4511

Особенности породоразрущающего инструмента при бурении наклонно направленных скважин

Реферат

География, геология и геодезия

Введение. В настоящее время бурение именно наклонно направленных скважин занимает лидирующее место в России. Наклонное бурение применяют при бурении скважин на нефть и газ в Западной Сибири, на севере европейской части, на Северном Кавказе, в Татарс...

Русский

2012-11-21

609.14 KB

24 чел.

Введение.

В настоящее время бурение именно наклонно направленных скважин занимает лидирующее место в России. Наклонное бурение применяют при бурении скважин на нефть и газ в Западной Сибири, на севере европейской части, на Северном Кавказе, в Татарстане, Башкортостане, Самарской области и других районах. Потому как в наших регионах есть огромное количество факторов которые каким-либо образом препятствуют прямому бурению.

Например при вскрытии нефтяных и газовых пластов, залегающих под пологим сбросом или между двумя параллельными сбросами;

при отклонении ствола от сбросовой зоны направлении продуктивного горизонта;

при проходке стволов на нефтяные пласты, залегающие под соляными куполами, в связи с трудностью бурения через них;

при необходимости обхода зон обвалов и катастрофических поглощений промывочной жидкости;

при вскрытии продуктивных пластов, залегающих под Дном океанов, морей, рек, озер, каналов и болот;

В процессе бурения скважины, подверженные естественному искривлению, могут не выйти на нефтегазоносные слои и, следовательно, не выполнить своих проектных заданий. Но накопленный фактический материал по естественному искривлению позволил установить ряд общих закономерностей, учитывая которые буровики научились проходить скважины в строго заданном направлении. Такие скважины получили название наклонно направленных. Искусственное отклонение - это направление ствола скважины в процессе бурения определенному плану с доведением забоя до заданной точки. На искривление проходки скважины влияют многие факторы, такие как отклоняющая сила, степень перфорации долота, физические свойства горных пород, также влияют различные искусственные отклонители (кривые переводники, эксцентричные ниппели, отклоняющие клинья и прочие специальные устройства). Но мы рассмотрим особенности конструкций буровых долот, которые влияют на искусственное искривление скважины.

 

Виды буровых породоразоушающих инструментов

При бурении скважин на нефть, газ и другие полезные ископаемые в качестве породоразрушающего инструмента применяют шарошечные, лопастные, ИСМ, алмазные и фрезерные буровые долота.

Шарошечные долота

Шарошечные долота, несмотря на сложность их конструкции и технологии изготовления, - основной породоразрушающий инструмент при бурении скважин. На их долю ежегодно приходится 90-95% объема проходки скважин в России и за рубежом.

Шарошечные долота для сплошного бурения конструктивно могут быть выполнены трехшарошечными , двухша- рошечными и одношарошечными . Наибольшее применение при бурении скважин получили трехшарошечные долота.

Основные элементы шарошечных долот: корпус, шарошки, лапы с цапфами, опоры и промывочные устройства. Опора шарошек состоит из подшипников и торцовой пяты.

Трехшарошечные долота

Рис. 2.1. Секционные трехшарошечные долота:

а - 1АН244,5СГ; б - 2АН269,9СГ; в - 1АВ269.9СЗГ; 1 - узел принудительной смазки; 2 - секция (лапа); 3 ~ узел опор; 4 - шарошка; 5 - вооружение

Двухшарошечные долота

Двухшарошечные долота (рис.2.2) разрабатываются СКБ ВПО "Союзгеотехника" совместно с Верхнесергинским долотным заводом в основном для бурения геологоразведочных скважин [1]. Основные размеры этих долот должны соответствовать данным табл.2.1. Они выпускаются диаметром от 59 до 151 мм[2].

Рис. 2.2. Двухшарошечные долота:

а - В112МГ; 1 - секция (лапа); 2 - узел опор; 3 - шарошка; 4 - вооружение; б - 2В93С

Трехшарошечные долота (рис.2.1) делятся: по конструкции Корпуса - на две группы; по технологии изготовления - на шесть серий; по материалу и способу изготовления вооружения шарошек - на три класса; по назначению и свойствам разбуриваемых пород - на четыре группы и 13 типов; по типоразмеру - на более чем на 150 моделей (с учетом опытных долот)[2] ; по схемам выполнения опоры, вариантам выполнения промывочного устройства и вооружения периферийных зубьев - на десятки модификаций.

Одношарошечные долота

Рис. 2.3. Модификация отечественных одношарошечных долот:

а - основная (серийная); б - с кольцевыми расточками на шарошке; в - с нижней промывкой; г - с коническими зубками

Эти долота разработаны в СевкавНИПИнефти. Все они относятся к одному классу (с твердосплавным вооружением) и к одному типу (СЗ), предназначены для разбуривания пород средней твердости (доломитов, конгломератов, известняков и других хрупких пород) [2].

