С точки зрения бурения скважин являются следующие геологические
характеристики пород: минералогический состав, строение и неоднородность.
Строение горных пород описывается двумя основными признаками структурой и текстурой.
Структура породы обусловлена размером, формой и характером
поверхностей слагающих породу обломков и кристаллитов.
Текстура породы характеризует особенности сложения породы
(слоистость, сланцеватость, пористость, трещиноватость).
Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их
пористость и проницаемость. Пористость обусловлена наличием пустот в
горной породе и выражается в долях единицы или в процентах от общего
объема горной породы:
т = Vпор /Vг.п.,
(1.1)
где m − пористость; Vпор – объем пор; Vг.п.− объем горной породы. Величина
пористости в долях единицы изменяется от нуля до 0,45.
Проницаемость характеризует сообщаемость пор, которая обеспечивает
перемещение флюидов в пласте при наличии перепада давления. Перемещение
жидкости в пласте описывается формулой Дарси:
v=
k dP
, м/с,
dL
(1.2)
где v ‒ скорость движения флюидов по пласту; k ‒ коэффициент
проницаемости; η − вязкость флюида; dP/dL − градиент давления в пласте.
Месторождения нефти и газа приурочены к пористым проницаемым
горным породам, которые называют коллекторами.
В нормативных документах по технологии бурения находит применение
обобщенная характеристика строения породы, названная категориями
сполшности, которая характеризуется способностью пропускать через стенки
скважины промывочную жидкость:
первая категория − горная порода пропускает через себя промывочную
жидкость вместе со шламом (выбуренными обломками), т.е. поры и трещины в
породе стенки скважины имеют достаточно большие размеры;
вторая категория − в горную породу может проникать вся промывочная
жидкость, т.е. как дисперсионная среда, так и дисперсная фаза;
третья категория − в породу может проникать только маловязкая
дисперсионная среда, например, вода;
четвертая категория − горная порода не пропускает жидкость и не
передает гидравлическое давление.
Горные породы в условиях их залегания находятся в сложном
напряженном состоянии, обусловленном весом вышележащих пород и
тектоническими процессами в данной геологической области (рисунок 1.1).
5

6.

Совокупность этих напряжений называется горным давлением, которое
характеризуется вертикальной составляющей – геостатическим давлением – и
горизонтальной составляющей – боковым давлением:
рг = ρgz;
рб = λ рг,
(1.3)
(1.4)
z
где ρ – плотность горных пород (ρ = 1900…3000 кг/м3); g –
ускорение силы тяжести; λ – коэффициент бокового
распора, зависящий от упругих свойств горной породы и ее
рг
z – глубина залегания горной породы.
рб
рб вязкости;
Поры, каверны и трещины горных пород заполнены
жидкостями или газами, для которых используется общее
понятие – флюиды.
рг
Рисунок 1.1 Флюиды в горных породах также находятся под
Компоненты
давлением, называемым пластовым. Для описания давлений
горного
широко используется понятие относительного давления,
давления
равного отношению действующего давления к давлению
столба воды на той же глубине. Например, относительное
пластовое давление рп' равно:
рп' = рп /рв,
(1.5)
где рп и рв – пластовое давление и давление столба воды на глубине залегания
пласта. Величину рп' нередко называют индексом давления, а также
коэффициентом аномальности, что одно и то же.
Аномалии давления. В среднем пластовое давление изменяется по
гидростатическому закону. Но если величина рп' < 0,8, то говорят, что в пласте
имеет место аномально низкое пластовое давление (АНПД), а если рп' > 1,2 аномально высокое пластовое давление (АВПД). Соответственно, если
относительное давление лежит в пределах от 0,8 до 1,2, то такое давление
считают нормальным.
Наличие этих давлений оказывает существенное влияние на
сопротивление
горных
пород
разрушению
породоразрушающими
инструментами и на всю технологию бурения скважин.
1.2 Структурные модели осадочных горных пород
Осадочные горные породы двухкомпонентные системы – скелет горной
породы (твердая часть) и пластовый флюид в порах породы. В механике
грунтов горные породы рассматриваются как зернистые системы, погруженные
в жидкость (рисунок 1.2,а).
Зернистая модель характерна для обломочных несцементированных
горных пород с точечным контактом обломков друг с другом. Обломки горной
6

7.

породы 1 находятся во флюиде 2 и теряют часть своего веса в соответствии с
законом Архимеда.
Действие закона Архимеда возможно, если имеет место как
горизонтальная, так и вертикальная проницаемость горных пород на всю
глубину. При бурении такие условия выполняются только для поверхностных
отложений.
а
б
Рисунок 1.2 – Схемы зернистой (а) и дырчатой (б) моделей горной породы
Горные породы представлены как проницаемыми, так и непроницаемыми
отложениями. С увеличением глубины уменьшается пористость горных пород,
обломочные, особенно глинистые горные породы уплотняются, растет степень
их сцементированности. Поэтому допущение о точечном контакте обломков
пород с увеличением глубины становится неприемлемым.
Дырчатая модель пористой горной (рисунок 1.2,б). Согласно этой
модели не структурные элементы горной породы погружены во флюиды, а
флюиды находятся внутри горной породы.
Напряжения в скелете дырчатой горной породы. На выделенный
элемент горной породы действует геостатическое давление. Если бы все рг
воспринималось скелетом породы, то напряжение 3 было бы максимальным:
3мах = рг /с,
(1.6)
где с – доля единичной площади, занятая скелетом в рассматриваемом сечении.
Однако флюид, находящийся в порах, воспринимает на себя часть давления,
равного рп(1 – с). Следовательно, вертикальные напряжения 3 в скелете
3 =
рг рп (1 с)
р (1 с)
р рп
= max – п
= рп г
.
с
с
с
7
(1.7)

8.

Из формулы (4.37) следует, что по мере увеличения пластового давления
наблюдается уменьшение вертикальных напряжений в скелете. Если рп = рг ,
то
3 = рг .
Нетрудно показать, что для дырчатой модели горизонтальные
напряжения 1 в скелете равны
1 = рг + рп(1 – с)(1 – ).
(1.8)
Очевидно, что доля скелета должна существенно зависеть от пористости
горной породы. Для установления вида зависимости доли скелета от
пористости в расчетном сечении авторами были проанализированы результаты
испытаний горных пород на гидроразрыв, на основании которых для песчаноглинистых пород предложена следующая формула
c = exp (- 19,2 m2),
(1.9)
где m – пористость горной породы в долях единицы.
График
зависимости
(1.9)
приведен на рисунке 1.3, из которого
видно, что при нулевой пористости с =
1, а при увеличении пористости доля
скелета быстро уменьшается и
асимптотически приближается к нулю
Уплотнение пород по мере
увеличения глубины их залегания
характерно для всех подгрупп горных
пород. Но особенно оно велико у
глинистых горных пород. По мере
уплотнения снижается пористость
пород и растет их плотность (рисунок
1.4).
Из рисунка 1.4 видно, что по
мере увеличения глубины залегания
Рисунок 1.3 – Зависимость с от m в
пористость
глин
монотонно
расчетном сечении горной породы
уменьшается (в рассматриваем случае в
4,5 раза), а плотность глины растет. Уравнения регрессии глубины залегания на
названные показатели приведены на самих графиках. Такое уплотнение
является нормальным и характерно для случаев, когда пластовое давление
изменяется монотонно. При наличии в отдельных пластах аномального
пластового давления приводит к нарушению этих закономерностей. Например,
при АВПД степень уплотнения горной породы будет существенно ниже, чем
при нормальном давлении. Это явление используется на
практике для
прогнозирования АВПД в нижележащих пористых проницаемых горных
8

9.

0,5
2700
y = -0,000117x + 0,453000
2
R = 0,999562
2500
Плотность, кг/м
Пористость
3
0,4
y = 0,212x + 1907
R 2 = 0,9974
0,3
0,2
0,1
2300
2100
1900
1700
0
1500
0
1000
2000
3000
0
Глубина залегания, м
1000
2000
3000
Глубина залегания, м
а
б
Рисунок 1.4 – Зависимости пористости (а) и плотности (б) глин от глубины
их залегания в Притеречном прогибе (по данным Ю.А. Мельникова)
породах, вскрытие которых скважиной без обеспечения соответствующего
противодавления со стороны скважины может привести к притоку в скважину
пластового флюида и даже к ее открытому фонтанированию.
1.3 Геостатическая температура горных пород.
Многолетнемерзлые породы
На территории России широко распространены мерзлые горные породы.
В зависимости от того, как долго они находятся в мерзлом состоянии,
различают сезонно-мерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые горные породы
(годы, сотни и тысячи лет). В северных и северо-восточных районах России
многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение, и их толщина
измеряется сотнями метров, а температура достигает -7…-12 С.
Температура горных пород определяется двумя источниками: теплом,
получаемым от Солнца, и тепловым потоком, идущим из недр Земли.
Солнечное тепло проникает на глубину 8…30 м. Ниже этой границы
температура горных пород в рассматриваемой точке практически постоянна,
что позволяет говорить о геостатической температуре. С увеличением глубины
температура горных пород возрастает со средним градиентом 0,03 С/м.
Геотермический градиент зависит от геологического строения региона и
теплофизических свойств горных пород и для разных районов Земли меняется в
широких пределах. На больших глубинах температура горных пород может
достигать значительных величин. Например, температура на западном склоне
9

10.

среднего Урала на глубине 15 км составляет около 200 С, в Прикаспийской
впадине на глубине 12…14 км – до 300 С, а на Курильских островах на
глубине 15 км – до 600 С. Многолетнемерзлые горные породы могут быть как
кристаллические, так и обломочные. Кристаллические породы при
отрицательных температурах мало изменяют свои свойства. Наоборот,
обломочные водонасыщенные рыхлые и слабосцементированные породы при
замерзании и оттаивании резко изменяют свои свойства. При замерзании такие
породы цементируются льдом и отличаются существенной прочностью ( сж до
2,5 МПа) и непроницаемостью, а при оттаивании они переходят в разжиженное
состояние.
Мерзлые горные породы имеют особую текстуру (рисунок 1.5):
массивную (рисунок 1.5,а), когда вся вода в порах находится в виде льдацемента; слоистую (1.5,б), когда ледяные включения входят в состав породы в
виде параллельных льдообразных слоев; сетчатую (рисунок 1.5,в), когда
ледяные включения образуют пространственную сетку.
а
б
– скелет горной породы
в
– лед
Рисунок 1 5 – Текстуры мерзлых горных пород (по В.Е. Копылову):
а – массивная; б – слоистая; в – сетчатая
В мерзлых горных породах не вся вода замерзает даже при значительных
отрицательных температурах. Соотношение льда и воды существенно влияет на
физико-механические свойства мерзлых пород. Если свободная вода
кристаллизуется в порах при температуре около 0 С, то капиллярная вода –
при температуре -6…-18 С, а физически связанная вода – при температуре 75…-80 С. Поэтому прочность мерзлых песчаных пород значительно выше,
чем прочность мерзлых глинистых пород.
10

11.

Тема 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Свойства горных пород, которые проявляются в механических процессах
(при
деформировании,
разрушении
и
изнашивании)
называются
механическими. Стандартными методами изучения механических свойств
горных пород являются одноосное сжатие и статическое вдавливание
цилиндрического штампа с плоским основанием.
2.1 Испытания горных пород при одноосном сжатии
Испытания горных пород при одноосном сжатии является одним из
основных методов. Этот метод регламентирован международным стандартом,
принятым Международным бюро по механике горных пород.
Схема испытания горной породы при одноосном сжатии на прессе
приведена на рисунке 2.1, а.
а
б
Рисунок 2.1 – Схема испытания горной породы при одноосном сжатии (а)
и графики зависимостей F от Δd и Δl (б)
Испытание горной породы при одноосном сжатии проводят на
цилиндрических образцах 2 диаметром 40–50 мм, с отношением длины образца
l к его диаметру d, близким к единице. Торцы образца должен быть
плоскопараллельными и шлифованными. Образец установлен между верхней 1
и нижней 3 плитой пресса. Одна из плит должна быть на шаровой опоре 4.
При одноосном сжатии имеет место простое напряженное состояние:
σ1 = σ2 = 0; σ3 < 0,
где σ1, σ2 и
σ3 – компоненты главных нормальных напряжений. Перед
началом испытания при F = 0 на графике проводится горизонтальная прямая,
которая в последующем станет осью абсцисс. Нагружение образца проводится
11

12.

со скоростью 0,5 1,0 МПа/с до момента его разрушения (раздавливания). В
процессе испытания проводится запись величин нагрузки F, а также
продольного Δl и поперечного Δd изменения размеров образца. Типичный вид
графиков приведен на рисунке 2.1, б.
При обработке графиков вначале определяется начало координат. Для
этого по наиболее крутому линейному участку графика проводится
вспомогательная прямая ОС или OC', пересечение которых с осью абсцисс
соответствует началу координат (точка 0).
Показатели свойств. По величине максимальной нагрузки Fmax (точка А)
и площади S начального поперечного сечения образца горной породы
определяют предел прочности сж на одноосное сжатие:
сж = Fmax/S,
(2.1)
2
d = 0,785d 2.
4
Измерения упругого изменения длины Δlу и диаметра Δdу образца горной
породы, как показано на рисунке 2.1,б, позволяют определить основные
показатели упругих свойств горной породы: модуль упругости горной породы
при одноосном сжатии (модуль Юнга) Есж и модуль поперечной деформации
сж (коэффициент Пуассона):
где S =
Fmax l
;
S l у
Есж =
сж =
d у l
d l у
(2.2)
,
(2.3)
где l и d – начальные длина и диаметр образца горной породы.
Для некоторых горных пород, например для глин и каменной соли, может
быть определен предел текучести s на одноосное сжатие:
s = Fs /S,
(2.4)
где Fs – нагрузка на образец породы, соответствующая началу потери прямой
пропорциональности между нагрузкой и деформацией (точка В). Для
большинства горных пород различие между величинами Fmax и Fs не выходит
за пределы разброса измеряемых величин. В этих случаях принимают s ≈ σсж.
Единая классификация горных пород по величине прочности на
одноосное сжатие отсутствует. Применительно к породоразрушающим
инструментам Международной ассоциацией буровых подрядчиков (МАБП)
предложена классификация, приведенная в таблице 3.1. Из таблицы видно, что
горные породы по прочности разделены на шесть групп. Для нефтяных
12

13.

месторождений характерны горные породы первых пяти групп. Американская
размерность kpsi (килофунты, деленные на квадратный дюйм) переведена в
мегапаскали (МПа).
В соответствии с этой классификацией изготавливают и кодируют
породоразрушающие инструменты зарубежные фирмы (code IADC). Подробно
коды будут рассмотрены при описании породоразрушающих инструментов.
Таблица 2.1 - Классификация МАБП горных пород по показателю
прочности на одноосное сжатие
Название групп горных пород
сж, kpsi
сж, МПа
Прочность в
кодах МАБП
Английское
Перевод
Very soft
Очень слабые
до 10
до 70
Soft
Слабые
>10...24
>70...165
>4…9
Medium
Средние
>24...32
>165...220
>9…12
Hard
Прочные
>32...42
>220...290
>12…16
Very hard
Очень прочные
>42...50
>290...345
>16…19
Super hard
Супер прочные
>345
>19
>50
до 4
Неравномерное всестороннее сжатие характерно тем, что хотя бы одно
главное напряжение не равно двум другим, а все главные напряжения 1, 2 и
3 не равны нулю. Выше было показано, что горные породы в естественных
условиях находятся в условиях неравномерного всестороннего сжатия,
обусловленного действием геостатического и бокового давлений, величины
которых растут с увеличением глубины залегания пород (см. формулы (1.3) и
(1.4)). Обобщенной характеристикой напряженного состояния в условиях
залегания горных пород является среднее нормальное напряжение 0, равное
0 = ( 1 + 2 + 3)/3 = рг(1 + 2 )/3,
где 1, 2 и 3 ‒ главные нормальные напряжения.
Испытания горных пород в условиях всестороннего сжатия показали:
1) хрупкие горные породы в условиях простого напряженного состояния
могут становятся пластично-хрупкими в условиях всестороннего сжатия;
2) предел текучести и предел прочности горных пород растут по мере
увеличения среднего нормального напряжения, характеризующего уровень
всестороннего сжатия;
3) энергоемкость разрушения горной породы также растает по мере
увеличения среднего нормального напряжения.
13

14.

2.2 Метод статического вдавливания штампа с плоским основанием
Твердость ‒ местное сопротивление поверхности твердого тела
проникновению (вдавливанию) в него другого более твердого тела.
Твердость материалов измеряется при вдавливании в их поверхность
острого конуса, сферы, пирамиды или штампа. Все вдавливаемые инструменты
называют инденторами. При вдавливании под индентором имеет место
сложное напряженное состояние, при котором все компоненты главных
напряжений не равны нулю.
Л.А. Шрейнер, анализируя методы, предложенные для измерения
сопротивления горных пород вдавливанию, и методы измерения твердости
вдавливанием, пришел к выводу о необходимости принципиально изменить
способ измерения. Суть выводов Л.А. Шрейнера сводится к следующему. Если
при определении твердости упруго-пластичных тел задается нагрузка, а
измеряется площадь или глубина полученного под индентором отпечатка, то
для горных пород, как тел хрупких, следует задать площадь контакта и
измерять нагрузку на индентор, под действием которой происходят деформирование и разрушение твердого тела.
Наиболее удобной геометрической формой индентора является
цилиндрический штамп с плоским основанием (рисунок 2.2). В настоящее
время используются штампы диаметром d от 1,5 до 5 мм. Метод вдавливания
штампа позволяет не только определять твердость горных пород, но и
оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и
на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных глубин
залегания без их разрушения.
а
б
а – упругое вдавливание; б - хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания;
1 – штамп; 2 – горная порода; 3 – обломок горной породы
Рисунок 2.2 – Схема деформирования и разрушения горной породы
при вдавливании штампа
14

15.

Для определения показателей механических свойств горных пород
методом вдавливания штампа необходимы образцы пород высотой 30…50 мм и
диаметром 40…60 мм. Эти образцы должны иметь две плоско-параллельные
шлифованные поверхности.
Испытания ведутся при весьма малой скорости нагружения штампа,
поэтому в литературе широко используется другое название метода - метод
статического вдавливания штампа.
Штамп в образец породы вдавливается до тех пор, пока при некоторой
нагрузке не произойдет хрупкое разрушение породы под штампом или не будет
достигнута величина внедрения равная радиусу штампа.
Обработка результатов испытаний. Горные породы по характеру
зависимости нагрузки F на штамп от глубины h его внедрения делятся на три
класса: I − хрупкие (рисунок 2.3,а), II − пластично-хрупкие (рисунок 2.3,б) и III
− высокопластичные и сильнопористые (рисунок 2.3,в).
По результатам испытания рассчитываются два прочностных показателя:
твердость по штампу и предел текучести горной породы; один показатель
упругих свойств − модуль упругости по штампу и один энергетический
показатель − энергоемкость разрушения горной породы при вдавливании
штампа.
При деформировании хрупких горных пород вплоть до момента хрупкого
разрушения соблюдается закон Гука (рисунок 2.3,а). По наибольшей нагрузке
Fmax определяется твердость породы по штампу рш:
F
pш = max ,
(2.5 )
S
где S ‒ площадь штампа (S= 0,785d2); d ‒ диаметр штампа (см. рисунок 2.2,а).
Для пластичных и пластично-хрупких пород (рисунки 2.3,б,в), помимо
твердости, определяется предел текучести породы по штампу p0:
р0 = F0 /S.
(2.6)
До точки F0 имеет место только упругая деформация, а при дальнейшем
нагружении к упругой деформации прибавляется пластическая, что и
обусловливает искривление графика зависимости F от h.
Для характеристики упругих свойств горных пород определяется модуль
деформации (упругости) по штамму С:
F0
С=
,
(2.7)
d h0
где h0 – величина упругого прогиба породы, соответствующая нагрузке F0.
Важной характеристикой механических свойств горных пород является
удельная объемная работа разрушения АV, которая определяется делением
общей работы А, затраченной на разрушение, на объем лунки V,
образовавшейся при разрушении, т.е.
15

16.

АV = А /V.
F
Fmax
0
hу
h
а
(2.8)
F
F
Fmax
F0
F0
0 h0 hу hр
h
0 h0
б
h
в
Рисунок 2.3 - Типовые зависимости F от h для хрупких (а), пластично-хрупких (б)
и высоко-пластичных (в) горных пород
Кроме названных показателей, по зависимостям F от
h можно
определить коэффициент пластичности породы при вдавливании. Определение
всех показателей будет проведено при выполнении лабораторной работы.
Недостатком метода определения твердости горных пород методом
вдавливания штампа является то, что диаметры штампов находятся в области
существенного проявления масштабного эффекта. На рисунке 2.4 показано
проявление масштабного эффекта при определении предела текучести мрамора
при вдавливании штампов разного диаметра. Из рисунка 2.4 видно, что при
диаметре штампа около 2 мм показатель ро имеет максимальное значение, а
затем по мере дальнейшего увеличения диаметра штампа показатель ро
Рисунок 2.4 - Зависимость р0 от d при испытании
мрамора
16

17.

монотонно уменьшается. Аналогичные результаты были получены при
испытании каменной соли, известняка и песчаника. Поэтому для сопоставления
показателей свойств разных горных пород их твердость должна быть
определена при одном и том же диаметре штампа. Наибольший объем
измерений выполняется при диаметрах штампа 2+0,5 мм.
2.3 Классификации горных пород по твердости по штампу.
Определение твердости горных пород в категориях
По твердости по штампу все горные породы разделены на пять групп и 12
категорий. Классификация пород, скорректированная в соответствии с
руководящими документами ВНИИ БТ, приведена в таблице 2.2.
При бурении на нефть и газ встречаются горные породы до 10-й
категории. В основном же осадочные горные породы нефтяных и газовых
месторождений относятся к 3…7 категориям. В соответствии с классификацией
горных пород по твердости готовятся породоразрушающие инструменты в
России и странах СНГ.
В нормативной документации по технологии бурения широко
используется оценка твердости пород в категориях. Наиболее просто задача
определения твердости Н в категориях решается, если известны твердость или
предел текучести по штампу:
Н = 12(1 – ехр(-0,00487·рш0,666)), кат.;
(2.9)
Н = 12(1 – ехр(-0,0349·р00,433)), кат.
(2.10)
Зависимости (2.9) и (2.10) получены при условии, что Н = 12 кат. является их
горизонтальной асимптотой.
Таблица 2.2 – Классификация осадочных горных пород по показателям
твердости и предела текучести по штампу
Группы
Мягкие
Средней
твердости
Твердые
Крепкие
Очень крепкие
Категории
твердости
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11…12
Твердость по штампу,
МПа
Предел текучести
по штампу, МПа
до 75
> 75…230
>230…460
>460…770
>770…1180
>1180…1720
>1720…2440
>2440…3420
>3420…4860
>4860…7140
>7140
0…13
>13…60
>60…160
>160…320
>320…590
>590…1000
>1000…1630
>1630…2630
>2630…4280
>4280…7140
>7140
17

18.

При определении твердости горных пород в категориях по промысловым
данным используют метод аналогий, который основан на следующих
экспериментально установленных фактах:
1) твердость кристаллических осадочных пород находится в прямой
зависимости от твердости их породообразующих минералов, а твердость
обломочных пород типа песчаников и алевролитов зависит в основном от
состава и строения цементирующего вещества;
2) с увеличением пористости твердость пород уменьшается;
3) твердость глинисто-карбонатных пород (глина, известковая глина,
глинистый известняк) повышается с увеличением степени карбонатности;
4) твердость карбонатных пород резко возрастает при окремнении.
При определении категории твердости горной породы методом аналогий
необходимо определить ее литологию, наличие и состав твердых примесей,
состав и строение цемента, например по шламу,
и
пористость по
геофизическим данным, выбрать из таблиц соответствия, которые имеются в
руководящих документах по технологии бурения, ближайший аналог и
присвоить рассматриваемой горной породе твердость аналога.
2.4 Особенности разрушения горных пород при динамическом
вдавливании
При бурении скважин одним из основных видов деформирования горных
пород является динамическое вдавливание элементов вооружения
породоразрушающих инструментов. Рассмотрим особенности разрушения
горных пород при динамическом вдавливании штампа по данным
Н.М. Филимонова и К.И. Вдовина. В качестве аргумента принята энергия удара
Тк штампа о горную породу.
Разрушение начинается с появления следа 1 штампа на поверхности
горной породы (остаточная деформация) и небольшой зоны трещин,
окружающих след штампа (рисунок 2.5,а). При дальнейшем увеличении
энергии удара до Т1 (рисунок 2.5,б) появляется круговой скол 2 (рисунок 2.5,а)
породы за контуром штампа. Этот вид разрушения назван первой формой
хрупкого разрушения, а ее начало первым скачком разрушения породы.
Дальнейшее увеличение энергии удара до Т2
приводит лишь к
незначительному увеличению объема разрушения, а при превышении ее объем
разрушения возрастает скачком с образованием лунки 2 в результате хрупкого
разрушения породы (рисунок 2.5,в), аналогичного разрушению при
статическом вдавливании штампа. Этот вид разрушения назван второй формой
разрушения породы, а ее начало вторым скачком разрушения. Обломки 3
породы, полученные при образовании второй формы разрушения, несут на себе
следы первой формы, т.е. первая и вторая формы разрушения образуются
последовательно.
Дальнейшее увеличение энергии удара до Т2' также не приводит к
качественному изменению формы разрушения. Изменение энергии удара от Т2'
18

19.

до Т3 заканчивается третьим скачком разрушения и образованием третьей
формы разрушения (рисунок 2.5, г) и т.д. Каждому скачку разрушения
соответствует изменение темпа роста объема лунки 2.
Рисунок 2.5 – Схема развития разрушения при динамическом вдавливании штампа
(а, б, в, г) и зависимости V и Ауд от энергии удара (д)
Энергоемкость
разрушения горной породы AV при динамическом
вдавливании определялась по формуле
AV = Tк /V,
(2.11)
где Tк – энергия единичного удара; V – объем лунки разрушения.
Зависимость AV от Tк приведена на рисунке 2.5, д, из которого видно, что
немонотонное изменение объема разрушения по мере увеличения энергии
удара
обуславливает наличие минимумов и максимумов на кривой
энергоемкости. По мере увеличения Tк каждый последующий минимум и
максимум ниже предыдущих, т.е. в целом по мере увеличения Tк наблюдается
тенденция к уменьшению энергоемкости динамического разрушения пород.
Такое изменение энергоемкости разрушения горных пород показывает, что при
бурении следует стремиться к увеличению энергии каждого единичного
взаимодействия элемента вооружения долота с горной породой.
2.5 Абразивность горных пород
В горном деле под абразивностью горных пород понимают их
способность изнашивать металлы при трении. Изнашивание - процесс
преимущественно механический (усталостные явления на поверхностях трения,
19

20.

их деформирование, царапание, резание), а поэтому показатели абразивности
горных пород рассматриваются как показатели их механических свойств.
Под изнашиванием понимается постепенное изменение формы и размеров
детали или инструмента в процессе работы. Результат изнашивания,
проявляющийся в виде отделения частиц твердого тела или остаточной
деформации его поверхности, называется износом.
В технике используются, в основном, два показателя изнашивания:
1) интенсивность изнашивания ‒ износ, приходящийся на единицу работы
трения;
2) скорость изнашивания – износ в единицу времени:
а = W/to ,
(2.12)
где а − скорость изнашивания; W − износ в любых единицах, например, в мг,
мм, мм3 и т.д.; to − время изнашивания твердого тела.
Факторы, влияющие на изнашивание. Вид и показатели изнашивания
зависят от большого числа факторов, к основным из которых относятся:
свойства трущихся поверхностей (шероховатость, соотношение твердостей),
режим трения, вид и свойства среды, в которой работают детали или
инструменты.
Режим трения характеризуется контактным давлением, скоростью
относительного перемещения изнашиваемых поверхностей, характером
приложения нагрузки, частотой взаимодействия и др. Первые две
характеристики режима могут быть заданы обобщенным показателем ‒
удельной мощностью трения Nуд:
Nуд = fpvt ,
(2.13)
где р − давление на поверхностях трения; f ‒ коэффициент трения; vt ‒
скорость относительного перемещения изнашиваемых поверхностей.
Среда характеризуется, главным образом, смазывающей и охлаждающей
способностями. Детали горного оборудования и инструмента чаще всего
работают в воздушной среде, в воде и водных растворах, в среде
углеводородных жидкостей (масла, буровые растворы на нефтяной основе), а
также в различных эмульсиях. От смазывающей способности зависит величина
Nуд, т.к. чем лучше смазывающая способность среды, тем ниже коэффициент
трения. Вся работа трения, в конечном счете, переходит в тепло, вызывая
нагрев рабочих поверхностей и соответствующие изменения их свойств. Чем
лучше охлаждающая способность среды, тем меньше нагрев рабочих
поверхностей, тем легче условия работы инструментов. Наилучшей
охлаждающей способностью обладают вода и водные растворы.
Области изнашивания закаленной стали. Рабочие элементы деталей
горного оборудования и инструментов выполняются чаще всего из
20

21.

инструментальных или цементируемых сталей, которые подвергаются
соответствующей термической или химико-термической обработке. Нередко
применяют упрочнение рабочих поверхностей твердым сплавом или
выполняют рабочие элементы из твердого сплава.
Рассмотрим основные закономерности изнашивания металлов на примере
закаленных цементируемых сталей, используемых для изготовления шарошек
буровых долот. Изучение проведено по схеме изнашивания вращающегося
диска применительно к условиям работы бурильного и шарошечного
породоразрушающего инструментов, для которых характерен периодический
контакт с горной породой. Схема изнашивания приведена на рисунке 2.6,а.
Образец из испытываемого металла в виде диска 1 прижат к горной породе 2
силой F и изнашивается при заданной частоте вращения за счет трения
скольжения о горную породу.
а
б
1 – диск; 2 – горная порода; 3 – подвод охлаждения; 4 – вид зависимости
для обломочных пород; 5 – вид зависимости для кристаллических пород
Рисунок 2.6 - Схема изнашивания вращающегося диска (а) и зависимости
скорости изнашивания стали от удельной мощности трения (б)
Испытания проводятся с промывкой или продувкой 3. В случае
определения показателей абразивности горных пород диск охлаждается водой,
а при изучении влияния среды на износ - соответствующим охлаждающим
агентом. Изнашивание ведется при равномерной подаче горной породы со
скоростью vп и при непрерывной записи момента трения. В качестве показателя
принята скорость изнашивания металла
а = dR/dt,
(2.14)
где R – радиус диска, т.е. а – скорость уменьшения радиуса диска, а в качестве
параметра режима работы – удельная мощность трения Nуд:
21

22.

Mn
,
(2.15)
Rb
где М – момент трения; n - частота вращения диска, об/с; b – ширина рабочей
поверхности диска.
По результатам испытаний строятся зависимости а от Nуд, характерный
вид которых приведен на рисунке 2.6,б.
В изученном диапазоне изменения удельной мощности трения от нуля до
8 Вт/мм2 выделены три области изнашивания стали по существенному
изменению характера зависимости а от Nуд.
В первой области изнашивания ( Nуд < 0,4 Вт/мм2) скорость линейно
зависит от удельной мощности трения, т.е.
Nуд =
а = А0 Nуд ,
(2.16)
где А0 − экспериментальный параметр уравнения изнашивания (2.16).
Эта область характерна для нормальных (неаварийных) условий работы
деталей горного оборудования и бурильного инструмента.
Вторая область изнашивания (от Nуд1 до Nуд2) обусловлена началом
уменьшения твердости стали под действием тепла трения (термическим
разупрочнением стали). Поэтому эту область изнашивания нередко называют
тепловой. Переход от первой области ко второй для обломочных горных пород
характеризуется скачком скорости изнашивания, а зависимость а от Nуд
принимает вид
а = А Nуд + В,
(2.17)
где А и В − экспериментальные параметры уравнения изнашивания, зависящие
от абразивности горной породы.
В случае кристаллических осадочных горных пород при переходе из
первой области изнашивания во вторую нарушается линейность зависимости а
от Nуд, которая принимает вид
а = АNудk ,
(2.18)
где А и k – экспериментальные параметры, также зависящие от абразивности
породы.
Вторая область изнашивания характерна для работы элементов
вооружения породоразрушающих инструментов, т.к. забойная мощность,
ограниченная первой областью изнашивания, не обеспечивает приемлемую
скорость разрушения горной породы. Ширина второй области зависит от
твердости горной породы. Чем тверже порода, тем уже вторая область.
Третья область изнашивания (рисунок 2.6,б при Nуд > Nуд2)
наблюдается только при разрушении наиболее твердых пород. Под действием
тепла трения разупрочнение поверхности металла приводит к такому снижению
22

23.

сопротивления металла сдвигу, что оно становится меньше сопротивления
сдвигу горной породы, и изнашивание металла приобретает катастрофический
характер, а скорость изнашивания резко возрастает. Эта область изнашивания
возникает при нарушении режима смазывания и охлаждения, и нередко ее
называют областью катастрофического изнашивания, так как в этом случае
детали или инструменты весьма быстро выходят из строя.
Скорость изнашивания твердого сплава при разрушении горных пород
в 60…100 раз меньше, чем скорость изнашивания закаленной стали, и прямо
пропорциональна удельной мощности трения. Однако при Nуд > 4 Вт/мм2
наблюдается резкое увеличение скорости изнашивания твердого сплава,
связанное с выкрашиванием, а далее и с хрупким его разрушением.
Следовательно, твердый сплав, как и закаленная сталь, не может надежно
работать при больших удельных мощностях трения, соответствующих третьей
области изнашивания стали.
2.6 Определение показателей абразивности горных пород.
Классификация по абразивности
Показатели абразивности определяют по областям изнашивания. В
первой области в качестве показателя использован угловой коэффициент А0
уравнения (2.16), физический смысл которого – скорость изнашивания при
Nуд = 1 Вт/мм2. Испытания рекомендуется проводить при Nуд = 0,2…0,3 Вт/мм2
и определять показатель абразивности по формуле
а11 = а/ Nуд ,
(2.19)
где а и Nуд – измеренные значения скорости изнашивания и удельной мощности
трения при испытании; первая цифра индекса показателя – область
изнашивания, а вторая – условная удельная мощность.
Для второй области изнашивания в качестве показателей абразивности
предложены две величины скорости изнашивания: а21 при Nуд = 1 Вт/мм2 и а25
при Nуд = 5 Вт/мм2 (в индексах при а цифра 2 означает вторую область
изнашивания, а цифры 1 и 5 – значения Nуд). Параметры уравнений
изнашивания для соответствующих горных пород определяются из уравнений
(1.13) или (1.14).
В таблице 2.3 приведена классификация абразивности горных пород по
отношению цементированной закаленной стали марки 20ХН3А. Все горные
породы разделены на 12 категорий, которые объединены в три группы по
четыре категории в каждой.
К группе малоабразивных горных пород относятся галоидные,
сульфатные и карбонатные отложения без существенной примеси кварца и
халцедона. К группе пород средней абразивности относят те же отложения, что
и в первой группе, но с примесью кварца и халцедона до 30 % (кварц и
халцедон алевритовой фракции), а также глины и аргиллиты.
23

24.

Таблица 2.3 - Классификация по абразивности осадочных горных пород
по отношению к закаленной стали
Группы
Категории
а21, мм/ч
Малоабразивные
(неабразивные)
1, 2, 3, 4
до 0,2
Средней
абразивности
5, 6, 7, 8
>0,2-1,2
Высокоабразивные
(абразивные)
9, 10, 11, 12
> 1,2
Определение абразивности горных пород в категориях. Косвенные
методы оценки абразивности. В промысловой практике широкое применение
находят показатели абразивности горных пород, выраженные в категориях. При
наличии кернового материала и результатов его испытания на абразивность
нетрудно сделать переход к категориям. Например, по данным испытаний
методом изнашивания диска пересчет можно сделать по следующим
эмпирическим формулам:
Ак = 12(1 – ехр(-1,146· а210,614)), кат.;
(2.20)
Ак = 12(1 – ехр(-0,554· а250,712)), кат.,
(2.21)
где Ак − абразивность горной породы в категориях.
На практике широкое применение нашел косвенный метод (метод
аналогий) оценки абразивности в категориях по шламу и другой геологогеофизической информации. Для этого определяют те же характеристики
горной породы, что и для оценки твердости в категориях, и находят аналог в
тех же таблицах соответствия, т.к. эти таблицы включают две параллельные
колонки: одна с данными о твердости в категориях, а другая с данными об
абразивности в категориях.
При проведении расчетов по оценке ожидаемой долговечности стального
вооружения шарошек может возникнуть необходимость определения
показателей абразивности горных пород по данным об их абразивности в
категориях. С этой целью получены следующие формулы:
ln12 ln( 12 Ак )
а21 =
1,146
1,629
ln12 ln( 12 Ак
а25 =
0,5544
1,404
)
мм/ч;
(2.22)
мм/ч.
(2.23)
Зависимости (2.20), (2.21), (2.22) и (2.23) получены при условии, что
Ак = 12 кат. является горизонтальной асимптотой зависимостей абразивности в
категориях от показателей абразивности горной породы в мм/ч.
24

25.

2.7 Особенности изнашивания твердого сплава
Для выполнения вооружения породоразрушающих инструментов широко
используется вольфрамокобальтовый твердый сплав. Его твердость превышает
твердость наиболее твердых породообразующих минералов осадочных горных
пород. Например, микротвердость твердого сплава 14000...16000 МПа, а
микротвердость кварца (наиболее твердого породообразующего минерала
осадочных горных пород) - 11000...12000 МПа. Поэтому износостойкость
твердого сплава в нормальных условиях в 60...100 раз выше, чем закаленной
стали.
2.8 Влияние состава и строения горных пород
на сопротивление разрушению
Твердость и прочность плотных осадочных пород находится в прямой
зависимости от твердости их породообразующих минералов. На твердость
алевролитов и песчаников существенно влияют состав и строение
цементирующего вещества. Например, твердость таких горных пород
одинакового минералогического состава, сцементированных глинистым
цементом, почти в три раза меньше твердости аналогичных пород, но
сцементированных карбонатным цементом.
Твердость некарбонатных глин и мергелей увеличивается прямо
пропорционально содержанию в них твердых минералов (полевых шпатов,
кварца и др.), особенно их содержится более 20 %.
Твердость карбонатных пород резко возрастает при окремнении. Даже
при небольшом содержании кремнезема (до 10 %) резко повышаются твердость
и предел текучести пород.
Основным понижающим сопротивление разрушению горных пород
фактором является их пористость. Например, на рисунке 2.7 показаны
зависимости твердости известняков Н в категориях от их пористости m,
построенные по данным М.Г. Абрамсона. Кривая 1 – известняк без
упрочняющих примесей, а кривая 2 – окремнелый известняк. Дополнительно
нами были проведены аналогичные измерения на кернах известняков,
отобранных в интервале бурения 1536-1572 м на Оренбургском газоконденсатном месторождении. Результатам измерений на
рисунке 2.7
соответствуют точки 3.
Из рисунка 2.7 видно, что результаты наших испытаний хорошо
согласуются с данными М.Г. Абрамсона. Это позволило перейти к поиску
аналитических зависимостей твердости горных пород от их пористости. Для
испытанных горных пород получены следующие уравнения регрессии:
для известняков без примесей
Н = 0,00407m2 − 0,272m + 6,95;
25
(2.24)

26.

