Состав буровой установки
тот процесс продолжается до тех пор, пока вся бурильная колонна не будет поднята из скважины и установлена в буро-вой вышке.При спуске последовательность та же, что и при подъеме, но в обратном порядке, т. е. трубу поднимают с подсвечника с помощью элеватора. К.НБК, включающую долото и УБТ, спу-скают в скважину в первую очередь.Когда скважина пробурена, опробована и закончена, свечи бурильных труб разбирают на отдельные трубы для передвиже-ния на новую буровую.Рис 1 10 Элеваторы для трубКАРОТАЖ, ОБОРУДОВАНИЕ И ЗАКАНЧИВАНИЕ СКВАЖИНЫПосле бурения скважины до проектной глубины обычно про-водят скважинные исследования (каротаж), как в открытом, так и в обсаженном стволе с помощью специальной аппара-туры, спускаемой на кабеле.Основные дели исследования скважины в необсаженном стволе -- определение пористости, водонасыщенности и границ продуктивной зоны или зон. Эти параметры необходимы для установления количества извлекаемой нефти и времени экс-плуатации пласта. Скважинные исследования подробно из-ложены в работе. В большинстве разведочных и эксплуатационных скважин проводят текущие исследования и определяют пластовое давле-ние, тип и качество углеводородов. Эксплуатационные исследо-вания проводят для определения показателя продуктивности нефтяной или газовой скважины. Опробование испытателем пласта, спущенным на колонне бурильных труб, проводят с целью контроля скважинных эксплуатационных характери-стик, для определения видов флюида и некоторых пластовых параметров.Заканчивание нефтяной скважины включает установку экс-плуатационного пакера, спуск колонны НКТ и перфорацию продуктивной зоны (зон). Эксплуатационный пакер устанавли-вают непосредственно над продуктивной зоной, в результате чего з-атрубное пространство изолируется от пластового давле-ния, а также ограничивается поступление жидкости в НКТ. НКТ навинчивают на подвесное устройство в колонной головке (рис. 1.15) и устанавливают в катушку колонной головки.В районах с несколькими нефтяными пластами в одной и той же скважине нельзя допускать двойную эксплуатацию, когда две колонны НКТ спускают в разные продуктивные зоны. Таким образом, необходимо два пакера для изоляции продук-тивных зон от затрубного пространства.К верхнему фланцу катушки головки НКТ присоединяют фонтанную арматуру (елку).Фонтанная арматура -- это стальное устройство с полым каналом внутри, соединенное с верхней частью НКТ. Она имеет ряд клапанов для управления потоком углеводородов, посту-пающих из скважины. ПРис. 1.15. Схема оборудования для эксплуа-тации скважины двумя колоннами НКТ:/ -- башмак обсадной колонны диаметром 177,8 мм; 2,3 -- интервалы перфорации для длинной и корот-кой колонн НКТ; 4, 28 -- направляющий безмуфто-вый башмак диаметром 60,3 мм с резьбой типа CS для спуска приборов на кабеле; 5 -- короткий без-муфтовый переводник с резьбой типа CS; 6 -- нип-пельный переводник диаметром 60,3 мм типа XN фирмы «Отис» (имеет суженное проходное отвер-стие); 7 -- перфорированная труба-фильтр диаметром 60,3 мм; « -- труба НКТ диаметром 50,8 мм; 9, 21 -- ниппельный переводник диаметром 60,3 мм типа X фирмы «Отис»; 10, П-- НКТ диаметром 60,3 мм; // -- переводник НКТ 60,3X73 мм; 12 -- НКТ диа-метром 73 мм; 13 -- короткая колонна НКТ 60.3Х Х73 мм; 14 -- длинная колонна НКТ диаметром 73 мм; 15 -- обсадная колонна диаметром 219 мм; 16 -- подвеска потайной обсадной колонны диамет-ром 177,8 мм; 18 -- устройство типа SSD фирмы «Отис» со скользящей боковой дверцей; 19 -- секция защитных труб диаметром 60,3 мм; 20 -- башмак об-садной колонны диаметром 219 мм; 22 -- локатор (посадочный переводник) типа G-22 фирмы «Бэй-кер»; 23 -- пакер типа F-1 фирмы «Бэйкер»; 24 -- уплотнительное устройство; 25 -- безмуфтовые пер-форированные трубы диаметром 60,3 мм с резьбой; 26 -- ниппельный переводник диаметром 60,3 мм типа XN; 27 -- короткий переводник диаметром 60,3 мм; 29 -- потайная колонна диаметром 177,8 мм ДОЛОТА ДЛЯ РОТОРНОГО БУРЕНИЯБуровое долото--неотъемлемая часть бурильной колонны, и его правильный выбор невозможно переоценить. Буровое до-лото разрушает породу в результате совместного действия осе-вой нагрузки и крутящего момента. Разрушенная порода вы-мывается с забоя буровым раствором, позволяя долоту разру-шать вновь образованную поверхность. В результате этого про-цесса-- разрушения породы и очистки забоя -- образуется ствол скважины.В данной главе изложены результаты работы шарошечных долот для роторного бурения и'приведен краткий обзор типов долот с алмазными поликристаллическими вставками.Долота применяемые при бурении г.п. в руднике «Железный» ОАО КГОКа.ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТАШарошечное долото состоит из шарошек конической формы, которые вращаются вокруг собственной оси и оси долота.Эти долота наиболее широко используют при бурении неф-тяных скважин, а также ме-сторождений твердых полез-ных ископаемых и для целей гражданского строительства. Впервые эти долота были при-менены в 1920 г. В настоящее время бурение 95 % объема проходки нефтяных скважин осуществляется шарошечными долотами.Шарошки долота снаб-жены фрезерованными зуб-цами, выполненными из тела шарошки, или вставками кар-бида вольфрама. Долота с фрезерованными зубцами используют при бурении мяг-ких пород, а штыревые до-лота--средних и твердых гор-ных пород..Существуют три типа ша-рошечных долот:1) двухшарошечные долота, изготовляемые в настоящее время только с фрезерованными зубцами, что ограничивает их применение для мягких пород;2) трехшарошечные долота, которые изготовляют как с фре-зерованными зубцами, так и с вставками из карбида вольфрама (рис. 4.1); изложенное ниже, в основном, относится к трехша-рошечным долотам;3) четырехшарошечное долото, которое изготовляют только с фрезерованными зубцами и используют в настоящее время для скважин большого диаметра, т. е. 660,4 мм и более. Рис 4 1 Штыревое долото со встав-ками из карбида вольфрамТРЕХШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТОВ трехшарошечном долоте применяют три режущих ша-рошки, каждая из которых укреплена на лапе на соответствую-щем подшипниковом узле. На рис. 4.2 и 4.3 приведены эле-менты долот с фрезерованными зубьями и со вставками из кар-бида соответственно.Трехшарошечное долото состоит из трех одинаковых по раз-меру шарошек и трех идентичных лап (рис. 4.4). Три лапы сва-рены вместе и образуют цилиндрическую секцию, которая имеет резьбу для присоединения к бурильной колонне. В каж-дой лапе выполнено отверстие (для циркуляции раствора), диаметр которого может изменяться путем установки насадок раз-личных диаметров (см. рис. 4.3). Насадки используют, чтобы создать сужение для получения высокой скорости истечения жидкости и эффективной очистки ствола скважины. Раствор, прокачиваемый через бурильную колонну, проходит через три насадки и в каждую насадку поступает треть потока (если все насадки одинакового диаметра).Конструкция шарошечного долота зависит от типа и твердо-сти породы, а также от диаметра скважины, которую следует пробурить. Твердость породы определяет тип и состав мате-риала, используемого для изготовления режущих элементов. Применяемая сталь имеет высокое содержание никеля и, кроме того, упрочняется добавлением молибдена.Рис. 4 2. Элементы долота с фрезе-рованными зубцами/, 7 -- вершина и ocнование зубца 2 -- зу-бец; 3, 6, 8 -- шарошки Л' 2, 1 и 3 со-ответственно, 4--межвенцовая расточка, 5 -- выемка между зубцами 9 -- промывочная канавка 10 --копьевидная вер-шина; //, 14-- калибрующие поверхности периферийных зубцов с режущими кром-ками соответственно L и T- образной формы, 12-- тыльная сторона шарошки с твердым покрытом 13-направляющая поверхность шарошки.