Одношарошечные долота (рис. 2.3) состоят из корпуса, выполненного вместе с цапфой, на которой монтируется шарошка сферической формы.

По ГОСТ 20692-75 унифицированные конструкции одно- шарошечных долот должны выпускаться диаметрами 139,7; 165,1; 190,5; 215,9 и 244,5 мм[2].

Лопастные долота

Эти долота отличаются простотой конструктивного исполнения и технологии изготовления. Разрушая породы по принципу резания и истирания, в мягких, рыхлых и несцементированных породах они оказываются наиболее эффективными: обеспечивают проходку за рейс в несколько сотен, а иногда и более тысячи метров. Однако вследствие наличия в разрезе скважин перемежающихся по твердости пород, а также твердых и абразивных пропластков, диаметр долота часто уменьшается, что приводит к значительному уменьшению диаметра скважины и необходимости расширения и проработки ствола перед спуском очередного долота, а также обсадных колонн.

Ввиду того, что контактная поверхность этих долот по сравнению с шарошечными больше и постоянно взаимодействует с забоем скважины, лопастные долота применяются при разбуривании высокопластичных пород. Моментоемкость их высока, что требует подведения к долоту повышенных вращающих моментов.

Лопастные долота выпускаются следующих разновидностей: 2Л - двухлопастные, ЗЛ - трехлопастные, ЗИР - трехлопастные истирающе-режущие и 6ИР - шести лопастные ис- тирающе-режущие[2].

Трехлопастные долота ЗЛ (рис.2.4) выпускаются диаметром 118-445 мм типа М и МС в сварной модификации, т.е. с приваренными к корпусу лопастями. Режущие кромки лопастей у долот типа М армированы релитом, а у долот типа МС - твердосплавными пластинками. Промывочные устройства выполняются с соплами (гидромониторными) или без них.

Долота ИСМ

Долота ИСМ отличаются от фрезерных и алмазных долот тем, что их рабочие элементы оснащены сверхтвердым материалом славутич. Вставки из славутича прикрепляются к стальному корпусу долота своей цилиндрической посадочной частью методом пайки. Форму рабочей поверхности и количество вставок, марку славутича и его содержание (объем, выраженный в см3 выбирают, исходя из типа долота, т.е. в соответствии с физико-механическими свойствами разбуриваемых пород.

Торцовые (зарезные) долота ИСМ (рис.2.5) предназначены для бурения наклонно направленных скважин и зарезки нового ствола на больших глубинах. Их изготовляют с полым цилиндрическим корпусом , верхняя часть которого имеет замковую муфтовую резьбу, а нижняя выполнена с расширением снаружи и коническим внутренним вырезом, армированным вставками 2 из славутича. Боковую поверхность нижней части также армируют этими вставками[2].

В центральной части торца просверлены промывочные каналы 3, выходящие в радиальные канавки 4, которые разделяют рабочую торцовую поверхность на секторы и соединяются с боковыми пазами 5. Такая схема промывки улучшает охлаждение рабочей поверхности долота и удаление из-под нее шлама.

Рис. 2.4. Трехлопастные долота типов М (а) и МС (б):

1 - корпус; 2 - лопасти; 3 - у плотнительные кольца; 4 - твердосплавные штыри;

5 - байонетная шайба; 6 - присоединительная резьба; 7 - сопло; 8 - болт; 9 - стопорная шайба; 10 - пластины

Рис. 2.5. Режущее долото ИСМ первой модификации

Алмазные долота

Эти долота изготовляют с режущими элементами из природных или синтетических алмазов различной величины.

По форме и направлению пазов, промывочных канавок, рабочих органов и всей рабочей части выделяют три разновидности алмазного долота: радиальную, ступенчатую и спиральную.

По размещению алмазов в матрице различают две разновидности долот: однослойную (рис.2.6, д, б, в) и многослойную (рис.2.6, г), т.е. импрегнированную алмазами.

Диаметры алмазных долот, как и долот ИСМ, на 2 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных и лопастных долот с целью предотвращения преждевременного истирания калибрующих алмазов или заклинивания долота в суженных участках ствола скважины[2]. По конфигурции и принципу действия алмазные долота близки к долотам ИСМ, особенно к истирающим.

Долота для колонкового бурения.