для известняков доломитизированных
H = 0,00726m2 – 0,378m + 8,63;
(2.25)
для известняков окремнелых
H = 0,00508m2 – 0,307m + 8,09;
(2.26)
Рисунок 2.7 - Зависимости Н от m для известняков
для доломитов известковистых
H = 0,00983m2 – 0,394m + 8,09;
(2.27)
для доломитов без примесей
H = 0,00726m2 – 0,378m + 8,63;
(2.28)
для алевролитов с глинистым цементом
H = 0, 0107m2 – 0,377m + 6,62;
(2.29)
для алевролитов с карбонатным цементом
H = 0,00511m2 – 0,414m + 7,82;
(2.30)
для песчаников с глинистым цементом
H = 0,0140m2 – 0,479m + 6,77;
(2.31)
для песчаников с карбонатным цементом
H = 0,0133m2 – 2,260m + 7,42
(2.32)
26

27.

при коэффициенте детерминации R2 > 0,97. Высокий коэффициент
детерминации обусловлен не только тесной корреляционной связью, но и тем,
что уравнения регрессии получены по средним значениям, полученным при
числе испытаний от 5 до 10 на каждом уровне. В формулы (2.24)-(2.32)
пористость следует подставлять в %.
2.9 Взаимосвязь основных показателей свойств горных пород
В настоящее время ведутся значительные работы по созданию
математических моделей горных пород как в стандартных условиях, так и в
условиях бурящейся скважины. В такие модели горные породы входят в виде
их показателей механических свойств.
Связь предела текучести горной породы с ее твердостью по штампу.
Н.М. Филимонов и К.И. Вдовин, выполнившие весьма серьезные исследования
в области деформирования и разрушения горных пород при вдавливании,
считали, что твердость горных пород должна характеризоваться пределом ее
текучести р0, а не твердостью по штампу рш. Показатель рш объективно
характеризует лишь сопротивление горной породы хрупкому разрушению при
вдавливании.
Для перехода от твердости горных пород к пределу текучести были
использованы данные Ю.Ф. Алексеева и Н.М Филимонова. Ниже приведены
результаты их анализа.
На рисунке 2.8 показана зависимость р0 от рш для песчаников. На графике
приведены уравнение регрессии и коэффициент детерминации R2,
подтверждающий высокую степень зависимости между названными
показателями.
Рисунок 2.8 Зависимость р0 от рш
для песчаников
27

28.

Аналогичный анализ данных был выполнен и для других горных пород.
Ниже приведены полученные уравнения регрессии:
для алевролитов
р0 = 0,0000781∙рш2 + 0,513∙рш;
(2.33)
р0 = 0,0000404∙рш2 + 0,646∙рш;
(2.34)
для аргиллитов
для карбонатных пород
р0 = 0,0000470∙рш2 + 0,548∙рш
(2.35)
при коэффициенте детерминации R2 > 0.90.
Недостатком показателя р0 является очень высокий коэффициент
вариации при измерении его на одних и тех же образцах горной породы из-за
весьма малых диаметров штампа. Основной объем измерений выполнен при
вдавливании штампов диаметром 1,5 и 2,0 мм. Эти размеры соизмеримы со
структурными элементами горной породы, что и обусловливает высокий
коэффициент вариации. Отсюда следует, что методика измерения предела
текучести требует существенной доработки.
Зависимость модуля деформации С (упругости) при вдавливании от
р0 горной породы. Далее были проанализированы результаты измерений
модуля деформации (упругости) пород и предела текучести по штампу,
полученные при испытании названных выше горных пород.
На рисунке 2.9 результаты
измерений представлены графически.
Влияния вида горных пород не
наблюдалось, а поэтому точки для
разных
пород
не
выделены.
Зависимость С от р0 распадается на
две области. В первой области (р0 <
1500 МПа) модуль С увеличивается
прямо пропорционально р0:
С = А р0,
Рисунок 2.9 ‒ Зависимость модуля
упругости осадочных горных пород
от предела их текучести по штампу
(2.36)
где
А
–
коэффициент
пропорциональности, равный
21,6
10,7 с вероятностью 0,90. Во второй
области (р0 > 1500 МПа) величина С стабилизируется в пределах С = 32900
14000 МПа. Это обусловлено тем, что модуль упругости горной породы не
может быть больше модуля упругости породообразующего минерала.
Повышенные значения модуля упругости во второй области наблюдались у
доломитов.
28

29.

Связь между твердостью пород по штампу и прочностью при
одноосном сжатии. Показатели сж и рш характеризуют прочность горной
породы при разных напряженных состояниях: первый – при простом
напряженном состоянии, а второй – при сложном напряженном состоянии.
Теоретическое соотношение между этими показателями, полученное Генки,
имеет вид
рш = (1 + 2∙π)∙ сж.
(2.37)
Эта формула проверена нами экспериментально (рисунок 2.8). Результат
проверки следующий:
рш = 2,35∙ сж/ ,
(2.38)
при коэффициенте детерминации R2 = 0,83. Здесь ‒ коэффициент Пуассона.
Полученное нами уравнение регрессии не противоречит формуле Генки и
уточняет ее за счет введения в формулу коэффициента Пуассона.
Сравнительное
низкое
2
значение R может быть
обусловлено
как
масштабным эффектом
(рш
измеряется
при
вдавливании
штампа
диаметром около 2 мм, а
измерение
сж
проводится на образцах
диаметром около 42 мм),
так и низкой точностью
измерения
коэффициента Пуассона.
Дополнительно по
данным
названных
экспериментов
была
Рисунок 2.10 – Зависимость рш от сж /
предложена формула для
приближенной оценки коэффициента Пуассона по данным измерений
твердости горных пород по штампу:
= 0,5∙exp(-0,0447∙рш 0,040).
(2.39)
Приведенные результаты измерений разрушения горных пород
обработаны без разделения по литологическим группам. Увеличение объема
исследований и разделение их результатов по литологическим признакам и с
учетом величин их пористости позволит существенно повысить надежность
предложенных формул.
29

30.

Тема 3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ
ИНСТРУМЕНТАХ
3.1 Назначение породоразрушающих инструментов и требования к ним
При бурении на нефть и газ используется механический метод
разрушения горных пород для создания горной выработки (скважины), при
котором скважина как бы высверливается в горной породе с помощью
породоразрушающих инструментов. Назначением породоразрушающих
инструментов является измельчение горной породы на забое, формирование
ствола скважины и удаление измельченной породы (шлама) с забоя. В случае
бурения с отбором образцов горной породы (кернов) возникает дополнительная
функция по формированию керна в центре забоя скважины.
В соответствии с назначением к породоразрушающим инструментам
предъявляют следующие требования:
1) высокая разрушающая способность, которая оценивается величиной
проходки за один оборот инструмента (интенсивностью разрушения) и может
изменяться от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров за один
оборот инструмента;
2) высокая износостойкость, которая характеризуется временем работы
инструмента до отказа;
3) низкая энергоемкость разрушения породы (требование по
энергосбережению);
4) низкая стоимость метра бурения инструментом.
3.2 Функциональные системы породоразрушающих инструментов.
Классификации инструментов
В курсе «Разрушение горных пород» породоразрушающие инструменты
рассматриваются не по конструктивным элементам, а по функциональным
элементам и системам. На рисунке 3.1 приведен общий вид наиболее
распространенных породоразрушающих инструментов (долот): лопастного
долота с алмазно-твердосплавным вооружением (рисунок 3.1,а) и шарошечного
долота с твердосплавным вооружением (рисунок 3.1,б). Для таких лопастных
долот широко используется аббревиатура PDC по первым буквам английского
названия материала резцов ‒ поликристаллическая алмазная композиция.
Долота (рисунок 3.1) содержат следующие системы:
1) корпус 1 с присоединительной резьбой 2, предназначенный для
размещения всех систем инструмента и для присоединения его к бурильному
инструменту или к валу забойного двигателя;
2) вооружение 3 в виде режущих элементов или инденторов,
непосредственно взаимодействующих с горной породой при бурении;
3) систему промывки 4 забоя, очистки и охлаждения деталей
породоразрушающих инструментов;
30

31.

4) опоры шарошек и система смазки 5 подшипников опоры (в случае
шарошечных породоразрушающих инструментов).
На долотах выполняется преимущественно коническая замковая резьба,
которая обозначается буквой З, например З-117. Цифра 117 ‒ округленное
значение диаметра основания замкового конуса.
Породоразрушающие инструменты классифицируются по всем
функциональным системам. Ниже рассматриваются классификации только по
вооружению, а остальные будут рассмотрены по мере изучения
соответствующих систем.
Породоразрушающие инструменты по общему назначению делятся на
три группы:
1) для бурения сплошным забоем – долота (рисунок 3.1);
2) для бурения кольцевым забоем с отбором керна (образцов горной
породы, проходимой скважиной) – бурильные головки;
3) инструменты специального назначения.
а
2
Рисунок 3.1 - Шестилопастное долото PDC (а) и трехшарошечное долото (б)
Каждая группа породоразрушающих инструментов по принципу
воздействия на забой делится на четыре подгруппы:
1) режуще-скалывающего действия (РС) – вооружение выполняется в
виде лопастей, оснащенных резцами, которые во время бурения находится в
постоянном контакте с разрушаемой горной породой;
2) режуще-истирающего действия (ИР) – вооружение выполняется в виде
алмазных зерен, выступающих над поверхностями лопастей, секторов или
31

32.

корпуса, которые во время бурения находится в постоянном или длительном
периодическом контакте с забоем;
3) дробяще-скалывающего действия (шарошечные) – вооружение
выполняется в виде фрезерованных зубьев или вставных зубков, размещенных
на шарошках. Шарошки перекатываются по забою, вращаясь пассивно за счет
зацепления зубьев с забоем. Поэтому во время бурения каждый элемент имеет
кратковременный периодический контакт с забоем скважины;
4) дробящего действия, которые предназначены для ударного бурения.
Инструменты четвертой подгруппы в книге не рассматриваются, т.к. при
бурении на нефть и газ не применяются.
Деление породоразрушающих инструментов на подгруппы весьма
условно, так как вид разрушения горных пород зависит не только от
конструкции вооружения, но и от твердости горных пород.
Все породоразрушающие инструменты делятся на типы в соответствии с
твердостью горных пород, для которых они предназначены, и на два класса в
соответствии с абразивностью горных пород. Типы и классы вооружения
шарошечных долот ОАО "Волгабурмаш" приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Типы и классы и типы вооружения шарошек
1-го класса
По ГОСТ
Сode
20692-2003
IADC
М
11, 12
МС
13
С
21
СТ
23
Т
31
-
2-го класса
По ГОСТ
Сode
20692-2003
IADC
ОМЗ
43
МЗ
51
МСЗ
53
СЗ
54
ТЗ, ТКЗ
62, 63
К
74
ОК
83
Назначение (твердость
горных пород)
Очень мягкие и мягкие
Мягкие
Мягкие и средней твердости
Средней твердости и твердые
Твердые
Крепкие
Очень крепкие
Шарошечные долота с вооружением первого класса предназначены для
разбуривания неабразивных горных пород, а долота с вооружением шарошек
второго класса – абразивных горных пород. В горных породах средней
абразивности классы долот конкурируют.
Горные породы могут чередоваться по твердости. Для таких интервалов
бурения предназначены промежуточные типы долот. Например, долота первого
класса М, С и Т относятся к основным типам, а долота МС и СТ ‒ к
промежуточным типам. Долота второго класса МЗ, СЗ, ТЗ, К и ОК относятся к
основным типам, а долота МСЗ и ТКЗ ‒ к промежуточным типам.
32

33.

3.3 Материалы вооружения породоразрушающих инструментов
3.3.1 Твердый сплав является одним из самых распространенных
материалов для вооружения и армирования рабочих элементов
породоразрушающих инструментов. Основными компонентами твердого
сплава являются карбид вольфрама (WC) и кобальт (Со). В таблице 3.2.
приведены некоторые показатели механических свойств карбида вольфрама и
кобальта по данным Г.С. Креймера.
Таблица 3.2 - Показатели механических свойств карбида вольфрама и кобальта
Компонента
WC
Co
Модуль
Юнга, МПа
731000
215000
Коэффициент
Пуассона
0,20
0,32
сж,
и,
МПа
3000
1250
МПа
520-560
-
Микротвердость,
МПа
17300
2500
Из таблицы 3.2 видно, что компоненты твердого сплава имеют
существенно разные механические свойства. Соответственно при изменении
содержания компонент в сплаве меняются и его свойства. Например, для
изготовления зубков используются твердые сплавы ВК4В, ВК8ВК и ВК11ВК и
др. В шифре первые две буквы означают вольфрамо-кобальтовый, цифры –
содержание кобальта в процентах, последние буквы отражают особенности
сплава: В – повышенная вязкость, К – повышенная стойкость при ударных
нагрузках.
Микротвердость твердого сплава для изготовления зубков составляет
14000…16000 МПа, а прочность на изгиб не менее 1750 МПа.
Для армирования поверхностей наплавкой используются релит «З»
зерновой при нагреве токами высокой частоты и релит «ТЗ» трубчатозерновой
при нагреве ацетилено-кислородным пламенем. Основной частью релита также
является порошкообразный карбид вольфрама. Зерновые сплавы представляют
собой шихту, при расплавлении и последующем твердении которой на
поверхности армируемой детали или инструмента образуется твердый
износостойкий слой.
3.3.2 Алмаз как материал для изготовления вооружения долот в
настоящее время находит все более широкое применение. Алмаз ‒ минерал,
полиморфная модификация углерода. Кристаллы алмаза представляют собой
октаэдры, ромбододекаэдры и др. Размеры кристаллов от микроскопических до
весьма крупных, массой до 3000 карат (1 карат ‒ 0,2 г). Кристаллическая
структура атомная, отличается плотной упаковкой и равномерным
распределением связей в пространстве. Это обусловливает высокую плотность
(3500 кг/м3), твердость и жесткость алмаза. Микротвердость алмаза в 10 раз
выше, чем кварца, и в 6 раз выше, чем твердого сплава. Модуль Юнга алмаза
88 104 МПа, т.е. в два раза выше, чем у твердого сплава, и в четыре раза выше,
33

34.

чем у стали. Алмазы имеют уникально высокие теплофизические свойства:
теплопроводность алмаза в 2,3 раза, а теплоемкость в три раза выше, чем у
твердого сплава. Благодаря этим свойствам алмазы имеют исключительно
высокую износостойкость при трении скольжения.
Наряду с достоинствами алмаз имеет и недостатки: он весьма хрупок
(имеет совершенную спайность по октаэдру), при температуре 1850 С в
вакууме алмаз превращается в графит, а на воздухе уже при температуре около
600 С быстро окисляется и более высокой температуре сгорает с образованием
углекислого газа.
Алмазы делятся на две группы: ювелирные и технические. Для бурения
используют только технические алмазы, которые делятся на подгруппы: борт,
баллас и карбонадо.
Борт − алмазы в виде неправильных кристаллов и агрегатов желтого,
коричневого или серого цвета.
Баллас
−
шаровидные
агрегаты,
представляющие
собой
крупнокристаллическое ядро, покрытое мелкокристаллической корочкой. Цвет
от мутно-белого до серого.
Карбонадо − плотные, мелкокристаллические агрегаты. Цвет от серого
до черного.
Перед использованием для оснащения долот алмазы подвергают
подготовительной обработке. Вид подготовленных зерновых алмазов показан
на рисунке 3.2.
Современная промышленность освоила производство искусственных
(синтетических) алмазов, а также композиционных сверхтвердых материалов,
которые
используются
для
изготовления
элементов
вооружения
породоразрушающих
инструментов.
Элементы вооружения могут представлять
собой резцы, зубки и вставки, например,
долото PDC на рисунке 3.1 оснащено
алмазно-твердосплавными резцами.
3.3.3 Сталь является основным Рисунок 3.2 – Алмазы (алмазные
материалом для изготовления корпусов
зерна), подготовленные для
шарошек
и
породоразрушающих
оснащения долота
инструментов. Кроме того, стальным
выполняется вооружение шарошек для бурения неабразивных горных пород.
Некоторые марки стали для изготовления деталей шарошечных долот
приведены в таблице 3.3.
Из таблицы 3.3 видно, что основные детали долота изготавливают из
никель-молибденовых, хромо-никель-молибденовых и хромо-марганец-никельмолибденовых сталей, а тела качения из кремний-молибден-ванадиевой стали.
34

35.

Для повышения износостойкости лапы и шарошки подвергаются
цементации на глубину 0,6…2,4 мм с последующей двойной закалкой и
отпуском, а также армированию поверхностей твердым сплавом.
Таблица 3.3 ‒ Стали, применяемые ОАО "Волгабурмаш"
для изготовления деталей долот
Наименование детали
Шарошки 1-го класса
Шарошки 2-го класса
Лапы
Лапы
Втулки малые
Подпятники
Шарики, ролики
Диаметры долот, мм
Все размеры
Все размеры
До 244,5
244,5 и более
Все размеры
Все размеры
Все размеры
Марка стали
15Н3МА
14ХН3МА
15Н3МА
19ХГНМА
14Х17Н2
Р6М5
55СМ5ФА-ШД
ГОСТ, ТУ
ТУ 3-102-80
ТУ 3-102-80
ТУ 3-102-80
ТУ 3-102-80
ГОСТ 5949-75
ГОСТ 19265-73
ТУ 14-1-2666-79
3.4 Параметры режима работы долот
Режим работы долот принято задавать следующими параметрами:
1) осевой нагрузкой на долото G, кН;
2) частотой вращения долота пд, об/мин;
3) количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых на
забой для выноса шлама и охлаждения инструмента Q, м3/с.
При нагружении долота осевой нагрузкой создается необходимое для
разрушения горной породы ее напряженное состояние и осуществляется отбор
энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного
разрушения породы по всему забою. Величина осевой нагрузки равна
G = giD,
(3.1)
где gi − интенсивность осевой нагрузки в кН на один мм диаметра D долота.
Например, при выполнении проектировочных расчетов для шарошечных долот
принимают значения gi, приведенные в таблице 3.4.
Таблица 3.4 - Значения gi для шарошечных долот
Типы долот
М
МС, С
СТ, Т и выше
Твердость горных пород, кат
1-3
4-5
>6
Значения gi, кН/мм
0,6
0,7
1,0
Интенсивность нагрузки на долота PDC существенно ниже и составляет
0,25...0,55 кН/мм.
35

36.

По частоте вращения различают три режима работы:
1) низкооборотное (роторное) бурение – nд < 110 об/мин;
2) при средних частотах вращения, в пределах которых выделяют два
диапазона: 110 < nд < 300 об/мин; 300 < nд < 450 об/мин. Эти диапазоны
реализуются при вращении долот объемными забойными двигателями,
редукторными турбобурами и электробурами;
3) высокооборотное бурение − nд > 450 об/мин. Реализуется при бурении
с безредукторными турбобурами и электробурами.
Промывка или продувка
скважины должны обеспечивать полное и
своевременное удаление шлама с забоя
и
из
скважины
и
работу
гидравлических забойных двигателей, а также обеспечить охлаждение и
очистку вооружения породоразрушающих инструментов от налипающей
горной породы. Расход бурового раствора предварительно подбирается из
трех условий:
1) из условия очистки забоя от шлама определяется расход Q1:
Q1 = qудFз,
(3.2)
где qуд − удельный расход бурового раствора, м3/с м2 или м/с; Fз – площадь
забоя скважины
Fз = 0,785D2,
(3.3)
где D – диаметр долота. Величину qуд рекомендуется брать в пределах
0,57…0,65 м/с;
2) из условия подъема шлама в кольцевом зазоре между бурильными
трубами и стенкой скважины определяется расход Q2:
Q2 = uFк,
(3.4)
где u − необходимая скорость восходящего потока жидкости, м/с; Fк –
площадь кольцевого зазора
Fк = 0,785(D2 ‒ d2),
(3.5)
где d – диаметр бурильной трубы. В зависимости от условий и способа бурения
величина u выбирается в пределах от 0,2 до 0,7 м/с.
3) из условия обеспечения работы гидравлического забойного двигателя
определяется расход Q3. При этом ожидаемый максимальный крутящий
момент на долоте сопоставляется с крутящим моментом забойного двигателя
при большем расходе из рассчитанных выше Q1 или Q2. Если крутящий
момент двигателя недостаточен, то вначале рассматривается возможность
36

37.

установки большего числа секций двигателя и лишь когда эта возможность
исчерпана, прибегают к использованию увеличенного расхода Q3 жидкости.
Из трех полученных расходов принимается наибольший.
В начале бурения после спуска долота до забоя бурильщик включает
последовательно промывку, вращение долота, а затем плавно нагружает
долото. Обязательно перед нагружением долота необходимо убедиться, что
промывка идет нормально.
3.5 Показатели работы долота
Производительность долота принято характеризовать длиной ствола
скважины, пробуренного долотом до его полного износа. Этот показатель
называется проходка на долото, обозначается Н и измеряется в метрах.
Стойкость или долговечность долота, характеризующаяся временем
механического бурения долотом до его полного износа (до отказа),
обозначается буквой Т и измеряется в часах. Показатели Н и Т первичные, по
ним определяют другие, более сложные расчетные показатели. Отношение
Н/Т = vм
(3.6)
получило название механической скорости проходки (бурения), измеряется в
м/ч и характеризует среднюю скорость разрушения горной породы.
Для характеристики общего темпа углубления скважины используется
показатель, называемый рейсовой скоростью vp:
vp =
Н
,
Т Т сп Т в
(3.7)
где Тсп − время на спуск и подъем инструмента для смены долота; Тв ‒ время на
вспомогательные работы, отнесенные к рейсу.
Наиболее общий интегральный показатель работы долота –
себестоимость одного метра проходки. Однако из-за сложности расчета этот
показатель пока не нашел широкого применения. Взамен используется
показатель стоимости метра проходки по затратам, зависящим от
времени. Этот показатель рассчитывается по формуле
с=
с у ( Т Т сп Т в ) с д
, руб/м,
(3.8)
Н
где су – стоимость эксплуатации буровой установки в течение одного часа; сд –
стоимость долота с учетом снабженческих наценок.
37

38.

3.6 Критерии оптимизации выбора и режима работы долот
Проблема улучшения технико-экономических показателей бурения
обусловливает необходимость непрерывной оптимизации как выбора
породоразрушающих инструментов, так и режима их работы. Для принятия
решения об оптимальности того или иного варианта породоразрушающего
инструмента и режима его работы используются экстремальные значения
показателей работы долота:
Н max;
vм max;
vp max;
c min.
(3.9)
Наиболее мощными являются критерии vp max и c min.
Практика бурения накладывает ограничения на величины критериев.
Поэтому ставится вопрос о комплексном применении критериев, например:
1) vp max при
c < cп, где сп – плановая стоимость 1 м проходки,
обеспечивающая затраты на бурение в пределах сметы;
2) c min при vp > vрп, где vрп – плановая рейсовая скорость,
обеспечивающая строительство скважины в установленные сроки.
В настоящее время сопоставление новых и применяемых (базовых)
вариантов долот и режимов их работы регламентируется типовой методикой
ВНИИБТ, которой предусматриваются параллельные испытания вариантов и
их сравнение по критерию c min. Для принятия решения проводится оценка
статистической значимости различия вариантов одним из методов статистики.
В бурении наибольшее распространение получил статистический метод
сравнения средних арифметических значений сопоставляемых показателей
бурения с использованием t-критерия Стьюдента.
38

39.

Тема 4. РЕЖУЩЕ-СКАЛЫВАЮЩИЕ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЕ
ИНСТРУМЕНТЫ
4.1 Долота режуще-скалывающего действия
с твердосплавным вооружением
Первые долота для вращательного бурения на нефть и газ были режущескалывающего действия в двухлопастном исполнении. А так как вид сбоку
долота напоминал рыбий хвост, то широко применялось название долото
"рыбий хвост" или просто долото РХ.
Долота выполняли в двух- и
трехлопастном исполнении. Они были предназначены только для разбуривания
мягких пластичных, рыхлых и слабосцементированных обломочных горных
пород и относились к типам М и МС.
Трехлопастное долото 3Л показано на рисунке 4.1,а (внешний вид) и его
разрез на рисунке 4.1,б. Долото состоит из корпуса 1 и трех приваренных к
нему лопастей 2. Система промывки включает внутреннюю полость в корпусе
долота и промывочные каналы по числу лопастей, в которых могут
устанавливаться гидромониторные узлы (ГМУ). Основными элементами ГМУ
являются насадка 7, уплотнительные резиновые кольца 3 и крепление насадки в
корпусе, состоящее из байонетной шайбы 5 и болта 8 с шайбой 9.
Рисунок 4.1 - Трехлопастное долото
Жидкость из промывочных отверстий или гидромониторных насадок
направляется на забой перед лопастью на расстоянии 2/3 радиуса долота от оси
вращения.
39

40.

Армирование лопастей. На передней грани лопасти (рисунок 4.1,б)
фрезеруются пазы 5, которые у долот типа М заполняются зернистым твердым
сплавом рэлитом, а у долот типа МС в пазы укладываются пластинки 10 из
твердого сплава. Далее передняя грань лопасти наплавляется твердым сплавом.
В результате формируется твердосплавная режущая кромка лопастей долота
(вооружение лопасти долота).
4.2 Особенности взаимодействия лопастного долота с забоем
Под действием осевой нагрузки на долото режущая кромка лопасти
вдавливается в горную породу и далее, вращаясь вместе с корпусом долота
вокруг его оси, срезает-скалывает слой породы толщиной . При этом каждая
точка лопасти совершает винтовое движение с шагом m :
m = hо,
(4.1)
где m – число лопастей, hо – проходка за один оборот долота.
Скорость винтового движения любой точки, удаленной от оси долота на
расстояние R, описывается формулой
vR = nд ( 2 R )2 ( m )2 ,
(4.2)
где nд - частота вращения долота.
Из формулы (4.2) следует, что на оси долота (R = 0) имеет место только
вдавливание вооружения лопасти. Сопротивление горных пород вдавливанию
существенно больше, чем скалыванию, а поэтому долото как бы зависает на
центральной части забоя. По мере удаления от оси прямо пропорционально
радиусу растет окружная скорость точек лопасти, обеспечивающая
скалывающий эффект. Для исключения зависания долота на центральной части
забоя режущие кромки лопастей смещены относительно радиуса долота в
направлении вращения (рисунок 4.1) и не поражают центральную часть забоя.
В центре забоя остается столбик не разрушенной породы, который ломается
при поперечных колебаниях долота или раздавливается его корпусом.
В процессе бурения лопастными долотами наблюдаются крутильные и
поперечные колебания инструмента, условиями для возникновения и
поддержания которых являются значительная потенциальная энергия U
упругого деформирования бурильного инструмента (колонны) под действием
крутящего момента М на долоте. Возбудителями колебаний являются
неравномерные подача инструмента и скалывание горной породы лопастями.
Механизм крутильных колебаний. Неравномерная подача инструмента
приводит к изменению толщины скалываемого слоя породы. Увеличение
толщины слоя сопровождается увеличением сопротивления вращению долота и
закручиванием
бурильной
колонны.
Уменьшение
толщины
слоя
40

41.

сопровождается снижением сопротивления вращению долота и раскручиванием
бурильной колонны. При бурении пластично-хрупких пород разрушение перед
лопастью происходит неравномерно, так как такие породы разрушаются
скачкообразно. Под действием крутящего момента в горной породе перед
лопастью достигается предельное состояние и происходит хрупкий скол
породы. При этом толщина скалываемого слоя уменьшается до величины,
близкой к нулю, и соответственно резко изменяется момент сопротивления
вращению долота. Долото начинает вращаться с ускорением за счет
освобождающейся потенциальной энергии U. Однако по мере поворота долота
толщина скалываемого слоя растет и соответственно увеличивается
сопротивление вращению долота. Угловое ускорение долота уменьшается и,
наконец, меняет знак, т.е. долото начинает вращаться с замедлением (в пределе
угловая скорость вращения долота может уменьшиться до нуля) до момента,
пока не произойдет следующий скол горной породы перед лопастями. Далее
цикл повторяется.
Таким образом, мгновенная угловая скорость долота колеблется около
среднего значения с амплитудой и частотой, которые зависят от жесткости
бурильного инструмента и свойств горной породы. В неравномерном вращении
участвует бурильный инструмент, имеющий большую массу,
что
обусловливает возникновение значительных динамических нагрузок на
инструменты и крутильных ударов. Если частота вынуждающих колебаний
близка к собственной частоте крутильных колебаний инструмента, то могут
наблюдаться резонансные явления, опасные как для породоразрушающего, так
и для бурильного инструмента.
Механизм поперечных перемещений долота как источник колебаний
рассмотрим на примере двухлопастного долота, схема движения лопастей
которого приведена на рисунке 4.2. Долото вращается вокруг оси О с угловой
скоростью д. В какой-то момент времени перед лопастью А происходит скол
породы, а перед лопастью В не происходит. При этом меняется соотношение
сил сопротивления движению лопастей, и ось вращения долота перемещается
из т. О в точку О1 (рисунок 4.2, а), так как должно соблюдаться условие
Р'tR' = P''tR''.
(4.3)
Из схемы видно, что при дальнейшем вращении долота вокруг оси О1
периферийная часть лопасти, двигаясь по дуге АА', будет врезаться в стенку
скважины, а лопасть В отходить от стенки. При этом геометрическая ось долота
будет двигаться по дуге OO', т.е. произойдет поперечное перемещение долота.
Врезание лопасти А в стенку увеличивает сопротивление ее движению.
Одновременно растет сила воздействия лопасти В на горную породу и, наконец,
скалывает ее. Сила сопротивления движению лопасти В резко падает, ось
вращения долота перемещается в точку О2. Далее лопасть В будет двигаться по
дуге B'B'' и врезаться в стенку скважины, а лопасть А соответственно отходить
41

42.

от стенки. При этом ось долота будет двигаться по дуге O'O'', т.е. долото будет
совершать поперечное движение в обратном направлении.
а
б
B"
D
wд
P'
B'
О
B
О1
R"
P"
О
O"
O'''
O'
A
О2
O'
R'
A'
O"
E
C
A"
R сс
Rд
Рисунок 4.2 - Схема поперечных перемещений двухлопастного долота
Результатом поперечных перемещений является образование скважины в
виде многогранника с числом вершин на одну больше, чем число лопастей
долота. При этом долото будет попеременно вращаться вокруг смещенных к
стенке скважины осей, а ось долота будет двигаться по траектории О'O''O'''
(рисунок 4.2,б). Площадь фигуры CDE меньше, чем площадь круга с радиусом,
равным радиусу долота Rд. А это значит, что процесс образования
многогранной скважины энергетически предпочтительней, чем круглой.
Н.Ф. Кагарманов экспериментально показал, что ребра многогранника
часто располагаются не вдоль образующей скважины, а представляют собой
спирали. Поэтому радиус скважины в свету Rcc может оказаться значительно
меньше, чем радиус круга, соответствующего радиусу долота Rд (рисунок 4.2,
б), что существенно затрудняет не только спуск в скважину долот других
конструкций, но и обсадных колонн.
Чем больше лопастей имеет долото, тем ближе сечение скважины к
круглому. Это одна из причин, по которой трехлопастные долота применяются
более широко, чем двухлопастные, а современные долота PDC выполняют с
числом лопастей от трех до девяти, а за рубежом до 12 лопастей.
С целью уменьшения поперечных колебаний долота лопасти выполняют
так, чтобы они образовывали выпуклый или вогнутый забой, а над долотом
устанавливают калибраторы.
42

43.

4.3 Изнашивание лопастных долот
При вращательном бурении режущие кромки и боковые грани лопастей
находятся в постоянном контакте с забоем и стенкой скважины и
изнашиваются. По мере изнашивания режущей кромки увеличивается площадь
контакта лопасти с забоем, соответственно уменьшается контактное давление
на горную породу и, как следствие, снижается интенсивность ее разрушения.
По мере изнашивания боковых граней
уменьшается диаметр долота, а следовательно, и
скважины. Решающее влияние на изнашивание долота
оказывают мощность трения и абразивность горных
пород. Удельная мощность трения наименьшая вблизи
оси долота и наибольшая на периферии у стенки
скважины. Такое распределение удельной мощности
трения
предопределяет
соответствующее
распределение износа. Характерные профили новой 1
1
и изношенной 2 лопасти показаны на рисунке 4.3.
Боковая грань лопасти наиболее интенсивно
2
изнашивается у режущей кромки. Вверх по грани
интенсивность
изнашивания
снижается,
что
обусловлено уменьшением нормальной нагрузки на
грань по мере разрушения породы на стенке
Рисунок 4.3 - Профили
скважины. Угол лопасти, образованный режущей
новой (1) и изношенной (2)
лопастей
кромкой и боковой гранью, находится в самых
неблагоприятных условиях: наибольшая удельная
мощность трения и наихудшие условия охлаждения промывочной жидкостью.
Поэтому эта часть лопасти в процессе работы изнашивается особенно быстро и
скругляется.
4.4. Одношарошечные долота
Из долот режущего-скалывающего действия с твердосплавным
вооружением в настоящее время серийно изготавливаются только
одношарошечные долота. До недавнего времени конкурентно способными
были только долота типа СЗ. Оптимизация формы шарошки и размещения
вооружения на ней сделали конкурентоспособными и долота типов МЗ и ТЗ.
Лопастные долота с твердосплавным вооружением при бурении
абразивных горных породах быстро изнашиваются. Для повышения
износостойкости необходимо обеспечить больший запас вооружения на износ и
улучшить условия его работы. Простое увеличение количества элементов
вооружения привело бы к уменьшению контактного давления на забой и
снизило бы интенсивность разрушения горных пород. Поэтому конструкторы
пошли по пути создания такого долота, у которого одновременно работает
только одна часть вооружения, а вторая часть вступает в работу по мере выхода
43

44.

из контакта с породой работающей части вооружения. Был предложен ряд
конструкций долот, в том числе и одношарошечного (рисунок 4.4,а).
Одношарошечное долото имеет корпус 1 с присоединительной резьбой.
Нижняя часть корпуса выполнена в виде лапы 2 с наклоненной под углом =
30 цапфой 4. На цапфе на подшипниках установлена сферическая шарошка 5.
Шарикоподшипник двухстороннего действия (замковый) собирается через
отверстие в лапе и цапфе. После сборки долота отверстие закрывается пальцем
3, который приваривается к корпусу. Совокупность подшипников, на
Рисунок 4.4 - Одношарошечное долото
которых установлена шарошка, образует ее опору. Конструкции и типы опор
будут рассмотрены ниже в подразделе шарошечные долота. Промывочное
отверстие 6 и пазы на шарошке образуют систему промывки долота.
Шарошка вооружена твердосплавными зубками формы Г23. Общий вид
зубка и схема его взаимодействия с забоем приведены на рисунке 4.4,б. Зубок
имеет одну плоскую и одну выпуклую грани. Его основными геометрическими
характеристиками являются диаметр d, угол резания (32 ) и вылет зубка над
телом шарошки h0. Из рисунка 4.4,б видно, что зубок Г23 имеет тупой угол
резания (32 +90 ). Это вынужденная мера для исключения растягивающих
напряжений в теле зубка и повышения сопротивления зубка изгибу. В
44

45.

настоящее
время
предложено
оснащать эти долота не только
твердосплавными, но и резцами с
алмазным покрытием, подобным
резцам для долот PDC, которые
будут рассмотрены в следующем
разделе книги.
В процессе бурения каждый
элемент
вооружения
шарошки
совершает
сложное
движение
относительно
забоя
скважины,
обусловленное вращением шарошки
вокруг своей оси и вращением
долота. Траектория движения зубка
по забою представляет собой
пространственную
эпитрохоиду.
Пример
проекции
эпитрохоиды
на
плоскость,
перпендикулярную
оси
долота,
приведен на рисунке 4.4,в, из
которого
видно,
что
зубок
периодически то удаляется, то
приближается к оси долота в
интервале от R1 до R2, пересекая в
двух точках свой след.
Одношарошечные
долота
шифруются
аналогично
Рисунок 4.5 – Долото типа СЗ-ГАУ,
шарошечным долотам дробящеоснащенное твердосплавными
скалывающего действия, которые
резцами
будут рассмотрены ниже. Общий вид
современного одношарошечного долота показан на рисунке 4.5. Оно, как
правило, с герметизированной маслонаполненной опорой и с размещением
зубков по оптимизированной схеме для обеспечения необходимого перекрытия
забоя по всему радиусу. При этом шарошка не идеальная сфера, а ступенчатая.
Одношарошечное долото одинаково хорошо разрушает горную породу во
всех направлениях, что делает их весьма перспективными при бурении
наклонных и горизонтальных скважин с управлением кривизной. Недостатком
долот является возможность повреждения (царапания и резания острыми
периферийными резцами) труб при спуско-подъемных операциях через
обсадные колонны, что ограничивает их применение.
45

46.

5 ДОЛОТА С ФИКСИРОВАННЫМИ АЛМАЗОСОДЕОЖАЩИМИ
РЕЗЦАМИ
5.1 Элементы вооружения алмазно-твердосплавных долот
Породоразрушающие
инструменты
с
алмазно-твердосплавным
вооружением разрушают горную породу исключительно резаниемскалыванием благодаря острой или слегка притупленной режущей кромке.
Основу
алмазно-твердосплавного
вооружения
составляют
поликристаллические алмазные пластинки круглой формы (АТП) и резцы
треугольной формы (АТР), спеченные на твердосплавной подложке. В
настоящее время употребляется общий термин – резцы независимо от их
формы. Выше отмечалось, что в качестве названия алмазно-твердосплавных
долот широко используется аббревиатура PDC (поликристаллическая алмазная
композиция). Ниже эта аббревиатура будет использоваться в качестве
обозначения алмазно-твердосплавных долот.
На рисунке 5.1,а,б,в
показаны алмазно-твердосплавная пластинка,
алмазно-твердосплавный резец и мозаичный резец соответственно. Мозаичный
резец собирается из треугольных резцов для получения элемента вооружения
больших размеров (диаметром до 2"). Наибольшее распространение получили
алмазно-твердосплавные пластинки диаметром d от ½ до ¾" (от 13 до 19 мм).
1 – алмазная пластинка; 2 – подложка; 3, 4 – основа; 5 – лопасть долота;
6 – антивибрационная вставка
Рисунок 5.1 – Резцы долот PDC и их взаимодействие с забоем скважины
46

47.

