1.3.3 Інструмент для буріння кільцевим вибоєм
У процесі буріння розвідувальних, а іноді і експлуатаційних свердловин періодично відбираються породи у вигляді керна – щільного циліндричного стовпчика гірської породи шаруватої структури. Відбір керна необхідний для підрахунку запасів і оцінки придатності нафтових і газових покладів до промислового освоєння, вивчення їх геологічної будови і складання проектів розробки, з метою оптимізації процесу буріння свердловин, а також для проведення досліджень у галузі наук, які вивчають будову Землі. Буріння з відбором керна називають бурінням кільцевим вибоєм, а інструментом служать бурильні головки, які руйнують тільки кільцеву поверхню вибою свердловини, залишаючи незайманою її центральну частину – керн.
Бурильні головки. Бурильні головки призначені для формування керна і його відриву від дна вибою, збереження і транспортування. Відбувається це за допомогою спеці-ального комплексу пристроїв, до складу яких входять керновідривач, керноприймальний пристрій, пристрої для транспортування тощо. Залежно від властивостей породи, в якій здійснюється буріння з відбором керна, застосовують бурильні головки шарошкові, алмазні і твердосплавні.
Шарошки в бурильній головці змонтовані так, щоб порода в центрі вибою свердловини при бурінні не руйнувалася, утворюючи керн. Існують бурильні головки, які містять чотири, шість і навіть вісім шарошок, призначені для буріння з відбором керна в різних породах. Розташування породоруйнівних елементів в алмазних і твердосплавних бурильних головках також дозволяє здій-нювати руйнування гірської породи тільки по периферії вибою свердловини. Схема кодування бурильних головок наведена нижче.
Бурильні головки серії К для відбору керна з незнімним керноприймачем виробництва відкритого акціонерного товариства (ВАТ) “ВБМ-группа” показані на рис. 1.28 а, б, в, г і серії КС із знімним керноприймачем – на рис. 1.28 д, е.
а б в г д е
Рисунок 1.28 – Загальний вигляд шарошкових бурильних головок:
а – тип МСЗ серії К; б – тип СЗ серії К; в – тип СТ серії К; г – тип ТКЗ серії К; д – тип ТКЗ серії КС; е – тип СТ серії КС
Бурильна головка серії К типу МСЗ (рис. 1.28, а) призначена для низькообертового буріння нафтових і газових свердловин у м’яких породах з прошарками порід середньої твердості. Бурильна головка різальної дії –восьмишарошкова. Складається з корпуса, чотирьох свердловиноутворюючих і чотирьох керноутворюючих шарошок. Ті й інші шарошки змонтовані парами на чотирьох осях. Вони розміщені в отворах корпуса, розташованих горизонтально по дотичній до кола, центр якого збігається з центром бурильної головки. Для запобігання випадання кожна з осей замикається другою віссю. Замком останньої є гвинт. Шарошки озброєні твердосплавним зубками з клиноподібною породоруй-нівною поверхнею. Подача промивної рідини до вибою свердловини здійснюється крізь вісім каналів круглого перерізу. Таке конструктивне виконання бурильної головки дає можливість її розбирати з метою заміни зношених шарошок, осей, шайб, а тому дозволяє неодноразово використовувати найскладнішу і найдорожчу деталь бурильної головки – корпус.
Бурильна головка серії К типу СЗ (рис. 1.28, б) призначена для низькообертового буріння з відбором керна в породах середньої твердості. Руйнування породи відбу-вається в різально-подрібнювальному режимі з перева-жанням різання, що забезпечує добрі умови утворення керна. Основна відмінність бурголовок цього типу – консольне розташування цапфи в напрямку периферії, що дозволило збільшити розміри і довговічність опор. Бурильна головка складається з корпуса і привареної до нього муфти з приєднувальною різзю. На трьох цапфах корпуса на підшипниках змонтовані шарошки, зміщені відносно осі бурильної головки. Зовнішня поверхня шарошок виконана у формі частини кулі з радіусом, рівним радіусу свердловини. Озброєння шарошок – твердосплавні зубки з клиноподібною породоруйнівною поверхнею, різальні кромки яких орієнтовані по кулястих обвідках шарошок. Опори шарошок складаються з двох кулькових підшип-ників, один з яких є радіальноупорним замковим, і двох радіальних підшипників ковзання. Для подачі до вибою розчину в корпусі передбачені три отвори, що спрямовують потік між шарошки. Бурильна головка має низький керноприйом, захищений від впливу промивної рідини.