Рис. 4.3 Элементы долота со встав-ками из карбида вольфрама:/, 3, 9 -- шарошки № 2, 1 и 3 соответст-венно, 2 -- штыри с пикообразной рабочей головкой, 4 -- удлиненные штыри с пико-образной рабочей головкой; 5 -- плоские твердосплавные вставки; 6 -- шаг (перемен-ный) между твердосплавными вставками; 7 -- отверстие насадки; 8 -- межвенцовая расточка (канавка); 10 -- штыри с пико-образной рабочей головкой калибрующего венца шарошки, // -- штыри внутреннего венца шарошки.Рнс 4. 4 Долото с герметизированной опорой:а -- общий вид, б -- лапа, / -- ниппель, 2 -- приварная крышка (пробка); 3 -- смазка, 4 -- канал для смазки, 5 -- приварной замковый палец; 6 -- козырек лапы, 7 -- сальни-ковое уплотнение подшипников, 8 -- наружный роликовый подшипник; 9 -- шариковый подшипник, 10-- концевой опорный подшипник, 11-- цапфа; 12 -- втулка цапфы, 13 -- шарошка, 14 -- уравнительное отверстие, 15 -- диафрагменный компенсатор (сильфон)Особенности конструкцииКонструкция долота определяется свойствами породы и диа-метром скважины. Лапы и цапфы идентичны, но форма и рас-пределение резцов на шарошках различны [2]. Конструкция до-лота обеспечивает равномерную нагруженность трех лап.При проектировании и изготовлении трехшарошечных долот Для мягких и твердых пород обычно учитывают следующие факторы: угол наклона цапфы; величину смещения, форму зуб-цов; тип подшипников и взаимосвязь между зубцами и подшип-никами.Угол наклона цапфы. Цапфа долота представляет собой опорную поверхность, несущую нагрузку, и состоит из подшип-ников (см. рис. 4.4). Угол наклона цапфы определяется как угол, образованный линией, перпендикулярной к оси цапфы, и осью долота. На рис. 4.5 показан разрез лапы трехшарошеч-ного долота. Угол 6 определяет угол наклона цапфы.Угол наклона цапфы непосредственно влияет на размеры шарошки. Увеличение угла наклона цапфы ведет к уменьше-нию угла основного конуса шарошки, что, в свою очередь, от-ражается на размерах долота. На рис. 4.6 показано, как умень-шаются размеры шарошки, если угол наклона цапфы увеличи-вается от 0 до 45°. Чем меньше угол наклона цапфы, тем больше калибрующе-фрезерующее действие трех конических шарошек [1]. По мере возрастания угла цапфы (начиная с нуля) форма шарошек должна быть такой (см. рис. 4.6), чтобы исключить их зацепление друг с другом. Следовательно, угол наклона цапфы влияет на размеры и форму шарошки.Оптимальные углы наклона цапфы шарошечных долот для мягких и твердых пород составляют 33 и 36° соответственно.Рис. 4.5. Схема определения угла наклона цапфы:/ -- ось долота; 2 -- ось цапфы; 3 -- цапфаРис. 4.6. Влияние угла наклона цапфы на раз-меры шарошки:а б, в, г, д -- угол наклона цапфы 0, 15, 30, 36 и 45° соответственно Темным показаны части, которые удаля-ются Рис. 4.7. Конструкции шарошек: а -- перекатывающейся шарошки; 6 -- для чягмэй породы; в -- со смещением осей ша-рошки относительно оси долота, I -- ось ша-рошки и опоры подшипников; 2 -- ось долота* 3 -- вершина; 4 -- угол конуса шарошки; 5 -т вершина внутреннего угла; 6 -- вершина угла периферийного конуса шарошки; 7,8 -- угол соответственно периферийного и внутреннего конусов шарошки; 9 -- смещение; 10 -- ось цапфы; //--вершина угла смещения; 12 -- угол смещения.Рис. 4.8. Схема расположения зубцов соседних шарошек.Смещение оси шарошки. Смещение осей шарошек определя-ется как горизонтальное расстояние между осью долота и вер-тикальной плоскостью, проходящей через цапфу [3]. Влияние смещения оси и конструкции шарошки на разрушение породы показано на рис. 4.7. Шарошка, приведенная на рис. 4.7, а, имеет вершину в центре вращения долота и движется по кругу с центром у вершины. Такая схема определяет чистое качение. Шарошка с двумя основными углами, ни один из которых не имеет вершины в центре вращения долота, представлена на рис. 4.7, б. В этом случае коническая поверхность периферий-ного ряда вращается вокруг своей теоретической вершины, а внутренняя коническая поверхность шарошки -- вокруг соб-ственной вершины. Так как шарошка вращается вокруг цен-тральной оси долота, то она проскальзывает при вращении, срезая породу.