Бурильные головки

В настоящее время в связи с отказом производственников от турбинных керноотборных устройств выпускаются только бурильные головки к устройствам без съемного керноприемника серии К. Из шарошечных находят применение бурголовки типа МСЗ, СЗ, СТиТКЗ, изготовленные ОАО «Уралбурмаш». Выпускаются в ограниченном масштабе бурголовки лопастные, алмазные, типа ИНМ (ИСМ). Широкое применения нашли алмазно-твердосплавные бурильные головки. Бурильные головки серии К типа М состоят из остова корпуса 2 с присоединительной резьбой 1. Последняя модификация (рисунок 9) бурголовки включает три ступенчатые лопасти с тангенциальным размещением относительно остова. Поверхности лопастей оснащены твердосплавными резцами ВК-3. Промывочные каналы (их девять в модификации на рисунке 9 а) отведены от керноприемного отверстия. В модификации, представленной на рисунок 9 шесть промывочных отверстий, а лопасти размещены радиально относительно остова. Бурильные головки типа М осуществляют режущее воздействие при разрушении мягких малоабразивных пород.

Рисунок 9 – Бурильные головки типа М

Бурильные головки серии К типа МСЗ (рисунок 10) относятся по способу разрушения к инструментам режущего действия. Они состоят из корпуса 1 с присоединительной резьбой. Бурильные головки МЗС диаметром 187,3м и больше имеют восемь шарошек, а диаметром 158,7/67 и менее – четыре. На рисунке изображена бурголовка К187,3/80 МЗС. Здесь каждая пара шарошек размещается на оси, закрепленная винтом 4. одна из шарошек является скважинообразующей – 3, вторая кернообразующей – 2. Четыре оси размещены в корпусе горизонтально по касательной относительно керноприемного отверстия в головке. Шарошки имеют твердосплавные клиновидной формы зубки 5, которыми разрушается горные породы по всей площади кольца. Шарошки имеют также вспомогательные зубки 6 для калибровки стенки скважины и керна. Оригинальность этой бурильной головки в том, что в процессе бурения шарошки вращаются и происходит непрерывный процесс смены зубков. Это достигается благодаря тому, что режущие кромки зубков расположены под углом 45⁰ к образующей боковой поверхности шарошек, а направление зубков на скважинообразующих и кернообразующих шарошках противоположное.

Рисунок 10 - Бурильные головки серии К типа МСЗ

Бурильные головки типа МСЗ предназначены для отбора керна в мягких, с пропластками средней твердости малоабразивных пород.

Промывка забоя производится через девять каналов, проходящих вблизи от керноприемного отверстия корпуса. Важным преимуществом бурильной головки является возможность просто и быстро заменить на буровой изношенные шарошки на новые.

На рисунке 11 показан общий вид двух модификаций бурильной головки типа СЗ. На рисунке 11 а показана модификация, у которой периферийные венцы выполнены с фрезерованными крупными зубьями. Промывочная жидкость проходит к забою через каналы корпуса в промежутках между шарошками. На второй модификации промывочные каналы размещены над шарошками с направлением промывочной жидкости к забою по

а б

Рисунок 11 - Общий вид двух модификаций бурильной головки

типа СЗ

касательной к шарошкам. Последние имеют также пазы на поверхности шарошек, по которым промывка проходит к забою.

Следует также отметить, что бурильные головки типа СЗ диаметром 212,7 мм и более имеют отрицательные смещения осей шарошек, что увеличивает скалывающий эффект в процессе разрушения горной породы при отборе керна. Бурильные головки типа СЗ широко применялись при отборе керна в разведочных скважинах «Главтюменьгеологии» и концерна «Тюменьгеология». Около 50 % из общего метража, пройденного с отбором керна, приходится на бурильные головки типа СЗ (ранее 6-ВК.)

Бурильные головки серии К типа ТКЗ применяются при отборе керна в твердых с пропластками крепких абразивных пород. Устройство бурильной головки приведено на рисунок 12 а и б.

а б

Рисунок 12 – Бурильные головки серии К типа ТКЗ

Видно, что бурильная головка состоит из корпуса (наружняя секция 4 и внутренняя 2) и присоединительной муфты 5. Промывка забоя осуществляется буровым раствором, который проходит через отверстия 1 между шарошками.

