Основные буровые инструменты: подробное руководство по классификации и применению конусных и алмазных долот.

01 Конические буровые долота: универсальные инструменты для адаптации к геологическим формациям

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

Структурный состав и основные технологии

Роликовый долото состоит из пяти основных компонентов:

• Корпус бурового долота: три конусообразных лопасти, сваренные вместе, с резьбовым соединением в верхней части.
• Конические ролики: конические металлические корпуса с фрезерованными зубьями или вставками на поверхности.
• Подшипниковая система: состоит из четырех комплектов подшипников: больших, средних, малых и упорных подшипников.
• Форсунки: Обычно их 3-4, диаметром 7-14 мм.
• Система хранения и герметизации масла: резиновые или металлические уплотнительные кольца в сочетании с устройствами компенсации давления.

Среди них технология уплотнения подшипников представляет собой ключевой технологический прорыв для конусных долот. В современных долотах используется система компенсации давления в резервуаре с маслом, которая поддерживает динамическое равновесие между давлением масла в полости подшипника и давлением бурового раствора в скважине с помощью таких компонентов, как отверстия для передачи давления, диафрагмы компенсации давления и маслосъемные чашки.

Система классификации и кодирование IADC

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

Первый палец: тип зуба и его соответствующее строение.

1: Фрезерованные зубы, мягкие образования

2: Фрезерованные зубья, средней и среднетвердой твердости.

3: Фрезерованные зубья, твердые и абразивные образования.

5: Вставить зубы, мягкие и средней толщины.

6: Вставить зубцы, среднетвердые образования

7: Вставьте зубья, твердые и абразивные материалы.

8: Вставка зубьев, чрезвычайно твердых и высокоабразивных образований.

Вторая цифра: Подразделение твердости пласта (1-4 балла; более высокие числа указывают на более твердые пласты).

Третья цифра: структурные характеристики бита.

4: Герметичные роликовые подшипники

6: Герметичные подшипники скольжения

7: Герметичные подшипники скольжения + защита от заедания.

8: Отклоняющие долота для горизонтально-направленного бурения

Упрощенная система классификации IADC для конусных буровых долот

Механизм разрушения горных пород и характеристики движения

В процессе работы конусное долото с роликовым наконечником совершает три типа составных движений:

• Вращение: Конусы вращаются по часовой стрелке вместе со всем буровым долотом.
• Вращение: Зубья вращаются против часовой стрелки вокруг оси конуса.
• Скольжение: включая радиальное и тангенциальное скольжение.

Это комбинированное движение обеспечивает двойной эффект разрушения горных пород:

1.Эффект ударного сжатия: Чередующийся контакт одинарных и двойных зубьев с нижним отверстием генерирует продольную вибрацию, создавая ударные нагрузки.

2.Эффект скользящего сдвига: сдвиговое воздействие на горные породы достигается за счет проектирования нависающих, двойных конусных и смещенных конструкций.

Стратегия отбора и подбор состава 

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

• Для работы с мягкими породами: выбирайте долота со смещением, выступающими концами и двойной конусной структурой, оснащенные высокими, широкими и редкими фрезерованными или вставными зубьями.
• Для среднетвердых материалов: уменьшите значения смещения, нависания и двойного конуса; используйте короткие, узкие и плотные зубья.
• Для твердых и абразивных материалов: используются одноконусные валы без выступа или смещения, оснащенные шаровыми или коническо-шаровыми зубьями.
• Формы, склонные к отклонению: выбирайте долота с короткими зубьями без смещения или с небольшим смещением, а также без калибровочных зубьев.
• Залежи мягких и твердых пород с чередованием слоев: выбирайте типы буровых долот в зависимости от твердости породы и динамически корректируйте параметры в процессе бурения.

Реагирование на особые условия труда

• Для скважин малого диаметра (<177 мм): используйте конусные долота с одним роликом, которые имеют более крупные конусы, зубья и подшипники для большей прочности.
• Направленное бурение: Выберите специальные отклоняющие долота, у которых третья цифра кода IADC равна 8. 

02 Алмазные долота: Мощные инструменты для работы с твердыми породами 

Алмаз, являясь самым твердым материалом в природе, имеет твердость по шкале Мооса 10, прочность на сжатие до 8800 МПа и износостойкость в 9000 раз выше, чем у стали. Благодаря этим свойствам алмазные буровые долота стали незаменимым инструментом для работы в твердых породах.

Система классификации и технологическая эволюция

Современные алмазные буры в основном делятся на три типа:

1.Алмазные фрезы для поверхностной обработки

• Частицы алмаза обнажены на поверхности матрицы.
• Подходит для пород средней и высокой твердости.
• Классификация размеров алмазных частиц:
• Мягкие породы: 2 зерна на карат (гпк) (размер частиц приблизительно 4 мм)
• Среднетвердые породы: 3-4 г/пк (размер частиц около 3,6 мм)
• Твёрдые породы: 10-15 г/пк (размер частиц примерно 2,0 мм)

2.Пропитанные алмазные сверла

• Алмазы внедрены в матрицу (60-400 г/пк).
• Подходит для твердых и абразивных пород (например, кремня, кремнистого доломита).
• Самозатачивание алмаза достигается за счет износа матрицы.

3.PDC-биты (поликристаллические алмазные компактные биты)

• Впервые представлен компанией General Electric (GE) из США в 1973 году.
• Компактная структура: алмазный слой + твердосплавная подложка.
• Подходит для однородных грунтов от мягких до среднетвердых.