На рисунке 5.1,г показан столбчатый (вертикальный) зубок, который
крепится в цилиндрических гнездах, выполненных в корпусе долота или в
лопастях, а на рисунке 5.1,д показан цилиндрический зубок и его установка на
рабочих
элементах
породоразрушающих
инструментов.
Крепление
осуществляется пайкой. Из рисунков 5.1,г,д видно, что резцы устанавливаются
под тупым углом (90 + α) к поверхности разрушаемой породы. Это
вынужденная мера, так как на поверхности резцов не должно быть
растягивающих напряжений. Например, фирма Baker Hughes рекомендует у
долот величину угла:
для мягких горных пород
α = 15 ;
для горных пород средней твердости α = 20 ;
для твердых пород
α = 30 .
По требованию заказчика на долотах могут быть установлены резцы с
острой режущей кромкой (рисунок 5.2,а) и с режущей кромкой притупленной
фаской шириной от 0,5 до 1,3 мм (рисунок 5.2,б). Кроме того, для повышения
прочности зубка его передняя часть может быть выполнена конической
(рисунок 5.2,в).
а
б
в
Рисунок 5.2 – Профили режущей кромки резцов
В последнее время на рынке появились резцы со скругленной режущей
кромкой.
При соединении алмазного слоя с плоской поверхностью подложки при
бурении нередко наблюдались случаи отрыва алмазного слоя. Поэтому фирмы
производители резцов выполняют подложки с весьма сложной конфигурацией
контактной поверхности. В качестве примера на рисунке 5.3 приведены две
принципиально разные поверхности контакта, запатентованные фирмой
ReedHycalog.
По верхней схеме (рисунок 5.3,а) изготавливаются резцы GridMax. Из
рисунка 5.3,а видно, что поверхность контакта имеет ячеистую структуру, а по
периметру подложки выполнена фаска для увеличения высоты алмазного слоя
по контуру резца. По нижней схеме (рисунок 5.3,б) изготавливаются резцы
SonicMax. В этом случае на поверхности подложки выполнены концентричные
выступы разной высоты.
47

48.

По
периметру
резца
алмазный
слой
имеет
увеличенную толщину.
Такое
выполнение резца повышает его
стойкость при динамических
нагрузках.
На
рисунке
5.4
показана схема изготовления
АТП (резцов PDC).
В огнеупорный контейнер 1
засыпаются
синтетические
алмазы 2 в виде порошка.
Твердосплавная
подложка
3
помещается
на
алмазный
порошок. Контейнер механически
герметизируется
и
устанавливается в графитовую
нагревательную
трубку.
Вся
сборка
помещается
в
специальную камеру, обеспечивающую передачу давления пресса на подложку
и далее на алмазный порошок.
При давлении 7000-8000 МПа и температуре 1400 С происходит
спекание алмазного порошка. Кобальт, содержащийся в твердосплавной
подложке, проникает в алмазный порошок и
катализирует реакцию спекания. Результатом
является двухслойная алмазно-твердосплавная
пластинка. Послойное расположение алмаза и
твердого сплава обеспечивает необходимые
твердость режущей кромки резца и его
изгибную прочность, так как прочность на
изгиб твердого сплава на 70 % выше чем
алмаза.
Большинство изготовляемых АТР и АТП
Рисунок 5.4 – Схема
имеют короткую подложку, недостаточную для
изготовления АТП
их крепления на рабочих поверхностях
породоразрушающих инструментов. Поэтому
их приваривают к твердосплавной основе. В результате получают
цилиндрические или столбчатые (вертикальные) зубки.
Рисунок 5.3 – Поверхности соединения
алмазной пластинки с подложкой
5.2 Устройство долот PDC
Общий вид шестилопастного долота PDC показан на рисунке 3.1,а. Долото
состоит из головки (выделена светлым цветом)
и
переводника с
48

49.

присоединительной резьбой. Головка выполняется из стали с последующим
покрытием изнашиваемых поверхностей твердым сплавом, или из твердого
сплава (матричные долота). Число лопастей зависит от размера и назначения
долота. Например, НПП "Буринтех" готовит долота с числом лопастей от трех
до девяти. Трехлопастное долото имеет три полных лопасти. Четырех
лопастное (рисунок 5.5) и пятилопастное долота имеют только две полных
лопасти. Шести (рисунок 5.5) и более лопастные долота имеют три полные и
остальные укороченные лопасти.
1 – полные лопасти; 2 – укороченные лопасти;
3 –промывочные отверстия, армированные насадками
Рисунок 5.5 – Четырех- и шестилопастное долота НПП "Буринтех"
Характерные профили долот и обозначения наружных поверхностей
лопастей показаны на рисунке 5.6.
С – внутренняя конусная
поверхность;
N – торцовая поверхность;
Т – наружная конусная
поверхность;
S – плечевая поверхность;
G – калибрующая
поверхность
Рисунок 5.6 – Характерные
профили алмазных долот
и обозначение участков
профиля
49

50.

Калибрующие поверхности лопастей 1 долот (рисунок 5.7) оснащаются
твердосплавными зубками 2, импрегнированными алмазами, и могут быть
дополнительно усилены вставками 3 с алмазным покрытием.
3
1
3
2
1
2
Рисунок 5.8 – Оснащение
верхней части лопасти
выбуривающим резцом
Рисунок 5.7 – Армирование
калибрующей поверхности
лопасти
В случае сужения ствола скважины над работающим долотом возможно
его заклинивание при подъеме из скважины. Поэтому некоторые долота
снабжаются системой "updrill" (рисунок 5.8). В этом случае в верхней части
лопасти 1, калибрующие поверхности которой оснащены зубками 2,
дополнительно устанавливаются выбуривающие резцы 3, которые позволяют
проводить обратную проработку ствола скважины при подъеме долота с
вращением и промывкой.
Армирующие элементы калибрующей поверхности G устанавливаются
заподлицо с боковой поверхностью лопасти, а ее максимальный диаметр
выполняется примерно на 0,6 мм больше, чем максимальный диаметр плечевой
поверхности S. Это обусловлено необходимостью предупредить резание
спущенных в скважину обсадных труб острыми резами, которыми оснащена
поверхность S.
Резцы, кроме периферийных, размещены на лопастях по спирали, как
показано на рисунке 5.9.
а
б
Рисунок 5.9 - Размещение резцов в плане: а – простая спираль;
Размещение
б – с попарным размещением предпериферийных резцов
50

51.

Антивибрационные системы долот показаны на рисунке 5.10.
Назначение – повысить равномерность разрушения горной породы за счет
ограничения глубины внедрения резцов.
в
б
а
1
2
1
3
1
4
Рисунок 5.10 – Антивибрационное вооружение лопастей долот PDC
За основным рядом 1 вооружения лопасти могут быть выполнены:
1) твердосплавные бобышки 2 (рисунок 5.10,а);
2) бобышки в виде сплошного выступа 3 (рисунок 5.10,б);
3) установлены цилиндрические зубки 4, рабочая поверхность которых
параллельна плоскости забоя (рисунок 5.910,в);
4) установлены зубки со сферической рабочей поверхностью (рисунок
5.1, позиция 6).
Большое внимание уделяется схеме размещения гидромониторных
насадок 3 (см. рисунок 5.5) для обеспечения наилучшей очистки забоя и
охлаждения резцов. С этой целью при разработке конструкции долота
осуществляется компьютерное моделирование движения промывочной
жидкости в проемах между лопастями и выбор оптимального варианта.
Поэтому странное на первый взгляд размещение насадок является наиболее
рациональным для данного долота. Одно долото может оснащаться насадками
разного диаметра, а насадки могут быть как несменными, так и сменными.
Породоразрушающие инструменты PDC разрушают горную породу
резанием-скалыванием по схеме, приведенной на рисунке 5.1,д. При этом для
создания режущего действия требуется осевая нагрузка на долото кратно
меньшая, чем на долота других конструкций. Но при этом обеспечивается такая
же или большая скорость бурения.
Недостаток. Ограничивается применение долот PDC в горных породах
повышенной твердости и крепких, а также в горных породах с твердыми и
крепкими включениями и пропластками.
Дорогие исходные материалы и сложная технология изготовления как
элементов вооружения, так и самих породоразрушающих инструментов
51

52.

обусловливают их высокую стоимость, соизмеримую со стоимостью
инструментов, оснащенных природными алмазами. Но низкие осевые нагрузки,
обеспечивающие эффективную работу инструментов PDC, позволяют решать
другие технологические задачи бурения, например, задачу профилактики
самопроизвольного искривления скважин. Эти особенности наряду с высокими
механической скоростью и проходкой на долото резко повышают
конкурентоспособность породоразрушающих инструментов PDC.
5.3 Долота с гребнеобразными резцами и коническими вставками
Сотрудниками фирмы Шлюмберже разработаны и испытаны долота с
комбинированным вооружением лопастей гребнеобразными алмазнотвердосплавными резцами и коническими вставками (рисунок 5.11).
Гребнеобразные резцы создают эффект повышенной концентрации напряжений
в горной породе при одинаковой нагрузке на резцы.
Рисунок 5.11 – Гребнеобразный (а) и конический (б)
элементы вооружения долота
Размещение элементов вооружения на лопастях долота показано на рисунке
5.12. Из рисунка 5.12 видно, что конические
резцы смещены по радиусу относительно
основных. Это сделано так, чтобы конический
резец двигался по окржности забоя, по
которой будет двигаться соответствующий
резец, идущей следом лопасти.
1- гребнеобразные резцы
2 – конические вставки
Рисунок 512 – Размещение элементов
вооружения на лопастях
52

53.

В отличие от описанных выше антивибрационных вставок конические
вставки не только ограничивают глубину резания горной породы основными
резцами, но создают зону предразрушения породы перед резцами идущей
следом лопасти. Испытания показали, что стойкость вооружения таких долот в
горных породах повышенной твердости существенно выше, чем у серийных
долот, что обеспечивало более высокие показатели бурения.
5.4. Шифры и коды долот PDC
Породоразрушающие инструменты PDC изготавливают большое
количество фирм. Предприятия имеют свои собственные условные обозначения
инструментов. Какая либо унификация отсутствует.
Шифры долот. В качестве примера рассмотрим шифры долот НПП
«Буринтех» и ОАО «Волгабурмаш». До 2018 г. долота НПП «Бупинтех»
имели шифр БИТ 215,9 ВТ 613… (code IADC S333). Аббревиатура "БИТ"
сокращенно "Буринтех"; цифры 215,9 – диаметр долота в мм; латинская буква
В – шифр производителя (дублирует первые три буквы); буква Т означает, что
долото относится к "серии управляемых долот" (эти долота могут
использоваться при бурении с управлением кривизной); цифра 6 –
шестилопастное долото; цифра 13 – диаметр основных резцов в мм;
многоточием заменены дополнительные сведения (опции) о долоте. НПП
"Буринтех" использует резцы размером (диаметр пластинок) 8, 10, 13, 16 и 19
мм.
Таблица 5.1 – Опции долот ОАО НПП «Буринтех»
Название опции
Основное вооружение
Базовое вооружение
Опции
Резцы повышенной износостойкости
Резцы повышенной прочности
Y
Т
Корпус (материал головки )
Матричный (головка из твердого сплава)
М
Присоединительная резьба
Ниппельная
Муфтовая
Р
Система промывки
Установлены несменные насадки
Н
-
Второй ряд вооружения (за основным)
53

54.

Дополнительный ряд твердосплавных
импрегнированных алмазами резцов
Е
Дополнительный ряд резцов PDC
O
Дополнительный ряд
антивибрационных вставок
С
Вооружение калибрующей поверхности
Калибрующая поверхность оснащена
термостойкими алмазными вставками
А
Калибрующая поверхность оснащена
твердосплавными импрегнированными
алмазными вставками
Х
В
Верхняя часть лопасти оснащена
выбуривающими резцами PDC
В настоящее время появилась информация об устранении дублирования в
шифре долота и о записи диаметра долота в дюймах. Соответственно шифр
принимает вид
54

55.

215,9 (8 1/2) ВТ 613…; 215,9 ВТ 613… или 8 1/2 ВТ 613…
Долота ОАО «Волгабурмаш» изготавливают на трех продуктовых
линиях и соответственно шифруются. Продуктовая от слова продукция. В
шифрах все буквы латинские.
На продуктовой линии FastDril (FD) изготавливают типовые долота со
стальным корпусом диаметром от 83,0 до 444,5 мм типов от S до МН. Буквы в
конце кода соответствуют группам твердости горных пород, обозначенной
латинскими буквами:
группа S – мягкие горные породы;
группа SM – мягкие с прослоями пород средней твердости;
группа M – горные породы средней твердости;
группа МН – горные породы средние с прослоями твердых.
Примеры шифра: 123,8 (4 7/8) FD413SM; 295,3 (11 5/8) FD816МН и т.д.
Цифры после букв FD: первая - число лопастей, а две последние – диаметр
резцов в мм, т.е. так же как и в случае долот НПП "Буринтех".
Продуктовая линия smartFastDril (sFD) имеет название премиум-линия.
Изготавливаются долота диаметром от 123,8 до 393,7 мм, разработанные с
помощью уникального программного комплекса, позволяющего проектировать
оптимальное вооружение долот.
Примеры шифра: 123,8 (4 7/8) sFD613M; 295,3 (11 5/8) sFD419S и т.д.
На продуктовой линии FastDrilMatrix (FDM) изготавливают долота с
твердосплавной головкой (матричные долота) диаметром от 152,4 до 311,1 мм
для разбуривания горных пород средней твердости с прослоями твердых. Эти
долота отличаются высокой износостойкостью при абразивном и эрозионном
изнашивании.
Примеры шифра: 215,9 (8 1/2) FDМ616MН;
295,3 (11 5/8) FDМ616МН и
т.д.
Коды долот по системе МАБП (международной ассоциации буровых
подрядчиков) проставляют в скобках после основного шифра. Для алмазных
инструментов код начинается с одной из латинских букв S, M или D:
S − стальная головка долота PDC;
М − матричная (твердосплавная) головка долота PDC;
D − долото оснащено зерновыми алмазами.
Первая цифра называется серией долота, которая соответствует группе
твердости горных пород в странах СНГ или группе горных пород в
соответствии с прочностью при одноосном сжатии в остальных странах. Для
долот PDC отечественного производства:
цифра 1 – долото горных пород до 3-й категории твердости;
55

56.

цифра 2 – долото для горных пород до 5-й категории;
цифра 3 – долото для горных пород до 6-й категории;
цифра 4 - долото для горных пород до 7-й категории включительно.
Вторая цифра соответствует группе элементов вооружения долота:
1 – диаметр более 24 мм;
2 − диаметр от 14 до 24 мм;
3 − диаметр от 8 до 14 мм;
4 − диаметр меньше 8 мм.
Третья цифра характеризует особенности профиля долот (см. рисунок
5.6) и отражает относительный размер Т наружной конусной поверхности:
1 − Т = 0. "Плоский" профиль (участок Т отсутствует);
2 − короткий участок Т;
3 − участок Т средней длины;
4 − участок Т большой длины.
Например, долото с кодом S323 имеет стальную головку (корпус),
основной диаметр резцов 19 мм, наружная коническая поверхность средней
длины. Долото с кодом М432 имеет матричную головку (корпус), основной
диаметр резцов 13 мм, короткая наружная коническая поверхность.
5.5 Кодирование износа долот PDC
При описании износа долот режуще-скалывающей подгруппы по системе
МАБП (международной ассоциации буровых подрядчиков) используются
восемь характеристик износа и отказа. Аналогичная система используется и для
кодирования износа шарошечных долот, которая более подробно будет
рассмотрена ниже. Запись кодов ведется в форме таблицы 5.1.
Таблица 5.1 – Кодирование износа долот
Шифр
долота
ВИТ
Номер
235
Коды износа
вооружения
I
5
O
2
D
WT
L
N
Код износа
опоры,
уплотнения
B
X
Код износа
по
диаметру
G
1
Примечание
O
NO
R
BHA
Первые две колонки характеризуют долото. В них записываются шифр
долота и его заводской номер.
В колонку I (inner rows) записывается величина износа внутреннего
вооружения долота до 2/3 радиуса от центра долота.
В колонку О (outer rows)
записывается величина износа внешнего
вооружения долота, занимающего оставшуюся 1/3 его радиуса.
В случае бурильных головок ширина кольца головки делится пополам.
56

57.

Для описания состояния износа вооружения применяется линейная шкала
кодов от 0 (вооружение не изношено) до 8 (вооружение изношено на 100 %).
Для алмазных долот и долот, оснащенных термоустойчивыми
поликристаллическими элементами (TSP), код износа определяется сравнением
видимой высоты вооружения нового долота и высоты изношенного
вооружения.
Ниже кодирование износа рассмотрено на примере долот PDC. При
описании следует рассмотреть наиболее изношенную полную лопасть долота.
Схема лопасти, измерения размеров элементов вооружения (алмазнотвердосплавных пластин АТП) и соответствующие износу коды показаны на
рисунке 5.13. Исходный диаметр d пластинок сопоставляется с замером h
изношенной пластинки и вычисляется код К:
К = 8(d – h)/ d.
(5.1)
Полученная величина округляется до целого значения и записывается в
таблицу 5.1. При неравномерном изнашивании определяются средние
арифметические значения кодов. Например, если бы имел место случай, как на
рисунке 5.4, то код для внутреннего вооружения был бы равен
R
4 5 6 7 8 0
KI =
= 5,
6
а код для внешнего вооружения:
R/3
3
2R/3
d
4
2
1 2 3
5
6
KO =
= 2.
7
3
8
Эти коды и записаны в колонки I и О
Зубок
0
таблицы 5.1.
1
PDC Лопасть
В колонку D записывается
двухбуквенный код характера износа
наиболее
изношенной
части
h
вооружения или отказа долота.
R – радиус долота;
Наиболее характерные виды износа и
d – диаметр АТП;
поломок
(повреждения)
алмазноh – измеряемый размер изношенной
твердосплавного
вооружения
АТП
показаны на рисунке 5.14.
Рисунок 5.13 – Схема лопасти долoта
PDC
и коды, соответствующие износу
Колонка L (Местоположение)
АТП
используется для указания, где
находится опережающий износ
долота, отмеченный в колонке D. Кодирование участков лопастей долота
показано на рисунке 5.6.
Ниже приведена расшифровка кодов местоположения износа:
57

58.

Рисунок 5.14 – Характерные виды повреждения резцов долот PDC
C – Cone (внутренняя конусная поверхность);
N – Nose (торцевая поверхность);
T – Taper (наружная конусная поверхность);
S – Shoulder (плечевая поверхность);
G – Gauge (калибрующая поверхность);
А – равномерное изнашивание вооружения.
Колонка В заполняется буквой Х, т.к. рассматриваемые долота не имеют
опор и систем их смазки.
В колонке G записывается износ долота по диаметру. Величина потери
диаметра записывается в шестнадцатых долях дюйма. При износе долота без
потери диаметра ставится код IN.
Чтобы правильно вычислить величину износа долота по диаметру,
рекомендуется замерить диаметр долота до спуска в скважину и после подъѐма.
Замер требуется производить специальным мерным кольцом. Замер диаметров
долот кольцами, предназначенными для замера диаметра шарошечных долот,
не допускается, т.к. они отличаются по диаметру. Шарошечные долота имеют
только положительный допуск на диаметр, а алмазные долота и долота PDC
имеют только отрицательный допуск на диаметр. Пример измерения износа
долота по диаметру показан на рисунке 5.15.
Замер
Рисунок 5.15 – Положение
мерного кольца
относительно долота
при измерении износа
по диаметру
(стрелкой показано место
замера диаметра)
58

59.

Решение о цифре кода принимается в соответствии с приведенными ниже
рекомендациями:
IN – соответствие номинальному диаметру долота (износ в пределах
допуска на диаметр долота);.
1 – потеря диаметра до 1/16"(до 1,6 мм);
2 – потеря диаметра от 1/16" до 2/16'' (от 1,7 до 3,2 мм);
3 – потеря диаметра от 2/16" до 3/16" (от 3,3 до 4,8 мм);
4 – потеря диаметра от 3/16" до 4/16" (от 4,9 до 6,4) и т. д.
Код IN ставится в случае, когда измеренная величина D не превышает
отрицательный допуск на диаметр долота.
Колонки О (примечания) должна содержать код сведений о неосновных
видах износа, а колонка R - о причинах прекращения бурения и подъема
долота:
BF − Потеря алмазно-твердосплавного элемента.
BT − Слом резцов (зубков).
BU − Образование сальника на долоте.
CT − Скол алмазно-твердосплавного элемента.
CR − Кернение (износ центральной части долота).
DL − Потеря алмазного слоя.
ER − Эрозивный износ.
HC − Термическое растрескивание (нагрев) резцов.
JD − Работа долота по металлу.
LN − Потеря насадки.
LM – Потеря частей корпуса долота.
LT − Потеря резцов (зубков).
NO − Отсутствие износа.
NR − Не пригодно для повторного спуска.
OC − Эксцентричный износ.
PB − Механическое повреждение при СПО.
PN − Закупорка насадки (промывочного канала).
RO − Кольцевая выработка на долоте.
RR − Долото пригодно для повторного спуска.
SS − Эффект самозатачивания резцов.
WO − Размыв корпуса долота.
WT − Изношенные резцы (зубки).
В конце описания износа дается заключение о состоянии долота, в том
числе в виде кода:
NO − отсутствие износа;
RR −долото пригодно для повторного спуска;
NR − не пригодно для повторного спуска.
По данному разделу курса предусмотрена лабораторная работа по
определению и записи кода износа, а поэтому более подробное описание износа
рассматривается в соответствующих методических указаниях.
59

60.

5.6 Коды видов износа долот PDC
На одном и том же элементе, например лопасти, могут иметь место
несколько видов износа, а поэтому обозначений может быть одно или
несколько. В качестве примера на рисунке 5.16 приведена фотография
вооружения долота БИТ (производство «Буринтех»), отработанного до отказа.
Из рисунка 5.16 видно, что 1-я и 2-я лопасти долота не имеют существенных
повреждений, тогда как вооружение 3-й и 5-й лопастей полностью вышло из
строя, а вооружение 4-й лопасти ‒ частично. Таким образом, отказ долота
является следствием износа 3-й, 4-й и 5-й лопастей. Номера лопастей условные.
Характерными видами износа являются потеря резцов (LT), скол (СТ) алмазнотвердосплавных пластин (АТП) и потеря алмазного слоя резцов (BF).
Рисунок 5.16 – Вид вооружения отработанного долота БИТ
Другой особенностью износа долота является хорошо выраженная
асимметрия. Причин может быть несколько:
1) долото работало в составе компоновки, позволяющей управлять
кривизной скважины в процессе бурения (объективная причина);
60

61.

2) значительное дисбалансное усилие на вооружении долота,
расширяющее скважину (объективная причина);
3) перекос резьб наддолотного предохранительного переводника
относительно оси вращения вала забойного двигателя или наддолотной части
бурильного инструмента (брак бурового предприятия).
Worn Teeth (износ элементов вооружения по высоте)
Это нормальный абразивный износ элементов вооружения (резцов). Вид
элементов вооружения с таким износом показан на рисунке 5.17.
WT
Рисунок 5.17 – Фрагмент лопасти с
нормально изношенными резцами
по высоте (WT)
Heat Checking (термическое растрескивание зубков в результате
перегрева их рабочих поверхностей)
Этот вид износа наблюдается при перегреве резцов вследствие
скольжения по породе в течение многих циклов (рисунок 5.18). Последующее
развитие трещин является одной из
основных причин скола и слома
элементов вооружения.
HC
Рисунок 5.18 – Вид изношенной
поверхности резца с термическими
трещинами (НС)
Некоторые причины возникновения температурных трещин:
повышенные частота вращения долота и осевая нагрузка на долото;
твердость горной породы не соответствует типу долота;
низкая охлаждающая способность промывочной жидкости;
проработка ствола скважины при высокой частоте вращения
долота (характерно для износа калибрующего скважину вооружения).
61

62.

BF – потеря алмазного слоя (отделение
от твердосплавной подложки)
Отказ зубков в виде потери алмазного слоя наблюдался на долоте,
показанном на рисунке 5.13 (на 4-й и 5-й лопастях).
Причины потери алмазного слоя те же, что и скола резцов, а также может
быть обусловлено низким качеством изготовления резцов.
LT - Lost Teeth (потеря зубков)
Потеря (выпадение) целиком зубков приводит к более серьезным
повреждениям долота, чем сколы зубков. Вид лопасти с потерянными зубками
показан на рисунке 5.16 (лопасть 3). Выпавшие зубки, оставаясь на забое,
повреждают вооружение других лопастей, а также вооружение вновь
спущенного долота, если не были приняты меры по очистке забоя.
Причины выпадения зубков:
эрозионный износ лопастей;
твердые включения в горной породе;
высокая динамичность работы (вибрация) долота;
брак производства (плохое крепление резцов).
ER - Erosion (эрозионный износ)
Фрагмент лопасти, подверженной эрозионному износу, показан на
рисунке 5.19. Из рисунка видно, что эрозия привела к оголению резцов и
уменьшению поверхности связи резца с телом лопасти, т.е. к ослаблению
крепления зубка. При передержке долота на забое возможна потеря резцов.
ER
Рисунок 5.19 – Эрозионный износ (ER) лопасти долота PDC
Причинами этого вида износа могут быть:
62

63.

высокая абразивность горных пород;
недостаточная промывка забоя при бурении в абразивных породах;
плохая очистка бурового раствора и, как следствие,
гидроабразивный износ.
CR – Cored (кернование – износ долота)
Вид долота, имеющего износ типа кернования, показан на рисунке 5.20,
из которого видно, что части лопастей на внутреннем конусе С долота
отсутствуют. Возможно, что вначале произошло разрушение резцов на этих
частях лопастей, а затем их абразивный износ.
CR
LN
Насадка
Рисунок 5.20 – Долото, изношенное кернованием (CR) и имеющее одну выпавшую
(потерянную) насадку насадку (LN)
В случае слома или износа лопастей внутреннего конуса долота на забое
скважины образуется керн, на котором зависает долото и резко снижается
механическая скорость бурения.
Некоторые причины этого вида износа:
несоответствия типа долота и режима его работы разбуриваемым
горным породам;
неправильная приработка нового долота;
металл на забое.
PN – Plugged Nozzle or Flow Passage (закупорка насадки
или промывочного канала)
Закупорка насадки относится к отказу системы промывки долота и
требует прекращения бурения из-за повышения давления на стояке. Так же как
63

64.

и потеря насадки, она отражается при оценке состояния долота в колонке 9 (О)
"Другие характеристики износа".
Причины закупорки насадок:
спуск долота в шлам на забое при отсутствии циркуляции;
попадание твердых предметов в буровой раствор.
RO – Кольцевая выработка
Распределение нагрузки на вооружение долота и его охлаждение
неравномерны по радиусу. Поэтому на отдельных участках долота условия
работы могут достигать предельных значений и на этих участках наблюдается
опережающий износ вооружения в виде кольцевой выработки. Вид долота с
такой формой износа показан на
рисунке 5.21.
Некоторые причины этого вида
износа:
высокая
абразивность
горных пород;
неправильная приработка
нового долота;
металл на забое;
несоответствие типа долота
твердости
разбуриваемой
горной
породы;
завышенная
частота
вращения долота.
Рисунок 5.21 - Долото PDC
с кольцевой формой износа
вооружения лопастей
BU – Balled Up Bit (образование
сальника на долоте).
Поднятый
из
скважины
породоразрушающий инструмент весь или
частично покрыт слоем налипшей горной
породы (сальником) (рисунок 5.22). При
этом могут быть закрыты одно или
несколько промывочных отверстий и
каналов между лопастями, в результате
чего наблюдается повышение давления
промывочной жидкости на стояке.
64
Рисунок 5.22 - Сальник на долоте

65.

Некоторые причины сальникообразования:
недостаточная очистка забоя скважины;
работа долота при отсутствии циркуляции промывочной
жидкости;
разбуривание липких горных пород.
LM - слом лопастей или их части
Поднятое из скважины долото имеет существенные механические
повреждения. Причины:
неправильная приработка нового долота;
несоответствие типа долота горной породе;
завышенная нагрузка на долото;
вибрация инструмента.
JD − Junk Damage (работа долота по металлу на забое)
Следы работы по металлу могут быть обнаружены в виде вмятин на
любой поверхности долота. Во время бурения наблюдается повышенная
вибрация инструмента.
Заключение о состоянии долота
В конце описания (осмотра) долота дается заключение о его состоянии, в
том числе в виде кода:
NO – No Dull Characteristic (отсутствие износа);
RR – Rerunnable (долото пригодно для повторного спуска);
NR – Not Rerunnable (не пригодно для повторного спуска).
Эти буквы кода могут быть указаны в примечании. Коды NO и RR
свидетельствуют о том, что долото пригодно для дальнейшего использования.
5.7 Выбор долота PDC в соответствии с механическими
свойствами горных пород
Буровое долото, спущенное в скважину, должно соответствовать
твердости и абразивности горных пород разбуриваемого интервала, т.к. каждый
тип долота имеет свою область рационального применения. Распределение
твердости горных пород в категориях симметрично и не противоречит
нормальному закону. В бурении принята вероятность оценок, равная 0,95.
Далее рассмотрим задачу на примере долот, изготавливаемых ООО НПП
«Буринтех». В проспектах предприятия содержатся сведения о конструкциях и
областях применения долот (таблица 5.2). Крестиками отмечены конструкции
долот, которые находятся в производстве.
65

66.

Таблица 5.2 – Типы долот PDC и области их применения
Тип
долота
М
МС
С
СТ
Т
Первая
цифра кода
долота по
МАБП
1
2
3
3'
4
Область применения,
Н, от до,
кат.
1-4
2-5
3-6
4-6
4-7
р0, от до,
МПа
13-320
60-590
160-1000
320-1000
320-1630
Особенности конструкции
Базовая
+
+
+
с опцией
Т
с опцией
Y
+
+
+
+
Для наглядности выбора типа долота удобно использовать номограмму
(рисунок 5.23) по данным об областях применения долот по показателю р0 (см.
таблицу 5.2). Это связано с тем, что большинство горных пород, в которых
применяются долота PDC, даже в стандартных условиях не дают хрупкого
разрушения и показатель твердость по штампу для них не может быть
определен. Аналогичные номограммы могут быть построены по показателям Н
в категориях и U в кодах МАБП. Подробнее построение номограмм будет
рассмотрено в подразделе «Выбор шарошечных долот». Ключ к номограмме
прорисован пунктиром.
Рисунок 5.23 – Номограмма выбора долота PDC
66

67.

При выборе долота данные о механических свойствах горной породы
рассматриваются как вариационные ряды. Необходимо рассчитать
среднеарифметическое значение предела текучести горной породы р0с и его
среднеквадратическое отклонение s для рассматриваемого интервала бурения.
По этим данным рассчитать верхнее значение р0в2:
р0в2 = р0с + ts,
(5.2)
где t ‒ параметр распределения Стьюдента, зависящий от числа членов
вариационного ряда при надежности (вероятности) 0,95 оценки и числа
степеней свободы. Рассчитанные значения р0с и р0в необходимо привести к
забойным условиям. Если определения показателей механических свойств
пород выполнены по их литологическим разностям, то статистические
характеристики следует определять как средневзвешенные величины с учетом
толщин литологических разностей.
Пример. Среднее значение предела текучести породы р0сз= 728 МПа,
верхнее значение р0в2з= 924 МПа. Из рисунка 5.23 следует, что подходят долота
с кодами вооружения 3'(СТ) и 4 (Т). Величины р0сз и р0в2з приведены к
забойным условиям и рассчитаны из условия, что напряженное состояние под
резцами зависит не только от предела текучести породы, но и от ее модуля
упругости.
Этот выбор не является окончательным, т.к. число лопастей долота PDC
зависит не только от твердости горной породы, но и от диаметра долота. В
книге под ред. В.Я. Кершенбаума приведены подробные данные о долотах PDC
разных изготовителей. Регрессионный анализ этих данных дал следующие
результаты:
для долот НПП "Буринтех" базовой конструкции
z = 0,00369 р0в2з + 0,00959D;
(5.3)
для долот НПП "Буринтех" с опциями "T" и "Y"
z = 0,00308 р0в2з + 0,00963D,
(5.4)
где z – число лопастей; р0в2з – приведенный к забойным условиям предел
текучести горной породы; D – диаметр долота, мм.
Подробнее построение номограмм и их практическое использование
будет рассмотрено на практических занятиях и при выполнении курсовой
работы.
67

68.

5.8 Истирающе-режущие долота, оснащенные натуральными
и синтетическими алмазами
Алмазные долота оснащаются наиболее дешевыми натуральными
алмазами подгруппы борт и синтетическими (искусственными) алмазами.
Алмазное долото (рисунок
5.24,а) состоит из полого стального
корпуса, включающего головку 1 и
переводник 2 с присоединительной
резьбой, твердосплавной матрицы
3, на секторах которой размещены
алмазы 4. В матрице долота
выполнены промывочные отверстия
5, переходящие в промывочные
каналы 6.
Алмазы на секторах крепят
разными
способами.
Наиболее
распространен способ порошковой
металлургии.
Алмазные
зерна
раскладывают в пресс-форме по
заданной схеме и фиксируют клеем.
В
пресс-форму
засыпают
порошкообразную шихту (смесь
карбида вольфрама и кобальта) и
спрессовывают, причем в качестве
пуансона
используют
головку
породоразрушающего инструмента.
Далее инструмент спекают при
Рисунок 5.24 - Алмазное долото
температуре около 1300 С в
защитной среде (например, в водородной печи).
Зерна алмазов должны
выступать над матрицей на 1/5 …1/4 от их диаметра. Для оголения алмазов,
если это не было предусмотрено в пресс-форме, используется пескоструйная
обработка рабочих поверхностей инструмента. Рабочая поверхность долота
выполнена в виде секторов, разделенных промывочными канавками.
Инструменты с алмазами, размещенными только в поверхностном слое
матрицы, называются однослойными (рисунок 5.24,б). При этом используют
алмазы диаметром 2…3 мм (от 3 до 12 зерен на карат). Область применения до
8-й категории твердости включительно.
При оснащении породоразрушающих инструментов мелкими алмазами
(до 1000 зерен на карат) их размещают в поверхностном слое матрицы
толщиной 5…6 мм (рисунок 5.24, в). Алмазы входят в состав шихты,
образующей этот слой. Такие инструменты называют импрегнированными.
На рисунке 5.25 показаны рабочие части (головки) современных
алмазных долот.
68

69.

а
б
в
Рисунок 5.25 – Алмазные долота: а – импортное однослойное, оснащенное
натуральными алмазами; б – импортное импрегнированное со столбчатыми рабочими
элементами; в – импрегнированное долото производства НПП «Буринтех»
Торцовая часть столбчатых элементов до глубины 5-6 мм представляет
собой твердый сплав, насыщенный мелкими алмазными зернами, как показано
на рисунке 5.24,в. Остальная часть столбика из чистого твердого сплава.
При изготовлении долот НПП Буринтех столбчатые элементы (вставки)
торцами, насыщенными алмазами, устанавливаются в гнезда матрицы и
засыпаются порошком шихты, которая спрессовывается и спекается с
образованием монолитной головки долота. Такая конструкция долота
обеспечивает заданный вылет вставок над поверхностью секторов.
Алмазы
разрушают
горные
породы
микрорезанием,
передеформированием с последующим усталостным отделением частиц
породы или ее истиранием, что обусловливает весьма низкую механическую
скорость проходки (0,5…1,5 м/ч). Схема взаимодействия алмазного зерна с
горной породой показана на рисунке 5.24,б.
Низкая механическая скорость и высокая стоимость долот ограничивают
область их применения. Долота конкурентоспособны только на глубинах,
превышающих 2500 м, когда большая проходка на долото компенсирует потери
времени из-за низкой механической скорости бурения за счет уменьшения
числа спуско-подъемных операций для смены долота. Кроме того
импрегнированные долота применяются при разбуривании крепких и очень
крепких горных пород (до 11 категории твердости включительно) со
сравнительно низким модулем упругости, так как в таких горных породах
шарошечные долота не могут обеспечить объемное разрушения горной породы
и оказываются не конкурентно способными с алмазными долотами.
Шифр импрегнированных долот НПП «Буринтех», например,
БИТ 215,9 D 15 09 1 А
включает семь позиций:
1) товарный знак;
2) диаметр долота;
3) алмазное вооружение (D);
4) количество секторов;
69

70.

5) количество промывочных отверстий;
6) тип вооружения (1 означает импрегнированное);
7) оснащено алмазосодержащими вставками.
Особенности бурения алмазными долотами. Алмазы выступают над
поверхностью рабочих элементов на весьма малую величину. Поэтому при
нагружении долота их внедрение в горную породу быстро достигает
предельного значения. Дальнейшее увеличение нагрузки на долото не
эффективно, т.к. скорость бурения прирастает незначительно, а рост работы
трения может привести к перегреву алмазов. Поэтому необходимо строго
соблюдать режим бурения путем правильного подбора осевой нагрузки на
долото и количества подаваемой на забой промывочной жидкости. Промывка
должна быть достаточной для удаления шлама и охлаждения долота, но не
приводить к его эрозионному изнашиванию.
Высокая хрупкость алмазов не допускает наличия на забое металла.
Плотность твердого сплава кратно выше, чем плотность горной породы, а
поэтому при обычной промывке потерянные зубки и их обломки с забоя не
удаляются. При необходимости перед спуском алмазного долота скважину
желательно очистить от металла и прошаблонировать твердосплавным
долотом,
имитирующим
алмазное,
с
шламометаллоуловителем (рисунок 5.26).
Из рисунка 5.26 видно, что на
твердосплавное
долото
1
навинчен
шламометаллоуловитель,
состоящий
из
корпуса 2 и шламовой трубы 3. Выше
расположен бурильный инструмент 4.
Соотношение
диаметров
скважины
и
шламовой трубы таково, что в кольцевом
зазоре обеспечивается скорость восходящего
потока промывочной жидкости около 5 м/с.
При такой скорости выносятся с забоя не
только шлам и куски горной породы, но и
твердосплавные зубки и их обломки. Над
шламовой трубой скорость потока резко
снижается до 1 м/с. Металл и крупные
обломки горной породы осаждаются в
Рисунок 5.26 –
шламовую трубу, а мелкий шлам выносится
Шламометаллоуловитель
и схема его работы в скважине
на поверхность.
70

71.

