УСЛОВИЯ РАБОТЫ БУРОВЫХ ДОЛОТ
При бурении нефтяных и газовых скважин применяется в основном механическое разрушение горных пород. На забой подается ограниченная, часто недостаточная энергия для быстрого разрушения породы. Для повышения эффективности процесса разрушения энергия передается не на всю поверхность забоя одновременно, а периодически (шарошечные долота), дискретно и лишь на часть поверхности забоя — концентрированно через породоразрушающие элементы инструмента (зубья, резцы, штыри).
Породоразрушающий инструмент предназначен для концентрированной передачи энергии горной породе с целью ее разрушения.
В машиностроении трудно найти инструмент, условия ра
боты которого были бы такими же жесткими, сложными и трудно контролируемыми, как для буровых долот.
Так, реализуемая через долото мощность, приходящаяся на 1 см его диаметра, может достигать 5-10 кВт, статическая осевая нагрузка 10-15 кН. Динамическая осевая нагрузка может превышать статическую в 1,5-2 раза.
Нормальные динамические и статические нагрузки, крутящий момент, продольные, поперечные и крутильные колебания приводят к тому, что элементы долот при бурении испытывают практически все виды напряжений, достигающих иногда предела текучести и прочности материала. Реализуемая механическая энергия при разрушении горной породы в узлах трения долот практически полностью переходит в тепловую, в связи с чем температура поверхностных слоев элементов вооружения и опоры повышается до 800-1000 °С.
Для условий работы буровых долот характерны абразивная и коррозионная активность окружающей среды (разрушаемая горная порода, буровой раствор со шламом и химическими реагентами, минерализованные пластовые воды), повышенные пластовые давления (до 100 МПа) и температура (до 250 °С).
В настоящее время практически отсутствуют методы текущего контроля за состоянием долота на забое. Долота работают в компоновке с забойными двигателями и бурильными трубами в скважине, поэтапно перекрываемой обсадными трубами, поэтому должны быть согласованы диаметры долот, бурильных труб, забойных двигателей с внутренними диаметрами обсадных труб и их нормативными отклонениями. Отклонения по диаметру должны быть в допускаемых пределах (0,5-2 мм) с учетом взаимозаменяемости, допустимых величин износа. Одним из главных показателей, характеризующих эффективность работы долота при прочих равных условиях, может служить механическая скорость
V* = Л7д/АР„ (22.1)
где ум — механическая скорость бурения, м/с; ЛГД — реализуемая на долоте мощность, Вт; А — удельная энергоемкость разрушения горной породы, Дж/м3; К, — площадь горизонтальной проекции забоя скважины, м2.
Для повышения эффективности разрушения горной породы конструкция долота должна быть такой, чтобы обеспечивалась наименьшая удельная энергоемкость разрушения горной породы.
Проходка на долото при заданной механической скорости пропорциональна долговечности долота.
Долговечность долота и его элементов зависит от совершенства конструкции, качества изготовления, условий и режима отработки, усталостной прочности, ударной вязкости, коррозийной стойкости и износостойкости инструментальных материалов. Материал для изготовления тяжелонагруженных элементов долот должен обладать теплостойкостью.
Важный резерв повышения долговечности шарошечных долот — дальнейшее совершенствование конструкции системы герметизации и смазки опор.
Конструкция долота в целом (форма) и особенно конструкция системы промывки определяют совершенство очистки забоя и влияют на механическую скорость и величину проходки на долото. Долото должно формировать ствол скважины цилиндрической формы (что особенно важно для надежного разобщения пластов) с сохранением диаметра, исключать заклинивания при СПО и т. д. Механические и абразивные свойства разбуриваемых горных пород изменяются в широких пределах. Целевое назначение долот также различно. Требования к ним разнообразны, поэтому для их удовлетворения необходимы различные конструктивные типы долот (см. разделы 8 и 9).