Разрушение забоя осуществляется слабоконическими шарошками с твердосплавным вооружением. Бурильные головки диаметром 187,3 и 212,7 выпускаются серийно в шестишарошечном исполнении. Бурильные головки меньших размеров выпускают опытными партиями с пятью шарошками. Внутренняя секция корпуса 2 имеет три цапфы и шарошки 3 выбуривающие керн, и три шарошки на цапфах наружной секции 4, разрушающие периферийную часть забоя. Опоры скважинообразующих шарошек имеют один радиальный и два осевых подшипника скольжения.

Необходимо отметить, что поверхности цапф наплавлены твердым сплавом, что помогает, по мнению авторов разработки, самоустановке наружных шарошек по мере износа опор и сохраняет постоянным наружный диаметр бурильной головки.

Алмазные бурильные головки выпускаются в нашей стране в ограниченном ассортименте. Это, прежде всего, КСС (рисунок 13 а), предназначенная для разбуривания пород средней твердости с прослоями твердых средне абразивных пород. Устройство обычное: стальной корпус, твердосплавная матрица и алмазы, размещенные на шести секторах. Торцевая поверхность их оснащена поликристаллическими синтетическими термостойкими алмазами ПСТА в виде упавшей трехгранной призмы, а калибрующая поверхность - синтетическими алмазами СВС-П. На корпусе имеется шесть промывочных каналов. На рисунке 13 б приведен рисунок трёх, сходных по внешнему виду, бурильных головок. Это бурильная головка типа КИ, что означает, что она предназначена для отбора керна (К – колонковая, И – импрегнированная). Три спаренных сектора ступенчатой формы вооружены природными алмазами, которые размещены с малой степенью упорядоченности в твердосплавном слое матрицы толщиной 6,5 мм.

Внешнея бурильная головка КТСИ не отличается от КИ. Различия в том, что КТСИ армирована импрегнированными синтетическими, а не природными алмазами.

Бурильная головка типа КТ отличается от вышеописанных также вооружением. В этом случае ступенчатая поверхность торцевой поверхности вооружена природными алмазами, размещены однослойно.

Бурильная головка типа КАП (рисунок 13 в) является первой отечественной конструкцией бурильной головки, вооруженной алмазно-твердосплавными пластинами (АТП) и алмазно-твердосплавными резцами (АТР).

Рисунок 13 – Алмазные бурильные головки

Бурильная головка типа КР (рисунок 13 г) отличается радиальными способом размещения промывочных каналов. Предназначена для бурения с отбором керна в породах средней твердости и твердых мало- и среднеабразивных. Вооружение бурголовки однослойное с природными алмазами.

Внешнея бурильная головка КТСИ не отличается от КИ. Различия в том, что КТСИ армирована импрегнированными синтетическими, а не природными алмазами.

Бурильная головка типа КТ отличается от вышеописанных также вооружением. В этом случае ступенчатая поверхность торцевой поверхности вооружена природными алмазами, размещены однослойно.

Бурильная головка типа КР (рисунок 13 г) отличается радиальными способом размещения промывочных каналов. Предназначена для бурения с отбором керна в породах средней твердости и твердых мало- и среднеабразивных. Вооружение бурголовки однослойное с природными алмазами.

Шесть спаренных секторов имеют ступенчатую (волнистую) поверхность с концентрическими выступами, на которых размещены алмазы. Выступы на соседних секторах смещены относительно друг друга для полного перекрытия забоя алмазами. В работе [2] отмечается, что твердосплавная матрица бурильной головки КР имеет высокую твердость и износостойкость, что позволяет ее применять в твердых среднеабразивных породах. Разновидность головки КРС в том, что она оснащена не природными, а синтетическими поликристаллическими алмазами.

Испытания первой в истории нашей страны алмазно-твердосплавной бурильной головки КАП 214,3/80 МС, разработанной в лаборатории алмазного бурового инструмента ВНИИБТ, проводили в Правдинской НГРЭ производственно-геологического объединения «Хантымансийскнефтегазгеология». Бурильная головка состоит из стального корпуса с присоединительной резьбой, шести матричных секторов закругленной формы (рисунок 13 в и рисунок 14). Алмазно-твердосплавные резцы диаметром 13,5 мм закреплены на рабочей поверхности пайкой. Калибрующие поверхности армированы синтетическими алмазами СВС-П и твердосплавными пластинами.