ТЕМА 6. ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА ДРОБЯЩЕ-СКАЛЫВАЮЩЕГО
ДЕЙСТВИЯ
6.1 Устройство шарошечного долота
Шарошечное долото с коническими шарошками было запатентовано
Юзом в 1909 году. С тех пор долота прошли длинный путь эволюции. В
настоящее время изготавливают 13 типов долот в нашей стране и 32 типа в
зарубежных странах для любых горных пород. Еще в конце прошлого века
такими долотами осуществлялось до 90 % всего объема бурения на нефть и газ.
В настоящее время эта величина существенно уменьшилась, т.к. все более
широкое применение находят долота PDC.
Общий вид шарошечного долота показан на рисунке 3.1,б. Долото
секционное. Каждая секция представляет собой сектор долота, включающий
лапу и шарошку. Сваренные между собой секции образуют корпус 1 долота.
Верхняя часть корпуса обточена и на ней выполнена присоединительная резьба
2. Шарошки 2-го класса (для абразивных горных пород) оснащены
твердосплавными зубками 3. В корпусе долота выполнены системы промывки 4
и смазки 5.
На рисунке 6.1 показано трехшарошечное долото 1-го класса (для
неабразивных горных пород) в разрезе. Оно оснащено стальными зубьями,
выполненными заодно с шарошками 2. Долото включает корпус 1 с
присоединительной резьбой. Шарошки 2 установлены на цапфах лап на
подшипниках качения 6 и 7 и скольжения 8. Комбинация подшипников
образует опору шарошки. В каждой секции долота выполнена система
промывки, включающая гидромониторную насадку 3, уплотнение насадки 4 и
крепление насадки 5. Струи жидкости 9 из гидромониторных насадок
направлены на забой. Системы смазки данное долото не имеет. Подшипники
опоры смазываются и охлаждаются промывочной жидкостью.
Таблица 6.1 - Присоединительные замковые резьбы долот
Диаметр
долота, мм
Шифр
резьбы
Зарубежные
аналоги
93,0-112,0
120,6
З-66
З-76
2
3
Reg
8
2
7
Reg
8
132,0187,3
З-88
3
1
Reg
2
190,5215,9
З-117
4
1
Reg
2
244,5349,2
З-152
6
5
Reg
8
374,6 и
более
З-177
7
5
Reg
8
Резьба обозначается буквой З, например, З-117. Цифра 117 – округленное
значение диаметра dp основания замкового конуса. В таблице 6.1 приведены
диаметры долот и соответствующие им условные обозначения замковых резьб.
Размеры зарубежных аналогов приведены в дюймах.
71

72.

З-117
dp
1
3
4
5
2
d
b
a
f
c
6
7
гидромониторная
струя жидкости
забой
8
k
Rд
9
Рисунок 6.1 - Шарошечное долото и схема его взаимодействия
с забоем скважины
72

73.

6.2 Принцип работы долота. Дробящая способность шарошек
Принцип работы элементов вооружения дробяще-скалывающего долота
показан на рисунке 6.2. Качение шарошек по забою обеспечивается установкой
их на цапфах с возможностью вращения, трением элементов вооружения о
забой и сопротивлением горной породы скалыванию внедрившимися в нее
элементами вооружения.
1, 2, 3 – номера венцов шарошки
Рисунок 6.2 - Схема взаимодействия вооружения долота с забоем
При перекатывании шарошки с одного элемента вооружения на другой
создается дробящий эффект, а при проскальзывании вооружения относительно
плоскости забоя создается скалывающий эффект.
Обеспечение и регулирование дробящей способности долота
рассмотрим в соответствии со схемой на рисунке 6.2. При перекатывании
шарошек с зуба на зуб происходит вертикальное перемещение корпуса долота и
связанного с ним бурильного инструмента. Потенциальная энергия
перемещающегося и сжатого в вертикальном направлении низа бурильного
инструмента является источником динамического воздействия долота на забой
скважины. Теоретическое решение задачи о динамике работы долота возможно
только с большими допущениями и дает лишь качественную картину. А
поэтому для практических целей используются прямые измерения.
Принимаем, что названная потенциальная энергия инструмента Uи прямо
пропорциональна вертикальному перемещению долота z:
Uи = Аиz,
(6.1)
где Аи – коэффициент пропорциональности; z – вертикальное перемещение
долота.
73

74.

Для определения величины z рассмотрена условная шарошка с зубьями в
венцах, выполненными на одной образующей конуса шарошки. Поскольку
долото жесткое, то вертикальные перемещения точки Оi, лежащей на оси
шарошки (цапфы) и долота совпадут. При опирании на два зуба в точках А и В
ось шарошки находится в нижнем крайнем положении Оi . По мере
перекатывания шарошки зуб в точке В принимает вертикальное положение Оi.
Тогда вертикальное перемещение оси шарошки, а вместе с ней и долота
zmax= zОi - zОi = ri sin (1 - cos( /2)),
(6.2)
где ri – радиус венца; – угол наклона оси шарошки к оси долота; - угловой
шаг зубьев в венце.
Из формулы (6.2) видно, что вертикальное перемещение долота растет с
увеличением углового шага венца.
Для упрощения считаем, что горная порода деформируется на глубину
по линейному закону. Тогда баланс энергий
1
U П U и Gст ,
2
(6.3)
где UП − потенциальная энергия деформирования горной породы, но
1
U П Gmax ,
2
(6.4)
где Gст. − статическая нагрузка на долото, задаваемая бурильщиком;
Gmax − максимальная осевая нагрузка на долото.
Подставив в уравнение (6.3) значения Uи из выражения (6.1) и UП из
выражения (6.4) и сделав необходимые преобразования, получим
z
Gmax Gст 2 Аи .
(6.5)
Обозначим величину 2Аиz / = Gд и назовем ее динамической нагрузкой на
долото, а отношение
Gmax /Gст = kд
(6.6)
коэффициентом динамичности.
Из формулы (6.5) видно, что динамическая нагрузка прямо
пропорциональна вертикальному перемещению долота
и обратно
пропорциональна глубине деформирования горной породы.
При размещении зубьев всех венцов на шарошке по одной ее образующей
вертикальные перемещения корпуса долота будут обусловлены параметрами
периферийных венцов. Например, для долот типа Т диаметром 190,5 мм
74

75.

величина z составила бы 0,92 мм, а динамическая нагрузка была бы чрезмерно
большой и опасной как для долота, так и для бурильного инструмента.
Динамическая нагрузка зависит от шага зубьев
в венцах шарошек и жесткости как породы, так и
бурильной колонны. В конструкции долота изменять
динамическую нагрузку можно, изменяя шаг зубьев
S в венцах. Но даже при самых маленьких шагах,
заложенных в конструкции долота, коэффициент
динамичности получается слишком большим.
Поэтому зубья одних венцов размещают в "свету"
Рисунок 6.3 других как показано на рисунке 6.3.
Относительное
В этом случае перекатывание шарошки
расположение зубьев
происходит с зуба одного венца на ближайший зуб
в венцах
другого венца с шагом Sc. Из рисунка 6.3 видно, что
шаг в свету существенно меньше шага в венце, а
поэтому соответственно уменьшается амплитуда колебаний нагрузки и
инструмента и увеличивается частота колебаний.
У современных долот коэффициент динамичности должен быть в
пределах 1,1…1,3. Если коэффициент динамичности выходит за эти пределы,
то может возникнуть аварийная ситуация. В этом случае желательно
применение амортизаторов или демпферов колебаний.
6.3 Долото как источник вынужденных колебаний инструментов
Периодические вертикальные перемещения долота и связанного с ним
бурильного инструмента являются не чем иным, как их вынужденными
колебаниями.
Перекатывание шарошки с зуба на зуб является не единственной причиной
возникновения динамической нагрузки и колебаний инструментов. В каждый
момент времени зубья долота находятся в контакте с забоем в разных
сочетаниях, что обуславливает неравномерное разрушение забоя. При этом
возникают колебания с более низкой частотой, но с большей амплитудой, чем
при перекатывании с зуба на зуб. Кроме того, возможно возникновение
колебаний с частотой за один оборот долота, равной или кратной числу
шарошек. Эти колебания также связаны с неравномерностью разрушения забоя,
приводящей к возникновению ухабов, и характеризуются наибольшей
амплитудой вертикальных перемещений. Такие колебания называют
"грунтовыми". Возникающие при этом динамические нагрузки могут привести
к поломкам долота или бурильного инструмента.
Таким образом, долота дробяще-скалывающего действия создают при
работе на забое ряд возмущений, основными из которых являются:
1) высокочастотные, обусловленные зубчатостью шарошек;
2) среднечастотные, вызванные изменением во времени числа
контактирующих с забоем зубьев;
75

76.

3) низкочастотные (грунтовые), обусловленные возникновением ухабов на
забое скважины.
Измерения нагрузок на долота в промысловых условиях показали, что
коэффициент динамичности может достигнуть 1,7. Коэффициент динамичности
растет с увеличением твердости горной породы, шага зубьев и частоты
вращения долота.
При разбуривании мягких горных пород нормальным является
коэффициент динамичности около 1,1, при разбуривании пород средней
твердости – 1,2, а при разбуривании твердых пород – 1,3. При этом тип долота
должен соответствовать твердости разбуриваемых горных пород.
6.4 Скалывающая способность шарошек
На рисунке 6.4, а показана шарошка "чистого" качения. Вершина этой
шарошки лежит на оси 1 долота, а ось шарошки 2 пересекается с осью долота.
Такая шарошка не может создать существенного для разрушения горных пород
скалывающего эффекта. Конус 3 называется основным, а конус 4 обратным. На
конусе 4 размещено вооружение, калибрующее стенку скважины. Тем не менее,
такая шарошка называется одноконусной, т.е. обратный конус в расчет не принимается.
Для обеспечения скалывающего эффекта используются три технических
приема.
Первый прием − вынос вершины за ось долота на величину f, как
показано на рисунке 6.4,б.
а
1
б
2
f
f
4
МОВ
4
3
в
vt
3
Rд
+
-
5
6
R
Рисунок 6.4 - Формы шарошек
В соответствии с положениями теоретической механики мгновенная ось
вращения (МОВ) шарошки при ее качении по забою должна пройти через точку
пересечения осей шарошки и долота и пересечь образующую шарошки, как
показано на рисунке 6.4,б. Тогда при повороте шарошки вокруг МОВ
вооружение шарошки, расположенное левее точки пересечения МОВ и ее
образующей, будет скользить с некоторой скоростью vt относительно забоя в
76

77.

отрицательном направлении, а вооружение долота, расположенное правее точки
пересечения МОВ и образующей шарошки, будет скользить в положительном
направлении. Такое принудительное скольжение создает существенный
скалывающий эффект.
Второй прием - выполнение шарошек многоконусными. На рисунке 6.4,в
показана трехконусная шарошка. Конус 5 называется первым дополнительным, а
конус 6 - вторым дополнительным. В некоторых конструкциях долот последний
дополнительный конус может быть заменен цилиндром. Многоконусное
выполнение шарошек обеспечивает более значительный скалывающий эффект.
Общим недостатком первого и второго приема является наличие
сечения
шарошки,
Стенка нескользящего
скважины проходящего через точку пересечения
МОВ и образующей шарошки.
Третий прием - смещение осей
k
шарошек в плане на величину k в направлении вращения долота, как показано на
рисунках 6.1 и 6.5, из которых видно, что
Rд
оси долота и шарошки не пересекаются.
третий прием позволяет
Шарошка Следовательно,
исключить нескользящие относительно
О
забоя точки на образующей шарошки,
Рисунок 6.5 - Схема смещения оси
контактирующей с забоем.
шарошки в плане
Шарошечные
долота
по
скалывающей способности делятся на
три подгруппы: с низкой, средней и высокой скалывающей способностью
(таблица 6.2).
Таблица 6.2 − Характеристики скалывающей способности
шарошечных долот
Скалывающая
способность
Низкая
k0=k/Rд
Форма шарошек
Типы долот
< 0,010
ОК, К, ТКЗ, ТЗ, Т, СТ
Средняя
0,037 – 0,047
Высокая
0,080 – 0,100
Одноконусные и
двухконусные
Двухконусные
и трехконусные
Трехконусные
СЗ, С, МСЗ, МС
ОМЗ, МЗ, М
В качестве классификационного признака принято относительное
смещение k0 оси шарошки в плане:
k0 = k/Rд,
где k – смещение оси шарошки в плане; Rд – радиус долота (см. рисунок 6.5).
77

78.

Нетрудно видеть, что чем тверже горные породы, тем с меньшей
скалывающей способностью изготавливаются долота (см. таблицу 6.2). Это
обусловлено тем, что чем тверже горная порода, тем больше ее сопротивление
скалыванию-сдвигу, тем больше вероятность слома элементов вооружения.
Следовательно, низкая скалывающая способность долот для твердых и очень
твердых пород – мера вынужденная.
6.5 Кинематика шарошечного долота
Шарошечное долото представляет собой часть пространственного
зубчатого механизма, схема одной секции которого показана на рисунке 6.6.
Механизм включает ведущее звено – лапу (корпус)
д д 1 и ведомое звено – шарошку 2. Третьим звеном –
стойкой является забой 3 скважины, с которым
взаимодействует шарошка. Исследование такого
механизма не составляло бы труда, если бы
1
зацепление шарошки с забоем не было бы
случайным, т.е. передаточное отношение Ui каждой
из шарошек является случайной величиной.
Приближенно передаточное число можно
определить как отношение радиуса долота Rд к
радиусу шарошки rш, т.е.
rш
2
3 R
д
i j
Рисунок 6.6 –
Кинематическая схема
секции долота
U = Rд /rш.
(6.7)
Назовем это передаточное число геометрическим.
У конкретного долота передаточное число
можно определить при его испытании на стенде.
Для этого необходимо измерить угловые скорости
вращения каждой шарошки ωi и долота ωд. Тогда
Ui = ωi /ωд,
где i = 1, 2, 3 – номера шарошек.
Скольжение шарошек обусловливает их скалывающее действие по
отношению к горной породе забоя и, соответственно, их торможение, в
результате которого передаточные числа шарошек Ui всегда меньше
геометрического Uг.
Рассмотрим аналитическое решение задачи о скольжении вооружения
шарошек на примере притупленного клина, ось площадки притупления
которого совпадает с образующей шарошки, а сам клин (зуб) находится в
вертикальном положении относительно забоя. Расчетная схема приведена на
78

79.

рисунке 6.7. Вывод формул проведен относительно центра А контактной
площадки зуба.
Рисунок 6.7 - Схема к расчету скоростей скольжения зуба долота
относительно забоя скважины
В качестве характеристик скольжения элементов вооружения принимаем
скорость v его продольного и скорость vt его тангенциального скольжения
(скорость vt перпендикулярна длинной оси симметрии площадки притупления
клина, отрезок ОА = R ‒ радиус-вектор).
Нетрудно видеть, что скорость продольного скольжения
v = vд sinθ,
(6.8)
где sinθ= k/R, а vд = ωдR, тогда
v = vд k/R или v = ωдk,
(6.9)
а скорость vt тангенциального скольжения vt = vд cos θ – vш,
где cos θ = (1 - sin2 )0,5, vш= ωr, причем ω = Uωд, тогда
vt = Rωд (1 - sin2 )0,5 – r ωд U.
(6.10)
Здесь U – передаточное число.
Скорость vt может быть как положительной (в направлении вращения
шарошки), так и отрицательной, если vш > vд cos θ.
Скорости v и vt при угловой скорости ωд = 1 рад/с называются
удельными, которые соответственно равны:
vуд = k;
(6.11)
79

80.

vtуд =
R 2 k 2 rU .
(6.12)
Из схемы на рисунке 6.7 видно, что скорость v направлена к оси долота,
если k ≥ 0. В случае k < 0 (смещение в направлении, обратном вращению
долота) скорость v периферийного вооружения будет направлена в
противоположном направлении, т.е. к стенке скважины. Это вызовет
защемление разрушаемой породы между обратным конусом шарошки и
стенкой скважины, в результате чего повышается скорость изнашивания
калибрующей стенку поверхности шарошки и возможно самозаклинивание
долота в скважине. Поэтому отрицательное смещение оси шарошки в плане
не допускается.
6.6 Стендовое определение передаточных чисел шарошек
При анализе результатов стендового бурения долотами разных типов и
размеров передаточное число приведено к относительному U0 виду путем
деления измеренной величины к величине геометрического передаточного
отношения. На рисунке 6.8 приведены зависимости величин U0 от k0,
полученные по результатам стендовых испытаний долот во ВНИИБТ, МИНХ и
ГП и УНИ.
Относительное передаточное число
1,1
1
0,9
1-я шарошка
2-я шарошка
3-я шарошка
0,8
Uoн
Ucp
Uов
0,7
0,6
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Относительное смещение оси шарошки в плане
Рисунок 6.8 - Влияние относительного смещения оси шарошки в плане
на относительное передаточное число
80

81.

Из рисунка 6.8 видно, что передаточные числа U0 изменяются в
значительных пределах, но наблюдается монотонное их уменьшение с ростом
ko. Номер шарошки не влияет на величину Uo. Зависимость среднего
относительного передаточного числа от относительного смещения осей
шарошек в плане (Uoср от ko) имеет вид
Uoср = 0,932 ‒ 2,235k0.
(6.13)
Далее были рассчитаны верхняя и нижняя границы распределения Uo с
вероятностью 0,90, которые на рисунке 6.8 показаны тонкими линиями.
Уравнения регрессии ko на величины U0в и U0н следующие:
U0в = 1,020 ‒ 2,235k0;
U0н = 0,829 ‒ 2,235k0,
(6.14)
(6.15)
где U0в − верхнее значение относительного передаточного числа; U0н ‒ нижнее
значение относительного передаточного числа.
Известно, что передаточные числа шарошек конкретного долота
принимают дискретные значения, которые обусловлены особенностями
взаимодействия зубчатого вооружения с забоем скважины. В таблице 6.3
приведены диапазоны изменения k0 в зависимости от подгруппы долот по
скалывающей способности.
Таблица 6.3 - Величины U0 подгрупп долот по скалывающей способности
Скалывающая
способность
Низкая
Средняя
Высокая
Величины
k0
< 0,01
0,037-0,047
> 0,060
Диапазон изменения U0
от
0,829
0,724
0,695
до
1,020
0,914
0,796
Долота , типы
Т, ТЗ, ТКЗ, К, ОК
МС, С, СТ, МСЗ, СЗ
М, ОМЗ, МЗ
Экспериментально установлено, что часто в процессе разрушения горной
породы шарошечными долотами
на части забоя образуется "рейка" –
регулярные выступы и впадины с шагом tр и числом выступов Zр. Вооружение
соответствующих венцов, взаимодействуя с «рейкой», определяют частоту
вращения шарошек nш. При известном числе выступов «рейки» передаточное
число i-й шарошки рассчитывается по формуле
Ui ≈ Zp /Z,
(6.16)
где Zp и Z − числа выступов рейки и элементов вооружения венца, который
сформировал эту рейку на забое.
81

82.

6.7 Вооружение шарошек долот первого класса
Шарошечные долота первого класса предназначены для разрушения
неабразивных горных пород, имеют стальное зубчатое вооружение,
выполненное заодно с шарошкой фрезерованием. Отсюда другое название
долот ‒ долота с фрезерованным вооружением.
Центральное вооружение шарошек выполняется в виде венцов
притупленных клиньев (рисунок 6.9, а). Основные параметры вооружения:
начальное притупление b0, длина зубьев l (совпадает с шириной венца),
начальная высота зубьев h, угол при вершине клина 2γ, шаг размещения зубьев
в венце s. Площадка b0l является начальной рабочей поверхностью притупленного клина.
Параметры зубьев зависят от размера и типа вооружения. Для долот
диаметром от 93 до 490 мм b0 изменяется от 1 до 2,8 мм, l - от 5 до 19 мм (на
первых венцах первых шарошек l ‒ от 10 до 48 мм), h ‒ от 5 до 25 мм, 2γ ‒ от
36 до 56° и шаг от 10 до 80 мм.
а
s
b
l
vvv
vvv
vvvv
vvvv
vvv
vv
vv
v
vv
v
vv v
vv
vv
v
h
2g
б
в
vv
vvv
vvv
vvv
v
vv v
vv v
vv v
1
vvvv
vvv
v v v vv
vvvv v v vvv v
vvvv v v vvv vv
vv
v
vvvv
vv v v
vv
д
г
е
Рисунок 6.9 - Вооружение шарошек первого класса
(вид со стороны обратного конуса) и типы наплавки зубьев
Для повышения износостойкости зубья долот типов М, МС и С
наплавляют (армируют) твердым сплавом. Это позволяет расширить область
применения долот на горные породы средней абразивности. Схемы наплавки
также показаны на рисунке 6.9. Первый тип наплавки – односторонняя
(рисунок 6.9,г), второй тип – двухсторонняя (рисунок 6,9,д). Высота наплавки
одной из граней и внешнего торца зуба не менее 0,7h, а второй грани − не
менее 0,3h. Третий тип наплавки – объемная (рисунок 6.9,е). Кроме того
возможна трехсторонняя наплавка, при которой наплавляются две боковых и
82

83.

одна торцовая поверхность зубьев. Вооружение долот для твердых пород не
наплавляют из-за опасности поломок зубьев.
Расположение венцов на шарошках в пределах долота показано на
рисунке 6.10.
I
I
f
3
II
II
III
2
1
III
w
а
б
Рисунок 6.10 - Развертка долота (а) и перекрытие забоя его вооружением (б)
Приняты следующие обозначения шарошек и венцов: самая длинная
(полная) шарошка – первая, средняя по длине – вторая и самая короткая –
третья. Нумерация венцов на шарошках ведется от вершины. Последние венцы
называются периферийными.
Из рисунка 6.10 видно, что на основных конусах шарошек зубья венцов
одних шарошек входят в межвенцовые проточки других шарошек. Этот прием
позволяет увеличить объем шарошек, запас вооружения на венцах, а также
размеры подшипников. В технической литературе этот прием получил
название «самоочищение» шарошек, так как при их вращении межвенцовые
проточки на одних шарошках очищаются зубьями других шарошек от
налипающего шлама.
Участки забоя между смежными венцами не поражаются вооружением.
Эти участки называются воротниками. Они разрушаются за счет боковых
сколов породы и биений долота. Ширина воротников составляет 1,5… 2,5 мм.
Полнота разрушения забоя по радиусу скважины характеризуется
коэффициентом перекрытия забоя, который вычисляют по формуле
1 m
li ,
(6.17)
Rд i 1
где Rд − радиус долота; m − число венцов; li − ширина i-го венца.
Трехшарошечные долота имеют коэффициент перекрытия от 0,7 до 1,3.
Если бы долота имели сплошные зубья вдоль образующей, то η ≈ 3.
Следовательно, выполнение вооружения в виде венцов позволило кратно
увеличить давление вооружения на забой при неизменной нагрузке на долото.
83

84.

Параметрами, определяющими тип вооружения долота, являются шаг и
угол при вершине клина. Принципы выбора этих параметров следующие.
Выбор шага обусловлен ожидаемой глубиной разрушения горной породы
δ (см. рисунок 6.2) рассматриваемым типом долота и необходимостью полного
разрушения соответствующей венцу кольцевой зоны забоя. Идеальным было
бы обеспечение такого поражения забоя, при котором перекрывались бы зоны
(лунки) разрушения, образуемые соседними по венцу зубьями.
При внедрении находящегося в вертикальном положении зуба до глубины
δ два соседних по венцу зуба не должны контактировать с горной породой. Из
этого условия угловой шаг
arccos( 1
).
r sin
(6.18)
Из формулы (6.18) следует, что чем больше δ, тем больше должен быть
угловой шаг и соответственно линейный шаг s, который равен
s = 2rsin(ψ/2).
(6.19)
Но с увеличением шага уменьшается число поражений кольцевой зоны
забоя, разрушаемой венцом, а также количество зубьев в венце. Поэтому шаг
должен быть минимальным, но достаточным из условия (6.19). Расчет ведется
по венцу наибольшего радиуса. Расчетный шаг корректируется с учетом
необходимого запаса вооружения по венцам и шарошкам и с учетом схемы
поражения забоя.
Из формулы (6.19) видно, что чем больше радиус шарошек, а
следовательно и долота, тем больше должен быть шаг зубьев в венцах для
одного и того же типа вооружения. Это усложняет задачу обеспечения
поражения забоя с перекрытием зон разрушения. В условиях высоких
угнетающих давлений наблюдается уменьшение размеров зон разрушения, в
том
числе
за
счет
уменьшения
угла
скола
породы.
Поэтому наряду с выбором рационального шага необходимо решить
задачу о схеме поражения забоя при последующих проходах венца
относительно предыдущих проходов.
Выбор угла 2γ. При контактировании с забоем зуб подвергается сжатию
силой G и изгибу силой Gt. Сила G зависит от нагрузки на долото, а сила Gt ‒
от скалывающей способности долота и от сопротивления горной породы
скалыванию, которое тем больше, чем тверже горная порода. Напряжения
изгиба
И M ,
W
l( b0 2htg )2
где M Gt h , а W
,
6
84

85.

где h – расстояние от вершины зуба до его опасного сечения; l – длина зуба;
b0 – начальное притупление.
Тогда
6Gt h
.
(6.20)
и
l( b0 2htg )2
Из уравнения (6.20) следует, что чем
больше ожидаемое сопротивление горной
породы скалыванию, тем больше должен быть
угол 2γ. Для ограничения роста угла 2γ с
увеличением твердости горных пород в
конструкциях
долот
предусматривается
снижение их скалывающей способности (см.
таблицу 6.2).
Фактические углы 2γ для разных типов
долот приведены ниже.
Рисунок 6.11 - Схема к расчету
нагружения зуба шарошки
Тип долота
2γ, градус
М, МС
36 - 42
С
42 - 44
СТ
44 - 46
Т
48 -52
Высота зубьев h определяется шагом, углом 2γ и ограничивается
минимально допустимой толщиной тела шарошки, т.е. зависит и от размеров
внутренней полости шарошки, где размещаются цапфа и опора. В таблице 6.4
приведены относительные высота и шаг зубьев на основном и периферийном
конусах шарошек по типам долот.
Таблица 6.4 - Относительные высота и шаг зубьев шарошечных долот
Тип вооружения
долота
Основной конус
высота
шаг
Периферийный венец
высота
шаг
М
1
1
1
1
С
0,8
0,6
0,9
0,5
Т
0,6
0,5
0,7
0,4
Их таблицы 6.4 видно, что имеют место неравенства:
hM > hC > hT;
γM < γC < γT.
85
(6.21)
(6.22)

86.

Тип долота определяется двумя основными признаками: скалывающей
способностью и типом его вооружения. Например, долото типа М должно
иметь высокую скалывающую способность (относительное смещение осей
шарошек в плане 0,08…0,10 и трехконусные шарошки), а также вооружение
типа М.
6.8 Особенности периферийного вооружения шарошек
Рабочими поверхностями периферийных зубьев являются не только
площадки притупления, но и торцы (спинки) зубьев со стороны обратного
конуса, фрезерующие стенки скважины. Износ вооружения со стороны
обратного конуса приводит к соответствующему уменьшению диаметра
долота, а следовательно, и скважины. Существенное уменьшение диаметра
долота делает необходимым проработку скважины новым долотом, которое
спускается в скважину взамен изношенного. А это потеря времени и ресурса
нового долота. Меры по предупреждению существенного износа долота по
диаметру обусловили особенности периферийного вооружения шарошек.
Используются три основных технических приема.
Первый прием – кратное перекрытие забоя, прилегающего к стенке
скважины. Из рисунка 6.10,б видно, что каждый центральный венец зубьев
разрушает только свой кольцевой участок забоя, а периферийные венцы
разрушают часть забоя, прилегающую к стенке скважины, следуя
последовательно друг за другом. Это значит, что центральная часть забоя
перекрывается вооружением шарошек однократно, а периферийная часть у
стенки скважины перекрывается кратно числу шарошек.
Второй прием – увеличение запаса металла на износ и принятие мер по
отсечению горной породы забоя от стенки скважины. Эти задачи решаются
выполнением зубьев специальной формы: Г-, Т- образными и поперечными
(рисунок. 6.10,а,б,в,). В большинстве современных долот предусмотрено
выполнение на одной шарошке периферийного венца с поперечными
периферийными зубьями (рисунок 6.10,в). Такое выполнение венца решает
задачу не только увеличения запаса металла на износ, но задачу по
разрушению образующей у стенки скважины забойной "рейки" путем
отсечения горной породы от стенки. Вопросы образования "рейки" и меры по
ее разрушению рассматриваются ниже.
Третий прием – армирование обратного конуса шарошек. Зерновым
твердым сплавом наплавляются спинки всех зубьев со стороны обратного
конуса (рисунок 6.10). Между наплавками оставляются канавки 1 для прохода
промывочной жидкости. Возможна установка твердосплавных вставок в
спинки зубьев перед их наплавкой. У долот большого диаметра наплавляют
только спинки зубьев, а в обратный конус шарошки запрессовывают зубки.
Для долот 2-го класса возможна установка зубков с алмазным покрытием.
86

87.

В настоящее время все шире применяется бурение скважин с управлением
кривизной в процессе бурения. Для улучшения фрезерующей способности
долота наплавляют только спинки
зубьев (рисунок 6.12, позиция 1), в
обратный
конус
шарошки
запрессовывают
твердосплавные
вставки 2, а во впадины между
зубьями устанавливают подрезные
зубки 3.
Для условий, в которых
ожидается повышенный износ
долот по диаметру, предусмотрен
выпуск
долот
с
усиленной
калибрующей способностью. В
этих долотах предусмотрено не
Рисунок 6.12 – Вариант армирования
только усиленное армирование
периферии шарошек наплавкой 1,
шарошек со стороны обратного
цилиндрическими 2 и подрезными 3 зубками конуса, но и армирование спинок
лап. Этот вопрос будет рассмотрен
при описании вооружения долот второго класса.
6.9 Вооружение шарошек долот второго класса
Совершенствование опор шарошек и существенное увеличение их
долговечности все более сужает область применения долот 1-го класса, так как
стойкость опор становится существенно больше стойкости вооружения.
Соответственно долота 1-го класса не используют ресурс опоры в горных
породах все более низкой абразивности и их вытесняют долота 2-го класса.
Вооружение шарошек долот второго класса выполняется вставным. На
шарошках нарезаются венцовые выступы, в которых сверлятся гнезда. В гнезда
запрессовываются зубки из твердых сплавов марок ВК8-ВК и ВК11-ВК
(рисунок 6.13).
Рисунок 6.13 – Конусно-клиновые (а) и конусно-сферический (б) зубки
и их установка в венцовых выступах шарошек
87

88.

Каждый зубок состоит из рабочей выступающей части (головки) и
цилиндрической запрессовываемой части (тела зубка). Основными
геометрическими характеристиками зубков являются их диаметр d, углы при
вершине клина и конусов, а также радиусы скругления вершин зубков.
Конусно-клиновые зубки имеют цилиндрическую рабочую поверхность
(например, рисунок 6.13,а Rц = 3,2 мм), а конусно-сферические – сферическую
рабочую поверхность (например, рисунок 6.13,б Rс = 4,2 мм).
В настоящее время основное применение находят зубки с тремя формами
рабочей головки: 1) конусно-клиновые (группа Х); 2) конусно-сферические
(группа Y); 3) асимметричные и др. форм (группа Z).
Характеристиками, определяющими тип зубка, являются угол при
вершине зубка и форма зубка. Шаг S размещения зубков в венцах, в основном,
больше оптимального и определяется минимально допустимой величиной l (см.
рисунок 6.13,а) из условия сохранения прочности шарошки. Поэтому при
определении типа вооружения долота удобнее ориентироваться на форму зубка
и величину его вылета h над телом венцового выступа.
Все зубки делятся на три большие группы, обозначаемые латинскими
буквами X, Y и Z. Формы зубков этих групп показаны на рисунке 6.14.
Рисунок 6.14 - Группы твердосплавных зубков
М
С
Т
Рисунок 6.15 Относительные
формы головок
конусно-клиновых
зубков
Группа Х - конусно-клиновые зубки. На боковых
гранях конической головки выполнены лыски, а вершина
зубка скруглена радиусом Rц, в результате чего
образовалась цилиндрическая рабочая поверхность зубка.
Выполняется три основных формы зубков, как показано
на рисунке 6.15. В каждой группе чем меньше высота
зубка, тем для более твердых горных пород он
предназначен. Зубками названных форм оснащаются
центральные венцы шарошек.
Периферийные венцы
оснащаются зубками на разряд выше, например,
центральные венцы шарошек типа МСЗ оснащены
зубками "М", а периферийные − зубками "С".
Центральные венцы долота типа ТЗ оснащены
зубками типа "Т", а периферийные − конусносферическими зубками группы Y, как показано на рисунок
6.16. Из рисунка 6.16 видно, что на третьей шарошке
88

89.

долота типа ТЗ выполнен однорядный периферийный венец зубками 1 группы
Y, а на первой и второй шарошках выполнены двухрядные периферийные
венцы зубками 2 и 3. При этом второй ряд оснащен конусно-клиновыми
зубками 3 типа "Т".
2
Группа Y − конусносферические зубки, т.е.
вершина конуса головки
зубка
скруглена
с
образованием сферической
рабочей
поверхности.
Самый
высокий
зубок
предназначен
для
оснащения долот типа СТЗ.
Средний по высоте зубок
предназначен
для
оснащения
центральных
венцов долот ТКЗ и К.
Самый низкий - для
оснащения периферийных
1
венцов.
Следует
подчеркнуть, что в долотах
Рисунок 6.16 - Долото типа ТЗ
ТКЗ
используется
чередование зубков конусно-клиновых и конусносферических во всех венцах.
Группа Z включает зубки других форм
(прочие зубки): асимметричные зубки для
центральных венцов долот типа ОМЗ и МЗ, зубки
со сферической головкой без конической части и
др.
На рисунке 6.17 показана развертка долота 2го класса. Как и в случае долот 1-го класса
шарошки выполняются "самоочищающимися", т.е.
элементов
вооружения
одних
шарошек
выполняется за счет межвенцовых проточек на
других шарошках. На развертке долота видно, что
периферийные венцы 1 разведены и выполнены на
дополнительном
конусе
шарошки.
Это
способствует
повышению
скалывающей
способности шарошек и обеспечивает пропуск
Рисунок 6.17 - Развертка
струй жидкости из гидромониторных насадок к
долота типа СЗ
забою (см. рисунок 6.1). Зубки 1 и 2 образуют
двухрядный венец. Зубки 3 ‒ армирование обратного конуса шарошек.
89
3

90.

Предпериферийный участок забоя поражается зубками второго ряда 2
двухрядного венца, зубки которого размещены в шахматном порядке
относительно зубков 1 первого ряда (рисунок 6.16). Двухрядными венцами
оснащают одну или две шарошки из трех (рисунок 6.16). Соответственно две
или одна шарошка имеют однорядные венцы, выполненные зубками 1 и
характеризующиеся минимальным шагом (рисунок 6.16).
6.10 Периферийное вооружение шарошек долот 2-го класса
Периферийные ряды всех шарошек отличаются от остальных рядов
(венцов) тем, что зубки установлены под наклоном к плоскости забоя, а со
стороны обратного конуса запрессованы цилиндрические твердосплавные
зубки 3 (рисунок 6.18).
Из схемы на рисунке 6.18 следует, что со
стенкой скважины контактирует кольцевой выступ,
выполняемый по контуру обратных конусов всех
шарошек.
Этот
выступ
называется
предохранительным пояском. При спуске долота в
скважину через обсадную колонну он предохраняет
последнюю от резания периферийными зубками 1
и зубками 3 обратных конусов шарошек.
Недостатком периферийного вооружения
является то, что зубки 2 второго ряда размещены с
увеличенным шагом и не обеспечивают полное
разрушение соответствующего участка
забоя.
Рисунок 6.18 Взаимодействие
периферии шарошки с
забоем скважины
В результате перед периферийными
зубками 1 остаются выступы горной
породы 5, на которых "зависают"
шарошки (рисунок 6.18). Выступы
разрушаются боковыми поверхностями
зубков 1 и раздавливанием телом
шарошки 4. Это повышает вероятность
поломки зубков 1, а также снижает
механическую скорость бурения.
90
Рисунок 6 .19 – Долото
269,9ТЗ-ГН R20М

91.

Для борьбы с этим явлением на одной из шарошек в двухрядном венце
была выполнена попарная установка зубков 1 и 2 двухрядного периферийного
венца, как показано на рисунке 6.19. Применение долот с таким вооружением
на месторождениях Восточной Сибири показало существенное увеличение
механической скорости бурения по сравнению с долотами, вооружение
которых было подобно вооружению, показанному на рисунке 6.16.
Бурение пологих наклонных и горизонтальных скважин предъявляет
дополнительные требования к периферийному вооружению шарошек. Бурение
ведется с управлением кривизной. Управляемые забойные отклоняющие
устройства не могут обеспечивать большие отклоняющие усилия, а поэтому
встал вопрос о повышении разрушающей способности шарошек в направлении
стенки скважины. Одним из решений этой задачи стала установка подрезных
зубков по контуру шарошки. На рисунке 6.20,а показан пример такого
вооружение долота фирмы «Юз Кристенсен» и схема его взаимодействия с
забоем и стенкой скважины (рисунок 6.20,б).
а
б
Рисунок 6.20 – Периферийное вооружение долота 2-го класса (а)
и схема его работы в скважине (б)
Из рисунка 6.20 видно, что периферия шарошки оснащена конусноклиновыми зубками 1, между которыми по контуру шарошки установлены
клиновые подрезные зубки 3, а в обратный конус шарошки запрессованы зубки
2. Совместная работа трех видов зубков обеспечивает успешное управление
кривизной и достаточную износостойкость периферийного вооружения.
Таким образом, особенностями периферийного вооружения являются:
1) кратное перекрытие забоя периферийным вооружением шарошек;
2) оснащение обратных конусов шарошек цилиндрическими зубками, в
том числе с алмазным покрытием;
3) установка подрезных зубков на контуре тела шарошки.
91

92.

6.11 Системы промывки шарошечных долот
Промывка
скважины
при
вращательном
бурении
любым
породоразрушающим инструментом – обязательный технологический процесс.
Система промывки долота решает три задачи: отделение шлама от забоя,
вынос шлама в пространство над долотом, очистка и охлаждение деталей
долота.
Шарошечные долота изготавливаются с двумя видами системы
промывки:
1) обычная с круглым промывочным каналом, ось которого совпадает с
осью вращения долота. Этот вид промывки называется центральной и в шифре
долота обозначается буквой Ц (в шифрах, основанных на коде IADC,
обозначается латинской буквой С);
2) боковая гидромониторная. Этот вид промывки в шифре долота
обозначается буквой Г (в шифрах, основанных на коде IADC, обозначается
латинской буквой J).
Долота, предназначенные для бурения с продувкой воздухом, имеют
дополнительные каналы в лапах долота для охлаждения подшипников опор. В
шифр долота добавляется буква П (в шифрах,
основанных на коде IADC, обозначается латинской
буквой А). Следует помнить, что долота для бурения
с промывочными жидкостями и для бурения с
продувкой невзаимозаменяемы.
Центральная
система
промывки
выполняется в долотах, предназначенных для
разбуривания твердых и крепких горных пород при
высокооборотном бурении (при вращении долота
турбобуром).
Схема системы промывки приведена на рисунке
3.28. Система промывки включает внутреннюю
полость 1 долота, участок
2 сжатия струи
жидкости
и
цилиндрическое
промывочное
отверстие
3.
Основной
геометрической
характеристикой системы является диаметр d
промывочного отверстия, а гидравлической
характеристикой – скорость истечения жидкости
из промывочного канала, определяемая по
формуле
vи = Q/(0,785d2),
(6.23)
где Q – расход промывочной жидкости.
Из
условия
предупреждения
эрозионного
изнашивания промывочного отверстия и шарошек
скорость vи < 30 м/с.
92
Рисунок 6.21 - Схема
центральной системы
промывки долота

93.

