Основные инструменты для работы в скважине: Полное руководство по классификации и применению конусных и алмазных долот.

В нефтедобывающей промышленности буровое долото является основным инструментом для разрушения горных пород, и его характеристики напрямую влияют на эффективность и стоимость бурения. В условиях сложных и изменчивых геологических условий правильный выбор конусных и алмазных долот стал ключевой задачей для инженеров-бурильщиков.

01 Конические буровые долота: универсальные инструменты, адаптирующиеся к геологическим формациям

С момента своего появления в 1909 году конусные долота стали наиболее широко используемым типом долот в роторном бурении. Их уникальная многоконусная структура позволяет им адаптироваться к различным условиям пласта, от мягких до чрезвычайно твердых.

Структура и основные технологии

Роликовый долото состоит из пяти основных компонентов:

• Корпус бурового долота: три конусообразных лопасти, сваренные вместе, с резьбовым соединением сверху.

• Конусы: конические металлические корпуса с фрезерованными зубьями или вставками из карбида вольфрама (TCI) на поверхности.

• Подшипниковая система: включает четыре комплекта подшипников: большой, средний, малый и упорный.

• Сопла: Обычно 3,4 сопла диаметром 7,14 мм.

• Система смазки и герметизации: резиновые или металлические уплотнения в сочетании с устройством компенсации давления.

Технология уплотнения подшипников является ключевым прорывом в разработке конусных буровых долот. В современных долотах используется система смазки с компенсацией давления, которая поддерживает динамическое равновесие между давлением смазки в камере подшипника и давлением бурового раствора в скважине через канал передачи давления, мембрану компенсации давления и чашку для смазки.

Система классификации и код IADC

Международная ассоциация буровых подрядчиков (IADC) разработала глобальный стандарт классификации конусных буровых долот с использованием трехзначной кодовой системы:

· Первый палец: Тип зуба и его форма.

· 1: Фрезерованный зуб, мягкая форма

· 2: Фрезерованный зуб, средней или среднетвердой формы

· 3: Фрезерованный зуб, твердое, абразивное образование

· 5: TCI, мягкое и среднее образование

· 6: TCI, средне-твердое образование

· 7: TCI, твердое, абразивное образование

· 8: TCI, чрезвычайно твердое, высокоабразивное образование

· Вторая цифра: твердость грунта (1,4, большее число указывает на более твердый грунт)

• Третья цифра: структурные особенности бита.

· 4: Герметичный подшипник качения

· 6: Герметичный подшипник скольжения

· 7: Герметичный подшипник скольжения + защита от перекоса с TCI

· 8: Начальное долото для наклонно-направленных скважин

Упрощенная система классификации IADC для конусных буровых долот

Механизм разрушения горных пород и характеристики движения

При работе конусного бурового долота совершаются три составных движения:

• Вращение: Конусы вращаются по часовой стрелке вместе с корпусом сверла.

• Вращение: Зубья вращаются против часовой стрелки вокруг оси конуса.

• Скольжение: включает радиальное и тангенциальное скольжение.

Это комплексное движение создает двойной эффект разрушения горных пород:

1. Ударное сжатие: Чередующийся контакт одинарных и двойных зубьев создает вертикальную вибрацию, генерируя ударную нагрузку.

2. Резка поперечным сдвигом: Достигается за счет выступающих элементов, смещения и многоконусной геометрии, что позволяет осуществлять резку горных пород.

Стратегия выбора битов и согласование формации

Основные принципы выбора конусных буровых долот в зависимости от свойств породы:

• Для мягких пород: выбирайте долота со смещением, выступающим концом и многоконусной конструкцией; оснащенные высокими, широкими, широко расположенными фрезерованными зубьями или системой TCI.

• Для среднетвердых образований: уменьшите смещение, нависание и значения многоконусности; используйте короткие, узкие, близко расположенные зубья.

• Для твердых и абразивных пород: использовать геометрию с одним конусом, без выступающих частей и смещения; оснащать сферическими или конически-сферическими TCI.

• При работе в пластах, склонных к образованию кривых отверстий: выбирайте долота с короткими зубьями, небольшим или нулевым смещением и без защиты калибра, а также долото немного мягче, чем фактическая толщина пласта.

• Перемежающиеся мягкие и твердые породы: выбор бурового долота в зависимости от твердости породы и динамическая корректировка параметров бурения.

Реакции на особые условия:

• Для узких отверстий (<177 мм): используйте одноконусные сверла, которые имеют более крупные конусы, зубья и подшипники для большей прочности.

• Направленное бурение: выбирайте буровые долота с третьей цифрой 8 по шкале IADC (специализированные долота для начального бурения).

02 Алмазные долота: идеальный инструмент для работы с твердыми породами

Алмаз обладает самой высокой природной твердостью (твердость по шкале Мооса 10, прочность на сжатие до 8800 МПа, износостойкость в 9000 раз выше, чем у стали). Алмазные буровые долота используют это свойство, становясь идеальным оружием для работы с твердыми породами.