Рисунок 14 - Бурильная головка КАП из стального корпуса с

присоединительной резьбой

Испытания проводились на Приобской площади на скважинах 271, 254, 400, 429 в интервале 2289,5-2745,1 м в породах готерив-баррема и валанжина, представленных переслаиванием плотных аргиллитов и песчаников с алевролитами. Породы относятся по твердости к средним с пропластками твердых [7].

Для отбора керна использовалось керноотборное устройство серии «Недра» КД11М190/80 в двухсекционном исполнении. Одновременно с испытанием бурголовки типа КАП проводился отбор керна с применением серийной алмазной бурголовки КТСИ 188,9/80 СЗ. Результаты сравнительных испытаний указаны в таблице 2 в которой приведены также средние показатели лучших из применяемых шарошечных бурголовок типа СЗ и ТКЗ.

Таблица 2 - Результаты сравнительных испытаний

Тип бурильной головки	Интервал бурения, м	Число рейсов	Проходка, м	Механическая скорость, м/ч	Вынос керна, %
на рейс	на б/г
К 187,3/80 СЗ К 187,3/80 ТКЗ	Серийные шарошечные бурголовки
2000-2700 2000-2700		10,4 9,9	10,4 9,9	0,69 0,91	80,3 76,2
КТСИ 188,9/80 СЗ	Серийная алмазная бурголовка
2387-2470		5,8	35,0	0,45	75,8
	Алмазно-твердосплавная бурголовка
КАП 214,3/80 МС	2289-2745		12,7	329,3	1,82	88,2

Как видно из таблицы, показатели по алмазно-твердосплавной головке превышают показатели шарошечных и алмазных бурголовок:

· По выносу керна на 7,9-12,4 %;

· По механической скорости в 2 – 4 раза;

· По проходке на бурголовку в 9-33 раза.

Итоговые цифры испытаний убедительно свидетельствуют о большом преимуществе алмазно-твердосплавных бурголовок перед серийными алмазными и шарошечными. Широкое применение бурголовок с АТП позволяет на 10-15 % уменьшить время строительства разведочных скважин и существенно сократить эксплуатационные затраты на 1 метр бурения с отбором керна [7].

Для бурения с отбором керна в мягких с пропластками средней твердости породах применяются бурильные головки типа МС (рисунок 15). Увеличения выноса керна обеспечено плавным резанием породы алмазно-твердосплавными пластинами. Изображенная на рисунке бурголовка БИТ-140/67 МС имеет наружный диаметр 140 мм и диаметр керна 67 мм.

Рисунок 15 - Бурильные головки типа МС

Вооружение бурголовки пятнадцать АТП диаметром 13,5 мм. Шесть промывочных каналов диаметром 12 мм отведены от керноприемного отверстия для предотвращения размыва керна. Рекомендуемый режим бурения:

· Частота вращения – 60 – 120 об/мин;

· Расход бурового раствора – 10 – 12 л/с;

· Осевая нагрузка – 2 – 3 т.

Широкое применение нашли для бурения отбором керна в малоабразивных породах средней твердости бурильные головки типа С. На рисунке 16 приведена бурильная головка БИТ – 212/80С с наружным диаметром 212 мм и диаметром отбираемого керна 80 мм. Вооружение головки 44 АТП диаметром 13,5 мм. Промывка осуществляется через 8 промывочных каналов диаметром 15 мм.

Рисунок 16 - Бурильная головка БИТ – 212/80С

Рекомендуемый режим бурения:

- частота вращения – 60 – 120 об/мин;

- расход бурового раствора – 18 – 25 л/с;

- осевая нагрузка – 2-7 т.

Из всех применяемых в Приобье бурильных головок лучшие результаты получены с помощью бурголовок типа С2 (рисунок 17). Они предназначены для отбора керна в породах средней твердости перемежающихся пропластками твердых пород. Из этой группы бурголовок чаще других применялась бурголовка БИТ-212/100 С2. Она имеет следующую характеристику:

- Наружный диаметр – 212 мм;

- Диаметр отбираемого керна – 100 мм;

- Число резцов АТП – 38 шт;

- Количество промывочных отверстий – 8;

- Диаметр отверстий – 16 мм;

Рекомендуемый режим бурения:

- Частота вращения – 60 – 120 об/мин;

- Расход бурового раствора – 18 – 25 л/с;

- Осевая нагрузка – 2 – 7 т.