Достоинство – жидкость движется вдоль образующей шарошки (на
рисунке 6.21 поток показан пунктиром) и хорошо очищает и охлаждает
вооружение.
Недостаток – при взаимодействии с
шарошками струя жидкости
теряет энергию и весьма слабо воздействует на забой.
Гидромониторная система промывки шарошечного долота (см.
рисунок 6.1) отличается от обычной тем, что струи жидкости направляются
непосредственно на забой между дополнительными конусами шарошек, а
скорость истечения из насадок vи > 60 м/с. Последнее потребовало армировать
промывочные каналы, чтобы снизить их эрозионное изнашивание (размыв).
Армирующим элементом системы промывки является гидромониторная
насадка 3 (см. рисунок 6.22), изготовленная из твердого сплава или
минералокерамики. Насадки уплотняются относительно гнезд в корпусе долота
резиновыми кольцами круглого сечения и крепятся в нем. Крепление должно
быть надежным и обеспечивать смену насадок на буровой.
Подводящий канал
Канавка
для уплотнения
Гвоздь
Гнездо
Уплотнительное
кольцо
Насадка
Насадка
Канавка
для гвоздя
Резьбовая втулка
в
d
Штифт (гвоздь )
d
а
б
Рисунок 6.22 - Элементы гидромониторной системы промывки с креплением
резьбовой втулкой (а), гвоздем (б) и положение гвоздя и насадки
в корпусе долота (в)
93

94.

Насадка, уплотнение и крепление составляют гидромониторный узел
долота (ГМУ). В настоящее время распространены крепления насадок
резьбовое и гвоздем (рисунок 6.22).
Резьбовая втулка (рисунок 6.22,а) имеет шлиц, который позволяет при
необходимости быстро заменить насадку. В случае крепления насадки гвоздем
последний забивается в канавку не полностью (рисунок 6.22,в), что также
обеспечивает быструю замену насадки. Основными геометрическими
параметрами насадок являются диаметр d выходного отверстия и его площадь f.
Параметры применяемых насадок приведены в таблице 6.5.
Таблица 6.5 − Параметры насадок ОАО «Волгабурмаш»
d, мм
6,4
7,1
7,9
8,7
9,5
10,3
11,1
f, мм2
32
40
47
59
71
83
97
d, мм
11,9
12,7
14,3
15,9
17,5
19,1
20,6
22,2
f, мм2
111
127
160
198
240
286
333
387
По величине диаметра насадки d, нетрудно рассчитать скорость
истечения жидкости из насадки, если известен расход Q или необходимый
расход Q для обеспечения заданной скорости истечения жидкости.
Например, по величине выбранного расхода жидкости Q и скорости
истечения рассчитываются диаметры насадок и перепад давления на
гидромониторном долоте. Вначале рассчитывается площадь канала f насадки.
В случае трехшарошечного долота
f = Q/(3vи).
(6.24)
Из таблицы 6.5 выбираются стандартные насадки ближайшего большего
диаметра. Для выбранного диметра насадок рассчитывается соответствующий
перепад давления на долоте по формуле
Q 2 10 6
рд =
, МПа,
2
18 2 f
(6.25)
где Q – заданный расход промывочной жидкости, м3/с; – плотность
промывочной жидкости для заданного интервала бурения, кг/м3; –
коэффициент расхода (для шарошечных долот = 0,9); f – площадь канала
выбранной стандартной насадки, м2.
При бурении скважин долотами большого диаметра (более 300 мм) имеет
место проблема очистки центральной части забоя и шарошек от налипающего
94

95.

шлама. В этих случаях долота могут быть оснащены комбинированной
системой промывки, которая имеет как боковые, так и центральный
промывочный канал, оснащенные гидромониторными узлами.
Достоинство – гидромониторная струя жидкости активно воздействует
на забой, повышая механическую скорость бурения.
Недостаток - гидромониторному воздействию подвергается только
периферийная часть забоя. Остальная часть забоя промывается радиальными
потоками, направленными к оси скважины. Далее потоки встречаются и
поворачивают вверх и к периферии мимо нисходящих струй жидкости. На
рисунке 6.1 движение жидкости показано стрелками. В результате в зоне
работы шарошек образуется вихрь, в котором вращается часть жидкости со
шламом, вызывающим эрозионный износ шарошек. Частично этот недостаток
устраняется при асимметричной системе промывки.
Асимметрия промывки достигается тем, что, например, трехшарошечное
долото оснащено только двумя боковыми ГМУ. В этом случае поток жидкости
движется по забою в сторону пространства между секциями долота, где нет
ГМУ. Комбинированная система промывки также может быть асимметричной.
Применение асимметричной
системы промывки нежелательно, когда
возможно образование сальника на долоте (налипание липкого шлама и
глинистой корки бурового раствора не только на шарошки, но и на корпус
долота).
6.12 Опоры шарошек и система их смазки
Опора шарошки включает от двух до пяти подшипников, как качения, так
и скольжения (рисунок 6.23,а).
б
а
1
2
3
4
5
1
2
3
4
7
7
6
Рисунок 5.48 – Подшипники в опоре долота (а) и разрез опоры типа А (б)
Рисунок 6.23 - Подшипники в опоре долота (а) и опора типа А (б)
95

96.

Особенностями подшипников качения 1 и 2 шарошечных
породоразрушающих инструментов является то, что они не имеют ни колец, ни
сепараторов. Функции внутреннего кольца выполняет цапфа, а функции
наружного кольца – сама шарошка. Другие особенности опоры будут
рассмотрены ниже.
Классификационными признаками опор являются вид радиальных
подшипников и наличие или отсутствие герметизации опор. Все применяемые
схемы опор можно разделить на четыре группы:
для низких частот вращения долот ( до 110 об/мин);
для средних частот вращения долот (110-300 об/мин);
для повышенных частот вращения (300-450 об/мин);
для высоких частот вращения долот (более 450 об/мин).
6.12.1 Опоры для низких частот вращения типов А и АУ выполняются
на двух радиальных подшипниках скольжения и предназначены для роторного
бурения.
Опоры типа А предназначены для частот вращения долот до 110 об/мин,
выполняются открытыми и применяются в долотах диаметром до 93 мм.
Конструкция опоры типа А показана на рисунке 6.23,б. Лапа 1 имеет цапфу 2,
на которой установлена шарошка 3. Осевое положение шарошки
зафиксировано замковым шариковым радиально-упорным подшипником 4,
который собирается через сверление закрытое пальцем 5. Опора имеет два
радиальных подшипников скольжения – большой (БПС) 7 и малый (МПС) 6.
Рабочие поверхности подшипников скольжения в опорах типа А не имеют
специального покрытия.
Опора типа АУ (AU) является типовой для этой группы. Она
выполняется в долотах диаметром от 120,6 до 311,1 мм, предназначенных для
бурения с частотой вращения до 110 об/мин. Вариант конструкция опоры и
автономной системы ее смазки показаны на рисунке 6.24.
Опора АУ содержит пять подшипников: два радиальных подшипника
скольжения, два упорных подшипника скольжения и замковый подшипник. В
некоторых конструкциях долот один из упорных подшипников может
отсутствовать. Все поверхности скольжения на цапфе наплавлены твердым
сплавом. В шарошку запрессована втулка, внутренняя поверхность которой
выполнена из композиционного материала. Поверхность скольжения малого
радиального подшипника (МПС) на цапфе наплавлена твердым сплавом со
всех сторон.
Упорные подшипники скольжения в шарошке представлены
подпятником и внутренним торцом шарошки, а на цапфе – наплавленными
твердым сплавом ее торцевыми поверхностями.
96

97.

Крышка компенсатора
давления
Технологическая
заглушка
Диафрагма
Стакан
Разрезное
кольцо
Лапа
Гнездо
компенсатора
давления
Смазкоподводящий
канал
Палец
Уплотнение
Втулка большого
подшипника
скольжения
Замковый подшипник
Подпятник
Шарошка
Рисунок 6.24 –
Опора типа АУ
и система ее
смазки
Основным элементом автономной системы смазки является эластичная
диафрагма, которая устанавливается в стакане, предназначенном для
ограничения деформации диафрагмы. Стакан и диафрагма устанавливаются в
гнезде, выполненном в лапе, и закрываются крышкой. Крышка фиксируется в
гнезде разрезным пружинным кольцом. Компенсатор давления соединен с
опорой смазкоподводящим каналом, полостью вокруг пальца и далее
сверлениями в цапфе. Для подвода смазки непосредственно к замковому
подшипнику на передней части пальца выполнены лыски. Опора АУ
герметизирована эластичным кольцом (уплотнением) круглого сечения,
установленным у основания цапфы.
97

98.

Опора заполняется смазкой в атмосферных условиях. При спуске долота
в скважину растет наружное избыточное давление, которое равно давлению
столба промывочной жидкости на глубине спуска. Промывочная жидкость
проникает через отверстия в крышке в полость над диафрагмой и передает на
нее давление в скважине. Поэтому давление в полости под диафрагмой (в
смазке) и в полости опоры практически совпадает с наружным избыточным, т.е.
имеет место компенсация наружного давления, а уплотнение работает как
разделительный элемент.
6.12.2 Опоры для средних частот вращения предназначены для работы
с низкооборотными забойными двигателями и с двигателями со средними
частотами вращения. Поэтому в настоящее время изготавливается несколько
конструкций опор. Для нижнего диапазона частот вращения выполняются
герметизированные долота АУП, АУЛ и АУМ на двух подшипниках
скольжения.
Опора типа АУП (AUP) изготавливается заводом ОАО «Волгабурмаш».
Она так же, как и опора АУ, имеет автономную систему смазки, но
выполняется в долотах диаметром до 171,4 мм и для частот вращения долот до
140 об/мин. Отличительной особенностью опоры является втулка БПС и
упорная шайба из бериллиевой бронзы. Шайба установлена между торцом
цапфы и внутренним торцом шарошки с возможностью скольжения как
относительно цапфы, так и относительно шарошки. Такая установка элемента
шайбы называется плавающей.
Аналогичную по конструкции опору имеют долота, выпускаемые заводом
НПП «Буринтех» (рисунок 6.25).
6
7
1
2
3
4
5
Рисунок 6.25 - Состав опоры шарошки НПП «Буринтех»
В состав опоры входят цапфа 1, поверхности скольжения которой
армированы твердым сплавом, резиновое уплотнительное кольцо 2, втулка
большого радиального подшипника скольжения 3, выполненная из
антифрикционного материала с дополнительным серебренным покрытием,
98

99.

шариковый замковый подшипник 4, шайба упорного подшипника 5 и шарошка
6. Сверху на цапфе выполнена лыска, на которую выходит смазочный канал 7.
Серебренное покрытие существенно снижает трение в опоре.
Опоры типов АУЛ (AUL) и АУМ (AUM) выполняется в долотах
диаметром от 200 до 311,1 мм. Опора АУП (рисунок 6.26), предназначена для
повышенных частот вращения (до 180 об/мин). Отличительной особенностью
опоры АУЛ от опоры АУП является то, что втулка БПС, выполненная из
бериллиевой бронзы,
сделана
разрезной плавающей.
Конструкция опоры АУМ
показана на рисунке 6.27. Из
рисунка 6.27 видно, что опора
герметизирована
врезным
уплотнением 1 и имеет несколько
плавающих
деталей,
выполненных
из
антифрикционного
материала.
Колпачок 4 выполняет функции
втулки
малого
подшипника
Рисунок 6.26 - Опора типа АУЛ
скольжения и шайбы малого
упорного
подшипника.
Разрезную втулку 2 большого радиального подшипника, шайбу 3 большого
упорного подшипника и колпачок 4 покрыты со всех сторон серебром.
Все
поверхности
скольжения
на
цапфе
наплавлены твердым сплавом.
Врезное
уплотнение
имеет
меньшую
жесткость,
чем
4 круглое уплотнение долот АУ, а
посеребренные
плавающие
детали обеспечивают меньшее
трение в опоре. Все это
3
существенно снизило трение в
1
2
опоре и позволило увеличить
допускаемую частоту вращения
Рисунок 6.27 - Опора типа АУМ
долот до 300 об/мин.
Опоры типа Н являются типовыми для этой группы. Они предназначены
для работы при частотах вращения до 300 об/мин (тип НУ) и до 450 об/мин
(тип Н). Эти типы опор могут обозначаться латинскими буквами N и NU
соответственно.
Опора Н выполняются на одном большом радиальном подшипнике
качения, как правило роликовым, и на одном малом радиальном подшипнике
99

100.

скольжения. Опору готовят открытой (рисунок 6.28), т.е. она смазывается и
охлаждается промывочной жидкостью. Опора содержит большой роликовый
подшипник, замковый подшипник и два подшипника скольжения, подобных
подшипникам в опорах типа АУ.
Рисунок 6.28 - Опора типа Н
Опора
НУ снабжена автономной системой смазки. Для герметизации
опоры
применяется
торцевое
резинометаллическое уплотнение (манжета)
(рисунок 6.29). Уплотнение 2 размещается в
расточке между торцами шарошки 3 и лапы
1.
Уплотнение
представляет
собой
обрезиненную
стальную
коническую
пружину. При сборке опоры создается
натяг в осевом направлении на величину ,
который обеспечивает герметизацию опоры
и
запас
уплотнения
на
износ.
Уплотнение выдерживает избыточное
давление в опоре около одного МПа, а при
бóльшем давлении раскрывается как
Рисунок 6.29 - Герметизация
клапан.
Это
свойство
уплотнения
опоры типа НУ
используется при дозаправке опоры
смазкой путем продавливания смазки через опору, а также при замене смазки в
опоре в полевых условиях.
6.12.3 Опоры для высоких частот вращения выполняются на двух
радиальных подшипниках качения, как правило, роликовых. Опоры готовят в
100

101.

открытом исполнении типа В и герметизированными типа ВУ. Эти опоры
могут обозначаться латинскими буквами V и VU соответственно.
Опора типа В (V)
Большой роликовый
предназначена для частот
подшипник
вращения до 680 об/мин
(рекомендуемый
диапазон
Замковый подшипник
использования
450…680
об/мин). Конструкция опоры
Малый роликовый
долот, выпускаемых заводом
подшипник
ОАО
«Волгабурмаш»,
показана на рисунке 6.30,а.
Подпятник
Опора содержит пять
подшипников:
большой
роликовый,
шариковый
замковый, большой упорный
скольжения,
малый
роликовый и малый упорный
Наплавка твердого
сплава на цапфе
скольжения,
подобный
а
выполняемым в опорах типа
Н. На цапфе поверхность
скольжения
наплавлена
Уплотнение
Большой роликовый
твердым сплавом.
подшипник
Опора типа ВУ (VU)
отличается от опоры типа В
Замковый подшипник
тем, что она герметизирована
эластичным
кольцом
(уплотнением)
круглого
Малый роликовый
подшипник
сечения,
большой
роликовый
подшипник
выполнен
увеличенного
диаметра за счет врезания его
в шарошку, но в этой опоре
отсутствует малый упорный
подшипник скольжения.
Опорами
ВУ
Наплавка твердого
оснащаются долота большого
сплава на цапфе
б
диаметра
(>300мм).
Их
допускаемая
частота
Рисунок 6.30 - Опоры В (а) и ВУ (б)
вращения до 300 об/мин, т.е.
к высокооборотным долотам они отнесены условно - по признаку два
радиальных подшипника качения.
101

102.

6.12.4 Классификация опор. Обобщенные сведения о типах опор и
области их применения (рекомендуемые частоты вращения долот) приведены в
таблице 6.6.
Таблица 6.6 − Типы опор и область их применения
Группы
опор
Тип
опоры
Радиальные
подшипники
Система смазки
В
B
Два подшипника
качения
Открытая
Рабочие частоты
вращения долота,
об/мин
> 450
ВУ
То же
Автономная
до 300
Н
H
А
НУ
А
АУ
АУП
АУЛ
АУМ
Один подшипник
качения и один
скольжения
То же
Два подшипника
скольжения
Открытая
300 – 450
Автономная
Открытая
до 300
Автономная
Автономная
Автономная
Автономная
до 110
до 140
до 180
до 300
Условные обозначения подшипников на схемах опор следующие:
Р − роликовый подшипник;
Ш − шариковый подшипник;
Шз − шариковый замковый подшипник;
С − подшипник скольжения радиальный;
Су − подшипник скольжения упорный.
Основная опора группы В собирается по схеме РШзРСу. Возможны сборки
опор по схемам ШзШзР, а также ШШзШ и др.
Опоры группы Н собираются по схемам РШзССу и РШзСуССу. Опоры
типов В и Н открытые, т.е смазывание подшипников осуществляется
промывочной жидкостью. Опоры группы А собираются по схемам СШ зССу и
СШзСуССу.
Следует помнить, что взаимозаменяемость долот можно осуществлять
только сверху вниз, т.е. долото с опорами В можно применять вместо долот с
опорами Н и А, но не наоборот. Например, если применять долота с опорами
АУМ, вместо долот с опорами АУ при низких (до 110 об/мин) частотах
вращения, то оно будет бурить, но показатели его работы будут хуже, чем для
долота с опорами АУ. Но если применять долота с опорами АУ вместо долот с
опорами АУМ при повышенных частотах вращения, например при 250 об/мин,
102

103.

то долото с опорами АУ быстро выйдет из строя в результате перегрева и
заклинивания опор.
Следовательно, все инструменты должны применяться по назначению,
т.е. вопрос "а какое долото лучше?" не должен звучать в устах специалиста по
бурению скважин.
6.13 Армирование лап шарошечных долот
При бурении наклонных и горизонтальных скважин буровики
столкнулись с проблемой опережающего износа спинок лап. Для повышения
износостойкости спинок лап изготовители долот начали их армировать. На
рисунке 6.31. показаны четыре типа армирования, применяемые заводом
Волгабурмаш (контуры наплавки показаны сплошными линиями на
поверхности лапы). Обозначения типов наплавки входят в новый шифр долота.
Рисунок 6.31 - Типы армирования лап шарошечных долот
Первый тип армирования (рисунок 6.31,а) применяется на долотах с
вооружением первого класса и предусматривает наплавку твердым сплавом
только козырька лапы. Обычно в шифре долота не отражается.
Второй тип армирования (рисунок 6.31,б) предусматривает наплавку
твердым сплавом не только козырька лапы, но и ее набегающей грани (в шифре
долота этот тип армирования обозначается буквой L).
Третий тип армирования (рисунок 6.31,в)
комбинированный. Он
предусматривает армирование нижней части лапы как наплавкой твердого
103

104.

сплава, так и запрессовкой твердосплавных зубков (в шифре долота этот тип
армирования обозначается буквой S).
Четвертый тип армирования (рисунок 6.31,г) похож на третий, но
предусматривает армирование по всей высоте лапы (в шифре долота этот тип
армирования обозначается буквами LS).
При армировании возможно
чередование зубков твердосплавных и зубков с алмазным покрытием (в шифре
долота добавляется буква D).
Стабилизирующая площадка (рисунок 6.31,д) на верхней части спинки
лапы, оснащенная твердосплавными зубками (в шифре долота обозначается
буквой Р).
Стабилизирующая площадка (рисунок 6.31,е) на выступе для
гидромониторного узла оснащается твердосплавными зубками (в шифре долота
обозначается буквой буква Е). Наличие этой площадки обеспечивает не трех
точечное, как у обычных долот, а шести точечное касание стенки скважины,
как показано стрелками на рисунке 6.31,ж. Этим достигается более устойчивая
центровка долота в скважине и защита вооружения от повреждений. Этот вид
армирования получил название система самостабилизации долота.
Внешний вид шарошечного долота для крепких горных пород с системой
самостабилизации показан на рисунке 6.32.
зубки периферии шарошек
зубки обратного конуса шарошек
зубки системы самостабилизации
Рисунок 6.32 – Долото
с армированием выступов ГМУ,
образующим
систему самостабилизации
104

105.

6.14 Размеры и шифр долот по ГОСТ 20692-2003. Кодирование долот
по системе Международной ассоциации буровых подрядчиков
По ГОСТ 20692-2003 предусмотрен выпуск шарошечных долот 39
диаметров от 46 до 660,4 мм. Диаметры долот и размеры их
присоединительных резьб соответствуют международному стандарту, что
обеспечивает их взаимозаменяемость с долотами практически всех зарубежных
фирм. Шифр шарошечного долота несет информацию как об особенностях его
конструкции, так и об области его применения. В шифр входят:
1) вид долота по числу шарошек (римскими цифрами): одношарошечное
(I), двухшарошечное (II), трехшарошечное (III) и т.д.;
2) диаметр долота в мм, например 190,5 или 269,9;
3) тип вооружения долота и его класс, например, М, МЗ, МСЗ, С и т.д.;
4) расположение промывочных или продувочных отверстий и вид
системы промывки: с центральной системой промывки (Ц), с гидромониторной
боковой – (Г), с центральной продувкой – (П), с боковой продувкой – (ПГ);
5) тип опор шарошек, например, АУ, НУ, Н и т.д.
Примеры шифров:
I 190,5СЗ-АУ ГОСТ 20692-2003 – одношарошечное долото диаметром
190,5 мм, типа СЗ (с вооружением второго класса для горных пород средней
твердости) с опорой шарошки типа АУ;
III 215,9Т-ЦВ ГОСТ 20692-2003 – трехшарошечное долото диаметром
215,9 мм типа Т (с вооружением первого класса для твердых горных пород) с
центральной системой промывки и опорами шарошек типа В.
При маркировке трехшарошечных долот и долот с центральной
промывкой не наносятся римская цифра III и буква Ц, например 215,9Т-В,
190,5СЗ ГАУ R27. Более того, в технической документации часто опускается
римская цифра III. Если записан шифр долота 215,9ТЗ-ГАУ, то
подразумевается, что долото трехшарошечное.
В конце шифра могут добавляться цифры, означающие номер модели, а
также буквы, характеризующие особенности конструкции и материала или
несущие другую информацию. Например, буква R свидетельствует о том, что
долото выполнено по лицензии иностранной фирмы.
Код МАБП. Для унификации информации и быстрого определения
области применения инструментов Международная ассоциация буровых
подрядчиков (МАБП, латинская аббревиатура IADC) предложила цифровой
код (IADC code), состоящий из трех цифр и одной или нескольких латинских
букв. Например, код долота 215,9М-ГАУ имеет вид 126S. Ниже приведена
расшифровка цифр кода и их соответствие обозначениям по ГОСТ 20692-2003.
Первая цифра кода (от 1 до 8) характеризует группу горных пород и
серию вооружения. Цифры 1, 2 и 3 означают, что долота 1-го класса:
1 – долота для мягких пород (типы М и МС);
2 – долота для пород средней твердости ( типы С и СТ);
3 – долота для твердых горных пород (тип Т).
105

106.

Цифры от 4 до 8 означают, что долота 2-го класса (для абразивных
горных пород):
4 – долота для мягких горных пород (тип ОМЗ);
5 – долота для пород средней твердости (типы МЗ, МСЗ и СЗ);
6 – долота для твердых горных пород (типы ТЗ и ТКЗ);
7 – долота для крепких горных пород (тип К);
8 – долота для очень крепких пород (тип ОК).
Вторая цифра кода детализирует особенности вооружения и области
применения долота в пределах серии. Каждая серия делится на четыре типа,
которые обозначаются цифрами 1, 2, 3 и 4. Увеличению номера типа
соответствует увеличение прочности горных пород, для которых вооружение
предназначено, но только в пределах серии. Например, долото типа МЗ
обозначается цифрами 51, долото типа МСЗ – цифрами 53 и т.д.
Третья цифра кода характеризует опору и калибрующую способность
долота. Конкретные характеристики долота, отражаемые третьей цифрой кода,
приведены в таблице 6.7.
Таблица 6.7 – Особенности шарошечных долот, соответствующие
третьей цифре кода МАБП
Третья
цифра
кода
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Характеристики опоры и калибрующей
способности долота
Аналоги по
ГОСТ 20692-03
Открытые опоры для бурения с
промывкой буровыми растворами
То же, что и 1, но для бурения с
продувкой воздухом
То же, что и 1, но с усиленной
калибрующей способностью
Герметизированные опоры с одним
радиальным подшипником качения и
одним скольжения
То же, что и 4, но с усиленной
калибрующей способностью
Герметизированные опоры с двумя
радиальными подшипниками
скольжения
То же, что и 6, но с усиленной
калибрующей способностью
С армированным корпусом,
выполняющим функции калибратора
Специальные долота
Типы опор В и Н,
вооружение 1-го класса
106
Типы опор В и Н,
вооружение 2-го класса
Тип опоры НУ,
вооружение 1-го класса
Тип опоры НУ,
вооружение 2-го класса
Тип опоры АУ,
вооружение 1-го класса
Тип опоры АУ,
вооружение 2-го класса

107.

В современных долотах основной является гидромониторная система
промывки, а поэтому в коде не оговаривается.
Для отражения особенностей конструкции долот в коде МАБП привлечен
практически весь латинский алфавит. Ниже приведены лишь наиболее
употребляемые буквы:
А – для бурения с продувкой воздухом;
С – с центральной системой промывки;
S – со стальным стандартным вооружением;
Х – шарошки оснащены вставными конусно-клиновыми зубками;
Y – шарошки оснащены вставными конусно-сферическими зубками;
Z – шарошки оснащены вставными зубками с другой формой рабочей
поверхности.
Полный шифр долота по ГОСТ 20692-2003 имеет вид:
III 215,9МЗ-ГАУ ГОСТ 20692-2003 (IADC сode -517Х).
6.15 Шифры шарошечных долот ОАО «Волгабурмаш»
Новое условное обозначение введено заводом в связи с сертификацией
долот Международной организацией по стандартизации (ISO) и Американским
нефтяным институтом (API). Оно включает три основные позиции. Основу
составили размер долота, его код по системе МАБП и шифр продуктовой линии
производства. Пример шифра:
Позиция 1 – диаметр долота, мм.
Позиция 1'‒ диаметр долота, дюймы.
Позиция 2 – продуктовая линия (продуктовая от слова продукция).
Позиция 3 – цифровая часть кода долота по системе МАБП (IADC code).
Диаметр долота может быть представлен или позицией 1 или позицией 1'.
Рассмотрим подробнее продуктовые линии.
Slimhole (в шифре SLН) – базовые гидромониторные долота малого
диаметра (от 95,0 до 171,4 мм) с опорами НУ и АУ. Лапы долот 1-го класса
армированы по 2-му типу, а лапы долот 2-го класса – по 4-му типу.
SlimholePro (в шифре SLНP) – долота подобные Slimhole, но более
высокого качества и только с опорами АУ. При армировании лап и
периферийного вооружения шарошек 2-го класса возможно применение зубков
с алмазным покрытием. Рекомендованы для бурения пологих и горизонтальных
участков скважины. Суффикс Pro свидетельствуют о том, что у долота усилен
107

108.

тот или иной функциональный элемент. Например, в долотах 2-го класса часть
вооружения обратного конуса шарошек выполнена зубками с алмазным
покрытием.
Пример шифра: 165,1 (6 1/2) SLHP637.
Grand (в шифре GRD) – гидромониторные долота большого диаметра
(от 393,7 до 660,4 мм) с открытыми опорами только 1-го класса.
Пример шифра: 444,5 (17 1/2) GRD311.
GrandPro (в шифре GRDP) – гидромониторные долота большого
диаметра с герметизированной опорой 1-го и 2-го классов. Лапы долот 1-го
класса армированы по 2-му типу, а лапы долот 2-го класса – по 4-му типу.
Motor (в шифре MTR) – долота диаметром от 190,5 до 381,0 мм с
опорами НУ и АУ повышенной надежности с гидромониторной и
комбинированной системами промывки, оснащенной в том числе удлиненными
насадками.
Пример шифра: 215,9 (8 1/2)MTR215.
MotorPro (в шифре MTRP) – гидромониторные долота с
герметизированными опорами премиум-класса, разаботанные специально для
работы с гидравлическими забойными двигателями. При армировании лап и
периферийного вооружения шарошек 2-го класса возможно применение зубков
с алмазным покрытием и системы самостабилизации.
Пример шифра: 349,2 (13 3/4) MTRP837.
Storm (в шифре STM) – гидромониторные долота с открытыми опорами.
Предназначены для высокооборотного бурения (до 600 об/мин). Армирование
лап 2-го типа.
Пример шифра: 215,9 (8 1/2)STM513.
Singl (в шифре SGL) – одношарошечные долота малого и среднего
диаметров с герметизированной опорой. Шарошки могут оснащаться как
твердосплавными резцами, так и резцами PDC. Предназначены для бурения на
больших глубинах, в том числе с управлением кривизной скважины. Для
защиты от износа обсадных труб возможно нанесение защитного протектора на
всю шарошку
Пример шифра: 190,5 (7 1/2)SGL547.
Завод ОАО «Уралбурмаш» изготавливает двухшарошечные долота
диаметром от 59,0 до 133,4 мм и трехшарошечные долота диаметром от 75,0 до
108

109.

349,2 мм на продуктовой линии Standart. Это долота с гидромониторной и
центральной промывкой для высокооборотного бурения. Опоры долот
открытые. Армирование лап по 2-му типу.
Сводные данные о шарошечных долотах ОАО "Волгабурмаш" приведены
в таблице 6.8.
Таблица 6.8 - Шарошечные долота ОАО «Волгабурмаш»
Продуктовая
линия
Условное Диаметры Системы
обозначе- , мм
промывки
ние
Slimhole
SLH
SlimholePro SLHP
Motor
MTR
MotorPro
MTRP
Grand
GRD
GrandPro
GRDP
Storm
STM
Типы опор
Пример шифра
< 171,4
Г
АУ и НУ
(AU and NU)
165,1 SLH515
“
Г
АУП (AUP)
165,1 SLHP515
190,5381,0
ГиК
АУ и НУ
215,9(8 ½)
MTR236
“
“
АУЛ (AUL)
215,9(8 ½)
MTRP236
393,7660,4
ГиК
НиВ
(1-го класса)
444,5GRD421
“
ГиК
ВУ (VU)
(2-го класса)
444,5GRDP425
171,4295,3
Г
НиВ
(N and V)
215,9 STM131
109

110.

Тема 7. РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМИ
ИНСТРУМЕНТАМИ
7.1 Виды и области разрушения горных пород при бурении скважин
Разрушающие напряжения в горной породе под элементами вооружения
породоразрушающих инструментов при бурении создаются осевой нагрузкой
G, создаваемой весом бурильного инструмента, к которому присоединен
породоразрушающий инструмент. Ниже разрушение горных пород рассмотрим
на примере работы долот.
Разрушение горной породы охарактеризуем величиной углубления
скважины hо за один оборот инструмента при вращательном бурении. Этот
показатель называют проходкой за один оборот инструмента или
интенсивностью разрушения горной породы породоразрушающим
инструментом.
I
II
III
Нагрузка на долото
Проходка за один оборот, мм/об
Проходка за один оборот долота
0,6
0,4
0,2
0
500
Рисунок 7.1 - Зависимость интенсивности разрушения горной породы
от осевой нагрузки на долото
На рисунке 7.1 приведена характерная зависимость интенсивности
разрушения породы от осевой нагрузки на долото. В соответствии с этой
зависимостью Л.А. Шрейнер предложил различать три вида разрушения горной
породы, которые на рисунке 7.1 обозначены соответственно I, II, III.
Вид
I.
Интенсивность
разрушения
горной
породы
прямо
пропорциональна G и весьма мала. Скважина образуется вследствие истирания
породы, поэтому вид разрушения назван поверхностным истиранием.
Вид II. Прямая пропорциональность между интенсивностью разрушения
породы и осевой нагрузкой на долото нарушается. Это связано с развитием
110
100
Глубина б

111.

усталостных явлений при многократных воздействиях инструмента на горную
породу. Такой вид разрушения горной породы назван усталостным.
Вид
III. Осевая нагрузка обеспечивает под вооружением долота
напряжения в горной породе, равные или превышающие сопротивление горной
породы разрушению. Интенсивность разрушения горной породы по мере
дальнейшего роста G вначале быстро возрастает, а затем темп роста снижается.
Такой вид разрушения горной породы назван объемным.
Исследования показали, что в случае хрупких и пластично-хрупких
горных пород третий вид разрушения делится на несколько областей объемного
разрушения с границами, соответствующими нагрузкам на долото, при которых
начинаются соответствующие скачки разрушения пород.
7.2 Области объемного разрушения горных пород
На рисунке 7.2 показана характерная зависимость глубины внедрения
зубьев долота в пластично-хрупкие и хрупкие горные породы от нагрузки на
долото. Из рисунка 7.2 видно, что эта зависимость распадается на ряд областей
разрушения горной породы. Здесь же приведены фотографии характерных
видов разрушения гладкой поверхности горной породы элементом вооружения
в виде притупленного клина при единичных воздействиях и отсутствии
скольжения зуба.
h0
I
0
G1
II
G2
III
G3
G
Рисунок 7.2 - Области и вид объемного разрушения горной породы элементом
вооружения в виде притупленного клина
111

112.

В 1-й области разрушение начинается с появления хрупкого выкола по
контуру следа зуба без разрушения ядра сжатия (первая фотография).
Появление хрупкого выкола рассматривается как первый скачок разрушения
горной породы. По мере увеличения нагрузки на долото происходит
постепенное развитие области разрушения.
На границе между 1-й и 2-й областями происходит второй скачок
хрупкого разрушения. При этом ядро сжатия разрушается с образованием
значительной лунки разрушения (вторая фотография). Соответственно резко
увеличивается глубина разрушения. Но при дальнейшем увеличении нагрузки
темп увеличения объема и глубины лунки вновь снижается. Этот интервал
нагрузки рассматривается как вторая область разрушения породы.
На границе между 2-й и 3-й областями наблюдается третий скачок
разрушения горной породы, характеризующийся резким увеличением глубины
внедрения клина и размеров лунки (третья фотография). Далее разрушение
вновь
стабилизируется.
При
экспериментальном
бурении
четко
просматриваются до четырех скачков разрушения. При дальнейшем
увеличении нагрузки начинается взаимное влияние соседних зубьев в венцах и
темп роста глубины разрушения снижается.
На рисунке 7.3 показана зависимость интенсивности разрушения горной
породы элементом вооружения со сферической рабочей поверхностью. Из
рисунка 7.3 видно, что в этом случае плохо просматриваются скачки
разрушения горной породы. В стендовых условиях их можно выделить по
изменению угла наклона участков зависимости h0 от G, а в реальных условиях
только на зависимости энергоемкости разрушения горной породы от осевой
нагрузки на долото.
h0
I
0
G1
II
III
G2
G3
G
Рисунок 7.3 - Области и вид объемного разрушения горной породы элементом
вооружения со сферической рабочей поверхностью
112

113.

При единичных воздействиях на породу очень маленькое пятно
предельно деформированной породы появляется на поверхности породы при
весьма малых нагрузках, но отделение обломков начинается значительно
позже. Под зубком формируется ядро предельно деформированной породы,
которое создает давление на окружающую его породу и, наконец, скалывает ее.
С этого момента начинается объемное разрушение горной породы. На первой
фотографии показано начало отделения обломка (начало скола). Дальнейшее
увеличение контактного давления приводит к постепенному разрушению ядра
и увеличению выкола с образованием лунки разрушения (вторая фотография).
При дальнейшем увеличении нагрузки на зубок темп роста интенсивности
разрушения породы растет и достигает следующего критического значения, т.е.
третьего скачка разрушения породы. Темп роста интенсивности разрушения
вновь возрастает и происходит формирование третьей формы разрушения
породы (третья фотография).
Зависимости энергоемкости разрушения горной породы от осевой
нагрузки аналогичны описанным выше зависимостям при динамическом
вдавливании штампа (см. рисунок 2.5,д), т.е. представляют собой кривые с
максимумом и минимумом в пределах области разрушения. Причем по мере
увеличения номера области разрушения наблюдается понижение величин
минимумов. Отсюда следует, что чем выше область разрушения горной
породы, тем энергетически более выгоден процесс ее разрушения. В пределах
области разрушения может быть определена оптимальная нагрузка на долото,
соответствующая минимуму энергоемкости. Эта закономерность используется
в бурении при поиске нагрузки, соответствующей
максимальной
механической скорости бурения в пределах заданного интервала осевой
нагрузки на долото.
7.3 Влияние глубины залегания горных пород и дифференциального
давления на сопротивление разрушению
Влияние глубины залегания горных пород на сопротивление их
разрушению обусловлено тремя основными факторами.
Первый фактор – с увеличением глубины залегания растет уплотнение
горных пород (снижается пористость), причем наиболее существенно у
глинистых горных пород.
Второй фактор – с увеличением глубины залегания растет
геостатическое давление и соответственно возрастают средние сжимающие
напряжения в горных породах. Для большинства горных пород с их
увеличением растут предел текучести, предел прочности и пластичность пород.
Третий фактор – разность давления бурового раствора рс на забой
скважины и пластового (порового) рп давления. Эта разность получила
название дифференциальное давление рд, т.е.
рд = рс – рп .
113
(7.1)

114.

Но, мм/об
На рисунке 7.4 показано совокупное влияние названных факторов на
интенсивность разрушения горной породы (ho) на примере нефтяных
месторождений Башкирии при высокооборотном бурении. Из рисунка 7.4
видно, что интенсивность разрушения
ho, мм/об
горных пород монотонно снижается с
ростом глубины их залегания.
0,6
0,4
0,2
0
0
500
1000
1500
2000
Глубина
м м
Глубинабурения,
бурения,
Рисунок 7.4 - Влияние глубины
бурения на интенсивность разрушения
б
горной породы
Исследования показали, что из
трех названных факторов влияние
дифференциального
давления
наиболее существенно.
Влияние
дифференциального
давления на разрушение горной
породы
проиллюстрировано
на
рисунке 7.5,а. В качестве показателя
принята относительная механическая
скорость бурения, равная
отношению механической скорости
при
рассматриваемом
дифференциальном
давлении
к
механической скорости при нулевом
дифференциальном давлении.
Из рисунка 7.5,а видно, что по мере алгебраического увеличения
дифференциального давления промывочной жидкости на забое относительная
механическая скорость бурения снижается, причем влияние может быть
сильным (график 1), средним (график 2) и практически отсутствовать (график
3).
Рисунок 7.5 – Влияние дифференциального давления
на разрушение горных пород
114

115.

