Породоразрушающий инструмент для бурения скважин

1. Бурение

нефтяных и газовых скважин
3. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Балаба Владимир Иванович
РГУ нефти и газа
им. И.М. Губкина
Перейти на первую страницу

2. Породоразрушающий инструмент

Предназначен для формирования ствола
скважины путем разрушения горной
породы.
Эффективность разрушения горной
породы (РГП) зависит от ее механических
свойств и характера воздействия
породоразрушающего инструмента.
Балаба В.И.
2
Перейти на первую страницу

3. 4.1. Механические свойства и классификация горных пород

4.1.1. Твердость горных пород
Определяют по ГОСТ 12288-66 на
стандартизованном приборе (УМПГ3, УМПГ-4) путем вдавливания в
образец породы штампа, имеющего
плоскую опорную поверхность (S=110 мм2).
Применяют штампы двух видов: стальной и с
твердосплавной вставкой.
Площадь штампа зависит от размера минеральных
зерен,
структуры и текстуры породы.
Балаба В.И.
3
Перейти на первую страницу

4. Твердость горных пород

По характеру деформации под штампом все
породы поделены на три класса:
• хрупкие
• упруго
пластичные
• пластичные
Балаба В.И.
4
Перейти на первую страницу

5. Хрупкие породы

Твердость (твердость
по штампу) Рш (МПа)критическое давление
под штампом на
контакте с породой,
соответствующее
первому скачку
разрушения.
Рш = Рр/S,
где
Рр – нагрузка в момент хрупкого разрушения, Н;
2
S – поверхность
контакта,
м
Балаба В.И.
5
Перейти на первую страницу

6.

Упруго пластичные породы
ОА - упругая деформация,
АВ - пластическая
деформация.
Ро - нагрузка,
соответствующая пределу
текучести.
Предел текучести
ро = Ро/S
Коэффициент пластичности К = Апд/Аупр.д, где
Аупр.д - работа упругого деформирования;
Апд - работа полного деформирования (до момента
разрушения).
Балаба В.И.
6
1 < К 6.
Перейти на первую страницу

7. Пластичные породы

Твердость по штампу
не определяется.
Коэффициент
пластичности
К=
Предел текучести
ро = Ро/S
Балаба В.И.
7
Перейти на первую страницу

8. Механические свойства горных пород

Удельная объемная работа разрушения затрата энергии на разрушение единицы
объема горной породы под штампом
(Ауд, Дж/см3)
Закон Гука для продольной деформации (линейное
растяжение или сжатие):
= Е ( l/l),
- напряжение линейного растяжения или сжатия, Па;
Е – модуль Юнга (модуль продольной упругости), Па;
l/l – относительное изменение линейного размера тела.
Балаба В.И.
8
Перейти на первую страницу

9. Механические свойства горных пород

Зависимость
коэффициента
пластичности (1),
твердости (2)
и предела
текучести (3)
для мрамора от
скорости
приложения
нагрузки
2)
(штамп
S=10
мм
Балаба В.И.
9
Перейти на первую страницу

10. Характеристики горных пород, определенные по штампу

Горная порода
Глинистый
сланец
Ангидрит
Песчаник и
алевролит
Известняк
Доломит
Кремень
Твердость
по штампу,
МПа
Коэффициент пластичности
К
Модуль
упругости Е,
10
10 Па
200-250
1,3-3,3
0,4-0,9
Удельная
объемная
работа
разрушения,
Дж/см3
1,5-7,7
950-1500
200-350
2,9-4,3
1,4-4,3
1,8-5,4
0,5-3,5
21-54
5-59
1000-2500
1000-6000
5000-7000
1,5-7,0
1,5-6,0
1,0-2,0
1,5-4,0
5-9
>10
21-80
39-151
20
Балаба В.И.
10
Перейти на первую страницу

11. 4.1.2. Абразивность горных пород

Абразивность горной породы
характеризует ее способность изнашивать
породоразрушающий инструмент.
Оценивается по интенсивности износа
эталонного образца при взаимодействии с
породой.
Показатель абразивности зависит от того,
какой материал принят за эталонный
(сталь, твердый сплав и т.д.).
Балаба В.И.
11
Перейти на первую страницу

