сложнения, возникающие при бурении.

для студентов, обучающихся по специальности 130504.65

«Бурение нефтяных и газовых скважин»

очной, очно-заочной, заочной формам обучения

Альметьевск 2007

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

АЛЬМЕТЬЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

Ф.Ф. Фатхудинов

А.А. Джаратов

ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Учебное пособие

по дисциплине «Разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин»

для студентов, обучающихся по специальности 130504.65

«Бурение нефтяных и газовых скважин»

очной, очно-заочной, заочной формам обучения

Альметьевск 2007

УДК. 622.24

атхудинов Ф.Ф.

жаратов А.А.

Породоразрушающий инструмент: Учебное пособие по дисциплине «Разрушение горных пород при бурени нефтяных и газовых скважин» для студентов, обучающихся по специальности 130504.65 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной, очно-заочной, заочной формам обучения – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2007. - 70с.

Учебное пособие разработано с учетом развития теории и практики в области механики разрушения горных пород и породоразрушающего инструмента. Большое внимание уделяется механизму разрушения горных пород, различным типам долот, изнашиванию вооружения долот при бурении. Приведены размеры и шифры, коды износа, системы промывки долот. Пособие содержит полезные и необходимые материалы по породоразрушающим инструментам, в частности долотам.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 130504.65 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной, очно-заочной, заочной формам обучения, а также может быть полезно инженерно-техническим работникам нефтегазодобывающих и геологоразведочных предприятий.

Илл. 71, табл. 4, библ. 8.

Печатается по решению учебно-методического совета АГНИ.

Рецензенты:

1. Студенский М.Н. – заместитель генерального директора ОАО «Татнефть» по бурению, директор ООО «Татнефть-Бурение».

2. Файзуллин В.А. - заместитель заведующего кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» по научной работе, кандидат геолого-минералогических наук, доцент.

3. Юсупов И.Г. - главный специалист ТатНПИнефть, доктор технических наук, профессор.

нефтяной институт

ВВЕДЕНИЕ

Разрушение горных пород является основной операцией при добыче и переработке полезных ископаемых. В России за год разрушают несколько миллиардов кубических метров горных пород и перерабатывают более миллиарда тонн полезных ископаемых. На разрушение тратится до 30% электрической энергии, вырабатываемой ежедневно в России, миллион тонн износостойких сталей и сплавов. Капитальные вложения, связанные с разрушением горных пород составляют более 35% таковых в промышленности.

Предметом дисциплины «Разрушение горных пород при бурении скважин» является – изучение механических процессов в горных породах при бурении скважин, а также конструкций, работы и изнашивания породоразрушающих инструментов. Буровые предприятия России решают проблему улучшения технико-экономических показателей буровых работ за счет оптимизации технологии и технического перевооружения отрасли, в том числе за счет улучшения существующих и создания новых конструкций породоразрушающих инструментов.

Задачи дисциплины: создание теоретической и экспериментальной базы для изучения следующих разделов «Технология бурения нефтяных и газовых скважин», формирование знаний, необходимых инженеру-технологу по бурению для предвидения механических процессов и явлений в скважинах, и окружающих ее горных породах в условиях ограниченной информации.

В данном пособии рассматриваются шарошечные долота, конструкции и терминология. В зависимости от геологических условий и назначения скважин шарошечные долота применяются при бурении вертикальных и наклонных скважин. Эффективность использования шарошечных долот в процессе углубления скважины в значительной степени определяется правильностью выбора для конкретных условий бурения, для каждого рейса такого типа долота, соответствующего свойствам проходимых горных пород и в сочетании с оптимальными параметрами режима бурения обеспечивает получение максимальной эффективности бурения скважин.

Анатомия шарошечных долот

ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Основным породоразрушающим инструментом при бурении являются буровые долота. Долота делятся по:

а) назначению:

- для сплошного бурения

- для бурения с отбором керна

б) исполнению:

- пикообразные

- лопастные

- торцовые (фрезерные)

- шарошечные

в) воздействию на породу:

- режуще - скалывающего типа (лопастные)

- дробяще - скалывающие типа (шарошечные)

- режуще - истирающего типа (ИСМ, алмазные)

1. Основной объем бурения в РОССИИ производится шарошечными долотами. В соответствии с ГОСТ 20692-75 шарошечные долота изготавливаются следующих типов (см. табл. № 1)

