НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Долото — буровой инструмент, предназначенный для механического разрушения горных пород на забое скважи­ны в процессе ее проходки. По характеру воздействия на породу долота можно классифицировать следующим обра­зом [30]:

1) режуще-скалывающего действия, предназначенные для разбуривания вязких и пластичных пород небольшой твердо­сти и малой абразивности (вязких глин, малопрочных глини­стых сланцев и т. п.). К ним относятся лопастные долота;

2) дробяще-скалывающего действия, предназначенные для разбуривания неабразивных и абразивных пород средней твер­дости, твердых, крепких и очень крепких. К ним относятся шарошечные долота;

3) режуще-истирающего действия, предназначенные для бурения в породах средней твердости, а также при чередова­нии высокопластичных маловязких пород с породами сред­ней твердости и даже малоабразивными твердыми. К ним относятся долота с алмазными и твердосплавными породо-разрушающими вставками.

По назначению буровые долота подразделяются на три вида:

1) разрушающие горную породу сплошным забоем;

2) разрушающие горную породу кольцевым забоем (ко­лонковые долота);

3) специального назначения.

Долота для сплошного и колонкового бурения предназначе­ны для углубления скважины, а специального назначения — для работы в пробуренной скважине (расширение и выравни­вание ствола скважины) и в обсадной колонне (разбуривание цементного камня).

Как для сплошного бурения, так и для колонкового созда­ны долота, позволяющие разрушать горную породу по любо­му из перечисленных выше принципов. Это упрощает подбор долот в соответствии с физико-механическими свойствами данной горной породы. Промышленность выпускает долота диаметрами от 46 до 580 мм.

 

ДОЛОТА ДЛЯ СПЛОШНОГО БУРЕНИЯ

ЛОПАСТНЫЕ ДОЛОТА

По числу лопастей долота разделяются на двухлопастные (типа 2Л) и трехлопастные (типа ЗЛ). На рис. 2.3 представлено двухлопастное долото. В верхней части долота имеется муфта с присоединительной резьбой и двумя или тремя лопастями, расположенными по отношению друг к другу под углом соот­ветственно 180° и 120°. Двухлопастные долота изготавливаются цельноковаными, а трехлопастные — сварными. Штампован­ные лопасти у трехлопастных долот привариваются к цельно­кованым корпусам по всему контуру касания. По принципу разрушения породы лопастные долота относят к долотам ре­жуще-скалывающего действия, так как под влиянием нагрузки на забой их лопасти врезаются в породу, а под влиянием вращающего момента — скалывают ее. Для увеличения изно­состойкости лопасти армируют твердыми сплавами. Наиболее сильно армируют периферийные участки и боковые поверхности лопастей, так как они выполняют наибольший объем рабо­ты по разрушению породы. В долотах выполнены специаль­ные отверстия для прохода промывочной жидкости к забою скважины. Эти отверстия (два у двухлопастных и три у трех­лопастных долот) расположены так, чтобы выходящие из них струи жидкости, отклоняясь несколько вперед от плоскостей лопастей, ударялись о забой на расстоянии 2/3 радиуса доло­та. Для эффективного разрушения породы и очистки забоя от выбуренных частиц породы скорость истечения жидкости из промывочных отверстий должна быть не менее 80—120 м/с. При такой скорости струй стенки отверстий, просверленных в стальном корпусе долота, подвергаются быстрому эрозионно­му и абразивному износу. Во избежание этого в отверстия вставляются сменные насадки, изготовленные из твердого сплава. Для уменьшения гидравлических сопротивлений кромки от­верстий в насадках на входе сглаживают, а сечение плавно сужают к выходу. Вставляют насадки в отверстия долота с помощью маслонефтестойких уплотнительных резиновых ко­лец, которые обеспечивают герметичность пространства за на­садкой. Во избежание сильного рассеивания энергии струй жидкости насадки устанавливают с максимальным приближе­нием к поверхности забоя. Лопастные долота выпускаются диаметрами от 76 до 445 мм.

Рис. 2.3. Двухлопастное долото

 

ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА

Эти долота (рис. 2.4) успешно используют при вращательном способе бурения пород с различными физико-механическими свойствами с промывкой забоя любой промывочной жидко­стью. Созданы конструкции шарошечных долот с одной, двумя, тремя, четырьмя и даже с шестью шарошками. Наиболее рас­пространены трехшарошечные долота. Для бурения горных по­род с разнообразными физико-механическими свойствами из­готавливают следующие типы трехшарошечных долот:

М — для мягких, вязких, пластичных и несцементирован­ных пород (глины, мел, гипс);

МС — для мягких, вязких, пластичных и несцементиро­ванных пород с пропластками пластичных и хрупкопластич-ных пород (глины, мел, гипс с пропластками мергеля, песча­ника, сланца);

С — для пластичных и хрупкопластичных пород средней твердости (мергели, песчаники, сланцы);

СТ — для пластичных и хрупкопластичных пород средней твердости, переслаивающихся твердыми пропластками пород (мергели, песчаники, сланцы с пропластками загипсованного песчаника, сильно заглинизированные известняк и доломит);

Т — для хрупкопластичных твердых и абразивных пород (песчаники, доломитизированные известняки, доломиты, ан­гидриты с доломитом);

ТК — для хрупкопластичных твердых пород, перемежаю­щихся с хрупкими твердыми и крепкими абразивными пропла­стками пород (песчаники, доломитизированный известняк, ан­гидрит с пропластками окремнелых известняков и песчаников);

К — для хрупких, крепких и абразивных пород (окремнелые известняки и песчаники).