Проектирование конструкции и основные параметры

Алмазные буровые долота имеют цельную конструкцию без движущихся частей и включают в себя, главным образом, следующие элементы:

• Стальной корпус: изготовлен из среднеуглеродистой стали, с резьбовым соединением в верхней части.
• Матрица: порошок карбида вольфрама + связующий металл на основе меди, твердость HRC 30-45.
• Ограночные элементы: природные/синтетические алмазы или компактные алмазы PDC.
• Гидравлические сооружения: Водотоки и каналы (радиальные, спиральные и т. д.).

Основные параметры проектирования

• Концентрация алмазов: регулируется в зависимости от абразивности пласта; более высокая концентрация для более абразивных пластов.
• Высота выступа:
• Мягкие образования: 1/3 размера частиц.
• Твёрдые образования: 1/6-1/10 размера частиц.
• Форма губ:
• Плоское дно: для однородных пластов
• Изогнутая форма: для твердых пород
• Зазубренная кромка: для абразивных пород.

Механизм разрушения горных пород и реакция пласта

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

Пластичные породы (например, аргиллиты, гипс): Подобно процессу «вспашки», алмазы проникают в породу, вызывая пластическое течение.

Хрупкие породы (например, кварцевый песчаник): образуются объемные дробильные ямы с размером режущих кромок в 2-4 раза превышающим размер алмазных граней, что обеспечивает высокую эффективность.

Для твердых пород (например, кремня, кремнистых пород): используются пропитанные сверла, а разрушение породы достигается путем микрорезки и царапания, аналогично абразивной обработке шлифовальным кругом.

Технические преимущества и ограничения битов PDC

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

Структурные особенности

Стальные долота PDC: цельнометаллические из среднеуглеродистой стали с поверхностной закалкой.

Долота Matrix-Body PDC: верхняя часть из стали + нижняя часть из карбида вольфрама, что обеспечивает более высокую производительность.

Дизайн профиля

Параболическая конструкция: подходит для мягких пород, обеспечивая большую протяженность бурения и высокую скорость бурения.

Круглая форма: Для бурения на вращающемся столе, облегчающего проникновение в твердые прослои.

Коническая форма: Для высокоскоростного бурения, обеспечивающего хорошую проходимость.

Ограничения приложения

Не подходит для гравийных отложений и чередующихся мягких и твердых пород.

Предел термостойкости (износ усиливается при температуре выше 350℃; разрушение от прочности происходит при 700℃).

Низкая ударопрочность; новые сверла склонны к сколам кромок.

Сравнительная таблица применимых геологических формаций для алмазных долот

03 Научное руководство по выбору: соответствие построениям и оперативным требованиям

Золотые правила выбора конусного бурового долота

Сопоставление твердости пласта

Для работы с мягкими породами: выбирайте долота с большим смещением, выступающими концами и двойной конусообразной структурой, оснащенные клиновидными или ложкообразными зубьями.

Твердые породы: используются одноконусные, несмещенные конструкции, оснащенные шаровыми или конически-шаровыми зубьями.

Реакция на резкость

Для абразивных пород используйте буровые долота с зубьями калибра.

Если зубья внешнего ряда закруглены, а средние зубья практически не изношены, то следующее долото следует проектировать с усиленной защитой от заедания.

Меры противодействия особым условиям труда

Для пород, склонных к отклонениям: выбирайте долота с короткими зубьями без смещения или с небольшим смещением; адаптивность к рельефу должна быть немного мягче, чем сам рельеф.

Перемежающиеся мягкие и твердые породы: выбор буровых долот в зависимости от твердости породы и динамическая корректировка параметров в процессе бурения.

Бурение глубоких скважин: используйте долота с большой общей длиной, чтобы компенсировать потери времени на спуско-подъемное устройство.

Стратегия выбора алмазных буровых долот

Условия применения битов PDC

Оптимальные сценарии: протяженные однородные мягкие и среднетвердые пласты (например, сланец, аргиллит, гипс).

Запрещенные сценарии: гравийные отложения, кремневые прослои, чередующиеся мягко-твердые отложения.

Настройка параметров: низкая осевая нагрузка (30-60 кН), высокие обороты (100-300 об/мин), большой расход.

Условия применения алмазных буровых долот из природного/синтетического алмаза

Твердые и чрезвычайно твердые геологические образования (например, гранит, кварцевый песчаник).

Высокоабразивные породы (например, кремень, кремнистый доломит).

Турбинное бурение, бурение глубоких/сверхглубоких скважин и отбор керна.

Особые требования к сердечникам.

Конические корончатые сверла: четырехроликовые (конические/цилиндрические) или шестироликовые (полностью цилиндрические).

Алмазные корончатые сверла: требуют симметрично расположенных режущих кромок с постоянной износостойкостью.

Ключевой показатель: Соосность между внутренним отверстием и внешним кругом для предотвращения овализации керна.

Оценка и устранение аномалий в скважине

Определение рабочего состояния конусного бурового долота

Повреждение подшипников: Периодические толчки вращающегося стола, усиливающиеся при высокой осевой нагрузке, снижении скорости бурения, но нормальном давлении насоса.

Потеря конусности: Сильное застревание бурового инструмента, резкие колебания показаний весового индикатора, изменение глубины спуска при подъеме буровой колонны.

Износ зубьев: Сниженная нагрузка на вращающийся стол, отсутствие рывков, значительное снижение скорости сверления.

Запреты в использовании алмазных сверл

Перед спуском долота в скважину необходимо очистить дно, чтобы удалить все металлические обломки.

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

Избегайте операций развертывания; при необходимости используйте низкую осевую нагрузку и низкие обороты для обеспечения равномерной работы.

Контакт :Джесси Чжоу
Мобильный телефон/WhatsApp:+0086-18109206861
Веб:www.landrilltools.com