На рисунке 7.5,б приведены результаты изучения Р.М. Эйгелесом
разрушения малопроницаемого известняка средней твердости элементом
вооружения в виде притупленного клина с площадкой
притупления
2
1 х 5 мм , из которых следует, что при атмосферном давлении (рд = 0,1 МПа)
было получено три скачка разрушения известняка (график 4): первый
при нагрузке G 5 кН; второй при G 13 кН; третий при G 22 кН.
Следующие испытания были проведены при разных дифференциальных
давлениях. В случае рд 5 МПа осевые нагрузки, необходимые для
достижения тех же скачков разрушения, резко возросли (график 5). Например,
для второго скачка разрушения в 1,7 раза. В случае рд 25 МПа (график 6)
нагрузка второго скачка разрушения возросла в 2,2 раза по сравнению
с
нагрузкой
при
нулевом дифференциальном
давлении, а в
случае рд 50 МПа (график 7) известняк утратил хрупкость и деформировался
как пластичная, не дающая хрупкого разрушения порода.
Механизм влияния дифференциального давления промывочной
жидкости на разрушение горной породы рассмотрим на примере вдавливания
притупленного клина (рисунок 7.6,а). Под действием силы G клиновой зуб 1
формирует в горной породе область предельного состояния 2 (ядро
всестороннего сжатия) породы. Условно ядро рассматривается как очень вязкая
жидкость. Давление ря в ядре растет вместе с увеличением силы G и
передается на окружающую его породу. При достижении в окружающей ядро
породе предельных напряжений в ней образуются боковые трещины 3 и
происходит хрупкое разрушение окружающей ядро породы.
p
m
G
gc
1
pу
pд
рс
А
р
с
р
0
dm
р
я
dп
р
3
т
2
А
d
d
а
рп
б
Рисунок 7.6 - Схема механизма влияния угнетающего давления
в скважине на разрушение горной породы
115

116.

Нетрудно видеть, что образованию трещины и сколу породы мешает
разность давлений
рс – рт = ру,
(7.2)
Нетрудно видеть, что образованию трещины и сколу породы мешает
разность давлений
рс – рт = ру,
(7.2)
где рт – давление флюида в трещине; ру – угнетающее давление. Этот эффект
получил название угнетения процесса разрушения породы, а отсюда
произошло и название давления ру – угнетающее давление.
На рисунке 7.6,б показана схема формирования угнетающего давления в
сечении А-А. В плотных непроницаемых породах при отсутствии
трещиноватости забоя рт 0, т.е. ру рс. В проницаемых горных породах под
забоем до глубины п формируется переходная зона, в которой давление
постепенно изменяется от рс до рп. При образовании (раскрытии) трещины
давление в ней снижается относительно давления переходной зоны, так как
мгновенное заполнение трещины невозможно. Возможны три основных случая:
1) в малопроницаемых горных породах заполнение трещин жидкостью
слабое. Поэтому | ру| > | рд|, а в пределе ру = рс. То же имеет место, когда в
скважине не фильтрующийся через забой буровой раствор. В этом случае
отрицательное влияние угнетающего давления наибольшее;
2) в сильно проницаемых породах заполнение трещины происходит
быстро как за счет фильтрата промывочной жидкости, так и за счет пластового
флюида. При этом возможно, что | ру| < | рд|, а в пределе возможно ру 0. В этом
случае отрицательное влияние угнетающего давления будет незначительным;
3) в случае |рп| > | рс| будет иметь место отрицательное дифференциальное
давление (см. рисунок 7.5,а), а влияние угнетающего давления будет
положительным. Такая ситуация возможна, например, при продувке скважин
воздухом.
7.4 Приведение предела текучести горных пород к забойным условиям
В процессе бурения естественное горное давление на поверхностях забоя
и стенок скважины при вскрытии их долотом заменяется гидродинамическим
давлением промывочной жидкости, равным
pcд = gz + p,
(7.3)
где − плотность промывочной жидкости; g – ускорение силы тяжести; z –
глубина забоя; p – гидравлические потери в кольцевом зазоре скважины. В
соответствии с выше изложенным принимаем, что поверхностный слой породы
116

117.

забоя находится в условиях всестороннего сжатия 0, близкого к равномерному,
т.е. 0 → pcд.
Соответственно возникает задача о необходимости уточнения выбора
долота по данным о прочностных свойствах горных пород с учетом
фактического напряженного состояния горных пород забоя. Большинство
горных пород в условиях всестороннего сжатия при вдавливании инденторов
не дают хорошо выраженного хрупкого разрушения, а поэтому определение их
твердости по штампу затруднительно. Поэтому зависимость роз от 0 и р0
представим в виде
р0з = р0·К,
(7.4)
где К – коэффициент приведения предела текучести горной породы к забойным
условиям. Соответственно
К = р0з/ро.
(7.5)
Далее величину К будем рассматривать как функцию 0 и р0.
На рисунке 7.7 приведена зависимость К от р0, построенная для
глинистых пород (далее глин) по данным М.К. Сеид РЗА и др. при 0 = 98,1
МПа (1000 кгс/см2).
Из рисунка 7.7 следует, что
можно принять зависимость К от
р0 экспоненциальной.
К.
Д.
Шевцов
экспериментально показал, что
предел текучести породы в
забойных условиях примерно
прямо пропорционален величине
( 0)0,5.
При поиске зависимости роз
от 0 и р0 учитываем следующие
граничные условия: если 0 =
0, то р0з = р0, а величина К,
равная 1, является асимптотой
зависимости К от 0 и р0. При
расчете р0з величины р0 должны
Рисунок 7.7 – Зависимости К от р0
быть измерены при вдавливании
для глин при 0 = const
штампов диаметром 2…3 мм для
нивелирования влияния масштабного эффекта.
Вид зависимости К от 0 и р0, удовлетворяющий граничным условиям
принимаем в виде
К – 1 = (А·exp(р0))∙ 00,5,
117
(7.6)

118.

К
где А и В – параметры уравнения регрессии (7.6).
Долото должно удовлетворять не только средней твердости горной
породы, но и ее наиболее твердым разностям. Поэтому нами предложено
рассчитывать верхнюю границу коэффициента К по данным о верхнем
значении предела текучести горной породы с принятой в бурении вероятностью
Р = 0,95. На рисунке 7.7 пунктиром показана зависимость верхних значений К
от 0.
Наиболее полные исследования влияния всестороннего сжатия на
сопротивление горных пород разрушению выполнены на кристаллических
горных
породах.
На рисунке 7.8 приведены результаты испытаний
Ю.Ф. Алексеева на ангидритах, доломитах, известняках и мраморе.
Значительный разброс значений коэффициента К обусловлен разной
твердостью горных пород. Предел текучести испытанных горных пород лежал
в пределах от 580 до 1600 МПа. С увеличением твердости горных пород при
одних и тех же значениях 0 наблюдалось снижение величины коэффициента К.
Описанные
выше
1,8
результаты
исследований
получены
при
пластовом
1,6
давлении,
равном
нулю.
Реально для горных пород с
1,4
гранулярной пористостью (для
песчано-глинистых отложений)
1,2
в
качестве
действующего
1
всестороннего
сжатия
принимают
величину
0,8
дифференциального давления
0
20
40
60
80 р , равного
д
0, МПа
0д = рд= рсд – рп,
(7.7)
Рисунок 7.8 – Частная зависимость
коэффициента К от 0 по данным
Ю.Ф.Алексеева
где рп – пластовое давление, а
для пород с кавернознотрещинной пористостью (для
доломитов, известняков ангидритов и др.), пластовое давление не учитывают и
из-за малой величины пористости большинства пород принимают равным
0д = рсд.
Последнее несколько завышает значения коэффициента К.
Далее в расчетных формулах для К будем соответственно использовать
величины (рсд – рп) и рсд .
Для кристаллических горных пород
К = 1+ (0,200exp(-0,00170р0))∙рсд0,434;
118
(7.8)

119.

для глинистых горных пород (данные р0 от 45 до 540 МПа)
К = 1+ (0,472exp(-0,00163р0)∙(рсд – рп)0,5;
(7.9)
для алевролитов, аргиллитов и песчаников
К = 1+ (2,17exp(- 0,000966р0))∙(рсд – рп)0,5,
(7.10)
где
р0 – среднее значение предела текучести горной породы.
Для конкретного интервала горных пород рассчитывают среднее
значение предела текучести горной породы и его среднее квадратическое
отклонение s по формулам
1
р0с = р0i;
n
(7.11)
( p0 i p0 c )2
s
n 1
,
где n – число определений р0; р0i – результаты измерения р0.
Далее подсчитывают верхнее значение предела текучести породы:
р0в = р0с + ts,
(7.12)
где t – параметр распределения Стьюдента при заданной надежности оценки,
равной 0,95. И, наконец, подсчитывается верхнее значение предела текучести
горной породы в забойных условиях:
р0зв = р0в·К.
(7.13)
Горные породы нефтегазовых разрезов обычно охарактеризованы
твердостью в категориях, соответствующих стандартным условиям
определения прочностных характеристик горной породы. Для перерасчета
категорий твердости в показатель предела текучести горной породы можно
воспользоваться формулой
2 ,101
ln 12 ln( 12 H )
р0 =
, МПа,
(7.14)
0,0259
где Н – твердость горной породы рассматриваемого интервала бурения в
категориях.
Рассмотрим пример уточнения выбора долота PDC ООО НПП "Буринтех"
(рисунок 7.9). Сведения о долотах были приведены выше в подразделе 5.6.
119

120.

Пример. В разрезе Федоровского месторождения Западной Сибири
наиболее твердыми являются песчаники баженовской свиты (твердость МС).
Верхний предел текучести горных пород названной свиты составляет около 590
МПа, а предел текучести рассматриваемых в примере пород лежит в пределах
110…590 МПа. Тогда среднее значение составит р0с = 350 МПа.
Из рисунка 7.9 видно, что в этом случае горной породе баженовской
свиты соответствовали бы долота с первой цифрой кода 2 и 3 (штриховые
линии). Проверим, как изменится выбор долота, если учесть
гидродинамическое давление на забой скважины.
Подошва свиты залегает на глубине 2680 м, плотность промывочной
жидкости 1140 кг/м3, пластовое давление гидростатическое. Расчеты показали,
что гидродинамическое давление на забой составило ргд = 31,8 МПа, а
пластовое давление р = 26,3 МПа. Тогда
0д = ргд – р = 31,8 – 26,3 = 5,5 МПа.
Величина коэффициента К, рассчитанная по формуле (7.10), составила
К = 1,37. Далее рассчитаем средний (р0зс) и верхний (р0зв) показатели предела
текучести горной породы в забойных условиях:
р0зс = 1,37∙350 = 480 МПа;
р0зв = 1,37∙590 = 808 МПа.
Рисунок 7.9 – Номограмма для выбора долот PDC НПП "Буринтех"
120

121.

Уточненный выбор долота в соответствии с полученными значениями р0зс и
р0зв показан на номограмме штрихпунктирными линиями. Из рисунка 7.9 видно,
что величинам предела текучести горной породы в забойных условиях
соответствует долото только с цифрой кода 3.
В подразделе (5.7) было показано, что число лопастей долот PDC зависит
не только от твердости горной породы, но и от диаметра долота.
В рассматриваемой скважине применялось долото диаметром 220,7 мм.
При подстановке стандартных значений p0в и значений р0вз в забойных условиях
в формулу (5.3) получили
Zст = 0,00369∙590 + 0,00959∙220,7 = 4,3 лопасти;
Zз = 0,00369∙808 + 0,00959∙220,7 = 5,1 лопасти.
В связи со сравнительно низкой представительностью определения
величин р0 число лопастей следует округлить в большую сторону, т.е. принять в
первом случае 5, а во втором 6 лопастей. Фактически в соответствии с опытом
бурения на рассматриваемой площади применяются 6-ти лопастные долота
220,7 ВТ 613 (IADC code S333), т.е. 6-ти лопастные долота.
Таким образом, для выбора типов долот необходимо определить или
рассчитать значения р0с и s, затем привести их к забойным условиям, т.е.
рассчитать р0сз и р0зв и, только потом, принять решение о типе долота.
7.5 Безразмерные характеристики разрушения горных пород
Обобщенная (безразмерная) осевая нагрузка G' на долото равна
отношению действующей нагрузки G и нагрузки Gs, необходимой для
достижения в горной породе предела текучести, т.е.
G' = G /Gs.
(7.15)
Величина Gs рассчитывается по геометрическим параметрам
вооружения шарошек и по показателям механических свойств горных пород
при вдавливании штампа.
Для притупленного клина (см. рисунок 6.9)
Gsп = р0з b ∑ li,
(7.16)
где p0з – предел текучести горной породы по штампу, приведенный к забойным
условиям; b – притупление зубьев (клина); – средняя доля от ∑li
одновременно контактирующих с забоем зубьев; ∑ li – суммарная длина зубьев
по одному с каждого венца.
Для долот с конусно-клиновыми зубками (см. рисунок 6.13,а),
имеющими цилиндрическую рабочую поверхность
121

122.

р02з ~
Rц d i ,
Gsц =
(7.17)
С
~
где Rц – средневзвешенный радиус скругления рабочей поверхности зубка;
∑di – сумма диаметров зубков по одному с каждого венца (ряда);
С – модуль
деформации (упругости) горной породы при вдавливании.
Для долот, оснащенных зубками со сферической рабочей поверхностью
(см. рисунок 6.13,б),
р03з 3 ~ 2 d i
Gsc = 2 Rс
(7.18)
~ ,
6d
С
~
~
где R c и d средневзвешенные радиус сферы и диаметр зубков.
Формулы (7.17) и (7.18) получены на основании решений задач Герца при
условии рmax = ро.
Введение коэффициента обусловлено тем, что элементы вооружения в
венцах шарошек размещены вразбежку и контактируют с забоем в каждый
момент времени в разных сочетаниях. Расчеты показали, что относительные
суммы длин зубьев для притупленного клина и диаметров зубков за один
оборот трехшарошечных долот диаметром 190,5 и 215,9 мм подчиняются
нормальному закону распределения с параметрами
≈ 0,30; sη ≈ 0,12.
Изменение во времени количества одновременно воздействующих на
забой элементов вооружения приводит к соответствующему изменению их
давления на горную породу во времени и, следовательно, к неравномерному
разрушению забоя и нагружению самих элементов.
7.6 Формулы подобия
При выборе долот и определении режима их работы часто возникает
необходимость перерасчета характеристик при известном сочетании факторов к
характеристикам с новыми сочетаниями факторов. В этом случае очень
полезны формулы подобия.
Рассмотрим два случая. Нагрузки на долото, геометрические параметры
вооружения и показатели механических свойств горных пород обозначим
соответственно индексами 1 и 2. Тогда в основе перехода от одних
геометрических параметров вооружения к другим или от одних показателей
механических свойств горных пород к другим в пределах одной области
разрушения лежит соотношение
Gk1 Gs1
.
(7.19)
Gs 2
Gk
2
Конкретно для долот с вооружением в виде притупленных клиньев
122

123.

p b ( li )1
G1
0 з1 01
G2 p0 з 2b0 2 ( li )2
;
(7.20)
для долот, оснащенных клиновыми зубками,
2
G1 p0 з1 C2 Rц1 ( d i )1
;
G2 p0 з 2 C1 Rц 2 ( d i )2
(7.21)
для долот, оснащенных зубками со сферической рабочей поверхностью
G1 p0 з1
G2 p0 з 2
3
C2
C1
2
2
Rс1 ( d i )1
R ( d ) ,
i 2
с2
(7.22)
где р0 з – предел текучести горной породы, приведенный к забойным условиям;
С – модуль деформации горной породы при вдавливании.
Нагрузки скачков разрушения горных пород при разной величине износа
вооружения удобно определять по формуле подобия:
~
Gk ( b ) b
~ ,
Gk ( b0 ) b0
(7.23)
Gk
G' k
.
G( k 1 ) G'( k 1 )
(7.24)
~ ~
где b b0 2htg ,
где − половина угла при вершине зуба (клина); h – величина износа зуба по
высоте.
Расчетный переход от одной области разрушения горной породы к
другой области можно также осуществить по формуле подобия:
Формулы подобия связывают геометрические параметры элементов
вооружения и показатели механических свойств горных пород и позволяют
проводить расчеты при выборе типа долота и нагрузки на долото, опираясь на
данные промысловых и экспериментальных исследований.
7.7 Мощность и момент, обеспечивающие работу долота
Бурение скважин весьма энергоемкий процесс. Мощность, необходимая
для работы долота, складывается из механической мощности Nд для вращения
долота и гидравлической мощности Nг, расходуемой в системе промывки
долота. Мощность Nд рассчитывается по формуле
123

124.

Nд = 2πМn/60,
(7.25)
где М − крутящий момент на долоте, Нм; п − частота вращения долота, об/мин.
В общем случае момент на долоте зависит от осевой нагрузки на долото,
диаметра долота, твердости горной породы и вида ее разрушения: истиранием,
резанием-скалыванием или дроблением-скалыванием. Для приближенных
расчетов и сопоставления долот используется характеристика моментоемкость
mo долот:
mo =
М
,
GD
(7.26)
где G – осевая нагрузка на долото; D – диаметр долота. Средние значения mo
для разных конструкций долот приведены в таблице 7.1.
Таблица 7.1 – Моментоемкость долот при разрушении
горных пород средней твердости
Долото
Диаметр, D,
мм
Трехшарошечное типа С
Одношарошечное типа СЗ
Алмазное
(оснащено
зерновыми
алмазами)
Алмазное
(оснащено
зерновыми
алмазами)
Алмазное
(оснащено
зерновыми
алмазами)
PDC (резцы с острой кромкой)
PDC (резцы с фаской)
215,9
140,0
140,0
Моментоемкость,
то, Нм/(кН мм)
0,048
0,090
0,093
188,0
0,096
240,0
0,092
188,7
188,7
0,364
0,254
Из таблицы 7.1 видно, что моментоемкость долот PDC при разрушении
горных пород средней твердости примерно в семь раз выше, чем для
трехшарошечных долот и в четыре раза выше, чем одношарошечных и
алмазных, оснащенных зерновыми алмазами. Но благодаря острым резцам
долота PDC обеспечивают эффективное разрушение горной породы при осевых
нагрузках кратно меньших, чем на долота других конструкций, что
обеспечивает им высокую конкурентоспособность.
Для шарошечных долот выполнены прямые измерения необходимой для
их вращения мощности N и получено следующее уравнение регрессии
N = 0,00514·c·n·D0,4·G1,3, Вт,
124
(7.27)

125.

где с − параметр, зависящий от твердости горной породы, скалывающей
способности долота и частоты его вращения; п − частота вращения долота,
об/мин; D − диаметр долота, мм; G − нагрузка на долото, кН.
Вид зависимости с от твердости горных пород показан на рисунке 7.7.
Рисунок 7.10 - Зависимость параметра с от твердости горной породы
Из рисунка 7.10 видно, что параметр с монотонно снижается с
увеличением твердости горной породы. Переход с одной прямой на другую по
мере увеличения твердости горной породы связан с дискретностью величин
скалывающей способности долот, охарактеризованной величиной k0 (см.
таблицу 6.2).
При расчете параметра с удобно пользоваться следующим уравнением
с = 7,733 ‒ 0,487Н + 48,08k0 ‒ 0,0024п,
(7.28)
где Н – средняя твердость горной породы в категориях; k0 − относительное
смещение оси шарошки в плане, п − частота вращения долота, об/мин.
125

126.

7.8 Выбор шарошечных долот по данным о механических свойствах
горных пород. Номограммы для выбора типов долот
Шарошечные долота должны удовлетворять следующим
требованиям:
1) соответствовать твердости горных пород;
2) обеспечивать наиболее высокую область разрушения горной породы, что
соответствует обеспечению наибольшей механической скорости бурения;
3) вооружение долота первого класса должно обеспечивать использование
ресурса опоры, т.е. соответствовать абразивности горной породы.
Каждый тип долот имеет свою область рационального использования,
которая характеризуется твердостью горных пород, выраженной в категориях
(кат.). Характеристики областей применимости шарошечных долот ОАО
«Волгабурмаш» приведены в таблице 7.2. В скобках приведены типы
вооружения долот по коду Международной ассоциации буровых подрядчиков
МАБП (IADC code).
7.8.1
Таблица 7.2 ‒ Области применимости долот по твердости горных пород
Долота 1-го класса
Тип
Нд, кат.
М (11, 12)
1,96
МС (13)
2,46
С
(21)
3,09
СТ (23)
4,09
Т
(31)
5,09
* - одношарошечное долото
Долота 2-го класса
Тип
Нд, кат.
Ндв, кат.
3,97
4,94
5,89
7,00
7,40
МЗ
СЗ ОД*
МСЗ, СЗ
ТЗ, ТКЗ
К
(51)
(51)
(53, 54)
(62, 63)
(74)
2,72
3,17
3,90
4,68
6,80
Ндв, кат.
4,48
5,95
7,26
7,89
9,83
Область применимости долота описывается диапазоном от среднего
значения Н до верхнего Нв значений твердости породы в категориях с
вероятностью 0,95. Для наглядности выбора типа долота удобно использовать
номограммы, построенные по данным таблицы 7.2.
Номограмма (рисунок 7.8). По оси абсцисс отложена твердость горных
пород в категориях. Через начало координат проведена вспомогательная
наклонная прямая, на которую нанесены точки, имеющие абсциссу Нд и
обозначенные как соответствующие типы долот. От каждой точки проведен
горизонтальный отрезок длиной (Ндв − Нд), т. е. равный правой половине
области применимости соответствующего долота.
Из рисунка 7.8 видно, что области применимости долот существенно
перекрываются, поэтому для одних и тех же горных пород перспективными
могут быть несколько типов долот.
Выбор параметров распределения Стьюдента. Рассчитать среднее
арифметическое значение Нп и среднее квадратическое отклонение sН величин
126

127.

твердости горных пород рассматриваемого интервала в категориях и далее
верхнее значение твердости по формуле
Нв = Нп + sН t(P),
(7.29)
где t(P) – параметр нормального распределения при вероятности оценки Р =
0,95. При малом объеме выборки (меньше 30 значений) следует использовать
параметр t распределения Стьюдента. Величины Нв и
Нп необходимо
скорректировать с учетом забойных условий (см. подраздел 7.4).
В общем случае в расчетах могут использоваться несколько независимых
друг от друга значений случайных величин. При выборе долот 1-го класса это
величина предела текучести р0 или твердость в категориях Н. В этом случае
параметр Стьюдента выбирается при числе степеней свободы
f1 = n – 1,
(7.30)
где n – число замеров названных величин.
Выбор долот 2-го класса и долот PDC проводится с учетом как
прочностной р0 или Н, так и упругой С характеристик горной породы. В этом
случае параметр Стьюдента выбирается при числе степеней свободы
f2 = 2n – 2,
(7.31)
где n – число парных замеров названных величин.
Ниже приведены выборки из соответствующих таблиц распределения
Стьюдента.
Таблица 7.3 - Значения параметра t распределения Стьюдента для одной
случайной величины при числе степеней свободы f1
f1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
t
4,30
3,18
2,78
2,57
2,45
2,36
2,31
2,26
2,23
2,20
2,18
Таблица 7.4 – Значения параметра t для сочетания двух случайных величин
при числе степеней свободы f2
f2
4
6
8
10
12
14
18
20
30
50
t
1,19
1,13
1,10
1,08
1,07
1,06
1,06
1,05
1,04
1,03
Выбор долота по номограмме. При пользовании номограммой
возможны четыре ситуации. Примеры ситуаций приведены на рисунке 7.11 для
двух значений Нп и трех разных значений Нв, которым соответствуют
127

128.

пунктирные вертикальные линии. Последнее связано
с желанием не
загромождать
рисунок.
Из точки 1 (Нп1 = 4,8 кат.) восстановить
перпендикуляр до встречи с наклонной прямой, и из точки встречи провести
вспомогательную горизонтальную прямую. Из рисунка 7.11 видно, что
вспомогательная горизонтальная прямая расположена между горизонтальными
отрезками, характеризующими долота СТ и Т. Перспективными могут быть
ближайшие к этой прямой долота, но с учетом величин Нв.
Рисунок 7.11 - Номограмма для выбора типа шарошечного долота 1-го класса
Первая ситуация (Нв = Нв1). Вертикальная прямая, проведенная из точки
Нв1, пересекает области применимости долот СТ и Т, которые следует считать
перспективными.
Вторая ситуация (Нв = Нв2). Вертикальная прямая, проведенная из
точки Нв2, пересекает область применимости только одного ближайшего долота
типа Т, которое и принимается в качестве перспективного.
Третья ситуация (Нв = Нв3). Вертикальная прямая, проведенная из точки
Нв3, не пересекает областей применимости долота. Это означает, что для
данных горных пород нет рационального долота этого класса.
Четвертая ситуация (Нп2 =5,6 кат,
Нв = Нв1). Перпендикуляр из
точки Нп2 =5,6 кат пересекает наклонную прямую выше всех горизонтальных
128

129.

отрезков, но вертикальная прямая, проведенная из точки Нв1, пересекает
область применимости долота типа Т. Это долото выбрать как перспективное.
Долотам первого класса альтернативными являются долота второго
класса. Поэтому для них проводится аналогичная процедура выбора по
соответствующей номограмме, построенной по данным правой половины
таблицы 7.2.
В общем случае для одних и тех же по твердости горных пород
перспективными могут оказаться до четырех типов долот (два типа первого и
два типа долот второго класса). Принятие окончательного решения будет
рассмотрено ниже после расчетов областей разрушения горных пород и
долговечности вооружения.
7.8.2 Выбор типа опор шарошек проводится в соответствии с заданной
частотой вращения долот. Шифры основных типов опор, рекомендуемые
частоты вращения и ожидаемые стойкости Топ опор приведены в таблице 7.5. В
скобках дан тип опоры по коду МАБП (третья цифра кода). Первая цифра в
скобках соответствует опорам для долот 1-го класса, а вторая цифра – опорам
для долот 2-го класса.
Таблица 7.5 - Области применения и ожидаемая стойкость опор шарошек
Тип опоры
АУ (6, 7)
НУ (4, 5)
Н (1, 3)
В (1, 3)
Частота вращения
долота, об/мин
45-110
110-300
300-450
450-600
Топ, ч, для долот типов
М, МЗ
от МС до СЗ
от СТ до К
50-100
40-80
25-50
15-30
12-24
7-15
7-12
6-10
4-6
4-7
3-6
2-4
Например, заданная частота вращения долота пд = 150 об/мин. Этой
частоте соответствует опора типа НУ (4) для долота 1-го класса и НУ (5) для
долота 2-го класса.
7.8.3 Выбор типа системы промывки зависит от типа долота и частоты
его вращения. Долота изготавливаются с центральной (Ц) и гидромониторной
(Г) системами промывки. Долота типов М, ОМЗ, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ и
долота всех типов с опорами АУ, Н и НУ
изготавливаются только с
гидромониторной системой. Долота типов СТ, Т, ТЗ, ТКЗ, К и ОК с опорами
типа В изготавливают с центральной системой промывки долота.
По данным о выбранных типах вооружения и опор долот определяется
тип системы промывки. По окончанию выбора всех систем долот необходимо
записать их полный шифр и код по системе МАБП. Например, по ГОСТ 206922003 шифр и код выбранных выше долот будет иметь вид:
215,9СТ-ГНУ IADC-234;
215,9СЗ-ГНУ IADC-545X.
129

130.

Следует иметь ввиду, что тип вооружения долота определяется не только
геометрическими характеристиками элементов вооружения, но и скалывающей
способностью шарошек. Выше было показано, что скалывающая способность
шарошек обеспечивается выносом вершин конусов шарошек за ось долота,
многоконусным выполнением шарошек и смещением их осей в плане в
направлении вращения долота.
7.8.4 Оценка областей разрушения горных пород выбранным долотами
отвечает на второй пункт требований к долоту. Для решения этой задачи при
стендовом бурении определены границы областей разрушения горных пород в
безразмерном виде для долот первого класса, оснащенных зубьями в виде
притупленных клиньев, а также для долот второго класса, оснащенных
конусно-клиновыми и конусно-сферическими зубками (таблица 7.4).
Таблица 7.6 − Безразмерные нагрузки на долото, соответствующие началу
областей разрушения породы вооружением долот
Тип
долота
Вид вооружения
М
Притупленный
клин
МС, С
Показатели
Gk '
Скачки разрушения горной породы
1
2
3
4
G'kп
0,65
1,30
1,95
2,60
Притупленный
клин
G'kп
0,71
1,42
2,12
2,83
СТ, Т
Притупленный
клин
G'kп
0,78
1,57
2,36
3,14
МЗ
Зубок М
G'kц
0,54
3,94
9,89
18,5
МСЗ, СЗ
Зубки М, С
G'kц
0,92
4,40
10,4
19,0
ТЗ
Зубок Т
G'kц
1,16
4,83
11,0
19,7
К
Зубки К и Г-26
G'kc
25
54
86
135
Предварительную нагрузку на долото Gп при проектировочных расчетах
определяют по формуле
Gп = gi·Dд,
(7.32)
где gi – интенсивность нагрузки на долото, кН/мм. Величина gi для основных
типов долот пород приведена в таблице 4.1. Максимально допустимая нагрузка
на долото зависит не только от его диаметра, но и от типа опор шарошек.
Поэтому при уточненных расчетах нагрузку следует взять из режимнотехнологической карты на бурение заданного интервала.
130

131.

Таблица 7.7 – Интенсивность нагрузки на шарошечные долота
Типы долот (первые цифры кода МАБП)
Интенсивность нагрузки gi,
кН/мм
0,6
0,7
1,0
М, МС (1); ОМЗ, (4)
С, СТ (2); МЗ, СЗ (5)
Т (3); ТЗ, ТКЗ и К (6 и более)
Для выполнения расчетов нужны геометрические характеристики
вооружения долот. Параметры и их обозначения для одного элемента
вооружения шарошки 1 и 2-го классов приведены на рисунке 7.12.
2
hз
d
b0
шарошка
l
а
б
R
зубок
Рисунок 7.12 – Элементы вооружения шарошек 1-го (а) и 2-го (б) классов
Использование экспериментальных безразмерных нагрузок (таблица 7.6)
при расчете областей разрушения горной породы так же потребовало
приведения осевой нагрузки на долото к безразмерному виду G :
G = kд G/Gs,
(7.33)
где kд – коэффициент динамичности нагружения долота; G и Gs – осевые
нагрузки: действующая статическая и необходимая для достижения предела
текучести в горной породе под вооружением долота.
В расчетах принимают kд равным 1,3; 1,2 и 1,1 соответственно для
долот 1, 2 и 3-й подгрупп по скалывающей способности. Величину Gs для долот
первого класса рассчитать по формуле
Gs = ( li)b0 p0зв ,
(7.34)
где –
коэффициент, учитывающий количество одновременно
контактирующих с забоем зубьев долота (принимают = 0,30); li – сумма
длин рабочих поверхностей зубьев по одному с каждого венца; b0 – начальное
притупление зубьев.
131

132.

Осевая нагрузка на долото, соответствующая началу k-го скачка
разрушения породы, равна
Gн.к = Gkп Gs /kд ,
(7.35)
где Gнk – нижняя нагрузка k-го скачка разрушения породы; Gkп' – безразмерная
нагрузка начала k-го скачка.
Верхняя нагрузка k-го скачка разрушения породы принимается равной
нижней нагрузке k+1-го скачка, т. е.
Gвk = Gн(k+1) = G (k+1)п Gs/kд .
(7.36)
Если Gвk > Gп, то принимают Gвk = Gп.
Диапазон нагрузки на долото от Gн.к до Gвk рассматривается как k-я
область разрушения горной породы.
Расчет для долота 1-го класса выполняется при новом (износ зубьев по
высоте h = 0) и изношенном вооружении (h = 0,25hз; h = 0,50hз и h = 0,75hз,
где hз – начальная высота зубьев на основном конусе шарошек. При этом в
формуле (7.30) будет изменяться только притупление b от начального b0 до
рассчитанного
по
формуле
b= b0 + 2h tg , (7.37)
где – половина угла при
вершине зуба.
Для
наглядности
результаты
расчета
представляются в виде
графиков (рисунок 7.13).
Верхняя
граница
соответствует выбранной
предельной нагрузке на
долото.
Gл
Из рисунка 7.13
Рисунок 7.13 - Области разрушения горной породы
следует,
что
вооружением долот 1-го класса
рассматриваемое долото
обеспечивает разрушение горной породы в четырех областях. Новое долото
начинает работать в 4-й области. По мере роста притупления зубьев в
результате их изнашивания контактное давление зубьев долота на забой
уменьшается и наблюдается переход в 3-ю область разрушения и т.д. Этому
процессу соответствует снижение механической скорости бурения. На рисунке
132

133.

7.10 показаны величины hk к концу 4 (h4), 3 (h3) и 2-й (h2) областей разрушения
горной породы. Эти величины потребуются для расчета соответствующего им
времени изнашивания расчетного элемента вооружения.
В зависимости от твердости горных пород возможно, что в пределах
выбранной нагрузки на долото может быть получено меньшее число областей
разрушения горной породы, например одна, две или три и даже ни одной.
Последний случай означает, что применение рассматриваемого долота для
бурения вообще не целесообразно, т.к. даже новое долото не обеспечивает
объемного разрушения горной породы.
Расчет для вооружения 2-го класса существенно проще. Эти долота
практически не изменяет геометрических характеристик в процессе работы.
Исключение составляет разрушение зубков.
Сначала оценивают возможную область разрушения горной породы. Для
этого рассчитывают значения безразмерной нагрузки по формулам:
для зубков с цилиндрической рабочей поверхностью
G ц.max =(kд G С)/( di Rц р0з2);
(7.39)
зубков со сферической рабочей поверхностью
G с.max =(6 kд G d С2)/( di 3 Rc2 р0з3).
(7.40)
Результаты расчетов сопоставляют с безразмерными нагрузками скачков
для соответствующих зубков (см. таблицу 7.4) и
определяют область
разрушения горной породы. Например, для долота типа СЗ (2-я подгруппа по
скалывающей способности) с конусно-клиновыми зубками расчетом получена
G ц.max = 9,5. Эта величина попадает в диапазон 3,6...10,7, т.е. при средних
показателях механических свойств горных пород долото может обеспечить 2-ю
область разрушения горной породы. Далее надо проверить сможет ли
обеспечить долото эту область разрушения при неблагоприятном сочетании
твердости горной породы и ее модуля упругости (р0зв2 и Сн2). Для этого надо
рассчитать нижнюю нагрузку на долото при названных значениях р0зв2 и Сн2:
Gн.k = G k.ц di Rц (р0зв2)2/(kд Сн2).
(7.41)
Полученную нагрузку и сопоставить с выбранной предельной нагрузкой на
долото. Если Gнk < Gп, то долото обеспечивает полученную выше область
разрушения. В противном случае надо понизить область разрушения горной
породы, т.е. в рассматриваемом примере следует перейти к 1-ой области
разрушения горной породы и рассчитать Gн.(k-1).
7.8.5 Расчет долговечности вооружения долота 1-го класса и
уточнение выбора долота выполняется с учетом абразивности горной породы
и соотношения стойкостей вооружения и опоры. Долговечность долот 2-го
133

134.

2
b0
dt = dh/a,
h
hз
dh
класса при правильном их применении заведомо выше стойкости опор, а
поэтому для этих долот расчет не проводится. Это не значит, что долота 2-го
класса не могут выйти из строя по вооружению. При применении долот не по
назначению или при нарушении режима их отработки возможны поломки
зубков, а в высоко абразивных горных породах возможны износ корпусов
шарошек, оголение и выпадение зубков, что и приведет к отказу долота. Но эти
случаи не поддаются расчету.
У долот 1-го класса на долговечность рассчитывается один зуб долота,
имеющий средневзвешенные геометрические размеры. Расчетная схема
приведена на рисунке 7.14.
Дифференциальное
уравнение,
связывающее время и скорость изнашивания,
b
имеет вид
Рисунок 7.14 – Схема к
расчету времени износа
зуба шарошки
(7.42)
где t – время; а – скорость изнашивания
вооружения по высоте. Зависимость скорости
изнашивания стали от удельной мощности
трения (а от Nуд) для кристаллических пород –
степенная:
а = ANудk ,
(7.43)
а для обломочных (песчано-глинистых) пород – линейная:
а = АNуд + В,
(7.44)
где А, В и k – экспериментальные коэффициенты, зависящие от абразивности
горной породы и материала вооружения долота.
Для определения времени Т изнашивания элемента вооружения на
величину h приняты начальные условия
t = 0, h = 0. Долговечность Тв
вооружения долота соответствует времени изнашивания зуба на величину
hп = 0,75hз. Решением дифференциального уравнения (7.42) получены
следующие расчетные формулы:
для осадочных кристаллических горных пород
Т
( b0 2 h tg )k 1 b0 k 1
;
k
2( k 1 ) A N i tg
для обломочных (песчано-глинистых) горных пород
A Ni
h
2 B h tg
Т 2
ln 1
,
B 2 B tg
A N i B b0
134
(7.45)
(7.46)

135.

где Ni – интенсивность мощности трения, которая рассчитывается по формуле
Ni = N Ac /(k0 l z),
(7.47)
где N – мощность, реализуемая долотом; Ас – доля мощности трения; z –
сумма зубьев долота; К0 – коэффициент, учитывающий увеличение рабочей
площадки зуба за счет скругления его вершины и не параллельности торцовых
поверхностей зубьев (для трехшарошечных долот принять К0 = 1,4); l – средняя
длина рабочей поверхности зуба, принять равной
l = li /mв,
где mв – число венцов на шарошках.
Коэффициенты А и k уравнения (7.38) или А и В уравнения (7.39)
определяются по средним значениям показателей абразивности a 21 и a 25 при
удельных мощностях трения соответственно 1 и 5 Вт/мм 2 (решением
соответствующих систем из двух уравнений).
Мощность для вращения долота N
рассчитывается по формуле (7.27), а
величина с рассчитывается по формуле
(7.28).
Работа взаимодействия элемента
вооружения с горной породой может быть
представлена в виде суммы:
АB = = Аz + Ахy,
где АB – работа взаимодействия; Аz –
работа силы, нормальной к плоскости
забоя (работа вдавливания); Аxy – работа
сил, действующих в плоскости забоя
(работа скольжения-скалывания). Тогда
Ac
Axy
Рисунок 7.15 – Зависимости Ас от δ0
для долот с низкой (1), средней (2)
и высокой (3) скалывающей
способностью
,
AB
Экспериментально показано, что работа Аxy оказывает решающее влияние
на абразивное изнашивание вооружения долот. На величину Аc наибольшее
влияние оказывают интенсивность разрушения горной породы и скалывающая
способность вооружения долот. На рисунке 7.15 приведены зависимости Аc от
δ0 для шарошечных долот первого класса с разной скалывающей способностью.
Здесь δ0 = hо / b0 – относительная интенсивность разрушения горной породы
(hо – проходка за один оборот долота, b0 − начальное притупление зубьев
долота).
135

136.