Рисунок 17 - Бурголовки типа С2

Главное конструкционное отличие: бурголовка типа С2 от С в том, что первая оснащена дополнительными вставками с импрегнированными алмазами (на рисунке показаны стрелками).

Это позволяет увеличить стойкость инструмента. Проведенными промысловыми испытаниями 37 бурильных головок установлен:

· Средняя проходка на бурголовку составляет 99,4 м, то есть почти в 10 раз больше, чем у шарошечных;

· Стойкость бурголовок типа С2 в 5,4 раза превосходит стойкость головок ТКЗ;

· Механическая скорость у С2 почти вдвое выше скорости ТКЗ;

· Вынос керна вырос с 59 до 87,2 %.

З арубежные бурильные головки

Производством бурильных головок алмазного и алмазно-твердосплавного типов занимается сравнительно небольшое число компаний. Лидирующие позиции занимают ДБС (Корпорация «Бароид»), «Кристенсен» (компания «Бейкер Хьюз»), «Диама Борт», «Кристалл Профор», «Рид-Хейкалог», «Хьюз Кристенсен» (компания «Бейкер Хьюз»), Секьюрити (корпорация «Дрессер») – и другие.

Любая из перечисленных компаний производит головки для любого типа пород по твердости и абразивности. Заметим, что в России все три организации, выпускающие инструмент для отбора керна (это НПП «Буринтех» г. Уфа, ОАО «Волгабурмаш», г. Самара, СП «Удол», г. Саранск) производят алмазно-твердосплавные бурильные головки для бурения мягких, мягких с пропластками средних, средней твердости и средней с пропластками твердых малоабразивных пород.

Исходя из этого в этом разделе выделим компании, выпускающие бурильные головки для отбора керна в твердых, крепких, очень крепких абразивных породах. Анализ конструкций бурголовок выше перечисленных зарубежных компаний позволил выделить их конструкционные особенности, позволяющие вести отработку керноотборного инструмента в абразивных породах. Заметим, что при отборе керна в абразивных породах Т, ТК, К и ОК расход энергии для разрушения пород существенно увеличивается и в той же степени увеличивается объем тепла, влияющего на стойкость резцов.

Заметим, что для сохранения стойкости инструмента в условиях повышенных температур вооружение зарубежных бурильных головок выполняется в виде:

- из мелких природных алмазов;

- с применением импрегнированных природных алмазов;

- из термостойких самозатачивающихся поликристаллических резцов типов Балласет и Трипакс;

- с использование термостойких поликристаллических алмазных резцов мозаичного типа.

Необходимо также отметить, что все такие бурголовки изготавливаются с твердосплавной противоэрозионный матрицей.

Из бурильных головок, оснащенных алмазами, необходимо отметить головку С 23 серии С фирмы «Нортон Кристенсен» (рисунок 18). Она предназначена для отбора керна в твердых плотных породах средней абразивности. Рабочая поверхность выполнена тороидальной с выступами 1 V-образной формы. Радиально-продольные каналы 2 разделяют уступы друг от друга. Поверхность матрицы волнообразная (мелкоступенчатая). Калибрующая поверхность матрицы оснащена также природными алмазами.

Рисунок 18 – Бурильная головка С 23 серии С

Из бурильных головок серии С необходимо также отметить головку типа С 201, применяемую для отбора керна в средней твердости и твердых, средней абразивности породах.

Фирма «Нортон Кристенсен» выпускает также бурильные головки серии SC, изготовленные на основе термостойких самозатачивающихся режущих элементов Балласет и поликристаллических синтетических алмазов.

На рисунке 19 изображена бурголовка SC 226, применяемая для бурения с отбором керна в средней твердости с пропластками твердых и твердых среднеабразивных породах. Отличается биконическим профилем и узкими V-образными выступами, на которых в один ряд размещены режущие элементы в виде лежащей трехгранной призмы. Выступы 1 разделены радиально-продольными каналами 2. калибрующие и кернообразующие поверхности армированные природными алмазами 3. Режущие элементы показаны цифрой 4. Для улучшения промывки на калибрующей поверхности сделаны три отвода 5.

