Долото буровое

Долото буровое, основной элемент бурового инструмента для механического разрушения горной породы на забое скважины в процессе её проходки. Термин «долото» сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единственным способом проходки скважин было ударное бурение, при котором долото буровое, имело сходство с плотничным инструментом того же наименования. Долото буровое как правило, закрепляют в конце бурильной колонны, которая передаёт ему осевое и окружное усилие, создаваемое буровой установкой (в случае ударного бурения долото буровое подвешивается на канате и наносит удары по забою скважины за счёт энергии свободного падения).

В основу классификаций долота бурового положены два признака: назначение и характер воздействия на породу. По назначению различают 3 класса долота бурового: для сплошного бурения (разрушение породы по всему забою скважины), для колонкового бурения (разрушение породы по кольцу у стенок скважины с оставлением в её центральной части керна) и для специальных целей (разбуривание цемента в колонне труб, расширение скважины и др.). По характеру воздействия на породу долото буровое делится на 4 класса: дробящего действия, дробяще-скалывающего, истирающе-режущего и режуще-скалывающего. Основные элементы долота бурового (рис. 1) — корпус и рабочая (разрушающая) часть; последняя определяет три типа долота бурового, широко применяемых в промышленности: шарошечные, алмазные и лопастные.

Шарошечными долотами буровыми осуществляется свыше 90% объёма бурения на нефть и газ; эти долота буровые наиболее производительны при бурении геологоразведочных (сплошным забоем) и взрывных скважин в крепких породах. Впервые долото буровое с коническими шарошками было изобретено в США (1909). Шарошечное долото буровое (или колонковая бурильная головка) состоит из одной, двух, трёх и более конических, сферических или цилиндрических шарошек, смонтированных на подшипниках качения или скольжения или же их комбинации на цапфах секций долота бурового. На наружной поверхности шарошки имеют породоразрушающие элементы — фрезерованные зубья или запрессованные (запаянные) твёрдосплавные зубки или комбинации зубьев и зубков. Для повышения износостойкости фрезерованные зубья армируются твёрдым сплавом. Геометрическая форма и параметры породоразрушающих элементов (высота и длина зубьев, угол заострения и притупления их вершин, частота расположения зубьев на каждом венце шарошек) для различного долота бурового различны и зависят от физических свойств горных пород. Зубья на конусах шарошек, как правило, имеют клиновидную форму; твёрдосплавные зубки — клиновидную или полусферическую рабочие поверхности. В зависимости от конструкции корпуса, шарошечные долота буровые разделяются на секционные и цельнокорпусные. В секционных долотах буровых корпус сваривается из отдельных (двух, трёх и четырёх) секций, на цапфах которых монтируются свободно вращающиеся шарошки. В цельнокорпусных долотах буровых корпус литой, к нему привариваются лапы с шарошками. Для присоединения долота бурового к бурильной колонне у секционных предусмотрена наружная конусная резьба (ниппель), у корпусных — внутренняя конусная резьба (муфта). Секции (лапы) и шарошки долота бурового изготовляются из хромоникельмолибденовых, хромоникелевых и никельмолибденовых сталей. Шарошечные Долота буровые в СССР нормализованы по типам и диаметрам (от 46 до 490 мм) и изготовляются 14 типов для разбуривания мягких, средней твёрдости, твёрдых, крепких и очень крепких пород. Самое широкое распространение имеют трёхшарошечные долота буровые. В ограниченных объёмах применяются вставные двух- и трёхшарошечные долота буровые для бурения скважин турбинным и роторным способами, позволяющие опускать новое и поднимать отработанное долота буровые внутри колонны бурильных труб без подъёма последних на поверхность, а также многошарошечные долота буровые для бурения скважин диаметрами 346—2600 мм реактивно-турбинным способом.