12. Оценка абразивности горных пород

Балаба В.И.
12
Перейти на первую страницу

13. 4.2. Способы разрушения горных пород на забое скважины

Резание – непрерывный процесс отделения и
снятия тонкого слоя горной породы (ГП) с
забоя.
Разрушению резанием
поддаются очень
слабосвязные
пластичные ГП с
низкой контактной
прочностью
Балаба В.И.
13
Перейти на первую страницу

14. Способы разрушения горных пород

Раздавливание – процесс разрушения ГП под
воздействием контактного давления
породоразрушающего инструмента,
перемещающегося в постоянном контакте с
забоем
Балаба В.И.
14
Перейти на первую страницу

15. Способы разрушения горных пород

Дробление – дискретный процесс РГП под
воздействием контактного давления,
появившегося в момент соприкосновения
рабочего органа с забоем (ударная нагрузка)
Балаба В.И.
15
Перейти на первую страницу

16. Способы разрушения горных пород

Скалывание – периодический процесс
отделения частиц ГП от забоя под
воздействием усилия сдвига со стороны
внедрившегося в забой инструмента.
Скалыванию предшествует раздавливание
или дробление ГП под рабочим органом
инструмента
Балаба В.И.
16
Перейти на первую страницу

17. Способы разрушения горных пород

Истирание (микроскалывание) –
специфический РГП, когда в результате
применения рабочих органов очень малых
размеров (мелкие алмазные зерна и т.п.)
удается создать чрезвычайно высокое
контактное давление и вызвать
пластическое деформирование ГП под
индентором с одновременным
микроскалыванием в прилегающей зоне.
Балаба В.И.
17
Перейти на первую страницу

18. 4.3. Классификация породоразрушающего инструмента

По назначению:
• Для сплошного бурения (долота)
• Для отбора керна (бурильные головки)
• Для специальных работ (калибраторы,
расширители и т.д)
По основному механизму РГП:
• дробящий;
• скалывающий;
• дробяще-скалывающий;
• режущий;
• режуще-скалывающий;
• истирающий.
Балаба В.И.
18
Перейти на первую страницу

19. 4.3.1. Классификация долот

По конструкции:
Опорные
На опоре закреплена шарошка - вращающаяся
относительно корпуса часть долота,
оснащенная вооружением.
Безопорные
Долото не имеет вращающихся частей
Балаба В.И.
19
Перейти на первую страницу

20. Опорные долота

Вооружение - совокупность элементов,
непосредственно разрушающих породу.
Тип вооружения:
• зубья
• зубки (штыри)
• комбинированное
Количество шарошек: 1, 2, 3
Система смазки опоры долота:
• не герметизированная
• герметизированная
Система промывки:
• центральная
• периферийная
(боковая, гидромониторная)
Балаба В.И.
20
Перейти на первую страницу

21.

Безопорные долота
• Лопастные:
• длиннолопастные
• коротколопастные
• Матричные
• Комбинированные (гибридные)
Балаба В.И.
21
Перейти на первую страницу

22. Взаимодействие элементов вооружения долот с ГП

Резаниескалывание
Дробление
Дроблениескалывание
Балаба В.И.
22
Перейти на первую страницу

23. Механизм РГП на забое скважины

Рс - давление в скважине
Ру - угнетающее давление
Зуб долота
Зона предельного
состояния ГП
Радиальные трещины
Магистральная
трещина
Балаба В.И.
23
Перейти на первую страницу

24. Динамика долота

Характер взаимодействия вооружения шарошки с
забоем, и следовательно, специфика РГП на
забое зависят от:
• размеров и плотности размещения
вооружения в венце;
• конфигурации шарошек;
• расположения их осей.
В зависимости от этих факторов шарошечное
долото может быть отнесено к
породоразрушающему инструменту дробящескалывающего или дробящего действия.
У шарошечного долота, в отличие от лопастного, с
забоем одновременно взаимодействует лишь
Балаба В.И.
небольшая
часть вооружения.
24
Перейти на первую страницу

