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. 
 

3. МАТЕРИАЛЫ ВООРУЖЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

3.1 Твердый сплав

    Одним из самых распространенных материалов для вооружения и армирования  рабочих элементов породоразрушающих  инструментов является твердый сплав. Основными компонентами твердого сплава являются карбид вольфрама (WC) и кобальт (Со). В табл. 1.3 приведены некоторые показатели механических свойств карбида вольфрама и кобальта по данным Г.С. Креймера. 
 

    Таблица 1.3 Показатели механических свойств карбида  вольфрама и кобальта 

    Для армирования поверхностей наплавкой  используются релит «3» зерновой при нагреве токами высокой частоты  и релит «ТЗ» трубчатозерновой при нагреве ацетиленокислородным пламенем. Основной частью релита также является порошкообразный карбид вольфрама. Зерновые сплавы представляют собой шихту, при расплавлении и последующем твердении которой на поверхности армируемой детали или инструмента образуется твердый износостойкий слой.

3.2 Сверхтвердый композиционный материал  «Славцтич»

      Этот материал включает в качестве  основных частей карбид вольфрама  и синтетические алмазы в виде  зерен размером от 0,2 до 1 мм и изготавливается методами порошковой металлургии. Алмазные зерна равномерно распределены в объеме материала. Содержание алмазных зерен в композиции и их фракционный состав меняются в зависимости от назначения. Элементы вооружения готовятся в виде зубков со стальным корпусом и рабочей головкой из материала «Славутич». Головка может иметь клиновую или сферическую рабочую поверхность. Для армирования калибрующих поверхностей породоразрушающих инструментов готовятся цилиндрические вставки. 
 
 
 
 

4. АЛМАЗ КАК МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТ

 
      Алмаз – минерал, полиморфная модификация углерода. Кристаллы алмаза представляют собой октаэдры, ромбододекаэдры и др. Размеры кристаллов от микроскопических до весьма крупных, массой до 3000 карат (1 карат – 0,2 г). Кристаллическая структура атомная, отличается плотной упаковкой и равномерным распределением связей в пространстве. Это обусловливает высокую плотность (3500 кг/м3), твердость и жесткость алмаза. Микротвердость алмаза в 10 раз выше, чем кварца, и в 6 раз выше, чем твердого сплава. Модуль Юнга алмаза 88*10⁴ МПа, т.е. в два раза выше чем у твёрдого сплава, и в четыре раза выше, чем у стали. Алмазы имеют уникально высокие теплофизические свойства: теплопроводность алмаза в 2,3 раза, а теплоемкость в три раза выше, чем у твердого сплава. Благодаря этим свойствам алмазы имеют исключительно высокую износостойкость при трении скольжения.  
        Наряду с достоинствами алмаз имеет и недостатки: он весьма хрупок (имеет совершенную спайность по октаэдру), при температуре 1850 °С в вакууме алмаз превращается в графит, на воздухе уже при температуре около 600 °С быстро окисляется, а при более высокой температуре сгорает с образованием углекислого газа.  
        Алмазы делятся на две группы: ювелирные и технические. Для бурения используют только технические алмазы, которые делятся на подгруппы: борт, баллас и карбонадо.  
           Борт - алмазы в виде неправильных кристаллов и агрегатов желтого, коричневого или серого цвета.  
           Баллас - шаровидные агрегаты, представляющие собой крупнокристаллическое ядро, покрытое мелкокристаллической корочкой. Цвет от мутно-белого до серого.  
           Карбонадо - плотные, мелкокристаллические агрегаты. Цвет от серого до черного. Современная промышленность освоила производство искусственных (синтетических) алмазов, а также композиционных сверхтвердых материалов, которые используются для изготовления элементов вооружения породоразрушающих инструментов. Элементы вооружения могут представлять собой как специально подготовленные алмазные зерна, так и изготовленные пластинки, резцы и зубки. Следует отметить, что прочность на сжатие синтетических алмазов пока в два раза меньше, чем натуральных (естественных). А поэтому они применяются только для разбуривания мягких и средней твердости пород.

    5. АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА                                            

Эти долота оснащаются наиболее дешевыми натуральными алмазами подгруппы борт и синтетическими (искусственными алмазами). Для повышения  сопротивления разрушению алмазы предварительно обрабатывают.  Вначале их подвергают избирательному дроблению, при котором  алмазные агрегаты раскалываются по дефектным местам. Затем проводится овализация для придания алмазам округлой формы. Для снятия внутренних напряжений алмазы нагревают до 920 – 940 С и затем медленно охлаждают.

Алмазное  долото из полого стального корпуса, включающего головку и переводник с присоединительной резьбой, матрицы, на секторах которой размещены алмазы. В матрице долота выполнены промывочные отверстия, переходящие в промывочные каналы.

Алмазы на секторах крепят разными способами. Наиболее распространен способ порошковой металлургии. Алмазные зерна раскладывают в пресс  – форме по заданной схеме и  фиксируют клеем. В пресс –  форму засыпают порошкообразную  шахту (например, смесь карбида вольфрама  и кобальта) и спрессовывают, причем в качестве пуансона используют головку  породоразрушающего инструмента. Далее инструмент спекают при температуре около 1300 С в защитной среде (например в водородной печи). Зерна алмазов должны выступать под матрицей на 1/5 – ¼ от их диаметра. Для оголения алмазов, если это не было предусмотрено в пресс-форме, используется пескоструйная обработка рабочих поверхностей инструмента.

Инструменты с  алмазами, размещенными только в поверхностном  слое матрицы, называются однослойными. При этом используют алмазы диаметром 2-3 мм (от 3 до 12 зерен на карат).