Рисунок 19 – Бурголовка SC 226

Кроме того, в серии SC необходимо отметить бурголовку SC 279, предназначенную для отбора керна в твердых, очень твердых, крепких и очень в крепких весьма абразивных породах (рисунок 20). Конструкция головки существенно отличается от других бурголовок данной серии. Торовидный торец вооружен синтетическими резцами-сегментами 1, которые насыщены тонкозернистыми импрегнированными алмазами. Как и у бурильной головки SC 226 кернообразующая и калибрующая поверхности армированы природными алмазами. Буровой раствор осуществляет промывку по каналам 2.

В серии ZC бурильных головок фирмы «Нортон Кристенсен» применен комбинированный способ вооружения резцами РДС и мозаичными резцами (рисунок 21).

Рисунок 20 – Бурголовка SC 279

Рисунок 21 – Бурголовка с резцами РДС и мозаичными

Применяются бурголовки этой серии в мягких, средней твердости, твердых абразивных породах. На рисунке представлена бурильная головка ZC 476. как и бурильные головки серий С, SC эта бурголовка защищена в калибрующей и кернообразующей поверхностях природными алмазами.

В широком диапазоне выпускает бурильные головки французская фирма «Кристалл Профор». В серии С производится бурголовка С 600 (рисунок 22), предназначенная для отбора керна в твердых и очень твердых весьма абразивных породах, в том числе известняках, кварцитах. Бурголовка с твердосплавной матрицей, в рабочий слой которой импрегнированны природные и синтетические алмазы. В этой серии необходимо отметить бурголовки С 400, С 500, применяемые для бурения с отбором керна соответственно в средней твердости абразивных и твердых абразивных породах. Бурголовки армированы природными алмазами зернистостью 1/6-1/10 карат на камень.

Рисунок 22 – Бурголовка С 600

Среди широкого диапазона бурголовок фирмы ДБС выделяются головки серии СВ и СТ, например бурголовка СВ 601 imp (рисунок 23). Она предназначена для использования в очень твердых и крепких сильноабразивных породах. Округлые выступы, разделенные широкими промывочными каналами, армированы импрегнированными природными тонкозернитыми алмазами зернистостью 250 шт/карат.

Рисунок 23 – Бурголовка СВ 601 imp

Бурголовка типа СВ 401 имеет на вооружении природные алмазы размером 9-15 шт/карат (рисунок 24). Как видно из рисунка, она обладает симметричным торовидным рабочим торцом. Калибрующая поверхность укреплена природными алмазами и твердосплавными вставками.

Рисунок 24 - Бурголовка типа СВ 401

Как отмечалось ранее, фирма ДБС выпускает также бурголовки серии СТ, в которых для разрушения пород используется термостойкие поликристаллические самозатачивающиеся резцы Трипакс.

Список использованных источников

1 Хайруллин Б.Ю. Разработка техники и технологии глубокого бурения с отбором керна повышенной информативности.

2 РД 39-2-399-80. Методическое руководство по бурению с отбором керна нефтяных и газовых скважин. М., 1982.- С. 113.

3 Брентли Д.Е. Справочник по роторному бурению. Перевод с англ. М.: Недра, 1964.- С. 583.

4 Марамзин А.В. Технические средства для алмазного бурения / А.В. Марамзин, Г.А. Блинов, А.А. Галиопа Л.: Недра, 1982.- 335 с.

5 Справочник бурового мастера /Под общей редакцией В.П. Овчинникова, С.И. Грачева, А.А. Фролова.- М.: «Инфра-Инженерия», 2006.- 608 с.

6 Абатуров В.Г., Маньковский В.А., Леонов Д.В. Анализ эффективности долот типа БИТ. Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе: Труды международной науч. конф., посвященной 40-летию Тюменского нефтегазового университета. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.- С. 6-8.

7 Инструкция по эксплуатации породоразрушающих инструментов, оснащенных природными, синтетическими алмазами, композиционными алмазосодержащими материалами. РД 39-0148052-526-86 /М.Г. Абрамсон, Н.И. Козырев, А.Б. Михальчук и др. М.: ВНИИБТ, 1987.

Методические указания по дисциплине «РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН» специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» для студентов очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения (часть 4 - Инструмент для отбора керна). - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007.- 34 с.

Составители: канд. техн. наук, доцент Абатуров В.Г.

ассистент Семененко А.Ф.

Подписано к печати	Бум. ГОЗНАК
Заказ №	Уч.- изд.л.
Формат 60х84 1/16	Усл. печ.л.
Отпечатано на RISO GR 3750	Тираж 100 экз.