Бурильна головка серії К типу СТ (рис. 1.28, в) подріб-нювальної дії, призначена для низькообертового буріння з відбором керна в породах середньої твердості з прошарками твердих порід. Бурильна головка шестишарошкова: три шарошки беруть участь в утворенні стовбура свердловини, а три інші – в утворенні керна. Бурильна головка складається з приставки і корпуса. Корпус – це зварна конструкція, яка складається з внутрішньої секції з цапфами для внутрішніх шарошок (керноутворювальних), трьох зовнішніх секцій з цапфами для зовнішніх (свердловино-утворювальних) шарошок і накладок. Опора кожної свердловиноутворюючої шарошки складається з одного радіального і двох упорних підшипників ковзання, а опора кожної керноутворювальної шарошки – з одного радіального і одного упорного підшипників ковзання. Опорні поверхні цапф наплавлені твердим сплавом. Подача промивної рідини до вибою свердловини здійснюється 12-ма каналами круглого перерізу. Озброєння шарошок – фрезеровані зуби призматичної форми. У двох зовнішніх і двох внутрішніх шарошок зуби виконані під кутом до осі шарошок, причому у кожної з цих шарошок нахил виконаний у різні боки.
Бурильна головка серії К типу ТКЗ (рис. 1.28, г) призначена для низькообертового буріння з відбором керна в твердих абразивних породах з прошарками міцних порід. Бурильні головки діаметром 187,3 мм і 212,7 мм – шестишарошкові (діаметром від 132 мм до 158,7 мм – п’ятишарошкові). Бурильна головка складається з приставки і корпуса. Корпус – це зварна конструкція, що складається з внутрішньої секції з цапфами для внутрішніх шарошок (кернооутворювальних), трьох зовнішніх секцій з цапфами для зовнішніх (свердловиноутворювальних) шарошок і накладок. Опора кожної свердловиноутворю-вальної шарошки складається з одного радіального і двох упорних підшипників ковзання, а опора кожної керно-утворювальної шарошки – з одного радіального і одного упорного підшипників ковзання. Опорні поверхні цапф наплавлені твердим сплавом. Подача розчину до вибою свердловини здійснюється 12-ма каналами круглого перерізу. Озброєння шарошок виконано твердосплавними зубками з клиноподібною породоруйнівною поверхнею, на периферійних вінцях свердловиноутворювальних шарошок зазначені зубки чергуються з зубками, що мають кулясту породоруйнівну поверхню.
Бурильна головка серії КС типу ТКЗ (рис. 1.28, д) призначена для високообертового буріння з відбором керна в твердих абразивних породах з прошарками міцних порід. Складається з чотирьох конічних шарошок, змонтованих на цапфах чотирьох секцій на підшипниках кочення. Зварені секції утворюють корпус бурильної головки, верхня частина якого – це ніпель із замковою різю. Всі чотири шарошки беруть участь одночасно в утворенні стовбура свердловини і керна. Озброєння шарошок виконано твердосплавними зубками клиноподібної форми. У бурильній головці передбачено спеціальний пристрій для зниження керно-приймача до вибою і захисту керна від дії промивної рідини. Пристрій (внутрішня втулка) закріплений до бурильної головки за допомогою зварювального шва, розташованого на торці ніпеля. У внутрішній частині пристрою розташовується компонування кернорвача, що за допомогою нарізі приєднане до керноприймача турбодолота. Подача промивної рідини здійснюється крізь спеціальні пази, передбачені у внутрішній втулці.
Бурильна головка серії КС типу СТ (рис. 1.28, є) призначена для високообертового буріння з відбором керна в породах середньої твердості з прошарками твердих порід. За конструкцією ця головка аналогічна бурильній головці серії КС типу ТКЗ і відрізняється тільки озброєнням шарошок, що є комбінованим: середні і периферійні вінці мають фрезеровані, наплавлені твердим сплавом зуби, а керноутворююча вершина – твердосплавні клиноподібні зубки.
ВАТ “ВБМ-група” виготовляє також широкий набір бурильних головок з матричним корпусом із зубками з твердих сплавів (головки PDC) різних діаметрів, для порід різної твердості і у виконанні з незнімним та знімним керноприймачем (рис. 1.29).