Классификация и технологическая эволюция

Современные алмазные буры в основном делятся на три типа:

1. Алмазные сверла с поверхностной закрепкой

• На поверхности коронки видны частицы алмаза.

• Подходит для пород средней и высокой твердости.

• Классификация размеров бриллиантов:

· Мягкие камни: 2 камня/карат (диаметр около 4 мм)

· Камни средней твердости: 3–4 камня/карат (приблизительно 3,6 мм)

• Твердые камни: 10–15 камней/карат (примерно 2,0 мм)

2. Алмазные сверла с пропиткой

• Алмазы, вкрапленные в матрицу (60–400 камней/карат).

• Подходит для очень твердых и абразивных пород (кремень, кремнистый доломит и т. д.).

• Самозатачивание достигается за счет износа матрицы.

3. Биты PDC (поликристаллический алмазный компакт)

• Впервые представлен компанией General Electric в 1973 году.

• Структура режущего инструмента: алмазный слой + подложка из карбида вольфрама.

• Применимые пласты: однородные пласты от мягких до среднетвердых.

Структура и ключевые параметры конструкции

Алмазные буровые долота имеют цельный корпус без движущихся частей, состоящий в основном из:

• Стальной корпус: среднеуглеродистая сталь, резьбовая верхняя часть.

· Матрица: порошок карбида вольфрама + связующее на основе меди, твердость HRC 30–45.

• Ограночные элементы: природные/синтетические алмазы или алмазные ограночные элементы.

• Гидравлическое проектирование: форсунки, водоводы (радиальные, спиральные и т. д.).

Основные параметры проектирования:

• Концентрация алмазов: регулируется в зависимости от абразивности пласта – более высокая концентрация для более абразивных пластов.

• Высота экспозиции:

• Мягкие породы: 1/3 диаметра алмаза

• Твёрдые породы: 1/6–1/10 диаметра алмаза

• Форма короны: плоская (однородные образования), круглая (твердые образования), зазубренная (абразивные образования).

Механизм разрушения горных пород и реакция пласта

Способ разрушения горных пород алмазными долотами изменяется в зависимости от свойств пласта:

• Пластичные породы (аргиллит, гипс и т. д.) – Подобно процессу «вспашки»: алмазы проникают в породу и вызывают ее пластическое течение.

• Хрупкие породы (кварцевый песчаник и др.) – образуются объемные дробильные ямы; размер шлама в 2-4 раза превышает размер обнаженных алмазов, что обеспечивает высокую эффективность.

• Твердые породы (кремень, кремнистые породы) – Используйте импрегнированные сверла; разрушение происходит путем микрорезки и царапания, аналогично шлифованию кругом.

Преимущества и ограничения битов PDC

Будучи революционным продуктом в семействе алмазных долот, долота PDC обладают уникальными преимуществами:

Особенности конструкции:

• Стальной корпус долота PDC: цельная конструкция из среднеуглеродистой стали, закаленная на поверхности.

• Долото PDC с матричным корпусом: верхний стальной корпус + нижняя матрица из карбида вольфрама – более высокая производительность.

Дизайн профиля:

• Параболическая траектория: мягкие формации, большая длина полета, высокая скорость пролета.

· Круглая форма: подходит для сверления на вращающемся столе, помогает проникать в твердые заусенцы.

• Коническая форма: высокоскоростное бурение, хорошее проникновение.

Ограничения:

• Не подходит для гравийных пластов или мягко-твердых чередующихся отложений.

• Температурное ограничение (при температуре выше 350°C износ ускоряется; при 700°C прочность снижается).

• Более низкая ударопрочность; новые режущие инструменты склонны к сколам кромки.

Сравнение применимости алмазных долот в зависимости от типа пласта

03 Научное руководство по выбору: соответствие потребностям формирования и оперативной деятельности

Золотые правила выбора конусного бурового долота

1. Подбор твердости пласта

• Для мягких пород: выбирайте долота с большим смещением, выступающими зубьями, многоконусной формой и клиновидными или ковшеобразными зубьями.

• Для твердых пород: использовать одноконусные зубья без смещения, сферические или конически-сферические.

2. Обращение с абразивными материалами

• Для абразивных пород выбирайте буровые долота TCI с защитой от перекоса.

• Если зубья внешнего ряда закруглены, а внутренние зубья имеют незначительный износ, увеличьте защиту от износа на следующем долоте.

3. Реакции на особые условия

• При работе с породами, склонными к образованию кривых отверстий: выбирайте долота с короткими зубьями и небольшим или нулевым смещением; выбирайте долото немного мягче, чем фактическая порода.

• Мягко-твердые чередующиеся слои: выбор бурового долота в зависимости от твердости породы, динамическая настройка параметров.

• Глубокие участки: выбирайте фрагменты с большим общим объемом, чтобы компенсировать потери времени на прохождение испытаний.

Стратегия выбора алмазных буровых долот

1. Когда использовать биты PDC

• Наилучшее применение: протяженные однородные мягкие и среднетвердые геологические формации (сланец, аргиллит, гипс и т. д.).

