Файл: Тюменский государственный нефтегазовый университет.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ
"ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ"
Институт нефти и газа
Кафедра «Машины и оборудование нефтяной и газовой
промышленности»
ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА ДЛЯ СПЛОШНОГО БУРЕНИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам по дисциплине «Машины и оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин» для студентов очного и заочного обучения специальности 170200 (МОП)
Тюмень 2003

Утверждено редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Тюменский государственный нефтегазовый университет"
Составители: доцент, к.т.н. Анашкина А.Е. ассистент
Грушевский М.Б.
©
государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
2003г.

1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ
1.1. Назначение шарошечных долот, классификация.
Шарошечные долота наиболее распространены. На их долю приходится
90—95 % всего объема проходки скважин. По ГОСТ 20692—75 шарошечные долота для сплошного бурения скважин изготовляются трех видов: одношарошечные, двухшарошечные и трехшарошечные.
Шарошечные долота разделяются по типу вооружения, по расположению и конструкции промывочных и продувочных каналов, конструкции опоры, конструкции корпуса.
Шарошки долот имеют три вида вооружения:
- с фрезерованными зубьями, составляющими одно целое с телом шарошки (для долот типов М, МС, С, СТ, Т, ТК);
- со вставными (твердосплавными) зубками (для долот типов
МЗ,СЗ,ТЗ,ТКЗ,К,ОК);
- со вставными зубками и фрезерованными зубьями (для долот типа МСЗ).
По расположению и конструкции промывочных или продувочных каналов долота изготовляются:
- с центральной промывкой — Ц;
- с боковой гидромониторной промывкой — Г;
- с комбинированной центральной и боковой промывкой – ЦГ;
- с центральной продувкой—П;
- с боковой продувкой — ПГ.
Опоры шарошек изготовляются:
- на подшипниках с телами качения — В;
- на двух и более радиальных подшипниках скольжения — А;
- на одном радиальном подшипнике и одном (или двух) упорных подшипниках скольжения (при остальных подшипниках с телами качения)
— Н;
- с герметизацией уплотнительными кольцами и резервуаром для смазки
— У.
ГОСТ 20692—75 предусмотрено 39 размеров шарошечных долот диаметром от 46 до 580 мм (табл. 1).
Диаметр и основные конструктивные признаки буровых долот указываются в условном обозначении:
III-215,9СЗ-ГНУ-2
трехшарошечное (III), диаметром 215,9 мм, для бурения абразивных пород средней твердости (СЗ), с боковой гидромониторной промывкой (Г), с герметизированной, маслонаполненной опорой на одном подшипнике скольжения, остальные подшипники с телами качения (ГНУ), 2—номер заводской модели.
3

То же долото, изготовленное по лицензии США, имеет условное обозначение III-215,9СЗ-ГНУ-Р16, в котором буква Р означает, что долото изготовлено по импортной технологии, 16 — порядковый номер сборки.
Шарошечные долота изготовляются с цельнолитым либо сварным корпусом.
Долота с цельнолитым корпусом, называемые корпусными, состоят из литого корпуса с приваренными к нему лапами, на цапфах которых смонтированы свободно вращающиеся шарошки. В корпусе имеются отверстия для насадок, через которые промывочная жидкость поступает на забой скважины. Для соединения с бурильной колонной корпус долота снабжается муфтовой замковой резьбой (рис.1). Корпусные конструкции используются для долот диаметром более 394 мм.
Долота со сварным корпусом, называемые секционными, имеют преимущественное распространение в мировой практике. Корпус секционных долот (рис.2) сваривается из предварительно собранных секций, число которых равно числу шарошек долота. Каждая секция состоит из лапы с косой цапфой и конусообразной шарошки, вращающейся на подшипниках.
Рис.1. Корпусное трехшарошечное долото
1 – литой корпус; 2 – муфтовая присоединительная резьба; 3 – сварной шов; 4 –вставные лапы; 5 – цапфа; 6,7,8 – подшипники; 9 – шарошка; 10 – центральное промывочное отверстие.
Шарошки различаются по числу образующих конусов, геометрии и типу вооружения.
Двух- и трехшарошечные долота комплектуются многоконусными шарошками, на поверхности которых концентрическими рядами (венцами) располагается вооружение (зубья, зубки). Венец, расположенный у основания шарошки, называется периферийным.
4

