Буровые долота: классификация породоразрушающего инструмента

Современная геологоразведка, комплексные нефте- и газодобыча, имеющие огромное значение для обеспечения населения энергоресурсами, не могут обойтись без соответствующего качественного и надежного оборудования.

Буровое долото выбирается в зависимости от типа грунта и глубины скважины.

Принципиальное значение для эффективной разработки земных недр имеет многофункциональное буровое оборудование, в том числе буровые долота. Классификация данного узкоспециального снаряжения поможет определиться с его назначением и способами максимально эффективного применения в исследовательских и добычных сферах.

Назначение буровых долот: общие сведения

Долото представляет собой основной компонент специального инструмента для сплошного бурения нефтеносных, газовых, водных скважин и скважин для прочих промышленных, технических и строительных нужд. Его задача – разрушение грунта в ограниченной зоне воздействия (забое) буровой колонны и глубинная проходка. Поэтому долота относятся к породоразрушающему снаряжению.

Трёхшарошечное долото для сплошного бурения в очень крепких породах: 1 — наружная конусная присоединительная резьба (ниппель); 2 — секция (лапа) долота; 3 — каналы в лапе и цапфе для продувки опоры; 4 — цапфа лапы; 5 — твердосплавные зубки с полусферической рабочей частью; 6 — замковый палец; 7 — шарошки; 8 — подшипники качения; 9 — центральный канал для продувки забоя и шарошек.

Указанный элемент бурового оборудования имеет множество самых разных конструкций и их модификаций. Определяются они особенностями и способами бурения различных горных пород, а также технологическими целями, которые ставятся перед ними. В зависимости от конструкционного исполнения долот, горные породы, оказавшиеся в площади забоя, разрушаются либо ударным, либо ударно-сдвигающим воздействием.

Анализируя характер эксплуатации данного бурильного приспособления, следует отметить, что оно не только разрушает сплошной грунт в плоскости забоя скважины, но и формирует стенки этой скважины. И чем больше бур углубляется в земную толщу, тем более сложные и неблагоприятные воздействия испытывают его составные части. В частности, долота испытывают на себе значительные циклические и статические нагрузки, воздействие крутящего момента. Все это приводит к различным вариантам абразивного, ударно-абразивного, усталостного и коррозионного износа снаряжения.

По этой причине буровые долота производят из высококачественных сортов стали, твердосплавных соединений металлов. Поскольку данный элемент бурильного оборудования относится к классу инструментов одноразового применения, его конструкцию проектируют таким образом, чтобы она гарантировала экономически обоснованную длительность эксплуатации.

Породоразрушающий инструмент (ПРИ): принципы классификации

Класс долот, вследствие многогранности задач и функций, которые выполняют буровые установки в самых разных отраслях промышленности, отличается большим целевым и конструкционным многообразием.

Лопастные долота: а — трёхлопастное; б — двухлопастное; в — типа «РХ»; г — истирающе-режущие типа «ИР»; д — фрезерное типа «ФР»; е — пикообразное.

Это многообразие, в частности, определяется физическими характеристиками материала (твердостью, износостойкостью и др.), из которого изготовлен данный инструмент, его формой, количеством собственно элементов инструмента, их расположением по отношению к оси долота, степенью вылета породоразрушающих компонентов за пределы внешней поверхности рабочего органа и другими факторами.

По этой причине все указанные инструменты традиционно подразделяются на 3 типа:

1. Инструменты сплошного бурения. Предназначены для углубления скважин. Разрушение породы осуществляют по всему размеру скважины в одной плоскости или ступенями.
2. Головки колонкового бурения. Также служат для углубления скважин. Разрушают породу по границе забоя.
3. Долота специального назначения. К этой группе принадлежат зарезные, расширительные, фрезерные головки. Их назначение – эксплуатация в уже пробуренных скважинах или обсадных колоннах.

В зависимости от материала рабочих породоразрушающих элементов, все инструменты делятся на 4 типа, в основе которых лежат:

• стальное вооружение;
• твердосплавное вооружение;
• алмазно-твердосплавное вооружение;
• алмазное вооружение.

Системы очистки забоя скважины и охлаждения долота: а — продувкой сжатым воздухом (или промывкой аэрированной жидкостью) через центральный канал и каналы в лапах; б — промывкой через центральный канал; в — боковой гидромониторной промывкой между шарошками.

Буровые долота дифференцируются в соответствии со строением систем для промывки и с мощностью применяемой струи бурового раствора. На сегодняшний день известны обычные (проточного действия) и гидромониторные (струйные) долота.

ПРИ, относящиеся к первой группе, характеризуются тем, что буровой раствор протекает сквозь отверстия для промывки, предусмотренные в центре долота, и попадает на шарошки (лопасти). При этом сама жидкость лишь частично попадает на забойную поверхность. Напротив, струйные элементы сконструированы таким образом, чтобы промывочная жидкость достигала поверхности забойного участка через боковые отверстия между шарошками. Благодаря такому устройству буровой раствор не только очищает забой, но и частично участвует в процессе породоразрушения.