Таблица № 1

Тип долота	Геологические условия проходки	Исполнение шарошки
М	Бурение мягких пород	С фрезерованными зубьями*
МЗ	Бурение мягких абразивных пород	Со вставными твердосплавными зубками**
МС	Бурение мягких пород с пропластками пород средней твердости	С фрезерованными зубьями
МСЗ	Бурение мягких абразивных пород с пропластками пород средней твердости	С фрезерованными зубьями и твердосплавными зубками
С	Бурение пород средней твердости	С фрезерованными зубьями
СЗ	Бурение абразивных пород средней твердости	Со вставными твердосплавными зубками
СТ	Бурение пород средней твердости с пропластками твердых пород	С фрезерованными зубьями
Т	Бурение твердых пород	С фрезерованными зубьями
ТЗ	Бурение абразивных твердых пород	Со вставными твердосплавными зубками
ТК	Бурение твердых пород с пропластками крепких пород	С фрезерованными зубьями и твердосплавными зубками
ТКЗ	Бурение твердых абразивных пород с пропластками крепких пород	Со вставными твердосплавными зубками
К	Бурение крепких пород	Со вставными твердосплавными зубками
ОК	Бурение очень крепких пород	Со вставными твердосплавными зубками

* - фрезерованные зубья - выполнены за одно целое с телом шарошки

** - вставные твердосплавные зубки - обычно карбит-вольфрамовые вставки

Рациональное сочетание типа шарошечного долота и разбуриваемой породы приведено в табл.. № 2

Таблица № 2

Тип долота	Литологическая характеристика разбуриваемой породы
М	Глины плотные, слоистые и неслоистые, известковистые и неизвестковистые, часто песчанистые и слюдистые, иногда с пиритом и конкрециями сидеритов, с прослоями рыхлых глинистых песчаников и алевролитов, глинистых слюдистых мергелей и известняков. Глины с прослоями мелкозернистого песка и вулканического пепла. Известняки и ракушечники.
МЗ	Переслаивание плотных глин, алевролитов, глинистых или карбонатных песчаников и мергелистых известняков. Чередование аргиллитов известковистых и неизвестковистых, алевролитов, песчаников разнозернистых кварцевых с известково-ангидритовым цементом, глинистых сланцев. Известняки органогенные с прослоями разнозернистых песчаников, слюдистых глин и алевролитов.
МС	Глины песчанистые, аргиллитоподобные, опоковидные. Аргиллиты с прослоями разнозернистых песчаников, глинистых алевролитов, известняков и конгломератов, сцементированных известково-глинистым цементом.
МСЗ	Глины пестроцветные и алевролиты с прослоями известняков. Чередование аргиллитов известковистых и неизвестковистых с алевролитами и песчаниками разнозернистыми, известковистыми, кварцевыми, слабослюдистыми. Аргиллиты, алевролиты, песчаники различного состава с прослоями песчанистых доломитов. Конгломераты разногалечные, местами крупновалунные, с прослоями песчаников и глин. Известняки органогенные, глинистые, доломитизированные с прослоями доломитов, мергелей, ангидритов или аргиллитов. Переслаивание песчаников разнозернистых, кварцевых, глинистых, плотных аргиллитов, иногда известковистых, местами переходящих в мергель; аргиллитов тонкослоистых, кварцевых.
С	Известняки и доломиты пелитоморфные мелкокристаллические, местами брекчиевидные, слабодоломитизированные; известняки ракушечники; мел писчий. Глины плотные, тонкослоистые, опоковидные, аргиллитоподобные, алевритистые, известковистые, слюдистые, иногда загипсованные. Аргиллиты слоистые, известковистые; мергели песчанистые. Песчаники различной плотности, разнозернистые, часто известковистые и глинистые; алевролиты плотные и рыхлые, слюдистые, известковистые. Конгломераты разногалечные, местами крупновалунные. Каменная соль крупнокристаллическая, с прослоями глин, ангидритов, доломитов, известняков.
СТ	Известняки и доломиты разнозернистые, иногда брекчиевидные, неравномерно глинистые, участками окремнелые. Переслаивание глин алевритистых, алевролитов, песчаников слабосцементированных, аргиллитов известковистых, ангидритов, гипсов, мергелей. Каменная соль крупнокристаллическая, с прослоями глин, мергелей, ангидритов, доломитов.
СЗ	Известняки органогенно-обломочные, местами перекристализованные, иногда доломитизированные, с прослоями аргиллитов. Переслаивание плотных глин, иногда аргиллитоподобных, в различной степени песчанистых, известковистых, загипсованных с песчаниками разнозернистыми, кварцевыми, известковистыми, глинистыми, аргиллитами слюдистыми, иногда окремнелыми, алевролитами кварцевыми, песчанистыми, известковистыми.
Т	Известняки мелко- и тонкозернистые, местами перекристаллизованные, часто доломитизированные, в различной степени окремнелые. Доломиты мелко- и тонкозернистые, пелитоморфные, плотные, иногда массивные, загипсованные, ангидритизированные. Переслаивание глин и глинистых сланцев песчанистых, слюдистых, алевролитов кварцевых, глинистых и песчаников разнозернистых, кварцевых, полимиктовых, слюдистых. Встречаются конгломераты и гравеллиты.
ТЗ ТКЗ	Известняки органогенные, тонкозернистые, пелитоморфные, участками окремнелые, доломитизированные. Доломиты мелко- и тонкозернистые, участками окремнелые, с включениями гипса. Аргиллиты иногда окремнелые. Алевролиты и песчаники мелкозернистые, кварцевые. Роговики, андезиты, андезитобазальты.
К	Известняки и доломиты окремнелые.
ОК	Алевролиты тонкослоистые. Сланцы углисто-глинистые, филлитизированные. Песчаники кварцевые, кварцитовидные. Андезиты, андезитобазальты.

