Назначениеи условия работы буровых долот

Для углубления забоя, выполнения ряда специальных работ (ликвидация аварий, местное или поинтервальное расширение ствола), отбора образцов проходимых пород горную породу необходимо разрушить по всему забою, по кольцу или bобразованием на забое и участках ствола выработок заданной формы и размеров.

Горную породу можно разрушать различными методами. При бурении нефтяных и газовых скважин применяется в основном механическое разрушение горных пород. Энергия от двигателя к породе передается непосредственно через породоразрушающий инструмент (долото, колонковое долото, расширитель).

На забой передается ограниченная, часто недостаточная энергия для быстрого разрушения пород на большую глубину. Для повышения эффективности процесса энергия передается не на всю поверхность разрушения одновременно, а периодически (шарошечные долота), дискретно и лишь на часть поверхности забоя, концентрированно через породоразрушающие элементы инструмента (зубья, резцы, штыри).

Таким образом, породоразрушающий инструмент предназначен для концентрированной передачи энергии горной породе с целью ее разрушения.

В машиностроении трудно найти аналогичный инструмент, условия работы которого были бы такими же жесткими, сложными и трудно контролируемыми, как для буровых долот. В связи с высокой твердостью и энергоемкостью разрушения горных пород энергетическая загрузка элементов долот очень высока.

Реализуемая через долото мощность, приходящаяся на 1 см его диаметра, может достигать 5-10 кВт, статическая осевая нагрузка 10-15 кН. Динамическая осевая нагрузка может. превышать статическую в 1,5-2 раза. Расчетные удельные контактные нагрузки на породоразрушающие элементы и подшипники достигают 4000 МПа, а в точках фактического контакта с зернами некоторых породообразующих минералов (кварц) – 8000-10000 МПа.

Нормальные статические и динамические нагрузки, крутящий момент, продольные, поперечные и крутильные колебания приводят к тому, что элементы долот при бурении испытывают практически все виды напряжений, достигающих иногда текучести или прочности материала. Реализуемая механическая энергия при пределе разрушения горной породы и в узлах трения практически полностью переходит в тепловую энергию, в связис чем разогреваются тонкие поверхностные слои элементов вооружения и опоры до 800-1000°С, а при недостаточном охлаждении -перегревается в целом долото.

Для условий работы буровых долот также характерны абразивная и коррозионная активность окружающей среды (разрушаемая горная порода, буровой раствор со шламом и химическими реагентами, минерализованные пластовые воды), повышенные заборные давления (до 100 МПа) и температура (до 250 С) (В. И. Мищевич).

Требования к долотам, их конструкции, материалы для их изготовления

Долота работают в компоновке с бурильными трубами и забойными двигателями в скважине, поэтапно перекрываемой обсадными трубами. Поэтому должны быть согласованы диаметры долот, бурильных труб, забойных двигателей с внутренними диаметрами обсадных труб и их нормативными отклонениями. Отклонения по диаметру должны быть в допускаемых пределах (0,5-2 мм) с учетом их взаимозаменяемости, допустимых величин износа.

Необходимо, чтобы конструкция долот соответствовала прежде всего назначению: углубление забоя, отбор керна, локальное расширение ствола и т. д.

Одним из показателей, характеризующих эффективность работы долота, при прочих равных условиях может служить механическая скорость

v_M= N_p/A_yF_a,

где N_p- реализуемая на долоте мощность; А_у - удельная энергоемкость разрушения горной породы; F₃- площадь горизонтальной проекции забоя скважины.

Следовательно, для повышения эффективности разрушения горной породы конструкция долота должна быть такой, чтобы обеспечивалась наименьшая удельная энергоемкость разрушения горной породы.

Для передачи статических и динамических нагрузок требуется, чтобы долота обладали необходимой прочностью, что обеспечивается выбором соответствующих конструкционных материалов и режима термохимической обработки, а также конструкцией долот. Проходка на долото при заданной механической скорости пропорциональна долговечности долота. Последняя определяется долговечностью основных его элементов.

Долговечность долот и их элементов зависит от совершенства конструкций, качества изготовления, условий и режима отработки, прочности, усталостной прочности, ударной вязкости,коррозионной стойкости и износостойкости инструментальных материалов. Износостойкость значительно зависит от твердости изнашиваемых поверхностей. Твердость регулируется составом материала, режимом термохимической обработки.

Поскольку работа долот сопровождается разогревом поверхностей износа, важна не только величина исходной твердости, но и способность материала сохранять твердость при нагреве (теплостойкость). Следовательно, материал для изготовления тяжелонагруженных элементов долот должен обладать теплостойкостью. тоже время необходимо, чтобы инструментальные материалы были доступными и оправдывали технико-экономическую эффективность их применения.

Конструкция долота и конструкционный материал должны отвечать требованиям интенсивного охлаждения и отвода тепла из областей его генерации.

Важный резерв повышения долговечности шарошечных долот - дальнейшее совершенствование конструкции системы герметизации и смазки опор.

Конструкция долота в целом (форма) и особенно конструкция системы промывки определяют совершенство очистки забоя и влияют на механическую скорость на проходку и на долото.

Скважины, как правило, бурят по заданному направлению, сохранение которого обеспечивается компоновкой бурильной колонны и конструкцией применяемых долот.

Долото должно создавать ствол скважины цилиндрической формы (что особенно важно для достижения качественного разобщения пластов) с сохранением его диаметра, исключать заклинивания при СПО, обеспечивать возможность извлечения из скважины всех спускаемых инструментов. Важная характеристика долота - коэффициент заполнения сечения К

К= F_a/F_c,

где F_a- наибольшая площадь поперечного сечения долота; F_c- площадь поперечного сечения ствола.

С уменьшением коэффициента заполнения сечения уменьшаются гидродинамическое давление при СПО, вероятность и степень осложненности процесса бурения. Таким образом, требования к буровым долотам, их конструкции и материалам зависят от условий применения и назначения долот, режима их эксплуатации (Вадецкий Ю.В.).