Все известные долота разделяются еще и по такому важному принципу, как характер воздействия инструмента на горную породу, которое вызывает ее разрушение в момент вращения бура. Выделяются следующие группы:

• дробящие шарошечные долота;
• дробяще-скалывающие шарошечные;
• режуще-скалывающие (лопастные);
• истирающе-режущие алмазные;
• фрезерные долота;
• истирающе-режущие типа ИСМ.

Как следует из приведенной выше классификации, в каждом отдельном случае применяется соответствующий ему породоразрушающий рабочий элемент. Представляется полезным рассмотреть подробнее некоторые технические характеристики и особенности использования указанных рабочих частей буровых долот.

Шарошечные буровые долота

Конструкция шарошечного бурового долота.

Данный тип породоразрушающего инструмента, являясь наиболее распространенным ПРИ в добычной и геологоразведочной отраслях, обеспечивает формирование скважин за счет дробящего или дробяще-скалывающего действия своих рабочих элементов. Эти инструменты предназначены для бурения как абразивных, так и неабразивных горных пород. Надо отметить, что шарошечные ПРИ используются на породах практические всех степеней твердости.

Долото шарошечного типа в общих чертах представляет собой достаточно сложное устройство, в котором секции, соединенные друг с другом посредством сварки, удерживают на своих цапфах вращающиеся шарошки (цилиндрические или конусообразные фрезы с зубьями (штырями) особой конфигурации). С их помощью долото, приводимое в движение забойным двигателем, производит в месте устройства скважины ударное (дробящее) или ударно-сдвигающее действие на горную породу.

При воздействии дробящего характера в разрушении породы участвуют зубья шарошек. Вращающееся долото внедряется в верхний слой грунта, после чего порода начинает измельчаться. ПРИ данного типа применяются на твердых и очень твердых породах.

Двухлопастное долото: 1 – корпус; 2 – лопасть; 3 – твердосплавные пластины; – твердосплавные штыри; 4 – релит.

Дробяще-скалывающий способ является более продуктивным, так как здесь наблюдается сочетание дробящего действия с проскальзыванием шарошек по забою скважины, за счет чего происходит дополнительное скалывание породы. Традиционно долота данного типа эффективно работают по мягким, среднетвердым и твердым породам.

Шарошечные долота различаются между собой как по типу вооружения, так и по количеству собственно шарошек. Существуют инструменты с одной, двумя, тремя и четырьмя шарошками. В зависимости от их числа, различные ПРИ выполняют операции самого разного назначения.

Одношарошечные долота задействуют на бурении скважин с большими глубинами. Для преодоления сложных условий эксплуатации буровые инструменты обеспечены необходимыми техническими параметрами: лапами и шарошками повышенной мощности, прочной опорой. Максимальный положительный эффект достигается при работе на хрупких породах (карбонаты, доломиты, различные известняки и др.).

Двухшарошечные долота, как правило, применяются для производства скважин в геологоразведочных целях.

Конструкция автоматической буровой станции.

Трехшарошечные долота – самый популярный вариант, за счет своей формы они оптимально вписываются в сечение круглой скважины. Три конические шарошки, равномерно расположенные в корпусе долота, гарантируют оптимальную центровку и устойчивость вращающегося инструмента в стволе.

Относительно новый четырехшарошечный инструмент имеет диаметр 295,3 мм. Он был создан специально для устройства скважин, которые бурятся в сложных, с точки зрения техники и геологии, условиях.

В последнее время в России были разработаны многошарошечные долота, диаметр которых достигает 555 мм. Их назначение – бурение скважин с большим диаметром с одновременной промывкой забоя буровым раствором.

Лопастные долота

Схема буровой установки и движение жидкости.

Инструменты лопастного типа отличаются от шарошечных относительной простотой в конструкции и в технологии их производства. Отличаются они и по уровню твердости обрабатываемых горных пород. Лопастные бурильные элементы хорошо показывают себя на высоких скоростях вращения при работе на мягких, вязких, несцементированных породах, характеризующихся высокой степенью рыхлости и пластичности.

Благодаря своим конструкционным особенностям, такие долота в подходящих для них породах способны давать результат в сотни метров (иногда до 1500 м) проходки за один рейс.

Однако высокая скорость проходки с помощью данного типа ПРИ сопряжена с периодической необходимостью расширять диаметр скважины перед использованием очередного нового долота. Кроме того, поскольку породоразрушающие части лопастных долот постоянно соприкасаются с породой, они изнашиваются быстрее, чем шарошечные долота.

Схема одношарошечного долота.

Согласно отраслевым стандартам, на сегодняшний день известны следующие разновидности лопастных долот:

1. Однолопастные (пикообразные). Диаметр – 98,4-444,5 мм. Промывка – проточная (обычная). Разбуривают цементные пробки и металлические детали низа обсадной колонны.
2. Двухлопастные. Диаметр – 76,0-165,1 мм. Промывка – проточная. Применяются на мягких и пластичных горных породах.
3. Трехлопастные. Диаметр – 120,6-469,9 мм. Промывка – проточная и гидромониторная.
4. Трехлопастные истирающе-режущего действия. Диаметр – 190,5-269,9 мм. Промывка – проточная и гидромониторная.
5. Шестилопастные истирающе-режущего действия. Диаметр – 76,0-269,9 мм. Промывка – проточная и гидромониторная.