2. По конструкции шарошечные долота делятся на:

2.1. По количеству шарошек:

одношарошечные,

двухшарошечные,

трехшарошечные

2.2 По расположению и конструкции промывочных или продувочных отверстий:

Ц - долото с центральной промывкой

Г - долото с боковой промывкой.

П - долото с центральной продувкой

ПГ - долото с боковой продувкой.

2.3 По конструкции опор шарошек:

В - на подшипниках качения.

Н - на одном подшипнике скольжения (остальные подшипники качения)

У - герметизация опоры с маслонаполнением

А - на двух или более подшипниках скольжения.

Литерами А маркируются долота для низкооборотного бурения (до 150 об/мин),

Н - для среднеоборотного бурения (от 150 до 400 об/мин),

В - для высокооборотного бурения (более 400 об/мин).

Пример маркировки:

III 215.9 МЗГВ - долото трехшарошечное, диаметром 215.9 мм, для бурения мягких абразивных пород, с боковой промывкой, для высокооборотного бурения.

III 295.3 МСГАУ - долото трехшарошечное, диаметром 295.3 мм, для бурения мягких пород с прослойками средних, с боковой промывкой, для низкооборотного бурения (А - все подшипники скольжения), с герметизированными маслонаполненными опорами.

К 139.7/52 ТКЗ - долото для отбора керна диаметром 139.7 мм, диаметр выносимого керна 52 мм, для бурения твердых абразивных пород с пропластками крепких.

В обозначении бурильных головок перед диаметром:

К - для керноприемных устройств без съемного керноприемника, тип резьбы - муфта

КС - для керноприемных устройств со съемным керноприемником, тип резьбы - ниппель

Условия применения шарошечных долот

Таблица № 3

Группа пород	Категория пород по буримости	Тип долот
Мягкие	II	М
Средние	III IV	М, МС С, СТ, МСЗ
Твердые	V VI	СТ, Т, МСЗ Т, ТК, СЗ, ТЗ
Крепкие	VII VIII	ТК, ТЗ ТКЗ
Очень крепкие	IX X XI XII	К,ТКЗ К, ОК, ОК -

Категория твердости пород по шкале МАОСА

Таблица № 4

Горная порода	Пористость %	Категория твердости породы
	Карбонатные породы
Известняки (примеси до 10 %)	0 – 3 4 – 10 11 - 20 > 20	VI V IV III
Известняки песчанистые и алевритистые (примеси до 30 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20	VI V IV III
Известняки глинистые (примеси 10 - 30 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20	VI V IV III
Известняки доломитизированные (примеси 10 - 25 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20	VII - VI VI - V V - IV III - IV
Известняки доломитизированные (примеси 25 - 45 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20	VII VII - VI VI - V IV - V
Известняки окремнелые (примеси 12 - 20 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20	VII VII - VI VI - V IV - V
Известняки окремнелые (примеси 20-30 %)	0 - 3	VIII
Известняки сульфатизированные (примеси до 20 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20	VI V V III - IV
Доломиты известковистые (примеси 10 - 20 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20	VII - VI VI - V V - IV III - IV
Доломиты известковистые (примеси 25 - 40 %)	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20	VII VII VII V - VI
Доломиты окремнелые	0 - 3 4 - 10 11 - 20	X IX - VIII VIII VII - VIII
Мергели известковистые (массивные и слоистые)	0 - 10 11 - 20 > 20	VI - V IV III
Мергели известковистые окремнелые	0 - 3 4 - 10 > 10	VII VI V - VI
Мергели глинистые (массивные и слоистые)	> 10 11 - 20 21 - 25 > 25	IV III II V
	Мергели глинистые алевритистые	0 - 10 11 - 20 > 20	I IV III
	Мергели глинистые ожелезненные	0 - 10 11 - 20	VI - V IV
	Мергели доломитовые	4 - 10	V IV
	Глинистые породы
	Глины	20 - 25 > 20	II I
	Глины уплотненные тонко- и микрослоистые	0 - 3	II
	Глины алевритистые	11 - 20 21 - 25 > 25	IV III II
	Аргиллиты	4 - 10 11 - 20	V IV - III
	Сланцы: глинистые глинистые известковистые глинистые опаловые глинисто - углистые	4 - 10 > 10 4 - 10 4 - 10 > 10 < 10	IV II V VI - V IV II - III
Обломочные породы
Песчаники и алевролиты: с регенерационным цементом с контактным кварцевым цементом с карбонатным цементом с доломитовым цементом с карбонатно-глинистым цементом с глинистым цементом с гипсовым порово-базальтовым цементом	0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20 0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20 0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20 0 - 3 4 - 10 11 - 20 > 20 0 - 3 4 - 10 11 - 20 0 - 10	X - IX VIII - VII VII - V IV - V VII VI - V IV III VIII VII VII VI VI V - IV IV - III III V IV III - II IV
Сульфатно-галоидные породы
Ангидриты кристаллические	0 - 3	V
Гипсы кристаллические	0 - 3	III
Каменная соль	0 - 3	I
Кремнистые породы
Кремни (примеси 10 - 15 %)	0 - 3	II
Кремни глинисто-карбонатные (примеси до 40 %)	0 - 3	IX - VIII