Эти долота предназначены для отбора образцов проходимых пород (керна) с целью изучения геологического строения разреза скважин, механических, абразивных, коллекторских свойств, состава и строения горных пород, а также состава и

Рис. 2.6. Алмазные долота:

а - однослойное радиальное биконическое долото М311 и отдельные алмазы, используемые для его армирования; б - ступенчатое; в - спиральное ТВ 573; г - импрегнированное ТВ54

свойств насыщающего породу флюида. Для отбора керна бурят кольцевым забоем, при этом конструкция долота и режим бурения должны обеспечить сохранность керна.

Колонковое долото (рис. 2.7) состоит из следующих элементов: бурильной головки , корпуса 2, грунтоноски 6 с дренажным клапаном 5, в которую входит керн, керноприемного устройства 7, кернорвателя 8. Долото соединено с бурильной колонной переводником 3. Грунтоноска подвешена к корпусу долота жестко или на подшипниках 4, предотвращающих ее вращение при вращении бурильного инструмента, что способствует сохранности керна внутри грунтоноски[3].

При использовании колонковых долот со съемной грунтоноской керн

извлекают без подъема бурильной колонны при помощи специального ловителя на канате. Затем съемную грунтоноску вновь опускают, устанавливают в колонковом долоте и продолжают отбор керна.При турбинном бурении керн отбирают колонковым турбодолотом со съемной грунтоноской типа КТДЗ и КТД4.При колонковом бурении применяют шарошечные, лопастные, фрезерные, твердосплавные, алмазные и ИСМ бурильные головки. Шарошечные бурильные головки изготовляют одно-, трех-, четырех-, пяти-, шести- и восьмишарошечными[3].

Боковая фрезерующая способность породоразрушающих инструментов.

В процессе бурения с отклоняющей компоновкой закономерно уменьшаются диаметр долота и завес шарошек вследствие износа опоры и вооружения, а также отклоняющая сила на долоте вследствие роста нормальной составляющей массы системы долото - забойный двигатель из-за увеличения зенитного угла ствола. При бурении в неоднородных и перемежающихся по твердости породах в определенных пределах в данном интервале бурения могут изменяться также физико-механические свойства пород, диаметр скважины, механическая скорость проходки, осевая нагрузка на долото, упругая деформация забойного двигателя и т.д.

Из всех этих факторов при бурении определенной отклоняющей компоновкой на интенсивность искривления ствола преобладающее влияние оказывают износ долота и его состояние. Это подтверждается тем, что к концу каждого рейса с отклонителем, как правило, интенсивность искривления ствола уменьшается, а при спуске нового долота, хотя оно работает при больших значениях зенитного угла и малых величинах отклоняющей силы, интенсивность искривления скважины в начале рейса выше, чем в конце рейса предыдущего долота (рис. 5.3).

Если бы снижение отклоняющей силы на долоте с ростом зенитного угла значительно влияло на процесс искривления скважины, то интенсивность искривления ствола при работе каждым последующим долотом должна быть меньше, чем при работе предыдущим долотом. Однако в действительности такое явление не наблюдается.

Следовательно, способность долота фрезеровать стенку ствола играет решающую роль в искривлении скважины. Чтобы искривление ствола протекало с фрезерованием стенки скважины, необходимы следующие три условия:

а) наличие на долоте достаточной отклоняющей силы;

б) стрела прогиба забойного двигателя не должна превышать критическую величину, определяемую по формуле;

в) долото должно обладать боковой фрезерующей способностью[4].

Если в процессе бурения с отклонителем одно из этих трех условий будет нарушено, то углубление скважины будет протекать без фрезерования стенки ствола.

Эта способность долота не может характеризоваться показателями фрезерования стенки ствола, так как долото может фрезеровать стенки ствола, но вследствие неправильного выбора отклоняющей компоновки или режима бурения искривления ствола не произойдет или будет происходить с заниженной интенсивностью. В результате этого показатели фрезерования стенки ствола будут малы или могут быть равны нулю.

Боковая фрезерующая способность долота должна характеризоваться параметром, который определяет конструктивные особенности данного долота и позволит еще до спуска в скважину отличить его от таких же однотипных или разнотипных долот и отдать предпочтение такому типу, который более всего отвечает цели предстоящего рейса по набору, стабилизации или снижению искривления скважины.

Прежде чем выбрать этот параметр, представим, что долото по всей своей высоте имеет цилиндрическую форму с одинаковым диаметром (для восходящего потока бурового раствора имеются канавки). Очевидно, что такое долото независимо от величины отклоняющей силы не будет фрезеровать стенки ствола. И если современные буровые долота обладают способностью фрезеровать стенки скважины, то параметр, характеризующий эту способность, должен определять их конструктивную особенность, что позволит отличить их от указанных долот с боковой цилиндрической поверхностью[4].