Алмазные долота буровые (и бурильные головки) состоят из твердосплавной алмазонесущей рабочей части (матрицы) и стального корпуса с внутренней присоединительной конусной замковой резьбой. Долота буровые отличаются друг от друга формой рабочей части, качеством алмазов и системой промывки. Матрицы этих долот буровых изготавливаются методом порошковой металлургии из различных металлических порошков. Эти порошки обеспечивают хорошее удержание алмазов и позволяют получать матрицы различной твёрдости и износостойкости. Матрица на основе вольфрама, его карбида и меди обеспечивает достаточную прочность, износостойкость и высокую теплопроводность матричного материала. Для изготовления долот буровых (бурильных головок) применяются технические алмазы массой 0,05—0,34 кар (на долота буровые диаметром 188 мм расходуется 400—650 кар, или 2000—2500 зёрен алмазов). Алмазные долота буровые. и бурильные головки в СССР изготовляются диаметрами 140, 159, 188, 212, 241 и 267 мм двух модификаций: однослойные типов «ДР», «ДТ», «ДК», «КТ» и «КР» с размещением алмазов в поверхностном слое рабочих кромок матрицы по определённым схемам и импрегнированные типа «ДИ» с примерно равномерным распределением мелких зёрен алмазов в матричном материале. Алмазные долота буровые целесообразно применять при больших (свыше 3000 м) глубинах скважин. Как правило, стойкость алмазного долота бурового в 20—30 раз превышает стойкость шарошечного. С 1967 в СССР широко применяются долото буровое типа «ИСМ», рабочие поверхности которых армированы вставками из сверхтвёрдого материала «Славутич» (верхняя часть вставок или 30% высоты — из «Славутича», нижняя — из твердосплавных порошков, спечённых методом порошковой металлургии). Вставки закрепляются пайкой в рёбрах корпуса заподлицо. Эти долота буровые (рис. 2) изготовляются диаметрами 138, 142, 158, 188, 212, 241, 267, 293, 317, 344, 392 мм и эффективно работают при бурении мягких и средней твёрдости малоабразивных и среднеабразивных пород.

Лопастное долото буровое (рис. 3) состоит из кованого корпуса, к которому привариваются три лопасти и более. У двухлопастного долота корпус и лопасти отштамповываются как одно целое. Передние грани лопастей армируются твердосплавными пластинами прямоугольной формы и зерновым сплавом релит, а боковые — твёрдосплавными цилиндрическими зубками. Лопастные долота буровые применяются для разбуривания мягких и средней твёрдости пород. В СССР они выпускаются по техническим нормалям трёхлопастными типа «3Л» диаметрами от 118 до 445 мм, двухлопастными «2Л» диаметрами от 76 до 161 мм и многолопастными «ИР» диаметрами от 76 до 269 мм, пикообразными «ПЦ» и «ПР» диаметрами от 97 до 445 мм. В ряде случаев изготавливают долота буровые типа «РХ» («рыбий хвост»), являющиеся разновидностью двухлопастных долот буровых. К лопастным относятся также долота буровые для ударно-канатного бурения.

Для вспомогательных работ в СССР выпускаются фрезерные долота буровые типа «ФР» в виде плоскодонных фрезеров, нижняя рабочая поверхность которых оснащена твердосплавными зубками или пластинками, выступающими над корпусом долота бурового. Эффективное бурение скважин обеспечивается своевременной очисткой забоя от выбуренных частиц породы и подъёмом их на поверхность, а также охлаждением рабочих элементов долота бурового. Это осуществляется обычно продувкой (рис. 4, а) при бурении неглубоких (до 20 м) скважин, а при бурении глубоких и сверхглубоких — промывкой. В шарошечных долотах буровых применяется два вида промывки: по центральному каналу (рис. 4, б) и гидромониторная — между шарошками (рис. 4, в), а в больших корпусных долотах буровых — их комбинация. Форма, сечение, расположение и количество промывочных каналов зависят от назначения, типа и размера долота бурового. В гидромониторных шарошечных и лопастных долотах буровых для увеличения передаваемой ими гидравлической мощности применяются сменные минералокерамические или металлокерамические насадки различных диаметров, преобразующие перепад давлений на долота буровые в скоростной напор, повышающий эффективность разрушения породы. Совершенствование долота бурового осуществляется в направлении улучшения их конструкций (гидромониторная система очистки забоя скважины, создание новых опор скольжения и др.), применения новых материалов (высокопрочные твёрдые сплавы, стали электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов), оснащения рабочих элементов долота бурового алмазами, высокопрочными твёрдыми сплавами и сверхтвёрдыми материалами. 

Лит.: Мальков И. А., Теория и практика применения гидромониторных долот в США, М., 1958; Волков С. А., Волков А. С., Справочник по разведочному бурению, М., 1963; Корнеев К. Е., Палий П. А., Буровые долота, 3 изд., М., 1971; Brantly J. Е., Rotary drilling handbook, 6 ed., Los Ang., 1961.

Г. И. Матвеев.