Нумерация венцов на шарошке начинается с ее вершины. Шарошки нумеруются от наиболее высокой с минимальным числом зубьев на первом венце до низкой с наибольшим числом зубьев на первом венце.
Рис.2. Трехсекционное долото( слева) и секция долота (без шарошки)
1 – фрикционная втулка под 1 – отверстие для сборочного скольжения; 2 – подпятник; штифта; 2 – цапфа;3 –7 - шарико-
3 – сварные швы; 4 – присоеди- вые и роликовые беговые дорожки нительная головка.
В плане шарошки размещаются со смещением осей относительно оси долота в направлении вращения долота. В вертикальной плоскости угол между осью долота и осями вращения шарошек изменяется в пределах
52—57°. Для повышения износостойкости зубья наплавляются твердым сплавом. Вставные зубки имеют сферическую либо клиновидную форму рабочего торца. В зависимости от типоразмера долота вставные зубки имеют диаметр 3,2—14,3 мм. Одношарошечные долота комплектуются сферическими шарошками, оснащенными вставными твердосплавными зубками.
Долота с самоочищающими шарошками (рис.3) это такие долота, в которых зубья одной шарошки заходят во впадины смежной шарошки.
Двух- и трехконусные конструкции шарошек позволяют усилить опоры долот. Смещение осей цапф относительно оси долота вызывает скольжение зубьев шарошек по поверхности забоя. Поэтому долота со смещенными осями наряду с дробящим действием скалывают породу.
5

Рис.3. Сопряжение элементов вооружения шарошек (слева); Схема смещения оси шарошки (справа):
α -угол смещения шарошки относительно центральной оси;
β - угол основного конуса шарошки, угол при вершине;
γ - сопряжения граней или заострения угла (30 0
-56 0
);
δ - ширина притупления зуба (1-4 мм);h – высота венца или зуба; h
1
– заход венца одной шарошки в межвенцовую проточку другой; h
2
– глубина межвенцовой проточки; b – гарантируемый зазордля сборки долота между вершиной зуба одной шарошки и поверхностью дна углубления (протовки другой (1,0-3,0 мм), m - ширина зуба; l – длина зуба;
Ширина межвенцовой проточки зависит от длины l зуба, которая, в свою очередь, определяется в зависимости от назначения долота (точнее, от свойств буримых пород). Чем мягче породы и меньше их плотность, тем больше длина l и меньше высота h зуба. Длина l зубьев зависит от числа венцов на шарошке и размера долота по диаметру, а высота—
преимущественно от типа долота и его диаметра.
При сборке секций шарошки обычно оказываются смещенными своей вершиной А относительно центральной оси 0 (перпендикулярной к плоскости чертежа) долота. Чем больше смещение, тем больше скольжение зубьев и шарошек по забою и тем больше режущее и сдвигающее воздействие долота на буримую» породу. С изменением
(смещением) положения шарошки происходит и перемещение точки К
касания рабочей поверхности шарошки со стенкой скважины. Эта точка называется калибрующей. Она лежит на калибрующей окружности
(диаметром Dк) шарошки. На практике калибрует скважину небольшой участок периферийного венца шарошки.
Огромное влияние на конструкцию, назначение и эксплуатационные
(рабочие) параметры долота оказывает угол
β при вершине шарошки А, т. е. угол основного конуса. Чем больше угол
β, тем больше диаметр и поверхность шарошки, что характерно для долот типа М, предназначенных для бурения относительно мягких пород.
6

На форму выполнения шарошки влияет и высота Н шарошек, измеряемая по оси шарошки от затылка до вершины (или плоскости, перпендикулярной к этой оси, через точки, наиболее удаленные от затылка или основания) шарошки. На форму выполнения шарошки оказывает влияние и количество основных конусов. Форма же выполнения шарошки определяет форму профиля забоя, от которой зависит эффективность раз- рушения горных пород. Профиль забоя может быть плоским выпуклым, вогнутым или выпукло-вогнутым. Многоконусные шарошки способствуют образованию наиболее выгодного, по теории разрушения горных пород, забоя с большим числом поверхностей обнажения. Одновременно достигается и лучшее использование габаритов шарошки и цапфы с целью проектирования прочной стойкой опоры при достаточной толщине тела
(стенки) шарошки.
Уменьшение угла
β, смещения е и угла наклона шарошки снижает скольжение и способствует формированию относительно плоского забоя скважины, что эффективно при бурении крепких и очень крепких пород.
Уменьшение угла наклона шарошки к центральной оси влечет, как правило, удаление подшипников опоры от оси долота, а увеличение того же угла — удаление калибрующих поверхностей периферийных зубьев от стенки скважины. Варьируя значениями угла наклона, углов основных конусов, их количеством, смещением осей, габаритами и конструкцией элементов опоры, высотой зуба, можно достичь оптимального технического решения, к чему собственно и сводится проектирование каждой модели шарошечного долота.
Шарошки буровых долот устанавливаются на многорядных подшипниках качения и скольжения. Вследствие ограниченных размеров шарошек в долотах используются безобойменные бессепараторные
подшипники качения.
На основании обобщения данных эксплуатации установлены следующие средние показатели проходки на долото в зависимости от его типа:
Тип долота .............. М С Т К
Проходка, м .............. 50 30 20 15
Общая особенность долот всех типов — снижение проходки на долота с уменьшением его диаметра.
Отверстие для центральной промывки выполняется в виде круглого сквозного канала, просверленного по оси долота. Поток промывочной жидкости из бурильной колонны по каналу долота направляется к центру забоя. Распыляясь на мелкие струи, жидкость очищает забой и поднимает кусочки разрушенной породы по зазорам между стенками лап и скважины в затрубное пространство и далее на поверхность. При нейтральной промывке хорошо очищаются от шлама центр забоя и вершины шарошек.