В качестве такого параметра можно применять коэффициент боковой фрезерующей способности долота, представляющий собой тангенс угла –угла наклона касательной к корпусу долота, проходящей через верхнюю калибрующую точку С, к оси долота (рис. 5.4, 5.5), - который для трехшарошечных долот определяется из выражения:

(1)

где - завес шарошек; - полуразность диаметров корпуса долота у козырьков лап DK и у спинки (в конце первого участка корпуса) D'k; ho - расстояние от верхней калибрующей точки шарошки до козырьков лап; hk - высота первого участка корпуса от козырьков лап[2].

Физическая сущность коэффициента боковой фрезерующей способности долота Кф заключается в том, что он характеризует возможное отклонение ствола, ограничиваемое корпусом долота, т.е. при углублении ствола на величину Hq + hK долото позволяет отклонить ствол на величину. Тогда угол бокового фрезерования долота будет характеризовать половину приращения угла искривления ствола при углублении скважины на величину h0 + hk ограничиваемого корпусом долота[2].

Ввиду малых значений, можно принять

(2)

Угол бокового фрезерования долота , выраженный в радианах, представляет собой коэффициент боковой фрезерующей способности долота.

При значениях (где ~ угол наклона к оси долота первого участка его корпуса от козырьков лап) величина определяется по формуле

(3)

В процессе бурения вследствие износа опоры и вооружения трехшарошечного долота величина завеса шарошек уменьшается, что приводит к снижению боковой фрезерующей способности долота. При > эта способность долота ограничивается спинками лап, при < К - козырьками лап, а при = 0 долото теряет боковую фрезерующую способность и независимо от величины отклоняющей силы на долоте и физико-механических свойств пород фрезерования стенок ствола не произойдет[2].

С целью интенсификации процесса фрезерования стенки ствола и повышения интенсивности искривления скважины предпочтение следует отдавать такому долоту, у которого больше шарошек и наклон корпуса к его оси, меньше расстояние от калибрующей точки долота до спинки лап.

Рис.5.6 одношарошечное долото

Для одношарошечных долот (рис. 5.6) угол бокового фрезерования определяется по формуле

(4)

где D, D1 - диаметры соответственно долота и его корпуса, м; H2 ~ высота долота, м; Н1 - высота от плеча до торца корпуса долота, м[2].

Для лопастного долота РХ (рис. 5.7,а)

(5)

где В - ширина лопатки; Н - длина лопатки; l - длина армированного направления.

Лопастные долота РХ изготовляют больших размеров, диаметром от 490 до 640 мм и применяют в основном при бурении под направление или кондуктор[2].

Для двух- и трехлопастных долот (рис. 5.7,б,в соответственно)

(6)

где D - диаметр долота; D1 - диаметр у плеча первого наклонного участка лопасти; Н1 - высота лопасти долота до плеча первого наклонного участка; h - высота наплавки.

Ввиду большой боковой контактной поверхности двух- и трехлопастных долот из-за значительных величин калибрующей части лопастей и их толщины, боковая фрезерующая способность этих долот практически может быть использована при значительной отклоняющей силе на долоте.

По боковой фрезерующей способности алмазные долота разделяются на не обладающие боковой фрезерующей способностью (рис. 5.8) и обладающие такой способностью (рис.5.9).

К первой группе относятся спиральные (рис. 5 8,а), радиальные (рис. 5.8,б) и ступенчатые (рис. 5.8,в) алмазные долота. Их боковая поверхность оснащается алмазами по ограниченной высоте А калибрующей поверхности. При бурении этими долотами искривление ствола может происходить только за счет неравномерного разрушения забоя вследствие наклона оси долота к оси скважины без фрезерования стенки ствола.

Ко второй группе алмазных долот относятся мелкоалмазные импрегнированные (рис. 5.9,a), комбинированные ступенчатые (рис. 5.9,6) и зарезные (рис. 5.9,в). Вся боковая поверхность этих долот оснащается алмазами и является калибрующей, поэтому они могут фрезеровать стенки ствола. Эта способность алмазных долот практически может быть использована при наличии достаточной отклоняющей силы в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород и боковой контактной поверхности этих долот.

Для мелкоалмазного импрегнированного и комбинированного ступенчатого алмазного долота (рис. 5.9,a,6)

(7)

где D, Dk - диаметры соответственно долота и его корпуса; Н - высота долота; А - высота калибрующей поверхности долота; D1 - диаметр окружности нижней части торца алмазного долота.