 

Рис. 2.4. Трехшарошечные долота ОАО «Уралбурмаш» с фрезерованным и твердосплавным вооружением с различными конструкциями опор: а - III 76 К-ЦА; б - III 112 Т-ЦВ-2; в - III 120,6 Т-ЦА; г - III 132 К-ЦВ-1 д - III 151 С-ЦВ-1; е -III 190,5 М-ГВ-1

Долота различных типов отличаются друг от друга размера­ми, шагом между зубьями, конструкцией зубьев, углом накло­на оси шарошки к оси долота и конфигурацией шарошек.

С повышением твердости горных пород рекомендуется при­менять долота с меньшей высотой зубьев и меньшим шагом между ними. Уменьшение высоты зубьев предотвращает их поломку при разбуривании твердых пород, а сокращение шага между зубьями увеличивает эффект дробления породы.

При бурении в мягких породах шлам часто налипает на шарошки, поэтому эффект работы долота снижается, и это может привести также к прихвату бурильной колонны. Зуб­чатые венцы на шарошках долот типа М, МС и С располага­ются так, чтобы зубья одной шарошки могли очищать от налипающей породы промежутки между зубьями соседней шарошки. Такие долота называют долотами с самоочищаю­щимися шарошками.

Тяжелые условия работы шарошечных долот обусловлива­ют применение для их изготовления высококачественных сталей с последующей химико-термической обработкой наиболее от­ветственных и быстроизнашивающихся деталей (зубьев, ра­бочих поверхностей шарошек). Для повышения износостой­кости зубья и тыльная часть шарошек армируются зернис­тым твердым сплавом, изготовленным литьем из карбидов вольфрама.

Изготовляют долота с одним (у долот малого размера) и тремя промывочными отверстиями. В первом случае отвер­стие располагают в центре долота и в него устанавливают сменную втулку с максимальным приближением ее кромки к шарошкам. Во втором случае три отверстия располагают на­клонно к оси долота так, чтобы они направляли промывоч­ную жидкость на шарошки или к периферии долота между шарошками. Для создания эффективного процесса разруше­ния горной породы в промывочные отверстия, как и у лопа­стных долот, вставляют насадки и создают скорость истече­ния струй жидкости из них не менее 80—120 м/с.

АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА

Такие долота применяются при бурении неабразивных и малоабразивных пород средней твердости и твердых, а также при бурении нижних интервалов глубоких скважин, где их высокая стоимость компенсируется долговечностью и, следовательно, снижением затрат времени на спускоподъемные операции. В России выпускаются алмазные долота двух ти­пов: спиральные — для турбинного бурения (рис. 2.5, а) и радиальные — для роторного бурения (рис. 2.5, б) [30].

Рис. 2.5. Алмазные долота для сплошного бурения: а — клиновидные: 1 — алмазная несущая головка; 2 — корпус; 3 — резьба; 4 — контактный сектор; 5 — канал для направления жидкости; 6 — сфери­ческие

Алмазные долота состоят из фасонной алмазонесущей головки (матрицы) 1 и стального корпуса 2 с присоедини­тельной замковой резьбой 3. Головку изготовляют методом прессования и спекания смеси специально подобранных по­рошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики техни­ческих алмазов. После прессования и спекания алмазы ока­зываются надежно закрепленными в наружном слое голов­ки. Применяя для изготовления матрицы, образуемой при спекании смеси, различные материалы, добиваются необхо­димой степени обнажения алмазов во время работы долота. Регулировка степени обнаженности алмазов обеспечивает также сохранение во время работы долота на забое опреде­ленного зазора между матрицей и породой. В результате промывочная жидкость, выйдя из промывочных отверстий долота, имеет возможность пройти по зазору между матри­цей и забоем скважины, захватить мельчайшие частицы вы­буренной породы, направить их в радиальные или радиально-спиральные каналы 5, имеющиеся между контактными секторами 4, и далее в затрубное пространство.

Опыт проходки глубоких не­фтяных и газовых скважин по­казал, что одним алмазным до­лотом можно пробурить в твер­дой породе до 250 — 300 м в те­чение 150-200 ч. Таким обра­зом, одно алмазное долото за­меняет 15 — 20 шарошечных. Ал­мазные долота изготавливают следующих типоразмеров: 140, 159, 188, 212, 241 и 267 мм.

Рис. 2.6. Долото, армированное сверх­твердым сплавом «славутич»

 

ТВЕРДОСПЛАВНЫЕ ДОЛОТА

Наряду с долотами, армиро­ванными естественными алмаза­ми, при бурении глубоких сква­жин в последние годы получили распространение долота, армиро­ванные сверхтвердыми сплавами.

Хорошие результаты, особен­но при бурении с забойными двигателями в породах средней твердости, получают при исполь­зовании долот, армированных зернистым твердым сплавом и зубцами, выполненными из твер­дого сплава типа «славутич» (рис. 2.6). Промывочная жидкость в таких долотах подается к забою скважин по шести промы­вочным отверстиям, обеспечивая хорошую очистку забоя от выбуренной породы и охлаждение контактных секторов.