Трехлопастные долота, долота трехлопастные истирающе-режущего действия и долота шестилопастные истирающе-режущего действия применяют с целью формирования в горных породах скважин для нефте- и газодобычи.

Алмазные буровые долота

Схема трехлопастного долота.

Данные породоразрушающие инструменты, чаще всего имеющие монолитную конструкцию, используют при буровых работах на породах, которые характеризуются средним уровнем твердости. Применяют их и в случаях чередования высокопластичных горных пород со среднетвердыми и твердыми породами. Разрушение породной неабразивной структуры алмазным долотом происходит посредством ее истирания (микрорезания).

Как следует из названия указанного типа, главная особенность таких долот – наличие в их составе режущих элементов, изготовленных из алмаза. Технические параметры и степень продуктивности такого инструмента зависит от качества и величины технических алмазов.

Стоит отметить определенную технологическую «капризность» алмазных буровых долот. Ни одно другое бурильное приспособление подобного рода не зависит в такой степени от чистоты ствола и забоя скважины и от интенсивности промывки буровым раствором, как алмазное долото. Алмазные элементы просто могут раскалываться и выкрашиваться из корпуса ПРИ, если на плоскости забоя окажутся, например, частицы металла или обломки очень твердых пород.

Внутри своей группы буровые инструменты на основе алмазов также делятся по нескольким признакам. Так, форма и ориентирование пазов, канавок приемки и других рабочих элементов определяют 3 вида алмазных долот: радиальные, спиральные и ступенчатые. В соответствии с расположением алмазных камней в матрице долота, различают 2 вида инструментов: однослойные и многослойные долота.

Фрезерные буровые долота

Схема режущего долота ИСМ первой модификации.

Данный тип породоразрушающего инструмента по некоторым характеристикам выгодно отличается от прочих типов ПРИ. Фрезерные долота гораздо проще по своей конструкции, чем лопастные и шарошечные. В сравнении с шарошечным типом, фрезерный инструмент обладает более высокой степенью прочности и стойкости.

Вместе с тем эти долота, в отличие от алмазных, не боятся присутствия в зоне забоя металлических твердосплавных вкраплений. Более того, их можно спокойно применять для разбуривания застрявших в стволе шарошек и прочих посторонних металлических объектов. При помощи фрезерных ПРИ можно относительно легко и качественно устранять в скважинах бетонные пробки и цементные мосты.

Конструкционно основу фрезерного долота составляет удлиненный монолитный корпус с запрессованными в нем рабочими дробящими элементами (штыри и пр.), усиленными твердосплавными металлами. Помимо этого, долото снабжено очень простой по своему строению промывкой.

Наряду с указанными выше достоинствами, фрезерные долота имеют и некоторые недостатки. В частности, применяя при бурении именно этот тип ПРИ, сложно добиться высокой механической скорости проходки. Кроме того, они практически непригодны для бурильных операций на глине и прочих вязких и пластичных горных породах.

Истирающе-режущие долота типа ИСМ

Схема колонкового долота.

В отличие от уже описанных выше инструментов, рабочие породоразрушающие части долот данного типа снабжены рабочими вставками из сверхтвердого материала – славутича. Форма и количество вставок и их расположение на долоте зависит от физико-механических параметров породы, которую необходимо бурить.

Обладая повышенной износостойкостью (в сравнении с лопастными и фрезерными долотами), более низкой стоимостью и улучшенной проходимостью по скважине (в сравнении с алмазными), долота ИСМ отличаются отличной надежностью.

Благодаря наличию сверхтвердых вставок из славутича, они нечасто выходят из строя. Такое наблюдается даже тогда, когда ствол и забой по какой-то причине оказываются недостаточно хорошо подготовленными перед спуском долота в скважину.

На сегодняшний день долота ИСМ производятся трех видов: режущего действия, торцевые и истирающие. Режущими бурятся достаточно глубокие скважины, расположенные в мягких и среднепластичных породах. Торцевые применяются при забуривании и бурении нового ствола и при ликвидации возможных аварий на скважинах. Наконец, истирающими долотами ИСМ формируют газовые, нефтяные и разведочные скважины, глубоко приникающие в малоабразивные осадочные породы.

В зависимости от формы рабочих элементов, долота ИСМ делятся на радиальные и секторные. К первой группе принадлежат инструменты, которые используются в основном при турбинном бурении стволов глубиной более 3000 м. Ко второй группе относятся долота, участвующие в турбинном и роторном бурениях.

Таким образом, познакомившись с разновидностями буровых долот и их некоторыми принципиальными особенностями, можно лучше сориентироваться в большом разнообразии современных породоразрушающих инструментов, что необходимо для организации качественных бурильных операций.