Шарошечное долото

Шарошечное долото — это породоразрушающий инструмент для бурения скважин, в котором разрушение горной породы осуществляется с помощью вращающихся шарошек, оснащённых твёрдосплавными или алмазными вставками. Относится к классу долот режуще-истирающего типа, применяется при бурении нефтяных, газовых, геологоразведочных и водозаборных скважин.

История

Первое шарошечное долото было запатентовано в 1909 году американским инженером Говардом Хьюзом-старшим (Howard Hughes Sr.). Его конструкция представляла собой двухшарошечный инструмент с коническими шарошками, вращающимися на подшипниках качения. В 1920-х годах технология была усовершенствована: появились трёхшарошечные долота, которые стали стандартом в нефтегазовой отрасли на десятилетия.

В СССР массовое производство шарошечных долот началось в 1930-х годах на Уралмашзаводе и других предприятиях. К середине XX века советские конструкторы разработали серии долот для различных типов горных пород — от мягких глин до твёрдых гранитов. В 1960-х годах началось внедрение герметизированных маслонаполненных опор, что резко увеличило ресурс инструмента.

Современные шарошечные долота производятся с использованием компьютерного моделирования, высокопрочных сталей, износостойких покрытий и прецизионных подшипников. Несмотря на рост популярности алмазных долот PDC (Polycrystalline Diamond Compact), шарошечные долота сохраняют позиции в бурении твёрдых и абразивных пород, а также в условиях высоких вибраций.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Основные элементы шарошечного долота:

• Корпус (лапы) — литая или кованая стальная деталь, к которой крепятся шарошки. Обычно имеет три лапы (для трёхшарошечных долот), сходящиеся к центру.
• Шарошки — конические или цилиндрические тела вращения, установленные на осях (цапфах) лап. На поверхности шарошек расположены зубья или твёрдосплавные вставки.
• Опоры — подшипниковые узлы (шариковые, роликовые, скольжения или комбинированные), обеспечивающие вращение шарошек. В современных долотах опоры герметизируются и заполняются смазкой.
• Промывочные каналы — отверстия в корпусе для подачи бурового раствора (глинистого, водного или полимерного) к забою. Раствор охлаждает долото, выносит шлам и стабилизирует давление.
• Вооружение — зубья или вставки на шарошках. Может быть стальным (фрезерованным) или твёрдосплавным (вставки из карбида вольфрама, алмазно-твердосплавные пластины).

Принцип действия

При вращении долота (через бурильную колонну) шарошки перекатываются по забою, совершая сложное движение: качение вокруг своей оси и переносное вращение вместе с корпусом. Зубья или вставки внедряются в породу, сколая её частицы. Одновременно происходит истирание породы при скольжении шарошек. Буровой раствор, подаваемый через промывочные каналы, омывает забой, охлаждает инструмент и выносит разрушенную породу на поверхность.

Классификация

По числу шарошек

• Двухшарошечные — редко применяются, в основном для бурения мягких пород малого диаметра.
• Трёхшарошечные — наиболее распространённый тип (до 90% всех шарошечных долот). Обеспечивают оптимальное распределение нагрузки и устойчивость.
• Четырёхшарошечные — используются для бурения в сложных условиях (например, при наличии крупных валунов или трещиноватых пород).

По типу вооружения

• Зубчатые (фрезерованные) — зубья вырезаются из тела шарошки. Применяются для мягких и средних пород (глины, песчаники, известняки).
• Штыревые (вставные) — в шарошку запрессовываются твёрдосплавные штыри (вставки). Используются для твёрдых и абразивных пород (граниты, кварциты, кремнистые сланцы).
• С алмазным вооружением — на шарошках закреплены алмазно-твердосплавные пластины (PDC). Применяются для бурения высокоабразивных пород с низкой прочностью.

По типу опор

• Открытые опоры — подшипники качения без герметизации. Смазка осуществляется буровым раствором. Ресурс — до 20–30 часов.
• Герметизированные маслонаполненные опоры — подшипники изолированы от бурового раствора эластичными уплотнениями и заполнены смазкой. Ресурс — до 100–200 часов.
• Опоры скольжения — используются в высоконагруженных долотах для твёрдых пород. Обеспечивают высокую несущую способность, но требуют интенсивного охлаждения.

По назначению (классификация IADC)

Международная ассоциация буровых подрядчиков (IADC) разработала систему кодирования долот. Код состоит из трёх цифр и буквы:

• Первая цифра — тип породы (1 — мягкие, 2 — средние, 3 — твёрдые, 4 — очень твёрдые).
• Вторая цифра — подтип породы (1–4 — возрастание твёрдости).
• Третья цифра — конструкция опоры (1 — открытые, 2 — герметизированные, 3 — с дополнительными элементами).
• Буква — тип вооружения (S — стальные зубья, T — твёрдосплавные вставки, A — алмазные вставки).