Практикой установлено, что мягкие породы эффективно разрушаются за счет дробяще-скалывающего действия. Этот эффект усиливается вследствие смещения осевых линий шаро-шек от центра вращения долота (рис. 4.7, в). Величина сме-щения осей зависит от крепости породы. Для мягких пород трехшарошечное долото изготовляют с большим смещением, чтобы шарошки проскальзывали во время качения по забою скважины. Твердые породы характеризуются хрупкостью, вы-сокой прочностью и эффективно разрушаются за счет дробяще-скалывающего действия. Долото испытывает значительную осе-вую нагрузку, чтобы преодолеть прочность породы на сжатие непосредственно под зубцом и разрушить ее. Для твердой по-роды срезывающие усилия не требуются и, следовательно, сме-щение осей отсутствует.Для пород средней твердости угол смещения осей может со-ставлять 2°.Зубцы. Длина и геометрия зубцов непосредственно связана с прочностью разрушаемой горной породы, высота ограничи-вается размером шарошки и конструкцией подшипников.При конструировании учитывают следующие факторы.1. Расположение зубцов на шарошке и их взаимное распо-ложение на соседних шарошках, которые определяются проч-ностью зубца, его высотой и значением угла при вершине [3]. Взаимное расположение зубца соседних шарошек (рис. 4.8) обеспечивает их зацепление для очистки и, в свою очередь, эф-фективное бурение.2. Форму и длину зубцов, которые определяются характе-ристиками разбуриваемой горной породы. Длинные, острые и расположенные с большим шагом зубцы используют для буре-ния мягких пластичных пород. В мягких породах применяют более длинные зубцы, что позволяет получить значительный объем породы. Большое расстояние между зубцами способст-вует легкому удалению обломков породы и самоочищению до-лота. Угол при вершине зубца долота для мягких пород изме-няется от 39 до 42°.Для твердых пород зубцы изготовляют короче, они имеют меньший угол заострения и расположены более часто, чтобы выдерживать высокие сжимающие нагрузки, необходимые для разрушения. В этом случае зубцы не проникают в породу, а осуществляют ее разрыв за счет приложения высоких сжи-мающихся нагрузок.Долото для пород средней твердости имеет небольшое число зубцов и средние углы при вершине 43--45° [2]. Угол при вер-шине зубцов долота для твердых пород составляет 45--50°.3. Типы зубцов. Зубцы трехшарошечного долота могут быть фрезерованного или вставного типа. Фрезерованные зубцы вы-резаются из корпуса шарошки (см. рис. 4.2), одна сторона зубца имеет твердую поверхность, покрытую твердосплавным материалом типа карбида вольфрама, чтобы обеспечить само-затачивающее действие. Так как неармированная сторона из-нашивается, то она имеет острую кромку. Значительная долго-вечность зубца достигается путем покрытия карбидом вольфрама одной стороны полностью, а противоположной -- ча-стично [2]. Такая конструкция уменьшает износ зубца. Рис. 4 9. Виды вставок для различных пород:а -- для мягких, б -- для мягких и средней твердости, в --для средних и твердых; г -- для твердыхРис. 4 10 Схема подшипника типа ро-лик -- шарик -- ролик:1 -- наружный роликовый подшипник, 2,3 -- шариковый и роликовый подшипники.Долота с фрезерованными зубцами наиболее широко ис-пользуют при бурении очень мягких пород, в которых требу-ются небольшие нагрузки.Для твердых пород применяют шарошки со вставками шты-ревого типа. Вставки изготовлены из карбида вольфрама и за-прессованы в отверстия, предварительно просверленные в кор-пусе шарошки.