Для зарезного алмазного долота (рис. 5.9,в)

(8)

Алмазные зарезные долота, помимо большой боковой фрезерующей способности, обладают и тем преимуществом, что имеют плоскую торцовую поверхность. Поэтому при искусственном искривлении ствола под действием отклоняющей силы они будут фрезеровать стенку ствола лишь на величину высоты калибрующей поверхности А. При работе комбинированными ступенчатыми или мелкоалмазными импрегнирован- ными долотами под действием отклоняющей силы следует фрезеровать не только стенку ствола на высоту калибрующей поверхности Л, но и вогнутый участок забоя от наинизшей точки до стенки ствола.

Вследствие этого для фрезерования стенки ствола при прочих равных условиях зарезным алмазным долотом потребуется несколько меньшие отклоняющая сила и вращающий момент, чем комбинированным ступенчатым и мелкоалмазным импрегнированным долотам. Это имеет важное значение при искусственном искривлении ствола на больших глубинах, так как с ростом глубины вследствие уменьшения диаметров скважины, забойного двигателя и элементов КНБК возможности передачи на долото вращающего момента и создания отклоняющей силы ограничены[2].


Выводы

В данной работе мы рассмотрели виды породоразрушающих инструментов при бурении наклонно направленных скважин. Их конструкции, а также изучили способность фрезерования боковых стенок скважины каждого из долот. В результате чего определили что при выборе долот для искусственного искривления ствола следует учитывать их боковую фрезерующую способность и возможность создания отклоняющих сил, соответствующих физико-механическим свойствам горных пород и боковым контактным поверхностям долот.

Так же определили что наибольшей возможностью фрезеровать стенки ствола обладают одношарошечные долота, затем алмазные долота зарезного, комбинированного ступенчатого и мелкоалмазного импрегнированного типов и далее трехшарошечные долота.

Библиографический список

1-Вадицкий Ю.В.Справочник бурильщика,2008 г.-210 страниц

2-Калинин А.Г., Никитин Б.А., Солодский К.М., Султанов Б.З.-Бурение наклонных и горизонтальных скважин.1997г.-650 страниц

3-Пономарев П.П. Отбор керна при колонковом бурении,1989г-175 страниц

4- Сулакшин С.С. Направленное бурение,1987г-138страниц

210


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8973. Преднаука и Основания наук 59 KB
  Преднаука и Основания наук Особенностями восточной преднауки являлись: непосредственная вплетенность и подчиненность практическим потребностям (искусству измерения и счета - математика, составлению календарей и обслуживанию религиозных культов...
8974. Развитие форм научного мышления в средние века 33.17 KB
  Развитие форм научного мышления в средние века. Эпоху Средневековья относят к началу II в. н.э., а ее завершение к XIV—XV вв. В истории Европы этот период называют не иначе как мрачный, имея при этом в виду общий упадок цивилизации, крушение ...
8975. Становление развитой научной теории 39 KB
  Становление развитой научной теории. Роль теории в научном познании огромна. Теория как форма научного знания направлена на обнаружение закономерностей того или иного фрагмента действительности. В процессе построения научной теории задействованы сет...
8976. Историческая изменчивость механизмов порождения научного знания. 35 KB
  Историческая изменчивость механизмов порождения научного знания. Важнейшей характеристикой знания является его динамика, т. е. его рост, изменение, развитие и т. п. Эта идея, не такая уж новая, была высказана уже в античной философии, а Гегель сформ...
8977. Структура эмпирического знания 38.5 KB
  Структура эмпирического знания Само эмпирическое знание имеет довольно сложную структуру, в которой можно выделить четыре уровня: а) единичные эмпирические высказывания (протокольные предложения), которые фиксируют результаты единичных наблюдений....
8978. Структура теоретического знания 34 KB
  Структура теоретического знания Для выяснения специфики теоретического познания важно подчеркнуть, что теория строится с явной направленностью на объяснение объективной реальности, но описывает непосредственно она не окружающую действительность...
8979. Научная картина мира: ее функции и исторические формы 29 KB
  Научная картина мира: ее функции и исторические формы. НКМ (Степин) – целостная система представлений о мире, его структурных характеристиках и закономерностях, вырабатываемая в результате систематизации и синтеза в фундаментальных достижениях...
8980. Основания науки 34 KB
  Основания науки Наука, выступая как целостная, развивающаяся система, имеет собственные основания, обладает идеалами и нормами исследования. Эти характеристики пронизывают науку и как специфическую форму деятельности, и как совокупность дисциплинарн...
8981. Формирование первичных теоретических моделей и законов 35.5 KB
  Формирование первичных теоретических моделей и законов. Модели играют большую роль в научно-теоретическом познании. Они позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия: например, модель атома,...