Конструкции роликов

напряжений

Сальниковые уплотнения

сложнения, возникающие при бурении.

Вероятные причины

BT – излом резцов

BU - зашламование

СС – трещины шарошек

• Все те же причины, что и для излома и трещин шарошек могут вызвать их потерю. • Передержка долота на забое, особенно после выхода из строя подшипников.

• Превышение оптимальных нагрузок на долото и времени его нормального нахождения на забое скважины • Эрозия • Трещины и поломка шарошек • Сложные условия бурения • Бурение при повышенном забойном давлении

• Низкая скорость бурения • Недостаточная нагрузка на долото • Проблемы с присоединительными резьбами или изогнутый наддолотный переводник • Недостаточная стабилизация долота • Оборудование для направленного бурения • Бурение при повышенном забойном давлении

ЛИТЕРАТУРА

1. Спивак А.И., Попов А.Н. «Разрушение горных пород при бурении скважин». - М.: Недра, 2002.

2. Мавлютов М.Р. «Разрушение горных пород при бурении скважин».- М., Недра: 1978.- 215с.

3. Протасов Ю.И. «Разрушение горных пород при бурении скважин».- М.: издательство Московского государственного горного университета, 2002.- 453с.

4. Бродский С.Ф., Зарипов Г.А. Курс лекций по дисциплине «Разрушение горных пород при бурении скважин».- Альметьевск: АГНИ, 2003.

5. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудования / А.М. Гусман, К.П. Порожский и др..- Екатеринбург:УГГГА, 2002.

Дополнительная:

1. Симонов В.В., Полащенко Ю.А., Юнин Е.К. «Разрушение горных пород при бурении скважин»

2. Леонов Е.Г. Войтенко В.С. «О физико-химическом воздействии бурового раствора на напряженно деформированное состояние горных пород в стенках скважин». -Издательство вузов «Геология и разведка», 1977г., №3

3. Работнов Ю. И. «Элементы последовательности механики сплошных сред».- М., Наука, 1977.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение………………………………………………………………………….4

2. Шарошечные долота. Конструкции и терминология………………………….5

3. Физика разрушения пород…………………………………………………….15

4. Подшипниковые узлы………………………………………………………….22

5. Конструкции роликов………………………………………………………….27

6. Сальниковые уплотнения……………………………………………………..28

7. Смазочные материалы…………………………………………………………29

8. Защитные покрытия……………………………………………………………29

9. Выбор материала вставок……………………………………………………..32

10. Гидравлика шарошечных долот……………………………………………….38

11. Система оценки и описания отработанных шарошечных долот.....................45

12. Осложнения, возникающие при бурении……………………………………..52

Литература………………………………………………………………………68

Фатхудинов Фанис Фаридович –

ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин»,

главный технолог Альметьевского филиала ООО «Смит Сайбириам Сервисез»

Джаратов Ансар Акмуратович –

ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин»

ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ

ИНСТРУМЕНТ

Учебное пособие по дисциплине «Разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин», для студентов, обучающихся по специальности 130504.65 «Бурение нефтяных и газовых скважин» для очной, очно-заочной, заочной формам обучения. Альметьевск, АГНИ, 2007

ЛИЦЕНЗИЯ № 03521 5.12.2000Г.

Подписано в печать

Формат 60х84/16

Печать RISO 8,5 уч-изд.л. 8,4 ус.печ.л.

Тираж 100 экз. Заказ №

ТИПОГРАФИЯ АЛЬМЕТЬЕВСКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО

НЕФТЯНОГО ИНСТИТУТА

423452, Татарстан, г. Альметьевск, ул. Ленина 2