Существуют несколько форм вставных зубцов, каждая из которых предназначена для соответствующей твердости разбу-риваемой горной породы (рис. 4.9). Остроконечные вставныезубцы используют для бурения мягких пород, а круглые и по-лусферические вставки применяют для бурения средних и твер-дых пород. На рис. 4.1 показано долото штыревого типа с остроконечными вставными зубцами.Подшипники опор долот. Эти элементы долота выполняют следующие функции: 1) воспринимают радиальную нагрузку; 2) воспринимают осевые нагрузки; 3) удерживают шарошки на лапах.Первая функция осуществляется крайним и ближним к вер-шине цапфы подшипниками, вторая и третья функции -- ша-риковыми подшипниками и фрикционными упорными поверх-ностями.Применяют два различных типа подшипников: качения (ан-тифрикционные) и скольжения (фрикционные).Подшипники качения применяют в виде двух схем: ролик -- шарик --ролик (РШР) и ролик--шарик--подшипник скольжения (РШС).Подшипник опоры типа ролик -- шарик -- ролик (рис. 4.10) включает роликовый подшипник (ближний к вершине цапфы), содержащий ролики (небольшие сплошные цилиндры), проме-жуточный шариковый и наружный роликовый подшипники. Шариковый замковый подшипник служит для закрепления ша-рошки на цапфе Диаметр подшипника определяется углом на-клона цапфы и типоразмером шарошки. Рациональное соотно-шение между диаметрами подшипников, роликов и шариков, толщиной корпуса шарошки определяется прочностью каждой составной части. Недостаток опоры долота со схемой РШР -- выкрашивание беговых дорожек на стороне большей нагрузки под действием высоких напряжений. Долговечность долота со схемой РШР меньше по сравнению со схемой, в которой приме-няют подшипники фрикционного типа (скольжения).Схема ролик -- шарик -- ролик обычно используется в доло-тах диаметром более 311 мм в условиях, в которых требуются высокие скорости вращения.Опора со схемой РШС (см. рис. 4.4) включает подшипник скольжения, установленный ближе к вершине цапфы. Внутрен-ний шариковый и наружный роликовый подшипники такого же типа, что и в схеме РШР. Подшипник скольжения состоит из специальной цементируемой втулки, запрессованной в гнездо передней части цапфы Поверхность цапфы покрыта специаль-ным твердым сплавом (стеллитом) так, что при вращении втулки на цапфе коэффициент трения незначителен, в резуль-тате чего уменьшается износ.Подшипники скольжения стали применять в бурении, чтобы исключить недостатки опор со схемой РШР -- выкрашивание беговых дорожек. Кроме того, замена роликов подшипниками скольжения позволяет увеличить прочность шарошки вследствие большей толщины корпуса и цапфы за счет ее большего диа-метра.Опоры по схеме ролик-- ша-рик-- подшипник скольжения ис-пользуют в долотах диаметром до 311 мм.Рис. 4.11. Цапфа подшипника скольжения типа СШС [1]:1 -- уравнительные отверстия; 2 -- резервуар со смазкой, 3 -- отверстие для заполнения смазкой, 4 -- канал для смазки, 5 -- замковый па-лец, 6 -- кольцевой слой смазки, 7 -- сальнико-вое уплотнение, 8 -- слой твердого сплава на цапфе, 9 -- лапа, 10-- мембрана для уравнивания давления; 11 -- слой специального покрытия для быстрого отвода тепла на внутренней поверхности шарошки, 12 -- шарошка, IS -- шариковый подшипник, /4 -- пята, 15 -- стой твердого сплава на нагруженной поверхности цапфы.Фрикционные подшип-ники (скольжения). Основное их отличие состоит в том, что ро-лики подшипника, установленного ближе к вершине цапфы, и наруж-ного заменены подшипниками скольжения. Это дает возможность увеличить диаметр опоры, в результате чего получают более прочную опору. Опора по схеме подшипник скольжения -- ша-рик-- подшипник скольжения (СШС) приведена на рис. 4.11. Существует другой вариант «Хьюз», в котором шариковый подшипник заменен стальным кольцом.