При оснащении  породоразрущающих инструментов мелкими алмазами(до 1000 зерен на карат) их размещают в поверхностном слое матрицы толщиной 5-6 мм (алмазы входят в состав шихты, образующей этот слой). Такие инструменты называют импрегнированными.

Профили секторов могут быть разными. У долота цилиндрическая поверхность сектора, калибрующая  стенку скважины, переходит в наружную торовую поверхность, которая, в свою очередь, плавно переходит во внутреннюю коническую поверхность. Наружная может быть не только торовой, но и конической, а также может быть гладкой или ступенчатой.

Алмазы разрушают  горные породы микрорезанием, передеформированием с последним усталостным отделением частиц породы или ее истиранием. Такие виды разрушения обусловливают, весьма низкую механическую скорость проходки (0,5-1,5 м празрушения /ч)

В табл 1.4 приведены шифры конструкций типы долот, а также характеристики горных пород, для разбуривания которых эти долота предназначены.

Общей в шифре  всех конструкций алмазных долот  является первая буква Д. Вторая буква отражает особенности конструкции: Л – долота с узкими секторами (лопастями); К -  долота со ступенчатым профилем секторов.

                                                                       Таблица 1.4

Алмазные  долота и характеристики соответствующих  им горных пород

Р – долота с гладкими секторами или мелкими торовидными выступами; И – импрегнированное долото. Отсутствие этой буквы предполагает однослойное вооружение долота. Третья буква С показывает, что долото оснащено синтетическими алмазами. Далее цифрами показан диаметр долота, а буквами тип вооружения. Примеры полного шифра долота:  ДЛС 188,9С2; ДК 214,3Сб, ди 214,3Т5 и т.д. Последние цифры в шифрах отражают модификацию долота.

Особенности бурения  алмазными долотами обусловлены  конструкцией рабочих элементов  и свойствами алмазов. Алмазы выступают  из матрицы на незначительную величину и разрушают горную породу микрорезанием и истиранием. Поэтому с увеличением осевой нагрузки на долото, внедрение алмазов быстро достигает предельного значения. Дальнейшее повышение нагрузки не приведет к росту интенсивности разрушения горной породы, а возрастающая при этом работа трения и выпадение алмазов. Кроме того , растет опасность чрезмерного повышения температуры алмазов, их окисления и даже графитизации. Поэтому большую роль играет эффективное охлаждение рабочих поверхностей алмазных породоразрущающих инструментов. Но интенсивная промывка может вызвать эрозионное изнашивание матрицы. Поэтому режим работы алмазных инструментов строго регламентирован инструкциями по эксплуатации.

Опасность перегрузок и раздавливания алмазов периферии  долота не допускает его использования  для проработки скважины (расширение ствола до номинального диаметра). В  то же врем некруглое сечение скважины или потеря ее диаметра, обусловленные  применением предшествующего неалмазного долота, затрудняет спуск алмазного долота в скважину. Поэтому диаметр алмазных  инструментов меньше диаметра обычных инструментов, как это уже отмечалось в случае долот, оснащенных АТП и АТР.

Высокая хрупкость  алмазов не допускает наличие  на забое скважины твердых предметов, например, тел качения опор шарошечных долот или твердосплавных зубков и т.п. Перед спуском алмазного  долота скважину необходимо очистить от металла на забое и прошаблонировать твердосплавным долотом, по форме подобным алмазному, с металлошламоуловителем. Диаметр уловителя должен обеспечивать скорость восходящего потока жидкости до 5 м/с. При такой скорости с забоя поднимаются в кольцевой зазор между стенкой скважины и инструментом даже твердосплавные зубки. Выше металлошумоуловителя сечение кольцевого зазора резко увеличивается, а скорость восходящего потока падает до 1 м/с. При этом крупный шлам и обломки металла выпадают в уловитель, а мелкий шлам выносится из скважины на поверхность.

Выход из строя (отказ) алмазных породоразрушающих инструментов может произойти в результате образивного и эрозионного изнашивания матриц и потери алмазов, растрескивания и выпадения алмазов под действием динамических нагрузок, испарения и пригорания алмазов, забивания системы промывки долота и образования на нем сальника. Признаки отказа долота – снижение механической скорости бурения или увеличение давления промывочной жидкости на насосе. 
 
 

    6. ДОЛОТА ИСМ 
 

    Эти долота для горных пород средней  твердости и твердых готовятся  в секторном исполнении. Вооружение секторных долот ИСМ разрушает  горную породу микрорезанием и истиранием обнажающимися в процессе работы алмазными зернами. Обнажение происходит в результате опережающего износа твердосплавной составляющей «Славутича». При этом вылет алмазных зерен составляет 0,04-0,10 мм. Такое разрушение, как и в случае секторных алмазных долот, обуславливает весьма малую механическую скорость бурения(0,5-1,5 м/ч). Долота предназначены для разбуривания горных пород от средней твердости до твердых, а поэтому в их шифре указывается тип вооружения, например, ИСМ 163,5Т или УИСМ 242,1С. Буква У впереди шифра означает, что долото изготовлено на Дрогобычском долотном заводе.

    Выпускаемые типы долот ИСМ диаметром от 163,5 до 391,3 мм, особенности их ожидаемого воздействия на горную породу и область  применения приведены в табл1.5  

          Таблица 1.5

    Долота  ИСМ и характеристики соответствующих  им горных пород  

Из табл 1.5 видно, что долота предназначены в основном для разбуривания малообразивных высокопластичных горных пород и только долота типа Т могут работать в горных породах средней образивности.