7
Рис.4. Конструкция двухшарошечного долота
Отверстия для боковой промывки просверливаются в специальных приливах (бобышках) лап. Струи промывочной жидкости направляются на забой между зубьями шарошек. Эффективность боковой промывки возрастает с увеличением скорости истечения жидкости. Для этой цели промывочные каналы оснащаются профилированными насадками.
Высокоскоростное истечение жидкости (120 м/с и более) улучшает очистку забоя и создает эффект динамического воздействия струй на забой
(гидромониторный эффект).
При использовании гидромониторных насадок значительно возрас- тает давление буровых насосов. В связи с этим для бурения гид- ромониторными долотами требуются более мощные и надежные буровые насосы.
В секционных шарошечных долотах в отличие от корпусных используется ниппельная присоединительная резьба. Согласно ГОСТ
20692—75, шарошечные долота диаметрами 46 и 59 мм имеют правую цилиндрическую резьбу. Долота диаметром 76 мм и более имеют правую коническую резьбу, профиль и размеры которой совпадают с замковой резьбой бурильных труб.
1.2. Общее устройство
Долото состоит из следующих основных узлов: корпуса, лап 3, узла опор, включающего цапфу и подшипники, шарошек и очищающего или

8 промывочного узла. В состав последнего могут входить сопла 10, формирующие высоконапорный поток бурового раствора, а также каналы
(рис.5), просверленные в корпусе. Верхняя часть 1 корпуса обычно называется присоединительной головкой, так как она служит для присоединения к переводнику или нижнему концу бурильной колонны. На наружной поверхности лап 3 предусмотрены приливы 12, кромки и ребра жесткости, а также округлые полуцилиндрические приливы («бобышки») 2 под промывочные сопла (насадки) 10.
Рис.5. Секционное трехшарошечное долото
В России сопла изготовляют обычно из металлокерамического материала. Сопла 10 закрепляют при помощи удерживающего замка (в данном случае стопорного кольца 9). Герметизация зазора между соплом и внутренней стенкой полости (гнездо пролива 2) обеспечивается обычно резиновым уплотнением 13.
Козырек 7 лапы обычно (как и в приведенном случае) защищается антиабразивным покрытием 8, приближенным к торцу 4 шарошки и ее тыльной части 6, называемой часто обратным конусом.
На тыльной части 6 шарошки также наплавляют защитное покрытие с хорошо сопротивляющейся абразивному износу калибрующей поверхностью 5, разделяемой одной из конических поверхностей корпуса

9 шарошки. Вершина первой шарошки в данном случае, как и у долота со стальным вооружением некоторых других типов, выполняется с лопатовидными рабочими элементами и называется лопаткой 28.
Ряд породоразрушающих элементов, расположенных примерно по одной окружности, называется венцом. Венец 22, находящийся на периферии (у основания) шарошки, называется периферийным или калибрующим, поскольку он не только углубляет забой, но и калибрует стенку скважины.
Средние 21 и привершинные 20 венцы принято называть основными.
Основными конусами шарошек условно именуют конические поверхности, находящиеся не на тыльной, а на передней (основной) стороне шарошки, ближе к вершине; от них начинают построение шарошки. Различают также промежуточные дополнительные конусы, расположенные между основным и обратным конусом в двух- и трехконусных шарошках.
Часть корпуса 16 шарошки, расположенная между двумя венцами, называется межвенцовой расточкой 30. Если она выполняется в виде узкого, но значительного углубления между венцовыми поясками, над которыми выступают рабочие породоразрушающие элементы, то в этом случае ее иногда называют также и кольцевой канавкой.
Стальной выфрезерованный породоразрушающий элемент шарошки принято называть зубом или реже зубцом, а твердосплавный вставной
(изготовленный из спекаемаого обычно карбидовольфрамового порошка) -
зубком или штырем 29 (рис. 5). Углубление между двумя соседними зубьями, расположенными на одном и том же венце, называют обычно
выемкой 23. Значительную выемку, образованную на месте одного-двух срезанных зубьев или сбоку одного из них, принято называть
выфрезеровкой.
Нижняя часть 18 зуба - основание, а верхняя 19 - вершина. Ребра сопряжения поверхностей вершины зуба, а нередко и всю вершину полностью неправильно обобщают единым названием «режущая
кромка».
Поверхность 26 зуба, обращенную к периферии - к периферийному венцу шарошки, принято называть обычно наружной стороной, а поверхность 27, обращенную к вершине, - внутренней стороной зуба.
Поверхность 25, обращенная по направлению вращения шарошки, называется набегающей или передней гранью (реже передней стороной или передним крылом зуба), а поверхностью 24, направленная в противоположную сторону, - тыльной или задней гранью (стороной).
Рабочие поверхности стальных зубьев шарошки и других быстроизнашивающихся элементов долота нередко защищаются наплавляемым антиабразивным покрытием.
На верхнем торце присоединительной головки 1 выбивают размер, заводской номер и тип долота, товарный знак и номер партии долот.