25. Типы шарошечных долот и области их применения (ГОСТ 20692-75)

Общая характеХарактеристика механических свойств
ристика горной
породы
Мягкие породы Неабразивные рыхлые, пластичные (слабые
супеси, наносы, пластичные глины, мягкие
известняки и т.д.)
Абразивные слабосцементированные (слабые песчаники, суглинки, мергели и т.п.)
Мягкие породы Неабразивные породы (каменная соль с прос пропластками пластками ангидритов, тонко переслаиваюпород средней щиеся глины с пропластками слабых песчатвердости
ников и т.п.)
Абразивные слабосцементированные породы (с пропластками песчаников, сланцы мягкие с пропластками сланцев средней твердости и т.п.).
Твердые с про- Неабразивные твердые породы с пропластпластками
ками крепких (переслаивающиеся твердые
крепких
Балаба В.И. известняки, доломиты, ангидриты и т.п.)
25
Шифр Исполнение
долота вооружения
шарошки
М
Фрезерованные зубья
МЗ
МС
МСЗ
С
СЗ
СТ
Т
ТЗ
ТК
Вставные
зубки
Фрезерованные зубья
Вставные
зубки
Комбинированное вооружение
ТКЗ
К
Перейти
ОКна первую страницу

26. Размеры шарошечных долот

В соответствии с ГОСТ 20692–75 шарошечные
долота выпускаются 39 различных номинальных
диаметров – от 46 до 508 мм.
Балаба В.И.
26
Перейти на первую страницу

27. ШИФРЫ УСЛОВНОГО ОБОЗНАЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДОЛОТ

Г – боковая гидромониторная промывка;
Ц - центральная промывка;
А - опоры шарошек на концевых и
периферийном подшипниках скольжения и
одном подшипнике качения,
Н - опоры шарошек на концевых подшипниках
скольжения и двух подшипниках качения;
В - опоры шарошек на подшипниках качения;
У - конструкция долота с герметизированными
маслонаполненными опорами.
Балаба В.И.
27
Перейти на первую страницу

28. ШИФРЫ УСЛОВНОГО ОБОЗНАЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДОЛОТ

Число
Диаметр
Тип
Система
Вид Герметишарошек долота, мм долота промывки опор
зация
опор
III
190,5
МЗ
Г
А
У
III
215,9
ТКЗ
Г
Н
У
III
215,9
С
Г
Н
III
269,9
М
Г
В
III
295,3
Т
Ц
В
* Тип долота определяет конструкцию вооружения шарошек
III 215,9 ТКЗ-ГНУ - трехшарошечное долото диаметром
215,9 мм для бурения твердых абразивных пород с пропластками крепких; боковая гидромониторная промывка;
опоры шарошек на концевых подшипниках скольжения и
В.И.
двухБалаба
подшипниках
качения, с герметизацией и смазкой
28
Перейти на первую страницу

29. 4.3.3. Долота с фиксированным вооружением

Лопастные долота относятся к
инструменту режущего или
режуще-скалывающего действия.
Предназначены для бурения в
породах мягких и отчасти средней
твердости.
Длиннолопастное
долото ("рыбий хвост")
1 – головка с
присоединительной
резьбой;
2 – корпус;
3 – лопасть;
4 – промывочное
отверстие;
5 – твердосплавное
покрытие;
Балаба В.И.
6 – режущая кромка
29
Перейти на первую страницу

30. Короткопастные долота

Долота ИСМ (Институт сверхтвердых материалов, Киев)
оснащены зубками из сверхтвердого материала
«Славутич»
Балаба В.И.
30
Перейти на первую страницу

31. 4.4. Бурильные головки

Используются в составе
колонкового набора (колонкового
долота).
Бурильные головки трех типов:
• лопастные
• шарошечные
• матричные.
Колонковое долото:
1 – бурильная головка
2 – керн
3 – керноприемная труба
4 – корпус колонкового долота
В.И.
5Балаба
– шаровой
клапан
31
Перейти на первую страницу

32. Классификация породоразрушающего инструмента

32
Перейти на первую страницу