Алмазный породоразрушающий инструмент

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Строительство нефтяных и газовых  скважин»

На тему: «Алмазный породоразрушающий инструмент» 
 
 

Выполнил: ст. гр.

                                                                                    _________________________(подпись и дата)

Принял:      преподаватель                                         

                                                                                                                                       _______________________(подпись и дата) 
 
 

                                                                    Уфа 2012

                                            СОДЕРЖАНИЕ 
 

Введение

1  Функциональные системы и класификация породоразрушающих инструментов

2      Схемы воздействия элементов вооружения породоразрушающих инструментов на горную породу при бурении.  

3     Материалы вооружения породоразрушающх  

4     Алмаз как материал для изготовления вооруженных  

5     Алмазные долота   

6     Долота ИСМ

7     Долота оснащенные алмазно – твердосплавными пластинками (АТП) и резцами (АТР) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение 

   Основным  породоразрушающим инструментом при бурении скважин в различных геолого-технических условиях являются алмазные и твердосплавные коронки, а также шарошечные долота. Для их изготовления используются алмазы, твердые сплавы, легированные стали и различные наполнители. Все перечисленные материалы имеют высокую стоимость и относятся к категории остродефицитных, поэтому инструмент из них является достаточно дорогим и заметно влияет на себестоимость бурения скважин. Этим определяется высокая актуальность поиска путей, обеспечивающих повышение его эксплуатационных показателей. Крупный специалист в горнодобывающей отрасли академик Н.В. Мельников определил эту проблему так: «Бурение скважин является массовой технологической операцией и поэтому даже небольшие улучшения отдельных её элементов дают огромный экономический эффект в масштабах народного хозяйства».

         Повышение износостойкости породоразрушающего инструмента является значительным резервом увеличения производительности труда при бурении скважин. Увеличение его ресурса сокращает затраты времени на непроизводительные операции, повышает непрерывность рабочего процесса, снижает энергозатраты и материальные затраты на сооружение скважин.       Недостаточный ресурс породоразрушающего инструмента ограничивает рост производительности и снижение стоимости буровых работ. Повышение его сдерживается недостаточной теоретической и экспериментальной проработкой новых технологий повышения прочностных характеристик материалов, используемых для изготовления бурового инструмента.

Существующие  способы упрочнения твёрдых сплавов  и композиционных алмазосодержащих материалов из-за большой сложности  и малой эффективности не нашли широкого применения при создании породоразрушающего инструмента. Практически отсутствуют способы повышения износостойкости серийно выпускаемого инструмента. Поэтому создание породоразрушающего инструмента с высокими эксплуатационными показателями является актуальной проблемой и её решение станет существенным резервом дальнейшего роста эффективности буровых работ.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ  СИСТЕМЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ  
ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСРУМЕНТОВ  

Разрушение горных пород на забое скважины осуществляется породоразрушающими инструментами, к которым предъявляются следующие основные требования:  
       1) высокая разрушающая способность;  
       2) высокая износостойкость;  
       3) низкая энергоемкость разрушения горных пород.

Работа породоразрушающих  инструментов на забое обеспечивается его функциональными системами:  
       1) вооружением в виде резцов или инденторов;  
       2) системой очистки (промывки) забоя и вооружения;  
       З) корпусом и присоединительной резьбой;  
       4) в случае шарошечных инструментов опорами шарошек и системой смазки их подшипников.

Вооружение породоразрушающих инструментов непосредственно воздействует на горную породу и разрушает ее с образованием мелко измельченной породы (шлама). Процесс может идти по схемам резания, дробления или дробления - скалывания (см. рис.1).

   

   РИС. 1 Схемы воздействия элементов  вооружения породоразрушающих инструментов на горную породу при бурении:    а – резание – скалывание; б – дробление; в – дробление  – скалывание. 

2. СХЕМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВООРУЖЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ НА ГОРНУЮ ПОРОДУ ПРИ БУРЕНИИ  

По принципу воздействия на горную породу все  механические породоразрушающие инструменты  для бурения скважин можно  разделять на режущие - скалывающие, дробящие и дробяще - скалывающие.

Схема взаимодействия режуще - скалывающего инструмента  с горной породой приведена на рис. 1, а. Из схемы видно, что элемент  вооружения долота, перемещаясь со скоростью срезает (скалывает) горную породу. Параметры работы (скорость движения силы и )  и свойства среды - основные характеристики режима и условий разрушения породы по первой схеме.

Долотом дробящего  действия (рис.1, б) наносятся прямые удары по поверхности забоя скважины. Динамический  
процесс разрушения описывается уравнениями кинетической энергия инструмента и потенциальной энергии деформирования породы U:  
;                          (1.1)  
 
,           (1.2)  
 
где m - масса долота и ударной штанги;  - скорость в момент соударения долота с горной породой;  - максимальная глубина погружения долота в породу; - сопротивление горной породы внедрению долота. 
Условие является основным при анализе ударного взаимодействия инструмента с горной породой.

     Еще сложнее схема взаимодействия элементов  вооружения дробяще - скалывающих долот (рис. 1, в). Зуб долота вдавливается в  породу силой   и одновременно участвует в обусловленных кинематикой долота скольжения со скоростью и вращении с угловой скоростью ω. В это же время соседний зуб движется к поверхности породы со скоростью и наносит удар по поверхности породы. В следующие моменты времени нагрузка перераспределяется с первого зуба на второй, и далее первый зуб выходит из контакта с горной породой. Таким образом, каждый элемент вооружения долота периодически оказывает на горную породу сложное дробяще - скалывающее действие

     Общим для всех схем взаимодействия является условие . Под действием этой силы осуществляется вдавливание вооружения в горную породу как при дроблении, так и при резании (обеспечивает толщину δ скалываемого слоя). Поэтому вдавливание рассматривается как основной вид воздействия элементов вооружения породоразрушающих инструментов на горную породу.