Пример: долото IADC 517T — для мягких пород (5), подтип 1, герметизированная опора (7), твёрдосплавные вставки (T).

Характеристики

Параметры выбора

• Диаметр — от 76 мм (3 дюйма) до 660 мм (26 дюймов) и более. Стандартные размеры: 215,9 мм (8,5"), 244,5 мм (9,625"), 311,1 мм (12,25").
• Нагрузка на долото — от 5 до 50 тонн (в зависимости от диаметра и типа породы).
• Частота вращения — от 30 до 300 об/мин. Для твёрдых пород — низкие обороты (30–80), для мягких — высокие (150–300).
• Расход бурового раствора — от 10 до 60 л/с на один дюйм диаметра долота.
• Ресурс — от 10 до 200 часов бурения, в зависимости от типа породы, режима бурения и качества изготовления.

Материалы

• Корпус — легированные стали (40ХН, 30ХГСА, 38ХН3МФА) с термообработкой до твёрдости 30–40 HRC.
• Шарошки — цементируемые стали (18ХГТ, 20ХН3А) с поверхностной закалкой до 58–62 HRC.
• Вставки — карбид вольфрама (WC) с кобальтовой связкой (6–16% Co).
• Подшипники — шариковые и роликовые из стали ШХ15 (твёрдость 60–65 HRC).

Применение

Нефтегазовая отрасль

Шарошечные долота используются для бурения эксплуатационных и разведочных скважин на нефть и газ. В мягких породах (глины, пески, мел) применяют зубчатые долота с открытыми опорами. В твёрдых породах (известняки, доломиты, песчаники) — штыревые долота с герметизированными опорами. В особо твёрдых и абразивных породах (граниты, кварциты) — долота с алмазным вооружением.

Горное дело

В горной промышленности шарошечные долота применяются для бурения взрывных скважин на карьерах и шахтах. Диаметр таких долот — от 150 до 350 мм, нагрузка — до 40 тонн. Используются в станках шарошечного бурения (СБШ-250, СБШ-320, «Буран»).

Геологоразведка

Для бурения геологоразведочных скважин (глубиной до 1000–2000 м) применяют малогабаритные шарошечные долота диаметром 76–132 мм. Часто используются долота с алмазным вооружением для отбора керна.

Водоснабжение

При бурении водозаборных скважин (глубиной до 500 м) шарошечные долота применяются для проходки твёрдых пород (известняки, песчаники). В мягких породах (глины, суглинки) чаще используют лопастные долота.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Универсальность — работают в породах любой твёрдости (от мягких глин до гранитов).
• Устойчивость к вибрациям — шарошечные долота лучше переносят ударные нагрузки, чем долота PDC.
• Возможность ремонта — некоторые модели допускают замену шарошек и опор в полевых условиях.
• Низкая стоимость — по сравнению с алмазными долотами PDC, шарошечные долота дешевле в 2–5 раз.

Недостатки

• Меньшая скорость проходки — в мягких породах шарошечные долота уступают долотам PDC в 2–3 раза.
• Ограниченный ресурс — особенно в абразивных породах (износ шарошек и опор).
• Сложность конструкции — наличие подвижных частей (шарошки, подшипники) снижает надёжность.
• Высокий расход энергии — для вращения шарошечного долота требуется больший крутящий момент, чем для долота PDC.

Интересные факты

• Самое большое шарошечное долото в мире (диаметром 660 мм) было изготовлено компанией Smith Bits (США) для бурения в условиях вечной мерзлоты.
• В 1970-х годах советские инженеры разработали долото с «плавающими» шарошками, которые могли самоцентрироваться в стволе скважины, что повышало ресурс на 30%.
• Шарошечные долота используются не только в бурении, но и в горных комбайнах для проходки тоннелей (например, в щитовых проходческих комплексах).

Источники

• Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник / Под ред. В. И. Крылова. — М.: Недра, 2005.
• Шарошечные долота: конструкция, эксплуатация, ремонт / А. М. Гусман, А. А. Хавкин. — М.: Недра, 1987.
• IADC Drilling Manual, 12th Edition. — International Association of Drilling Contractors, 2015.
• Справочник по бурению скважин / Под ред. В. П. Овчинникова. — М.: Недра, 2003.
• Технология бурения нефтяных и газовых скважин / Ю. А. Палий, В. И. Крылов. — М.: Недра, 1998.