При выполнении расчетов рекомендуется принять:
Подгруппа долота
первая
вторая
Ас
0,30
0,40
третья
0,45
На рисунке 7.13 приведены два результата расчета изменения стойкости
вооружения T и стойкости опоры Tо по мере износа вооружения шарошки.
а
T
- То
б
Рисунок 7.16 – Зависимости Т и То от ho
Принято, что стойкость опоры не зависит от состояния вооружения.
Сопоставление стойкости вооружения и опоры приводит к двум случаям:
1) Т > То (рисунок 7.16,а);
2) Т < То (рисунок 7.16,б).
Первый случай свидетельствует о том, что долото будет поднято в
результате износа опоры, а долота 1 и 2-го классов конкурентоспособны.
Долото 1-го класса стоит дешевле. Его следует выбрать, если оно обеспечивает
равную или более высокую область разрушения горной породы. Поскольку
долото 1-го класса работает в нескольких областях разрушения, то для
сравнения с долотом 2-го класса рассчитывается средневзвешенная область
разрушения с учетом того, что стойкость долота равна стойкости опоры. При
этом вооружение будет изношено не на величину hоп, а только на величину hoф
(на рисунке 7.16 показана штриховой линией). Подставив в формулы для
расчета долговечности промежуточные величины износа h4, h3, h2 и hф (см.
рисунок 7.13), получим время соответствующего изнашивания вооружения Т4,
Т3, Т2 и То. Далее рассчитывается средневзвешенная область разрушения по
формуле
~ 4T 3( T3 T4 ) 2( T2 T3 ) 1( To T2 )
k 4
,
To
136
(7.48)

137.

~
где k – номер средневзвешенной области разрушения горной породы; 4, 3 и 2 –
номера областей разрушения горной породы; Т4, Т3 и Т2 – время от начала
работы до конца соответствующей области разрушения горной породы.
Внимание, последняя область закончится ко времени То.
Второй случай свидетельствует о том, что при бурении долотом 1-го
класса не будет использован ресурс опор долота, а поэтому предпочтительным
является долото второго класса. Но если долото 2-го класса не обеспечивает
объемное разрушение горной породы, то его применять не следует, и
предпочтение отдать долоту 1-го класса.
Принятие решения о классе долота целесообразно провести по
следующей схеме, отвечая на поставленные вопросы:
1 Обеспечивается ли объемное разрушение?
Долотом 1-го класса: да или нет. Долотом 2-го класса: да или нет.
Если одно из долот не обеспечивает объемное разрушение, то проверка
прекращается и предпочтение отдается долоту, обеспечивающему объемное
разрушение горной породы.
2 Долото какого класса обеспечивает более высокую область
разрушения?
Если долото 2-го класса обеспечивает более высокую область
разрушения, то оно будет предпочтительным и проверка прекращается. Если
долото 1-го класса обеспечивает одинаковую или более высокую область
разрушения при сравнении с долотом 2-го, то проверка продолжается.
3 Обеспечивает ли долото 1-го класса использование ресурса опоры?
Если ответ да, то это долото является предпочтительным. Если нет, то
предпочтительным будет долото 2-го класса.
7.9 Контроль параметров режима работы долота
«Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности»
(М.,1998), п. 2.7.1.2, предусматривают при бурении постоянный контроль и
регистрацию веса на крюке, нагрузки на долото, крутящего момента на
роторе, давления на стояке, плотности бурового раствора, его расхода на входе
и выходе из скважины и уровня жидкости в приемных емкостях.
Вес на крюке и нагрузка на долото измеряется с помощью приборов,
называемых индикаторами веса, которые могут быть гидравлическими (ГИВ)
или электрическими (ЭИВ). Датчик индикатора веса устанавливается на
неподвижном конце талевого каната или на приспособлении для его крепления
к фундаменту буровой. Фактически индикатор веса измеряет силу натяжения
талевого каната, на котором подвешены подвижный (талевый) блок талевой
системы, крюк и бурильный инструмент. Схема работы трансформатора
давления показана на рисунке 7.17.
137

138.

1
2
3
4
Трансформатор преобразует натяжение каната 1
в давление жидкости. Для этого канат пропускают
между роликами трансформатора 2 с изгибом. При
натяжении канат стремится выпрямиться, давит на
подвижную
тарелку
трансформатора,
которая
отделена от жидкости мембраной 3, и создает
давление в камере трансформатора, которое
передается по трубке 4 записывающему и
показывающему приборам.
Нагрузка на долото определяется по формуле
G = Цд(Рб.к. ‒ Рбур) ‒ Fтр,
(7.49)
Рисунок 7.17 - Схема
трансформатора
давления
где Цд – цена деления прибора; Рб.к. - показание
прибора в делениях ГИВ при неподвижно висящей без
опоры на забой бурильной колонне; Рбур - показание
прибора в делениях ГИВ при бурении (с опорой колонны на забой); Fтр - сила
трения при движении бурильной колонны вниз.
При бурении вертикальных скважин силой трения можно пренебречь.
При бурении наклонно-направленных скважин, и особенно горизонтальных
участков, эта сила достаточно велика. Надежные методы ее расчета
отсутствуют, а поэтому нагрузка на долото с достаточной точностью может
быть определена только с использованием забойных датчиков.
Частота вращения долота при роторном бурении равна частоте
вращения ротора и может быть измерена тахометром или определена по
кинематике привода ротора. В электробурах используются асинхронные
двигатели с коротко замкнутым ротором, частота вращения которых зависит от
частоты тока питания и числа пар полюсов статора. Поэтому частота вращения
долота оценивается по характеристике электродвигателя.
Частота вращения гидравлических забойных двигателей зависит
сложным образом от расхода бурового раствора и осевой нагрузки на долото.
Поэтому оценка частоты вращения по характеристике двигателя дает лишь
порядок величины. Для более точного определения частоты вращения
используются забойные турботахометры.
Расход бурового раствора измеряется с помощью расходомеров или
оценивается по давлению бурового раствора на стояке. Манометр,
показывающий давление бурового раствора на входе в скважину, установлен на
вертикальной трубе (стояке), подводящей раствор к буровому шлангу и далее к
вертлюгу. Отсюда термин "давление на стояке". Из курса гидравлики известно,
что зависимость давления на стояке рст от расхода жидкости имеет вид
рст = Q2(А1 + А2l),
138
(7.50)

139.

где Q – расход бурового раствора; А1 и А2 − коэффициенты гидравлических
сопротивлений не зависящие и зависящие от длины скважины l. Следовательно,
с увеличением l давление на стояке должно плавно возрастать. Если же
давление остается на одном уровне, то это явный признак утечек жидкости, т.е.
не вся жидкость не доходит до забоя скважины.
Измерение крутящего момента ротора позволяет контролировать
работу долота и бурильной колонны. Конструкции роторных моментомеров
зависят от вида привода ротора. Для роторов с карданным приводом датчик
момента установлен на быстроходном валу ротора. Для роторов с цепным
приводом датчик момента установлен в цепной передаче так, чтобы он
реагировал на изменение натяжения цепи привода ротора.
7.10 Отработка долота. Признаки отказа долота
Мероприятия по рациональной отработке долот начинаются с момента
поступления с завода изготовителя и заканчиваются осмотром состояния и
описанием по коду износа долот. При встречном контроле качества долот
проводят их осмотр и обмер и составляют ведомость результатов. В
соответствии с заявкой технологической службы УБР (управления буровых
работ) готовят комплект долот на всю скважину, который доставляют на
буровую вместе с паспортами и ведомостью осмотра.
После достижения забоя долото прирабатывают в течение 25…30 мин
при роторном бурении, 15 мин при средних частотах вращения и 10…15 мин
при высокооборотном бурении. Осевая нагрузка при этом составляет около ¼
от допустимой по паспорту долота. Затем осевую нагрузку на долото плавно
увеличивают до величины, соответствующей рабочему режиму.
Режим работы долота регламентируется режимно-технологической
картой (РТК). В настоящее время наиболее распространенной является
отработка долота в режиме максимальной механической скорости бурения.
В РТК задается интервал, в котором
t
находится
оптимальная
нагрузка,
а
конкретная
величина
нагрузки
1
устанавливается бурильщиком. Существует
несколько методов. Рассмотрим поиск
2
оптимальной нагрузки на долото ступенчатым
изменением осевой нагрузки G (рисунок
7.18).
G
Последовательно,
начиная
от
минимальной по РТК нагрузки, бурильщик
Gp
Gm i n
Gm a x G ступенчато через 10…20 кН задает и
Gо п т
поддерживает постоянную осевую нагрузку и
замеряет время t бурения заданного короткого
Рисунок 7.18 - Схема поиска
оптимальной и рабочей
постоянного интервала, например, одного
нагрузок на долото
метра. Вначале время бурения такого
139

140.

интервала монотонно уменьшается, затем после перехода через оптимальную
нагрузку темп уменьшения времени снижается, а при турбинном бурении время
может начать возрасти. Для принятия решения проводят вспомогательные
прямые 1 и 2, точку пересечения которых принимают в качестве оптимальной
нагрузки Gопт. Для продолжения бурения в качестве рабочей принимается
осевая нагрузка Gр, равная
Gр = Gопт + G,
(7.51)
где G = 10…20 кН.
В процессе отработки долота поиск оптимальной нагрузки повторяется
несколько раз по мере износа инструмента или изменения условий бурения.
При бурении недопустимы резкие изменения режима работы и
повышенный уровень вибраций. При появлении сильных вибраций бурильщик
обязан изменить в ту или иную сторону осевую нагрузку на долото при
бурении забойными двигателями до величины, при которой вибрация
снижается до нормальной, а при роторном бурении снижение вибрации может
быть достигнуто соответствующим изменением частоты вращения ротора.
Отработка долота ведется до полного использования его ресурса. С этой
целью проводится обобщение результатов предшествующего бурения и
строится кривая надежности (отказов) долота (рисунок 7.19).
Рисунок 7.19 – Кривая надежности долота
По оси абсцисс отложена наработка долот в тысячах оборотов (krevs), а
по оси ординат соответствующая доля вышедших из строя долот (отношение
вышедших к этому моменту долот к общей сумме использованных долот).
Задается предельный уровень отказов (обычно это 80 %) и соответствующий
140

141.

ему допускаемый уровень наработки [ n]. На новых месторождениях
используются данные по другому ближайшему аналогичному месторождению.
Если n достигла величины [ n], то долото поднимается из скважины
даже при отсутствии признаков его отказа. Отказ может случиться
при
n < [ n] из-за отказа одной из функциональных систем: вооружения, опоры
или системы промывки.
Отказ вооружения определяется по снижению механической скорости
бурения до 0,4…0,5 от начальной скорости бурения.
Отказ опоры – по росту крутящего момента более чем на 30 % от
номинального.
Отказ системы промывки – по резкому изменению давления
промывочной жидкости (давлению на стояке).
Появление хотя бы одного из признаков отказа является сигналом к
прекращению бурения и подъему долота.
Поднятое из скважины долото осматривается и делается описание его
износа. Долото считается отработанным нормально при использовании его
ресурса не менее чем на три четверти. Долота, изношенные на половину и
менее чем на половину их ресурса, подлежат повторному использованию.
7.11 Рейкообразование на забое скважины и его профилактика
Одним из недостатков шарошечных долот с равномерным
распределением вооружения в венцах является тенденция поражения забоя след
в след, в результате чего на забое формируется поверхность, состоящая из
выступов и впадин. Такая поверхность получила название забойная рейка.
Наиболее устойчивая рейка формируется периферийным вооружением
шарошек. Признаками рейки являются повышенный износ боковых граней
зубьев с приострением (самозатачиванием) их вершин для долот 1-го класса и
износ межзубковых поверхностей
венцовых выступов долот 2-го
класса.
Пример
износа
периферийного
вооружения
шарошки
долота
190,5Т-ЦВ,
отработанного
в
аргиллитах,
приведен на рисунке 7.19. Хотя
износ зубьев по высоте не
превышал
половины
высоты
зубьев, механическая скорость
упала втрое от начальной, и долото
было поднято из скважины как
Рисунок 7.20 – Вид зубьев, изношенных
при работе по рейке на забое
вышедшее из строя по вооружению.
Из рисунка 7.20
следует, что
шарошка опиралась на выступы на забое межзубцовыми впадинами, в
141

142.

результате чего давление зубьев на забой упало и стало недостаточным для
объемного разрушения породы.
Анализ результатов стендового изучения работы долот, выполненного во
ВНИИБТ, МИНГ им. И.М. Губкина и в УГНТУ, показал:
1) передаточные отношения шарошек меняются в узких пределах и
принимают дискретные значения, при которых значительная часть венцов
имеет возможность работать след в след с образованием рейки;
2) хотя бы две шарошки, а при благоприятных условиях и все три
формируют на периферийной части забоя общую рейку.
Рейкообразование на периферии скважины приводит не только к
снижению эффективности разрушения забоя, но и к образованию на стенках
скважины спиральных выступов, которые уменьшают диаметр скважины в
свету и затрудняют фрезерование стенки периферийным вооружением при
бурении с управлением кривизной скважины.
Наибольшее влияние рейкообразование оказывает на работу долот 2-го
класса. Например, для обеспечения перекрытия периферийной части забоя
периферийный венец третьей шарошки долота типа ТЗ выполнен однорядным,
а периферийные венцы первой и второй шарошек – двухрядными с шахматным
размещением зубков во внешнем и внутреннем рядах (см. рисунок 6.16). Эти
венцы обрабатывают около 30 % наиболее труднобуримой части забоя
скважины. Шаг зубков однорядного венца хотя и выполняется минимально
возможным из условия крепления зубков в теле шарошки, но он все же больше
шага из условия максимальной эффективности разрушения горной породы.
Шаг зубков в двухрядных венцах существенно больше, чем в однорядном. Это
способствует образованию устойчивой забойной
рейки не только на
периферийной, но и на предпериферийной части забоя.
В УГНТУ разработана программа, которая позволяет воспроизвести на
экране дисплея движение венцов шарошек с заданными геометрическими и
кинематическими параметрами и формирование ими профиля забоя. На
рисунке 7.21,а на примере долота типа МЗ показаны наихудшие ситуации
формирования забойной рейки. Позиция 1 – периферийные венцы всех трех
шарошек формируют общую рейку у стенки скважины. Позиция 2 –
внутренние ряды двухрядных венцов формируют рейку с числом выступов,
некратным трем. Позиция 3 – внутренние ряды двухрядных венцов формируют
рейку с числом выступов, кратным трем.
Из рисунка 7.21,а следует, что вершины выступов разрушаются телом
шарошки раздавливанием. Такое взаимодействие с забоем приводит не только к
снижению скорости бурения, но и к весьма значительному износу тела
шарошки, оголению и выпадению зубков.
Наиболее
неблагоприятная
ситуация
возникает
в
случае,
соответствующем позиции 3, когда на предпериферийном участке забоя
формируются выступы с широкими вершинами, на которых зависают шарошки
и скорость бурения резко падает.
142

143.

Радикальным способом борьбы с забойной рейкой является групповое
координированное размещение вооружения на всех венцах, а в
предпериферийных венцах
(в случае долот 2-го класса) с попарным
размещением зубков (см. рисунок 6.19). Кроме того, в настоящее время
предусматривается наплавка поверхности шарошек 2-го класса твердым
сплавом.
б
На
рисунке
а
7.21,б
показано
формирование забоя
скважины
периферийным
и
предпериферийным
рядами зубков при
их
групповым
размещением
в
венцах.
Нетрудно
видеть, что характер
профиля
забоя
существенно
изменился,
и
выступы на забое не
тело шарошки.
Рисунок 7.21 - Формирование забоя периферийными и
предпериферийными рядами зубков с равномерным (а) и
групповым (б) их размещением в венцах
Задача борьбы с
образованием
спиральных
выступов на стенках скважины решается при групповом размещении элементов
вооружения в венцах в сочетании с установкой подрезных зубков по контуру
шарошек, описание которых дано в подразделах 6.8 и 6.10.
7.12 Описание износа шарошечных долот
Информация о состоянии поднятого из скважины изношенного долота
очень важна с точки зрения уточнения его соответствия разбуриваемым горным
породам и корректировки типа долота и режима бурения последующим
долотом. Данные о режиме работы и износе долота передаются заводу
изготовителю, т.е осуществляется обратная связь с заводом, способствующая
улучшению конструкции долота.
Для краткой записи (кодирования) степени и характера износа долота
используются методики ВНИИБТ и МАБП. Методика ВНИИБТ наиболее
простая, но весьма приближенная.
Кодирование износа по методике ВНИИБТ предусматривает запись в
условных обозначениях износа вооружения, опоры и системы промывки.
143

144.

Износ вооружения оценивается по наиболее изношенному венцу и
измеряется в четвертых долях высоты зубьев для долот 1-го класса. Он
обозначается:
В1 − уменьшение высоты зубьев на 1/4;
В2 − уменьшение зубьев на 1/2 (2/4) высоты;
В3 − уменьшение зубьев на 3/4 высоты;
В4 − износ зубьев до основания.
Для долот 2-го класса износ записывается в десятках процентов числа
поврежденных и выпавших зубков наиболее поврежденного венца. Например,
В30 означает, что повреждено и выпало около 30 % зубков.
При наличии скола и слома элементов вооружения добавляется буква С, а
за ней в скобках доля в процентах количества поврежденных элементов
вооружения. При закруглении зубьев периферийных венцов со стороны
обратных конусов в результате неравномерного износа периферийного
вооружения добавляется буква Р. При наличии зацепления шарошек
добавляется буква Ц. Например, В30С(15)РЦ означает, что вооружение
изношено на 30 %, 15 % элементов вооружения имеют следы сколов,
периферия шарошек скруглена и имело место зацепления отдельных венцов.
Износ опоры оценивается по наибольшей "качке" торца одной из
шарошек относительно оси цапфы и обозначается буквой П и цифрами 0, 1, 2, 3
и 4:
П1 − долота диаметром 139,7-244,5 мм − качка до 2 мм, долота
диаметром 269,9-490,0 мм −качка до 3 мм;
П2 − долота диаметром 139,7-244,5 мм − качка до 4 мм, долота
диаметром 269,9-490,0 мм − качка до 5 мм;
П3 − долота диаметром 139,7-244,5 мм − качка более 5 мм, долота
диаметром 269,9-490,0 мм − качка более 7 мм;
П4 − опора разрушена, подшипники заклинены, на шарошках видны
следы лысок, т.е. следы волочения шарошек по забою.
В случае нарушения герметизации опор типов НУ и АУ ставится буква У,
а в скобках число шарошек с поврежденной герметизацией.
В случае нарушения или повреждения гидромониторных узлов ставится
буква Г, а в скобках число поврежденных узлов.
Потеря диаметра долота измеряется в мм, ставится буква Д и далее цифра
уменьшения диаметра в мм. Пример полной записи износа долота:
В30С(10)РЦП2У1Г(2)Д3
При измерении потери диаметра на долото одевается кольцо-калибр 2
так, чтобы оно касалось двух шарошек 1. Для сдвига шарошек внутрь между
кольцом и третьей шарошкой вдавливается клин, затем замеряют величину Y,
как показано на рисунке 7.22. Далее по формуле
2
D = Y
3
144

145.

рассчитывается уменьшение диаметра
долота. Цифра округляется до целого
значения.
Описание аварийного состояния
долота:
Ав
−
сломаны
вершины
шарошек;
Аш − долото поднято без
шарошек;
Ас − отсутствуют шарошки и
нижние части лап;
Ац − в скважине остались
шарошки с цапфами.
В скобках за обозначением
повреждения
указывается
номер
шарошки римской цифрой, например,
Ав(II) − сломалась и оставлена в
Рисунок 7.22 - Схема измерения износа
долота по диаметру
скважине вершина второй шарошки.
Кодирование износа по методике МАБП включает восемь позиций,
которые оформляются в виде таблицы. Ниже приведен фрагмент записи
сведений об отработанных при бурении долотах (таблица 7.6).
Таблица 7.6 - Сведения о долотах, отработанных на одном
из месторождений Западной Сибири
Данные по долотам
Рейс Размер, Тип долота
Серийный
№
дюйм
номер
4
12 1/4
DSX106A2
203428
5
12 1/4
EMS43YKRP M25849
6
12 1/4
Y11
PA4093
7
12 1/4
EMS43YKRP M25852
7RR 12 1/4
EMS43YKRP M25852
8
12 1/4
EMS43H
L11208
Код
IADC
S232
435
111
435
435
435M
I
Кодирование износа
O D
L B G O
R
0
8
1
1
3
3
0
8
8
1
3
3
BHA
HP
PR
TQ
BHA
DMF
NO
LC
WT
RR
WT
BT
T
C
G
A
A
A
X
F
F
E
E
E
1
2
1
1
1
1
RR
LT
BT
NO
NO
LT
В колонку I (inner rows) записывается величина определяющего износа
внутренних (не соприкасающихся со стенкой скважины) венцов долота.
Для описания состояния износа вооружения по высоте применяется
линейная шкала кодов от 0 (вооружение не изношено) до 8 (вооружение
изношено на 100 %). Величина износа определяется в восьмых долях от
начальной высоты зуба. Принцип определения и значения кодов приведен на
рисунке 7.23. Например, при отсутствии износа записывается цифра 0, при
145

146.

износе на 2/8 от начальной высоты зуба – цифра 2, при износе на всю высоту
зуба – цифра 8.
Внутреннее вооружение имеет несколько венцов. Поэтому определяют
средний износ по венцам. Например, на трехвенцовой шарошке (два венца
внутренних и один периферийный) один внутренний венец изношен на 1/8, а
другой на 3/8 от начальной высоты зуба. Тогда средний износ
I = (1 + 3)/2 = 2.
Цифра 2 заносится в таблицу износа в колонку I.
Рисунок 7.23 – Величины износа зубьев шарошек и соответствующие им коды
В колонку О (outer rows) записывается величина определяющего износа
периферийных венцов долота, соприкасающихся со стенкой скважины.
Например, на периферийном венце 70% зубков изношено на 4/8 от
начальной высоты зуба, а 30 % - сломаны до основания или выпали (износ 8/8).
В этом случае износ определяют следующим образом:
I = 0,7·4 + 0,3·8 = 5,2 5.
Цифра 5 заносится в таблицу износа в колонку О.
В колонке D записывается двухбуквенный код характера износа или
отказа наиболее изношенной части вооружения, например, LC (потеря
шарошки) для долота 2-й строки таблицы 7.6.
Обозначение других видов износа будет рассмотрено ниже.
В колонке L дается уточнение местоположения наиболее изношенного
вооружения долота. В случае неравномерного износа по шарошкам в колонке L
ставят цифры, обозначающие номера шарошек с наиболее изношенным
вооружением. При равномерном износе ставится буква А.
В колонке В ставится код, характеризующий состояние опоры шарошек.
Для открытых опор долота использование ресурса определяется по величине
радиального люфта в подшипнике (по размаху "качки" торца шарошки
относительно козырька лапы). В качестве кода используются цифры от 0 до 8.
Ноль – состояние опоры не отличается от состояния нового долота.
Предельная величина размаха "качки" торца шарошки, соответствующая
ресурсу опоры, зависит от размера долота и была рассмотрена выше.
В таблице 7.7 приведены данные по назначению цифр кода в
соответствии с использованным ресурсом опоры П.
146

147.

Таблица 7.7 – Соответствие цифр кода использованному ресурсу П опоры
Код
П, %
0
0
1
12,5
2
25
3
37,5
4
50
5
62,5
6
75
7
87,5
8
100
В случаях, когда шарошка заклинена или потеряна, значение кода
принимается равным 8.
В случае долот с герметизированными опорами оценивается только
состояние системы смазки:
E − опора (уплотнение опоры) находится в работоспособном состоянии);
F − опора разгерметизирована (уплотнение разрушено), т.е. опора
вышла из строя);
N − нет возможности определить состояние опоры долота.
В случае использования безопорных долот ставится буква Х (например, в
случае долота PDC в таблице 7.6, 1-я строка).
Колонка G используется для описания уменьшения диаметра долота
(износ по диаметру в 16-х долях дюйма). Буквой I обозначается отсутствие
износа (износ находится в пределах допуска на диаметр долота). Нижний
допуск равен нулю, а верхний допуск – от 1/32" (+0,313 мм) до 3/32" (+0,938
мм). В таблице 7.8 приведены данные по назначению цифр кода по результатам
замера износа долота по диаметру.
Таблица 7.8 – Соответствие цифр кода износу долота по диаметру ΔD
ΔD, мм
Код
0
0
1,6
1
3,2
2
4,8
3
6,4
4
7,9
5
9,5
6
11,1
7
12,7
8
Схема измерения износа долота по диаметру приведена на рисунке 7.22.
Колонка О (другой, не основной вид износа) используется для записи
кода в дополнение к записи в колонке D. При этом используются те же
двухбуквенные коды, что и для колонки D. В колонках D или О могут стоять
две буквы RR, если долото пригодно для повторного использования. В случае
повторного использования долота буквы RR ставят в первой колонке таблицы
записи износа, например в таблице 7.6 запись 7RR.
Колонка R содержит информацию о причине подъема долота из
скважины. Используются те же буквенные коды, что и для долот PDC.
147

148.

7.13 Коды основных видов износа шарошечных долот
BC – Broken Cone (слом
части шарошки), при котором
одна
шарошка
или
более
расколоты, но при этом большая
часть сломанной шарошки остается
на цапфе лапы. На рисунке 7.24
показана шарошка со сломанной
вершиной.
Рисунок 7.24 – Шарошка долота типа
СЗ со сломом (BC) вершины и со
следами зацепления (СI)
CR – Cored (кернование –
износ вершин шарошек долота)
может иметь место в случае слома
или износа вершин всех шарошек
на забое скважины. При этом
образуется керн, на котором
зависает долото и резко снижается
механическая скорость бурения.
CC
–
Cracked
Cone
(образование трещины на шарошке) являются началом процесса, ведущего к
поломке и даже к потере шарошки.
LC – Lost Cone (потеря шарошки), т.е. у отработанного долота
отсутствует одна шарошка или более, которые остались в скважине.
BT – Broken Teeth (слом элементов вооружения) наиболее частые
повреждения при разбуривании твердых и крепких пород. На рисунке 7.25
показан фрагмент шарошки долота
типа ТЗ со сломанным и сколотым
зубками.
Поломка элементов
вооружения является нормальным
видом износа и не обязательно
ВТ
указывает на неправильный выбор
долота или режима бурения. Чаще
всего она указывает на наличие на
забое чего-то очень твердого,
например
выпавших
зубков
СТ
предыдущего долота.
Рисунок 7.25 – Слом (ВТ) и скол (СТ) зубков на шарошке долота типа ТЗ
148

149.

СТ – Chipped Teeth (скол элементов вооружения)
Рисунок 7.26– Скол (СТ) зубьев на шарошке
долота типа Т. Не сколотые зубья изношены
со скруглением (WT)
Элемент
вооружения
считается сколотым (в отличие
от
сломанного),
если
значительная его часть (не
менее ¼ высоты элемента
вооружения)
остается
выступающей
над
телом
шарошки.
Вид
сколотых
твердосплавных
зубков
показан на рисунке 7.25. На
рисунке 7.26 показан вид
сколотых зубьев долота типа
Т.
WT
– Worn Teeth (износ элементов вооружения по высоте)
нормальный абразивный износ как фрезерованных зубьев, так и
твердосплавных зубков. Для долот с
фрезерованным
вооружением,
обычно
фиксируется и особенности износа: со
скруглением вершин (WT), с увеличением
притупления (FC) и с самозатачиванием (SS Self-Sharpening). На рисунке 7.27 показан
износ вида FC. Вид изношенных зубьев с
самозатачиванием показан на рисунке 7.19.
TR – Tracking (трекинг – шарошки
несут следы рейкообразования на забое).
При этом виде износа на теле шарошки
имеются выработки от взаимодействия с
выступами рейки на забое. Наибольшую
опасность трекинг представляет для долот второго класса, отрабатываемых в
абразивных горных породах (рисунок 7.28). Трекинг (TR) в сочетании с
эрозией (ER) обусловливает износ венцовых выступов шарошек вокруг зубков.
При этом уменьшается глубина запрессовки зубков и увеличивается
вероятность их выпадения (LT).
Рисунок 7.27 - Износ зубьев долота
типа С по высоте с увеличением
притупления (FC)
Рисунок 7.28 – Эрозионный износ
стальных поверхностей долота типа МЗ и
выработки между зубьями (TR) от
контактирования с рейкой
149

150.

В настоящее время для предупреждения эрозионного износа может
выполняться покрытие (наплавка) поверхности шарошки твердым сплавом.
RG ‒ Rounded Gauge (сглаживание, скругление обратных конусов
шарошек) характеризуется скруглением вооружения со стороны обратного
конуса без существенного уменьшения диаметра долота. Наблюдается при
бурении в абразивных горных породах при высокой частоте вращения и при
проработке ствола скважины. Профиль
шарошки показан на рисунке 7.29.
1
1 - козырек лапы;
2 - наплавка твердого сплава;
3 - начальный профиль зубьев
2
RG
Рисунок 7.29 - Профили изношенных зубьев
долота 1-го класса. Периферийные зубья
изношены со скруглением (RG)
3
CD – Cone Dragged (подклинка или заклинивание опоры шарошки).
Этот вид износа имеет место, когда одна шарошка и более в процессе работы
долота застопорены (заклинены) и не вращаются, на что указывают плоские
лыски на поверхности одной или нескольких шарошек (рисунок 7.30).
Заключение
о
состоянии
долота делается в конце описания
(осмотра) долота. При этом дается
заключение о его состоянии, в том
числе в виде кода:
NO – No Dull Characteristic
(отсутствие износа);
RR – Rerunnable (долото
пригодно для повторного спуска);
NR – Not Rerunnable (не
пригодно для повторного спуска).
Рисунок 7.30 – Шарошка долота
типа С с износом (CD) в результате
заклинивания опоры
150
Эти буквы кода могут быть
указаны в примечании. Коды NO и
RR свидетельствуют о том, что
долото пригодно для дальнейшего
использования.

151.

7.14 Описание прочности горных пород и выбора долот в кодах МАБП
Выше было показано, что для идентификации долот разных
изготовителей Международная ассоциация буровых подрядчиков предложила
код (код МАБП) или в латинской интерпретации IADC Code. Этот код
используется во всем мире, в т.ч. и в России. Основу кода в случае
шарошечных долот составляют три цифры, например 324. Первые две цифры
характеризуют прочность горных пород при одноосном сжатии, для которых
предназначено долото, а третья цифра - диапазон частот вращения долота,
соответствующий конструкции его опоры.
Следует подчеркнуть, что цифры кода характеризуют верхнюю границу
прочности породы (верхнюю границу области применения долота).
Применение долота в горных порода, твердость или прочность которых
превышает этот предел, не допускается из-за большой вероятности поломок
элементов вооружения.
Для отечественных долот возникла дилемма: горные породы
охарактеризованы одним методом, а долота другим и, кроме того, все
измерения имеют разные размерности. Поэтому целесообразно перейти к
безразмерным величинам, единым как для долот, так и для горных пород, а
именно к определению прочности горных пород в кодах долота. В литературе
на английском языке прочность на одноосное сжатие обозначается UCS
(Unconfined Compression Strength). Поэтому показатели прочности в кодах
МАБП ниже будем обозначать буквой U. За основу принята классификация
шарошечных долот.
В соответствии с данными таблицы 2.1 зависимость U от сж имеет вид
U = 0,0556 сж, код.
(7.31)
При этом коэффициент детерминации R2 > 0,99.
Зависимость сж от П соответственно равна
сж = 17,9U, МПа
(7.32)
В таблице 7.9 приведена предлагаемая классификация горных пород и
коды соответствующих долот.
Для удобства принятия решения о
перспективном типе долота предложено использовать номограммы. В
каталоге фирмы Security приведены графики областей относительной
буримости горных пород шарошечными долотами обоих классов и коды
МАБП соответствующих долот. Верхние границы Uдв областей применения
долот приняты в соответствии с их кодами. Ширина области В была измерена
и рассчитана в соответствии с масштабом графиков и составила для долот 1го класса В1 = 3,36, а для долот 2-го класса – В2 = 3,98 кода прочности горной
породы. Для дальнейших расчетов приняты В1 = 3,4, а В2 = 4,0 кода прочности
151

152.

горной породы. Далее была рассчитана нижняя граница Uдн области
применения долота.
Основным условием соответствия долота горным породам является
неравенство
Uвд > Uв,
(7.33)
где Uвд – верхняя граница области применения долота; Uв – верхнее значение
прочности горной породы с вероятностью 0,95. Ширина области применения
долот зависит от их номенклатуры. Чем больше номенклатура, тем уже
область применения долот. Поэтому в качестве второй характеристики
области применения принята медиана Uд диапазона от Uдн до Uдв.
Таблица 7.9 - Прочность горных пород в кодах МАБП
и коды вооружения долот
Прочность
горной породы,
U, коды
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Коды вооружения шарошечных долот
1-го
класса
2-го
11
12
13
14
21
22
23
24
31
32
33
34
-
41
42
43
44
51
52
53
54
61
62
63
64
71
72
73
74
81
82
83
84
класса
Код
долот
PDC
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
-
На рисунке 7.31 показана номограмма для выбора типов долот 1-го класса (со
стальным фрезерованным вооружением). Из таблицы 7.9 видно, что по
характеристикам в кодах МАБП эти долота разделены на три группы, каждая
из которых содержит четыре подгруппы (типа). На номограмме по оси
абсцисс отложена прочность горных пород в кодах МАБП. Из начала
152

153.

координат проведена диагональ. На оси абсцисс отложены значения Нд
медианы области применения каждого типа
долот и восстановлены
перпендикуляры до пересечения с диагональю. На точках пересечения
построены горизонтальные отрезки с абсциссами от Uдн до Uдв,
представляющие собой области применения соответствующих долот. Ключ к
номограмме показан пунктирными линиями.
Рисунок 7.31 - Номограмма выбора долот 1-го класса
При выборе долота для заданного интервала бурения рассчитываются
среднее арифметическое значение Uп и среднее квадратическое отклонение Sп
показателя прочности горной породы в кодах МАБП. Далее рассчитывается
верхнее значение прочности горной породы:
Uв = Uп + t· Sп,
153
(7.34)

154.

где t – параметр распределения Стьюдента при принятой в бурении
надежности 0,95. Полученные значения откладываются на номограмме как
показано на рисунке 7.51, из которого следует, что области применения долот
перекрываются, т.е. одному значению Uв соответствуют несколько типов
долот. Поэтому предлагается считать перспективными типы долот ближайшие
к горизонтали, проходящей через точку пересечения перпендикуляра из точки
Uп и диагонали.
В качестве примера принята величина Uп = 4,6 кодов и два значения Uв1
=5,8 и Uв2 =6,5 кода. В первом случае горной породе удовлетворяют долота с
кодом 22 и 23, а во втором - только с кодом 23. Далее по каталогам нетрудно
подобрать соответствующие долота любой фирмы при известных диаметре и
проектируемой частоте вращения. По каталогу ОАО "Волгабурмаш" этим
цифрам кода соответствуют долота типов С (код 22) и СТ (код 23).
Рисунок 7.32 - Номограмма выбора долот 2-го класса
154

155.

На рисунке 7.32 показана номограмма для выбора типов долот 2-го класса
(с твердосплавным вооружением), на которой показана только вторая (правая)
половина области применения долота, т.к. первая половина практически не
используется.
Ключ к номограмме аналогичен приведенному на рисунке 7.31.
Например, для горных пород прочностью Uп = 4,6 и Uв = 6,5 кода
перспективным будет долото с кодом 53. По каталогу ОАО "Волгабурмаш"
этим цифрам кода соответствует долото типов МСЗ (код 53).
Тема 8. ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ С ОТБОРОМ КЕРНА
8.1 Керн и основные виды керноприемных устройств
Столбик горной породы, обуриваемый бурильной головкой при бурении
кольцевым забоем, называется керном. Керн извлекается на поверхность и
служит основным материалом для прямого изучения состава, строения и
механических свойств горных пород разреза месторождения, а также для
решения ряда задач при его разведке и разработке. Поэтому извлечение
высококачественного и в достаточном количестве керна является одной из
главных задач при бурении разведочных скважин.
Основным количественным показателем отбора керна принят вынос
керна в %:
В = (Нк /Н)100,
(8.1)
где Нк – длина керна; Н – длина интервала, пробуренного с отбором керна.
Особенностями бурения с отбором керна являются подчинение всех
технологических мероприятий максимальному выносу керна.
Схема образования керна и основные схемы колонковых долот
приведены на рисунке 8.1. Колонковое долото состоит из бурильной головки 1,
предназначенной для проходки скважины кольцевым забоем с образованием
керна, и присоединенного к ней керноприемного устройства, предназначенного
для размещения керна, его сохранения, отрыва от забоя после окончания
выбуривания и транспортирования на поверхность.
Керноприемные устройства делятся на три группы:
1) бескорпусные, простейшие;
2) корпусные со стационарной колонковой трубой;
3) корпусные со съемной колонковой трубой.
Признаками качества керна являются:
1) диаметр керна Dк;
2) степень размыва и загрязненности буровым раствором;
155

156.

3) целостность (неразрушенность).
До рассмотрения керноприемных устройств, пользуясь обозначениями на
рисунке 8.1, введем основные показатели, характеризующие совершенство
колонковых долот с точки зрения отбора керна.
Коэффициент керноотбора
K1 = Dк / Dг,
(8.2)
где Dк − диаметр кернообразующего отверстия бурильной головки; Dг –
наружный диаметр бурильной головки.
Рисунок 8.1 – Принципиальное устройство колонковых долот.
Стрелками показано движение промывочной жидкости
156

157.

Чем выше К1, тем лучше колонковое долото удовлетворяет требованию
отбора керна максимально возможного диаметра.
Коэффициент керноприема
K2 = Dк / hк,
(8.3)
где hк – расстояние от забоя до входа в керноприемное устройство.
Чем больше К2, тем меньше керн подвергается прямому воздействию
потока промывочной жидкости и вращающегося инструмента, тем меньше керн
размывается и разрушается.
Простейшее
керноприемное
устройство
(рисунок
8.1,а)
устанавливается непосредственно над бурильной головкой (коронкой) 1 и
состоит из колонковой трубы 2, выполняющей одновременно функции корпуса,
и переводника 3 для присоединения к бурильному инструменту. Такие
инструменты широко применяют при бурении структурно-поисковых скважин
малого диаметра от 36 до 151 мм. Коронка 1 предназначена для выбуривания
керна. Вооружение ее может быть твердосплавным или алмазным. Выбуренный
керн размещается в колонковой трубе. Промывочная жидкость при движении
вниз проходит через зазор между керном и колонковой трубой, что является
основным недостатком простейшего колонкового долота. Керн отрывается от
забоя и удерживается в колонковой трубе при подъеме инструмента
внутренним конусом коронки. Это обеспечивается тем, что в мягких горных
породах (глинах) проводится "затирка" керна, а в твердых – его "заклинка".
При "затирке" перед подъемом инструмента бурят без промывки до 1 м.
Выбуриваемый при этом шлам набивается между керном и коронкой и при
подъеме инструмента заклинивает керн в конусе коронки. В средних и твердых
горных породах бурить без промывки нельзя. В этом случае перед подъемом в
бурильный инструмент засыпают "заклинку" (например, щебень, битое стекло)
и продавливают ее промывочной жидкостью до коронки. Момент достижения
"заклинкой" коронки отмечается по повышению давления на насосе. В этот
момент насос отключают и начинают подъем инструмента. При отборе керна в
твердых горных породах могут использоваться кольцевые кернорватели.
Достоинствами рассмотренного колонкового долота являются простота
конструкции и максимальный коэффициент керноотбора (до 0,87).
Корпусные керноприемные устройства со стационарной колонковой
трубой (рисунок 8.1, б) предназначены, в основном, для глубокого роторного
бурения. Они включают корпус 2, который через переводник 3 соединяется с
бурильным инструментом. В корпусе на подшипнике 4 подвешена колонковая
труба 6, в верхней части которой установлен дренажный клапан 5 со
сбрасываемым шаром. К нижней части колонковой трубы привинчен корпус 7
кернорвателей 8, предназначенных для отрыва керна от забоя и удержания его в
колонковой трубе во время подъема инструмента.
В скважину колонковое долото спускают без шара дренажного клапана.
Перед началом бурения колонковую трубу и забой скважины промывают от
157

158.