Рисунок 1.29 – Загальний вигляд бурильних головок з матричним корпусом (головки PDC)
Конструкція внутрішньої поверхні бурильної головки дозволяє керновідривачу розміститися відразу за різцями, що наближає керноприймальний пристрій до вибою свердловини, оберігаючи керн до входження його в колонкову трубу. Конструктивні особливості промивних отворів попереджають попадання рідини в керноприймальну частину, захищаючи керн від розмиву, забезпечуючи при цьому якісне очищення та охолодження інструменту. Стабілізуючі елементи бурильних головок знижують до мінімуму поздовжні і поперечні коливання, що охороняє керн від руйнування, забезпечує надійний відрив керна та утримання його в колонковій трубі при підйомі на поверхню.
При виготовленні бурильних головок викорис-товуються різці діаметрами 8,2 мм, 10 мм і 13,44 мм. Використання різців PDC різних розмірів і форм допомагає досягти вищої механічної швидкості як у м’яких, так і в твердих породах, а також міцних з прошарками абразивних. При бурінні такими бурильними головками завдяки зрізанню породи, а не сколювання, енергії для руйнування породи потрібно набагато менше, ніж при використанні звичайної шарошкової бурильної головки.
Бурові коронки. Для буріння кільцевим вибоєм застосовують ще один буровий інструмент – це бурові коронки. Бурові коронки є твердосплавні і алмазні.
Твердосплавні бурові коронки мають різці з метало-керамічних сплавів і використовуються для буріння порід середньої твердості. Твердосплавні бурові коронки також поділяються на види: зубильні, ступінчасті і хрестові, армовані пластинками з твердого сплаву.
На рис. 1.30 показані твердосплавні коронки типу СМ, та твердосплавні самозагострювальні коронки типу СА призначені для колонкового буріння в породах м’яких, середньої твердості і твердих.
а б в г
Рисунок 1.30 – Загальний вигляд твердосплавних коронок:
а – тип СМ5; б – тип СМ6; в – тип СА4; г – тип СА6
У коронках типу СМ5 і СМ6 для армування ріжучої частини використані твердосплавні (ВК6) призматичні різці (основні і підрізні) невеликого перерізу (3х3 мм), а по зовнішньому діаметру в промивних вікнах встановлені додаткові підрізні різці, які беруть участь як у руйнуванні порід вибою, так і в калібруванні стінок свердловини. Ступеневе розташування різців на робочих лезах під різними кутами до площини вибою і радіуса коронки створює оптимальні умови для руйнування гірських порід.
У самозагострювальних коронках типу СА5 і СА6 для армування використані твердосплавні (ВК6) різці з невеликою площею поперечного перерізу (1,8 мм2), складені в спеціальні пакети на опорних пластинах, і встановлені на ріжучій частині, що дозволяє забезпечувати самозагострювання різців у процесі буріння і ефективно руйнувати породу, незважаючи на затуплення ріжучих граней.
Робочий торець корпусів всіх коронок розчленований промивними вікнами для забезпечення вільного виносу частинок породи, а на зовнішній поверхні корпусів прорізані шламові пази, призначені для ефективного видалення шламу в затрубний простір.
Алмазні бурові коронки використовуються для буріння міцних скальних порід і виготовляються трьох видів: імпрегновані, одношарові та багатошарові.
Імпрегновані алмазні бурові коронки (рис. 1.31) – на яких об’ємні алмази зернистістю від ста п’ятдесяти до п’ятисот штук на карат рівномірно перемішуються з порошковою шихтою робочої частини коронки. Також до цього виду відносяться коронки, матриця яких імпрегнована дуже дрібними синтетичними алмазами.
Імпрегновані коронки використовуються для буріння найміцніших, тріщинуватих порід.
Рисунок 1.31 – Загальний вигляд імпрегнованих алмазних коронок з різним типом матриці за складом і конструкцією
Одношарові алмазні коронки (рис. 1.32) – це такі коронки, в яких алмази зернистістю від 10 до 90 штук на карат (0,2 г) розміщуються за особливою, певною схемою, яка забезпечує найбільшу рівноміцність робочого торця коронки, при цьому, близько шістдесяти відсотків алмазів армують робочий торець коронки, а близько сорока відсотків більших і якісніших розміщуються в бокових стінках коронки як підрізні. Такі алмазні коронки можуть мати до дванадцяти промивних канавок.
Рисунок 1.32 – Загальний вигляд одношарових алмазних коронок з різним профілем матриці