     Элементы  вооружения породоразрушающих инструментов имеют различную конфигурацию рабочей поверхности. В одних случаях это резцы с плоской или скругленной поверхностью режущей кромки, в других - зубья в виде клина с плоской или скругленной вершиной, а в третьих - штыри (зубки) со сферической головкой. Выбор формы рабочей поверхности подчинен проблемам обеспечения высокой интенсивности разрушения горной породы  и достаточных прочности и износостойкости элементов вооружения.

Система промывки породоразрушающих инструментов обеспечивает удаление шлама с забоя скважины, очистку и охлаждение вооружения.  
Корпус является соединительным звеном элементов конструкции инструментов. На верхней части корпуса выполняется присоединительная замковая резьба для соединения породоразрушающего инструмента с бурильным. В табл. 1.1 приведены шифры присоединительных резьб буровых долот. 

   Таблица 1.1 Размеры замковых присоединительных резьб долот 

 

Система промывки породоразрушающих инструментов обеспечивает удаление шлама с забоя скважины, очистку и охлаждение вооружения.

 
        Корпус является соединительным звеном элементов конструкции инструментов. На верхней части корпуса выполняется присоединительная замковая резьба для соединения породоразрушающего инструмента с бурильным. В табл. 1.1 приведены шифры присоединительных резьб буровых долот.  
В обозначении резьбы ставится буква «З» (замковая) и далее цифра, приблизительно равная диаметру большого основания конуса резьбы, например, З-117. В зарубежных аналогах этот размер приводятся в дюймах.   
Опоры шарошек служат для передачи осевой нагрузки и вращающего момента от бурильного инструмента через корпус долота к вращающимся деталям - шарошкам, на которых размещено вооружение инструментов.  
Классификация породоразрушающих инструментов по вооружению. Породоразрушающие инструменты классифицируются по всем функциональным системам. Ниже рассматриваются классификации только по вооружению, а остальные будут рассмотрены по мере изучения соответствующих систем.  
Все породоразрушающие инструменты по общему назначению делятся на три группы:  
    1) для бурения сплошным забоем — долота;  
    2) для бурения кольцевым забоем с отбором керна (образцов горной породы, проходимой скважиной) – бурильные головки;                                                                                  3) инструменты специального назначения.

Каждая группа породоразрушающих инструментов по принципу воздействия на забой делится  на четыре подгруппы:  
    1) режуще - скалывающего действия (РС) - вооружение выполняется в виде лопастей с режущей кромкой, которая во время бурения находится в постоянном контакте с разрушаемой горной породой;  
    2) истирающе - режущего действия (ИР) - вооружение в виде резцов или элементов других форм размещено, как правило, в несколько рядов на лопастях, секторах или шарошках и во время бурения находится в постоянном или длительном периодическом контакте с забоем;  
    3) дробяще - скалывающего действия (шарошечные) - вооружение в виде фрезерованных зубьев или вставных зубков размещено на шарошках и во время бурения каждый элемент имеет кратковременный периодический контакт с забоем

4) дробящего  действия, которые предназначены  для ударного бурения. Ударное  бурение в настоящее время  при бурении нефтяных и газовых  скважин не применяется. 

Деление породоразрушающих  инструментов на подгруппы весьма условно, так как вид разрушения горных пород зависит не только от конструкции  вооружения, но и от твердости горных пород.

Все породоразрушающие  инструменты делятся на типы в  соответствии с твёрдостью горных пород, для которых они предназначены, и на два класса в соответствии с абразивностью горных пород. Типы и классы породоразрушающих инструментов приведены в табл. 1.2. 

   Таблица 1.2 Типы и классы породоразрушающих  инструментов 

 

    Общие вопросы устройства и работы породоразрушающих  инструментов рассмотрены ниже на примере  долот, а особенности, характерные  для других групп инструментов, будут рассмотрены по мере описания соответствующих групп инструментов.

    Из  табл. 1.2 видно, что долота типа М (для  мягких пород) изготавливаются всех трех подгрупп, типа С (для пород  средней твердости) и типа Т (для  твердых пород - второй и третьей  подгрупп), типов К (для крепких  пород) и типа ОК (для очень крепких пород) - только третьей подгруппы. Долота типов К и ОК по характеру воздействия на породу близки к инструментам дробящего действия. Понятие «крепкие» весьма условное и было использовано для разделения очень твердых горных пород на две группы. Позднее это понятие вошло в ГОСТы и закрепилось.  
Следует отметить, что шарошечными долотами осуществляется более 90 % объема бурения на нефть и газ.

    Долота  первого класса предназначены для  малоабразивных горных пород, а долота второго класса для высокоабразивных пород. В горных породах средней абразивности классы долот конкурируют.  
Горные породы могут чередоваться по твердости. Для таких интервалов бурения предназначены промежуточные типы долот. Например, долота первого класса М, С и Т относятся к основным типам, а долота МС и СТ - к промежуточным типам. Долота второго класса МЗ, СЗ, Т3, К и ОК относятся к основным типам, а долота МСЗ и ТКЗ - к промежуточным типам.