осевшего шлама, а затем сбрасывают в бурильные трубы шар. Шар
обеспечивает защиту керна от прямого воздействия промывочной жидкости и
вытеснение ее из колонковой трубы по мере заполнения ее керном.
Размещение керна в колонковой трубе, защита его от размыва и
применение кернорвателей позволили повысить вынос керна и его качество.
Однако при этом уменьшился коэффициент керноотбора, который у этой
группы устройств не более 0,47.
Корпусные керноприемные устройства со съемной колонковой
трубой применяются как при роторном, так и при турбинном бурении.
Рассмотрим особенности этой группы устройств на примере колонкового
турбодолота (рисунок 8.1, в), которое предназначено для отбора керна при
высокооборотном бурении. Оно создано на базе турбобура с полным валом,
через который проходит съемная колонковая труба (грунтоноска). Бурильная
головка 1 крепится на валу 2 турбодолота. Переводником 3 турбодолото
присоединяется к бурильному инструменту. В корпусе 4 на неподвижной
конической подвеске 5 установлена грунтоноска 6, которая проходит через вал
2 и корпусом кернорвателя 7 входит в центрирующую втулку 8 бурильной
головки. В верхней части грунтоноска снабжена конической головкой для
захвата ее шлипсом и подъема из скважины без подъема бурильного
инструмента.
В скважину турбодолото
спускают
без грунтоноски,
которую
сбрасывают
в
бурильные
трубы
после
промывки перед началом отбора
керна.
После
углубления
скважины на длину грунтоноски
последнюю
извлекают
из
скважины с помощью шлипса,
спускаемого на канате в
бурильные
трубы.
Если
бурильная головка не изношена,
то в скважину сбрасывают
1
другую грунтоноску, и бурение
продолжают.
Основное преимущество
турбодолот
–
высокая
1 – керн; 2 – колонковая труба; 3 – эпоксидная смола
скорость
проходки.
К
Рисунок 8.2 – Фрагмент керна, приготовленный
недостаткам
относятся
для механических испытаний
низкий
коэффициент
керноотбора,
не
превышающий
0,28,
и
высокая динамичность работы. Поэтому удовлетворительный вынос керна
турбодолота обеспечивают только в твердых монолитных горных породах.
158

159.

Важно не только выбурить и поднять керн на поверхность, но и сохранить
его в естественном состоянии. Первым, кто касается керна, должен быть геолог.
С этой целью ведущие зарубежные фирмы используют одноразовые
алюминиевые и стеклопластиковые колонковые трубы. После подъема из
скважины колонковую трубу вынимают из корпуса, керн фиксируют и
консервируют в колонковой трубе закачкой в кольцевой зазор между керном и
трубой твердеющего вещества, например, эпоксидной смолы, а концы трубы
герметично закрывают крышками. В таком состоянии керн хранят до начала
его изучения. Перед изучением срезают сегмент трубы и керна по всей длине,
чем обеспечивают доступ для описания керна без его извлечения из трубы. Для
измерения коллекторских свойств керна и его механических испытаний
вырезают намеченные для этого фрагменты керна вместе с колонковой трубой,
как показано на рисунке 8.2.
8.2 Бурильные головки
Бурильные головки (бурголовки), как и долота, различаются по классу,
типу, принципу воздействия на забой, материалу вооружения и конструкции
основных рабочих элементов. В отличие от долот бурильные головки они не
бывают гидромониторными. Более того, в их конструкциях предусмотрены
меры по защите керна от прямого воздействия струй промывочной жидкости.
Режуще-скалывающие бурильные головки выполняются лопастными с
алмазно-твердосплавным вооружением, как и долота PDC. ОАО
"Волгабурмаш" изготавливает бурильные головки в шести-, восьми- и
десятилопастном исполнении. Шифр бурголовок, как и долот начинается с
диаметра в мм, далее через косую черту – диаметр кернообразующего
отверстия, затем латинские буквы СВ (первые буквы слов "core bit" –
колонковое долото). Далее цифры и буквы как для долот PDC. Примеры
обозначений: 187,3/80 СВ 366SM-A35; 215,9/100 CB 388-SM; 212,7/100 CB
31010MH. Последняя бурголовка вооружена зерновыми алмазами
(импрегнированная). Оснащенные зерновыми алмазами бурильные головки по
конструкции вооружения секторные (см. рисунок 8.4) и относятся к
истирающе-режущей подгруппе инструментов.
Из примеров шифра видно, что бурильные головки предназначены для
бурения в мягких с прослоями средней твердости (SM) горных породах и для
бурения в породах средней твердости с прослоями твердых (MH).
Наиболее полный ряд бурголовок этой подгруппы изготавливается на
заводе НПП "Буринтех". Шифр аналогичен шифру долот. Отличие – добавлен
диаметр кернообразующего отверстия, например БИТ 212,7/80 В 613 (рисунок
8.3). Размер бурголовок от 121/52 до 292,9/100 (295,3/100) мм. Исполнение
бурголовок 4-х, 6-и, 9-и и 12-и лопастное (первые одна или две цифры после
буквы В показывает число лопастей, а затем размер резцов).
В таблице 8.1 приведены шифры бурильных головок БИТ и их
назначение. Из таблицы 8.1 видно, что мере увеличения твердости горной
159

160.

породы увеличивается количество лопастей. Этим достигается увеличение
запаса вооружения на износ и компенсируется рост динамичности работы по
мере увеличения твердости горной
породы.
1 - паз для прохода промывочной жидкости;
2 - промывочное отверстие
Рисунок 8.3 - Шестилопастная бурильная
головка
Таблица 8.1 – Шифр и область применения бурголовок БИТ
Бурильная головка (шифр)
Количество
лопастей
Твердость горной породы,
4
6
9
12
1-3
3-4
5-6
6-7
БИТ … В 419
БИТ … В 613
БИТ … В 913
БИТ … В 1208
кат.
На рисунке 8.4 показаны примеры бурильных головок, выпускаемых
заводом НПП "Буринтех".
а
б
в
Рисунок 8.4 – Бурильные головки: а – 9-ти лопастная PDC; б – импрегнированная
со ступенчатыми секторами; в – импрегнированная с гладкими секторами
160

161.

Шифр бурголовок БИТ, например, БИТ 215,9/100 В 15 15 1 АМ. Первая
цифра после В ‒ число секторов (15), вторая – число промывочных отверстий
(15), третья – вид вооружения (1 – импрегнированное), буква А – алмазное,
буква М – матричное.
Бурильные головки PDC предназначены для отбора керна в горных
породах от 1-ой до 7 категорий твердости. Импрегнированные ступенчатые
бурильные головки предназначены для отбора керна в горных породах 8-й и 9-й
категорий, а с гладкими секторами – в породах 10-й и 11-й категорий.
Шарошечные бурильные головки типов МСЗ, СЗ, СТ и ТКЗ изготавливаются для керноприемных устройств как с несъемными, так и со съемными
колонковыми трубами. Они предназначены для отбора керна в тех условиях,
где нельзя применить нешарошечные бурильные головки.
Бурильные головки типа МСЗ (рисунок 8.5,а) имеют восемь шарошек,
размещенных в корпусе на четырех горизонтальных осях. Четыре шарошки
обрабатывают периферийную часть забоя и четыре – прилегающую к керну.
Вооружены шарошки твердосплавными клиновыми зубками. Шифр
шарошечных бурголовок начинается с буквы К (колонковая), например,
К212,7/80 МСЗ. Первая цифра - диаметр бурильной головки, вторая - диаметр
керна (кернообразующего отверстия).
Бурильные головки типа СЗ (рисунок 8.5,б) имеют три чечевицеобразные
шарошки, вооруженные клиновыми твердосплавными зубками. Шифр,
например, К187,3/80 СЗ.
Бурильные головки МСЗ и СЗ режуще-истирающего действия, хотя по
конструкции они шарошечные. Бурильные головки типов СТ и ТКЗ дробящескалывающего действия. Они выпускаются в шестишарошечном исполнении с
кернообразующими отверстиями 80 мм и в восьмишарошечном исполнении с
кернообразующим отверстием 100 мм (К187,3/80 СТ; К212,7/80 СТ; К187,3/80
ТКЗ; К212,7/80 ТКЗ и К212,7/100 ТКЗ).
а
б
Рисунок 8.5 – Восьми- (а) и трехшарошечная (б) бурильные головки
161

162.

Рисунок 8.6 – Шестишарошечная
бурильная головка типаТКЗ
Шестишарошечные бурильные головки
(рисунок 8.6) имеют два вида шарошек: три
шарошки для разрушения периферийной
части забоя и три – для разрушения части
забоя, прилегающей к керну. Справа на схеме
показано относительное положение шарошек
и промывочных отверстий, из которой видно,
что струи жидкости направлены как на
шарошки, так и между шарошек.
Шарошечными бурильными головками
нельзя прорабатывать скважину. Поэтому
диаметр бурголовок может быть меньше, чем
соответствующий
диаметр
долот
для
сплошного бурения. Например, долоту
диаметром 190,5 мм соответствует бурголовка
диаметром 187,3 мм.
Довольно часто бурение с отбором
керна осуществляют бурильными головками
Рисунок 8.7 –
Четырехшарошечная
бурильная головка
162

163.

уменьшенного диаметра. Например, скважину бурили долотом диаметром
215,9 мм. Затем интервал бурения с отбором керна прошли
бурголовкой
диаметром
212,7 мм. Дальнейшее углубление скважины предстоит вести
снова долотом диаметром 215,9 мм. В этом случае предыдущий интервал,
пройденный с отбором керна, необходимо проработать (расширить) долотом
диаметром 215,9 мм.
Бурильные головки типов СТ и ТКЗ для керноприемных устройств со
съемной колонковой трубой, например для турбодолот, изготавливаются
четырехшарошечными (рисунок 8.7) и по конструкции во многом похожи на
трехшарошечные долота. Принципиальное отличие имеет только система
промывки: подача промывочной жидкости к забою осуществляется через
отверстия или пазы вокруг центрирующей втулки.
Бурильные головки типа СТ имеют фрезерованное стальное вооружение,
но кернообразующая часть шарошек оснащена твердосплавными клиновыми
зубками.
Бурильные головки ТКЗ (рисунок 8.7) оснащены только
твердосплавными зубками. Примеры шифров бурильных головок:
КС187,3/40 СТ; КС212,7/60 ТКЗ; КС215,9/60 ТКЗ и т.д.
8.3 Кернорватели
Кернорватели предназначены для отрыва керна от забоя скважины и
удержания его в колонковой трубе при подъеме инструмента из скважины. При
отборе керна в мягких рыхлых породах применяют пружинные кернорватели.
На рисунке 8.8,б показан кернорватель НПП «Буринтех».
а
б
Рисунок 8.8 – Пружинный
(а) и рычажковый (б)
кернорватели
При бурении лепестковые пружины
отгибаются и пропускают керн в колонковую
трубу. При подъеме инструмента керн
163

164.

стремится сдвинуться вниз, пружины врезаются в керн и перекрывают вход в
колонковую трубу. Рычажковый кернорватель (рисунок 8.8,б)
также
предназначен для отбора керна в мягких породах. Он состоит из корпуса 1, и
закрепленных в нем кольцом 4 рычажков 5 и 6. Рычажки имеют возможность
поворота вверх на 90°. К корпусу заклепками 2 прикреплены плоские
возвратные пружины 3, прижимающие рычажки к керну. Принцип его работы
аналогичен предыдущему.
При отборе керна в породах средней твердости и твердых применяют
цанговые и кольцевые кернорватели. Принцип работы цангового кернорвателя
– сжатие заклинивание керна в конусной части корпуса кернорвателя (рисунок
8.1,б позиция 7). Аналогичный принцип действия и у кольцевого кернорвателя
(рисунок 8.9).
После окончания бурения отключают
промывку и медленно отрывают долото от
забоя. При этом керн и кернорватель движутся
вниз относительно корпуса. Упругие элементы
кернорвателя 8 сжимаются конусом корпуса
кеноприемника колонковой трубы 7 (см.
рисунок 8.1,б) и заклинивают в нем керн. При
дальнейшем движении долота вверх керн
отрывается от забоя. Кернорватели имеют
продольные разрез и пазы на конической части
для уменьшения его жесткости. Внутренняя
поверхность армирована (в показанной
конструкции зернистым твердым сплавом).
Шероховатая поверхность наплавки улучшает
сцепление кернорвателя с керном.
Рисунок 8.9 – Кольцевой
кернорватель
Колонковое долото фирмы Security DBS
снабжено кернорвателем, представляющим собой сминаемую обечайку.
Принципиальная схема и порядок работы с таким долотом показаны на рисунке
8.10. Долото включает бурильную головку 1, корпус керноприемного
устройства 2 и порядок работы с таким долотом показаны на рисунке 8.9.
Долото включает бурильную головку 1, корпус керноприемного устройства 2 и
колонковую трубу 3. Подшипниковый узел подвески колонковой трубы в
корпусе не показан. На рисунке 8.10,а показана схема долота во время его
спуска в скважину.
Перед началом отбора керна колонковое долото промывают. Эта
процедура нужна для удаления шлама из колонковой трубы, который мог
попасть в нее во время спуска инструмента в скважину, и шлама, осевшего на
забой скважины. При этом промывочная жидкость проходит внутри
колонковой трубы и через окна 6 в кольцевой зазор между корпусом и
колонковой трубой. Затем в трубы сбрасывается шар 7 дренажного клапана и
164

165.

производится бурение (рисунок 8.10,б). При бурении промывочная жидкость к
забою проходит только через кольцевой зазор. Перед подъемом инструмента
4
9
7
8
6
3
2
5
10
1
а
б
в
Рисунок 8.10 – Схемы колонкового долота при спуске
в скважину (а), при бурении с отбором керна (б)
и при отрыве керна от забоя (в)
выключают промывку, и в трубы сбрасывают второй шар 8, после чего снова
включают промывку. Когда шар 8 достигнет колонковой трубы, он перекроет
проход жидкости через окна 6. Давление в трубах резко возрастает. Оно
доводится до величины, достаточной для срезания штифтов 4. Колонковая
труба перемещается вниз, перекрывает кольцевой зазор и промывочные
отверстия в бурильной головке (рисунок 8.10,в), открывает окна 9 и дает доступ
высокому давлению жидкости через кольцевой зазор и отверстия 10 на
обечайку 5. Обечайка сминается и плотно охватывает керн. В случае мягких
горных пород возможно пережатие керна до полного перекрытия сечения
колонковой трубы.
165

166.

8.4 Причины разрушения керна при бурении и методы обеспечения
необходимого выноса керна
Вынос керна при колонковом бурении практически всегда меньше 100 %,
что обусловлено действием двух групп факторов: геологических и техникотехнологических.
Геологические факторы следующие:
1. Низкая прочность горных пород. Слабый керн размывается
промывочной жидкостью и разрушается под действием радиального биения и
изгиба инструмента. Профилактика – балансировка колонкового долота и его
центрирование, а также применение бурильных головок, имеющих
максимальные значения коэффициентов керноприема и керноотбора.
2. Высокая абразивность горных пород обусловливает быстрый износ
кернообразующего вооружения и кернорвателей. Профилактика – усиленное
армирование кернообразующего вооружения бурильных головок и
поверхностей кернорвателей, взаимодействующих с керном, а также
ограничение времени отбора керна.
3. Трещиноватость горных
пород.
Трещиноватый
керн
распадается
на
куски
и
самозаклинивается в колонковой
трубе. Это приводит к истиранию
керна. В таких горных породах
следует
применять
колонковые
снаряды, в колонковой трубе
которых
создается
восходящий
Рисунок 8.11 – К механизму
саморазрушения керна
поток
жидкости.
Такие
керноприемные
устройства
называются эжекторными;
4. Низкая водоустойчивость
пород
(пески,
плывуны,
растворимые
соли,
слабосцементированные песчаники
и др.). Профилактика – применение
специальных буровых растворов,
неактивных по отношению к
горной
породе,
например,
растворов на нефтяной основе и
эмульсионных растворов.
5. Саморазрушение керна под
действием горного давления. При
Рисунок 8.12 – Керн,
подвергшийся саморазрушению
166

167.

вскрытии забоя скважиной геостатическое давление на горную породу
поверхности забоя заменяется давлением промывочной жидкости. Разность
давлений прямо пропорциональна глубине скважины. Под действием растущей
с глубиной разности происходит все большее выпучивание забоя и на контуре
керна могут возникнуть растягивающие напряжения и кольцевые трещины, как
показано на рисунке 8.11. Фотография керна, поднятого с глубины более 6000м,
приведена на рисунке 8.12. Твердость горных пород составляла более 2500
МПа, но это не спасло керн от саморазрушения. Не избежала этой участи и
Кольская сверхглубокая скважина.
Буровики столкнулись с этой проблемой при глубине бурения более 4500
м. Основной мерой профилактики саморазрушения - применение тяжелых
промывочных жидкостей, ограничивающих выпучивание забоя скважины.
В соответствии с трудностью отбора керна предложен ряд классификаций
горных пород. По твердости геологи выделяют пять групп:
1) крепкие породы 10…12 категорий;
2) твердые 8...9 категорий;
3) средней твердости 6…7 категорий;
4) малой твердости 4…5 категорий;
5) мягкие, рыхлые, сыпучие, размываемые водой (1…3 категории).
По степени трещиноватости выделяют три группы:
1) группа А – монолитные, не разрушаются вибрацией и промывкой,
имеют до 10 трещин на 1 м длины керна;
2) группа Б – трещиноватые и перемежающиеся по твердости. Имеют
10…20 трещин на 1 м длины керна;
3) группа В – раздробленные, размываются и истираются при обуривании
керна, имеют более 20 трещин на 1 м длины керна.
Технико-технологические факторы обусловлены соответствием
инструментов и технологии отбора керна свойствам горных пород, а также
совершенством конструкции и качеством керноотборочных снарядов.
Например, биение инструмента сопровождается разрушением столбика керна
на фрагменты и их взаимному истиранию. То же имеет место при потере
продольной устойчивости колонкового снаряда под действием осевой нагрузки
и при отклонении его оси вращения от оси скважины. Поэтому уделяется
большое внимание центрированию колонкового долота в скважине. Над
бурильной головкой устанавливается калибратор, а в средней и верхней частях
его корпуса – центраторы в соответствии с расчетной формой продольной
устойчивости корпуса колонкового долота.
Обеспечение выноса керна во многом зависит от квалификации
бурильщика и его материальной заинтересованности. Это условие
рассматривается
как
субъективный
фактор.
Поэтому
наряду
с
совершенствованием техники и оптимизацией технологии бурения с отбором
керна необходимо уделять внимание повышению профессиональной
подготовке бурильщиков и совершенствованию оплаты труда.
167

168.

Тема 9. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ (СПЕЦИАЛЬНЫЙ) ИНСТРУМЕНТ
ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
9.1 Инструменты для подготовки ствола и забоя скважины
к последующим операциям
Пикообразные долота предназначены для проработки ствола скважины,
например перед спуском обсадной колонны, для разбуривания цемента в
обсадной колонне и для подготовки забоя перед проведением ловильных работ
по удалению мелких металлических предметов из скважины. Изготавливаются
два вида долот ПР и ПЦ диаметром от 98,4 до 444,5 мм.
Долото ПР (рисунок 9.1,а) двухлопастное состоит из корпуса 1 и
лопастей 2, выполненных в виде пики. Корпус имеет присоединительную
резьбу и два промывочных отверстия 3. Лопасти армируются твердосплавными
пластинками и наплавляются твердым сплавом. В калибрующих боковых
гранях лопастей установлены цилиндрические зубки. Поэтому долотами ПР
нельзя работать в обсадной колонне.
а
б
Рисунок 9.1 - Пикообразное долото ПР (а) и долото ВР (б) для работ
в открытом стволе скважины
Долото ПЦ по конструкции аналогично долоту ПР и отличается от него
отсутствием армирования боковых граней лопастей. Это долото предназначено
для разбуривания цементного камня в обсадной колонне и не должно
повреждать трубы.
168

169.

В последнее время заводы-изготовители породоразрушающих
инструментов перешли к оснащению вспомогательных долот этого вида
алмазно-твердосплавным вооружением. На рисунке 9.1,б показано специальное
долото, изготавливаемое на НПП «Буринтех». Шифр долота начинается с букв
ВР, например ВР 165,1, где цифрами показан диаметр долота в мм. Из рисунка
9.1,б видно, что долото с алмазно-твердосплавным вооружением
многолопастное и имеет не пикообразный профиль лопастей, а скругленный
выпуклый.
Зарезные и фрезерные долота предназначены в основном для бурения с
управлением кривизной скважины, забуривания новых стволов в скважине и
фрезерования металла при ликвидации аварий в скважине с бурильным и
породоразрушающим инструментами.
а
б
Рисунок 9.2 – Зарезные долота:
а – ИСМ; б - PDC
Зарезное долото ИСМ (рисунок 9.2,а) состоит из головки 1 и переводника
2 корпуса. Головка имеет характерную вогнутую торцовую рабочую
поверхность и короткую цилиндрическую калибрующую поверхность lк,
оснащенные зубками 3 из копозиционного материала «Славутич». Система
промывки включает внутреннюю полость долота, отверстия 4 и радиальные
канавки, переходящие в вертикальные, которые делят торцовую поверхность
долота на шесть секторов 5. В шифре долота содержится буква А, например,
ИСМ-А-188,9 МС, означающая, что долото можно применять при аварийных
работах в скважинах.
169

170.

На рисунке 9.2,б показано зарезное долото ОАО «Волгабурмаш» с
алмазно-твердосплавным вооружением (PDC). Из сопоставления с рисунком
9.2,а видно, что оно отличается от долота ИСМ только вооружением и более
рациональной с точки зрения взаимодействия с горной породой их
расстановкой. Зубки ИСМ не имеют режущей кромки. Разрушение горной
породы осуществляется истиранием и микрорезанием мелкими алмазными
зернами, расположенными в поверхностном слое зубков. У зарезного долота
PDC на передних гранях секторов установлены резцы, образующие режущую
кромку для разрушения горной породы резанием-скалыванием.
Калибраторы – породоразрушающие инструменты, устанавливаемые
непосредственно над долотом и предназначенные для центрирования его в
скважине и для выравнивания и калибровки стенок скважины до размера,
равного диаметру долота. Калибраторы существенно снижают поперечные
колебания долот и обеспечивают наиболее круглый ствол скважины.
а
б
в
Рисунок 9.3 – Калибраторы: а – прямолопастной; б – спиральный;
в - шарошечный
Рисунок 9.4 –
Компоновка долото 1
и калибратор 2
Конструкции лопастных калибраторов
показаны на рисунке 9.3,а,б. Из рисунка 9.3,а,б
видно, что калибраторы выполняют с лопастями,
расположенными вдоль образующей корпуса
(прямолопастные) и со спиральной формой
лопастей
(спиральные).
Спиральные
калибраторы сложнее в изготовлении, но они
лучше центрируют долото в скважине. На
рисунке 9.4 показано положение спирального
колибратора в компоновке с долотом PDC. Из
рисунка
9.4
видно,
что
калибратор
непосредственно навинчен на долото.
Основной
недостаток
лопастных
калибраторов с твердосплавным вооружением –
значительное сопротивление вращению и
быстрое снижение их эффективности по мере
170

171.

уменьшения диаметра в результате изнашивания вооружения лопастей.
Поэтому все шире применяется оснащение калибраторов элементами
вооружения импрегнированными алмазными вставками или зубками с
алмазным покрытием.
Шарошечные калибраторы имеют перед лопастными преимущество в
меньшем сопротивлении вращению и лучшем охлаждении вооружения
благодаря перекатыванию шарошек по стенке скважины. Калибраторы
выполняются в основном трехшарошечными (рисунок 9.3,в). Вооружение
шарошек или зубчатое фрезерованное с наплавкой твердого сплава или в виде
вставных твердосплавных зубков. Основной недостаток таких калибраторов –
быстрое изнашивание осей (опор) шарошек.
Применение калибраторов не только повышает качество ствола
скважины, но и положительно отражается на долговечности опоры и
вооружения долота.
9.2 Инструменты для увеличения диаметра скважины
Расширители предназначены для увеличения диаметра скважины,
предварительно пробуренной инструментом меньшего диаметра. Например,
скважину бурят долотам диаметром 244,5 мм, а керн при этом отбирают
имеющимся в наличии колонковым долотом диаметром 212,7 мм. После отбора
керна диаметр скважины увеличивают (скважину расширяют) до диаметра
244,5 мм с помощью расширителя. Расширители, как и долота, могут быть
режуще-скалывающего, истирающе-режущего и дробяще-скалывающего
действий. Расширители изготавливаются жесткими и раздвижными. Последние
используются при расширении скважины в заданном интервале.
На рисунке 9.5 приведена принципиальная
конструкция
и
схема
работы
жесткого
шарошечного расширителя. Он может быть трех-,
четырех- и шестишарошечным. Расширитель
состоит из корпуса 1, к которому приварена муфта
2 с лапами 3. На цапфах лап установлены
двухконусные шарошки, вооружение которых
может быть как стальным фрезерованным, так и
твердосплавным в виде вставных зубков. Ниже
расширителя
устанавливается
утяжеленная
бурильная труба с пилотным долотом на конце.
На рисунке 9.6 показан общий вид лопастного
расширителя 1, оснащенного вооружением PDC.
Ниже расположено долото-пилот 2, центрирующее
Рисунок 9.5 – Шарошечный
расширитель относительно расширяемого ствола
расширитель
скважины.
171

172.

На рисунке 9.7 показан гидро-механический лопастной расширитель
раздвижной (РР), изготавливаемый на НПП
"Буринтех". Лопасти 1 оснащены алмазнотвердосплавными резцами. Особенностью
раздвижного расширителя являются два
положения: транспортное (сложенное), в
котором
расширитель
спускается
в
скважину и проходит через предварительно
пробуренную скважину (рисунок 9.7,а);
рабочее (раскрытое) положение (рисунок
9.7,б).
Расширитель РР состоит из корпуса 2,
центраторов 3 и механизма раздвижения
лопастей. В верхней части 5 корпуса 2
установлен цилиндр 8, в котором размещен
поршень 11, закрепленный на полом штоке
6. На нижнем конце штока нарезаны зубцы,
которые находятся в зацеплении с зубцами
на лопастях 1. В канале штока установлена
сменная втулка 7, которая с иглой 9,
закрепленной в крышке 10 с решеткой 13,
образуют дроссель.
Расширитель спускают в скважину
без промывки. При достижении глубины
начала расширения скважины включают
насос и вращение инструмента. Под
действием перепада давления на дросселе
поршень движется вниз, сжимая пружину
12 и за счет зубчатого зацепления с
лопастями поворачивает их, раздвигая в
скважину. Раздвигаясь, лопасти врезаются в
стенку скважины и помере местного
расширения занимают рабочее положение
(рисунок 9.7,б). К моменту полного
Рисунок 9.6 – Лопастной
раскрытия лопастей игла выходит из втулки
расширитель в компоновке с
дросселя, а бурильщик видит снижение
пилотным долотом
давления на стояке (на насосе). Это сигнал,
что расширитель приведен в рабочее положение. Далее бурильщик плавно
нагружает расширитель осевой нагрузкой и осуществляет бурение-расширение
скважины. После окончания бурения или перед наращиванием инструмента
выключается насос, перепад давления на поршне исчезает и пружина 12,
разжимаясь, возвращает поршень, шток и лопасти в исходное (транспортное)
172

173.

положение Движение поршня 11 при возвращении в исходное положение
ограничено стопором 4
2
а
б
а – в транспортном положении (чертеж);
б – в рабочем положении (общий вид)
Рисунок 9.7 – Расширитель раздвижной лопастной
Бицентричные долота находят широкое применение для местного
расширения ствола в процессе бурения скважины и при бурении боковых
скважин из ранее пробуренных стволов как в странах дальнего зарубежья, так и
в России и странах СНГ. На рисунке 9.8,a показан общий вид бицентричного
долота ОАО «Волгабурмаш». Схема работы долота в скважине показана на
рисунке 9.8,б.
Долото состоит из переводника 1 и головки 2. На верхней части головки
выполнен лопастной асимметричный расширитель 3 диаметром D. Нижняя
часть головки представляет собой пилотное долото диаметром d. Лопасти
пилотного долота и расширителя оснащены алмазно-твердосплавными резцами
4. Бицентричные долота, как и долота аналогичных им типов, могут оснащаться
элементами вооружения и из других материалов.
Из схемы на рисунке 9.8,б видно, что бицентричное долото, имея
габаритный диаметр D, при бурении образует скважину диметром Dс,
существенно большим диаметра самого долота. Например, при габаритах по
диаметру 120 мм долото может быть спущено в скважину через обсадную
колонну диаметром 146 мм, внутренний диаметр которой не менее 120,6 мм.
При последующем бурении образованная долотом скважина будет иметь
диаметр Dс около 143 мм. Полученный диаметр скважины позволяет, например,
173

174.

нормальный спуск и цементирование последующей обсадной колонны или
хвостовика диаметром 102 мм в пробуренный бицентричным долотом интервал
скважины. Шифры долот во многом повторяют шифры долот PDC
соответствующих производителей.
а
б
Рисунок 9.8 – Общий вид бицентричного долота (а)
и схема его работы в скважине (б)
Пример шифра долота ОАО «Волгабурмаш» следующий
152,4х175,0 BD 613 SM,
где 152,4 – минимальный внутренний диаметр обсадных труб, через которые
может быть спущено долото; 175,0 – диаметр образуемой долотом скважины;
BD – бицентричное долото (BicentricDrill); 6 – число лопастей; 13 – диаметр
резцов; SM – долото для мягких с прослоями средней твердости горных пород.
Пример шифра долота НПП «Буринтех» следующий
БИТ 215,9/230/190 В513 (IADC- S332),
где первые два цифровых значения те же, что и для долот ОАО "Волгабурмаш";
далее 190 – максимальный диаметр бурильного инструмента, на котором
спускается долото в скважину; В – шифр производителя; 5 – пятилопастное;
13 – диаметр резцов, мм. В конце шифра записываются опции долота.
174

175.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Алексеев Ю.Ф. Использование данных по механическим и абразивным
свойствам горных пород при бурении скважин. М.: "Недра", 1968, - 174 с.
2 Попов А.Н. Механика горных пород: учебное пособие, − Уфа: Изд-во
УГНТУ, 2018.
3 Технология бурения нефтяных и газовых скважин: учебник для студентов
вузов. ‒ В 5 т. Т.1 /под общ. ред. В.П. Овчинникова. − Тюмень: изд-во
ТюмГНГУ, 2017.
4 Буринтех. Каталог. – Уфа: изд-во Буринтех – 2017.
5 Каталог продукции для нефтегазовой промышленности. – Волгабурмаш.
Уралбурмаш. – 2017.
6 Security Oilfield Catalog. - Security-Dresser. 40 р.
7 Каталог буровых долот Хьюз Крисиенсен. – Бейкер Хьюз
Инкорпорейтед, 2001.
8 Каталог буровых долот Reed Hycalog. – Хьюстон: Grant Prideco Company,
2015. – 34 p.
9 Kingdream roller cone bits for oil well drilling. - Hubey: China, 2018 – 52 p.
10 Попов А.Н., Трушкин Б.Н., Трушкин О.Б. Разрушение горных пород. –
Уфа: изд-во УГНТУ, 2016.
11 Эйгелес Р.М., Стрекалова Р.В. Расчет и оптимизация процесса бурения. −
М.: Недра, 1977.
12 Вспомогательный инструмент для бурения и ремонта скважин: учебное
пособие /Г.Г. Ишбаев, Р.Ф. Ташбулатов, Л.А. Алексеев и др. /Под ред.
Г.Г. Ишбаева. − Уфа: "Нефтегазовое дело", 2007.
13 Буровой породоразрушающий инструмент. Долота с фиксированными
алмазосодержащими резцами: международный транслятор-справочник
/под ред. В.Я. Кершенбаума. – М.: Изд-во Национального института
нефти и газа, 2011. – Т. 2.
14 Графический метод выбора буровых долот / А.Н. Попов, Р.А. Исмаков,
Г.В. Конесев, Г.Г. Ишбаев //Известия Томского политехнического
университета. Инжиниринг георесурсов. – 2019. – Т. 330, № 11. – 69-76 с.
175

176.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….
Предмет и задачи курса "Разрушение горных пород"……………………..........
Тема 1. ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ...... ……………………… ……………………..
1.1 Осадочные горные породы …………………………………………………..
1.2 Структурные модели осадочных горных пород ……………………………
1.3 Геостатическая температура горных пород.
Многолетне мерзлые породы ………………………………………………..
Тема 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД .............................
2.1 Одноосное сжатие ……………………………………………………….........
2.2 Метод статического вдавливания штампа с плоским основанием.........…..
2.3 Классификации горных пород по твердости по штампу. Определение
твердости горных пород в категориях …........................................................
2.4 Особенности разрушения горных пород при динамическом
вдавливании ………………………………………………………………......
2.5 Абразивность горных пород ……………………………………………........
2.6 Определение показателей абразивности горных пород. Классификация
по абразивности ………………………………………....................................
2.7 Особенности изнашивания твердого сплава ................................................
2.8 Влияние состава и строения горных пород
на сопротивление разрушению ………………………………………….......
2.9 Взаимосвязь основных показателей свойств горных пород ……………….
Тема 3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ
ИНСТРУМЕНТАХ ..................................................................................
3.1 Назначение породоразрушающих инструментов и требования к ним .......
3.2 Функциональные системы породоразрушающих инструментов.
Классификации инструментов …………………………………………........
3.3 Материалы вооружения породоразрушающих инструментов ……….........
3.4 Параметры режима работы долот ……………………………………….......
3.5 Показатели работы долота ……………………………………………….......
3.6 Критерии оптимизации выбора и режима работы долот …………….........
Тема 4. РЕЖУЩЕ-СКАЛЫВАЮЩИЕ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЕ
ИНСТРУМЕНТЫ ………………………………………………………..
4.1 Долота режуще-скалывающего действия с твердосплавным
вооружением . ....................................................................................................
4.2 Особенности взаимодействия лопастного долота с забоем ……………......
4.3 Изнашивание лопастных долот ………………………………………….......
4.4 Одношарошечные долота ………………………………………………........
176
3
3
4
4
6
9
11
11
13
17
18
19
23
25
25
27
30
30
30
33
35
37
38
39
39
40
43
43

177.

5 ДОЛОТА С ФИКСИРОВАННЫМИ АЛМАЗОСОДЕОЖАЩИМИ
РЕЗЦАМИ ……………………………………………………………………..
5.1 Элементы вооружения алмазно-твердосплавных долот …………………...
5.2 Устройство долота PDC .................................................................................
5.3 Долота с гребнеобразными резцами и коническими вставками …………..
5.4 Шифры и коды долот PDC..................................... ………………………….
5.5 Кодирование износа долот PDC …………………………………..................
5.6 Коды видов износа долот PDC ………………………………………………
5.7 Выбор долота PDC в соответствии с механическими свойствами
горных пород ...................................................................................................
5.8 Истирающе-режущие долота, оснащенные натуральными
и синтетическими алмазами ………………………………………………..
Тема 6. ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА ДРОБЯЩЕ-СКАЛЫВАЮЩЕГО
ДЕЙСТВИЯ .............................................................................................
6.1 Устройство шарошечного долота ......................................... ………………..
6.2 Принцип работы долота. Дробящая способность шарошек ………….........
6.3 Долото как источник вынужденных колебаний инструментов ……….......
6.4 Скалывающая способность шарошек ……………………………………......
6.5 Кинематика шарошечного долота …………….............................................
6.6 Стендовое определение передаточных чисел шарошек …………………...
6.7 Вооружение шарошек первого класса …………………...............................
6.8 Особенности периферийного вооружения шарошек.......................……….
6.9 Вооружение шарошек долот второго класса ……………….........................
6.10 Периферийное вооружение шарошек 2-го класса....………………………
6.11 Системы промывки долот и их характеристики ......……………………...
6.12 Опоры шарошек, подшипники опор и система их смазки ......................
6.13 Армирование лап шарошечных долот .......................................................
6.14 Размеры и шифр долот по ГОСТ 20692-2003. Кодирование долот
по системе Международной ассоциации буровых подрядчиков.................
6.15 Шифры шарошечных долот ОАО «Волгабурмаш» ……………………….
Тема 7. РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМИ
ИНСТРУМЕНТАМИ ..............................................................................
7.1 Виды и области разрушения горных пород при бурении скважин ….........
7.2 Области объемного разрушения горных пород ……………………….........
7.3 Влияние глубины залегания горных пород и дифференциального
давления на сопротивление разрушению …………………………….........
7.4 Приведение предела текучести горных пород к забойным условиям ……
7.5 Безразмерные характеристики разрушения горных пород ……………......
7.6 Формулы подобия ……………………………………………………….........
7.7 Мощность и момент, обеспечивающие работу долота ……………….........
7.8 Выбор шарошечных долот по данным о механических свойствах
горных пород .................................................................................................
177
46
46
48
52
53
56
60
65
68
71
71
73
75
76
78
80
82
86
87
90
92
95
103
105
107
110
110
111
113
116
121
122
123
126

178.

7.9 Контроль параметров режима работы долота ................. ……………........
7.10 Отработка долота. Признаки отказа долота .........................………….......
7.11 Рейкообразование на забое скважины и его профилактика ………….......
7.12 Описание износа шарошечных долот ........................................................
7.13 Коды основных видов износа шарошечных долот ...................................
7.14 Описание прочности горных пород и выбора долот в кодах МАБП ….
137
139
141
143
148
151
Тема 8. ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ С ОТБОРОМ КЕРНА ...............
8.1 Керн и основные виды керноприемных устройств …………………….......
8.2 Бурильные головки ……………………………………………………….......
8.3 Кернорватели ……………………………………………………………........
8.4 Причины разрушения керна при бурении и методы обеспечения
необходимого выноса керна ……………………………………………......
155
155
159
163
166
Тема 9. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ (СПЕЦИАЛЬНЫЙ) ИНСТРУМЕНТ
ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ……………………………………………. 168
9.1 Инструменты для подготовки ствола и забоя скважины
к последующим операциям ………………………………………………….. 168
9.2 Инструменты для увеличения диаметра скважины ………………………... 171
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………...... 175
178