• Запрещенные области применения: гравийные пласты, кремнистые прослойки, мягко-твердые чередующиеся формации.

• Настройка параметров: низкая осевая нагрузка (30–60 кН), высокие обороты в минуту (100–300 об/мин), высокий расход.

2. Когда использовать алмазные буровые долота природного/синтетического происхождения

• Твердые и очень твердые геологические образования (гранит, кварцевый песчаник и т. д.).

• Высокоабразивные породы (кремень, кремнистый доломит).

• Турбореструйные работы, бурение глубоких и сверхглубоких скважин, отбор керна.

3. Особые требования к буровым долотам

• Конические буровые долота с роликовым наконечником: четырехконусные (конические/цилиндрические) или шестиконусные (полноствольные).

• Алмазные буровые долота: режущие кромки должны быть расположены симметрично и обладать одинаковой износостойкостью.

• Ключевой показатель: внутреннее отверстие концентрично внешнему диаметру, чтобы избежать образования эллиптического стержня.

Диагностика и устранение аномалий в скважине

Определение рабочих условий конусного долота:

• Выход из строя подшипников: циклические колебания вращающегося стола, усиливающиеся при высокой нагрузке на ось вращения, снижение скорости проходки, но нормальное давление насоса.

• Потеря конуса: сильные колебания крутящего момента, резкие колебания индикатора веса, изменение длины струны при поднятии инструмента.

• Зубы стерты до плоского состояния: уменьшена нагрузка на вращающийся стол, отсутствует подпрыгивание, резкое снижение ретинопатии недоношенных.

Запреты на использование алмазных сверл:

• Перед закачкой буровой колонны дно отверстия должно быть чистым; убедитесь, что в нем нет металлического мусора.

• Начинайте бурение с небольшой осевой нагрузкой и низкими оборотами для "обкатки" (профилирование забоя на глубину 0,5 м).

• Избегайте развертывания; при необходимости выполняйте его с небольшим осевым усилием, низкими оборотами и равномерной работой.

04. Передовые тенденции и практические рекомендации

Направления технологических инноваций

Технология бурения струей высокого давления:

• Использует струи сверхвысокого давления (150–200 МПа) для облегчения разрушения горных пород.

• Интенсификаторы скважинного типа находятся в центре внимания исследований и разработок; испытания показывают, что скорость проходки может увеличиться в 3-5 раз.

• Технические сложности включают в себя герметизацию и передачу под сверхвысоким давлением.

Интеллектуальные битовые системы:

• Встроенные датчики отслеживают состояние битов в режиме реального времени.

• Адаптивная корректировка параметров резания в соответствии с изменениями пласта.

• Анализ больших данных для оптимизации выбора битов и прогнозирования срока службы.

Золотые правила в полевых условиях

1. Решение о том, когда выезжать из ямы.

• Непрерывное снижение скорости распространения сейсмических волн (в однородных пластах).

• Внезапное падение скорости распространения сейсмических волн при неэффективных корректирующих мерах (изменение пласта).

• Резкое увеличение крутящего момента, сопровождающееся падением скорости бурения (повреждение долота).

• Внезапное падение давления в насосе (потеря форсунки или размывание бурильной колонны).

2. Меры по продлению срока службы битов

• Для обкатки нового сверла используйте небольшое усилие на ведомом винте и низкие обороты.

• Используйте устройство для защиты бита (антидрейндж-устройство).

• Периодические короткие вылеты для очистки забоя скважины от мусора.

• Избегайте чрезмерного вращения снизу.

3. Экономический анализ

• Рассчитайте стоимость за метр: (стоимость бурового долота + стоимость времени бурения) / длина бурового фута.

Несмотря на более высокую удельную стоимость долот PDC, в подходящих геологических формациях одно долото PDC позволяет пробурить в 3-5 раз больше скважин, чем долото с роликовым конусом.

• На глубоких участках отдавайте приоритет фрагментам с большим общим объемом видеоматериала, чтобы компенсировать потери времени на прохождение трассы.

Выбор бурового долота — это точная технология, сочетающая научную теорию и практический опыт. Конические долота с роликовым наконечником, благодаря своей широкой применимости, остаются сегодня наиболее распространенным типом долот. Алмазные долота, особенно долота с порошковой металлургией (PDC), демонстрируют непревзойденную эффективность в определенных геологических формациях.

Освоение системы классификации IADC, понимание механизмов разрушения горных пород различными буровыми долотами, а также всесторонняя оценка литологии, конфигурации ствола скважины и эксплуатационных требований позволят добиться идеального соответствия долота и пласта. Благодаря применению внутрискважинных датчиков, анализа больших данных и искусственного интеллекта, выбор бурового долота переходит от решений, основанных на опыте, к интеллектуальному точному подбору, что постоянно приводит к революционным улучшениям эффективности бурения.

Контактное лицо: Джесси Чжоу

Мобильный телефон/WhatsApp: +0086-18109206861

Email: energy@landrilltools.com