Буровые долота: типы и конструкция

Кратко о главном

Шарошечное долото разрушает породу вдавливанием: зуб или зубок под нагрузкой дробит породу под собой, от зоны дробления расходятся трещины, и порода выкалывается лункой. В мягких породах смещённые оси шарошек заставляют вооружение проскальзывать — добавляется скобление.
Долото PDC срезает породу, как резец токарного станка: за оборот каждый резец снимает слой толщиной в углубление за оборот, делённое на число резцов на его дорожке. Срезание выгодно в пластичных и средних породах, но резцы боятся ударов и перегрева.
Импрегнированное долото истирает очень твёрдую абразивную породу мелкими алмазами, вкраплёнными в матрицу: матрица изнашивается и обнажает новые зёрна. Такие долота работают при высоких оборотах — с турбобуром или высокооборотным двигателем.
У шарошечного долота есть подвижные части — опоры шарошек, и при высоких оборотах их ресурс часто ограничивает рейс. У долота PDC подвижных частей нет, рейс ограничивает износ и скалывание резцов.
Чем мягче и пластичнее порода, тем меньше лопастей и крупнее резцы у долота PDC (длиннее зубья у шарошечного) и тем больше нужны промывочные пазы; чем твёрже и абразивнее — тем больше резцов на дорожке, мельче резцы, сильнее защита калибра; в очень твёрдых абразивных породах работают шарошечные долота с зубками и импрегнированные.
Насадки и промывочные пазы — часть конструкции долота: шлам должен уйти с забоя раньше, чем по нему пройдёт следующий резец. Подбор насадок — в уроке о гидравлике долота.

Ключевые соотношения

\delta = \dfrac{1000\,R}{60\,N}, \qquad \delta_{\text{р}} = \dfrac{\delta}{z}

углубление за оборот, мм ( $R$ — м/ч, $N$ — об/мин) и толщина среза резца PDC при $z$ резцах на дорожке

v = \dfrac{2\pi\,r\,N}{60}

скорость скольжения резца на радиусе $r$ : на калибре она наибольшая

v_{\text{п}} = \dfrac{Q}{A_{\text{п}}}

средняя скорость раствора в промывочных пазах долота

\omega = \dfrac{\Omega}{\sin\beta}

вращение шарошки относительно корпуса при чистом качении ( $\beta$ — угол наклона цапфы)

Где чаще всего ошибаются

Считать, что долото PDC годится всюду: в перемежающихся породах с твёрдыми пропластками, в конгломератах и кремнях его резцы скалываются, в очень абразивных — перегреваются и стираются.
Ставить в липкие глины долото с плотной расстановкой резцов и узкими пазами: шлам не успевает уйти, долото обрастает глиной («сальник»).
Поднимать обороты шарошечного долота без оглядки на опоры: шарошки вращаются заметно быстрее самого долота.
Путать углубление за оборот с толщиной среза отдельного резца: если на дорожке два резца, каждый снимает половину.
Выбирать долото только по твёрдости: важны и абразивность, и перемежаемость, и привод, и требования к направлению ствола.

После урока вы сможете

объяснить, как разрушают породу шарошечное долото (вдавливание, дробление и скалывание, при смещённых шарошках — и скобление), долото PDC (срезание) и импрегнированное (истирание), и почему от механизма зависят нужные нагрузка и частота вращения;
описать устройство шарошечного долота: лапы и цапфы, шарошки, вооружение — фрезерованные зубья и твердосплавные зубки, опоры и их уплотнение, калибрующий венец, насадки;
описать устройство долота PDC: резцы, стальной или матричный корпус, лопасти, наклон резцов, профиль, калибрующие поверхности, насадки и промывочные пазы;
рассчитать углубление за оборот, толщину среза резца PDC и скорость резцов на калибре и объяснить, как они меняются с механической скоростью, частотой вращения и расстановкой резцов;
в общих чертах сопоставить типы долот с породами — мягкими, средними, твёрдыми, абразивными, перемежающимися — и с приводом долота.

Как долото разрушает породу

Долото может разрушать породу тремя способами, и каждый тип долота опирается в основном на один из них.

Вдавливание (indentation): твёрдый зуб или зубок под нагрузкой вдавливается в породу. Под ним порода раздавливается в мелкую крошку — зону дробления, от неё во все стороны расходятся трещины, и когда они выходят на поверхность, кусок породы выкалывается — образуется лунка. Следующий зуб разбивает гребень между лунками. Нужно большое контактное давление, то есть большая нагрузка на долото; лучше всего так разрушаются хрупкие твёрдые породы. Так работают шарошечные долота.
Срезание (shearing): острая кромка резца движется вдоль забоя и снимает слой заданной толщины, как резец токарного станка; порода впереди резца разрушается сдвигом и уходит по его грани крупным обломком. На единицу объёма это обычно требует меньше энергии, чем дробление, особенно в пластичных породах, которые под зубом сминаются, а не скалываются. Так работают долота PDC.
Истирание (grinding): множество мельчайших режущих точек — зёрен алмаза — царапают породу неглубокими бороздами. Каждое зерно снимает очень мало, поэтому скорость набирают числом зёрен и высокими оборотами. Так работают импрегнированные и алмазные долота в самых твёрдых и абразивных породах.

СхемаТри способа разрушения породы долотом (схема, не в масштабе): вдавливание зубка шарошечного долота с зоной дробления, трещинами и выколотыми обломками; срезание слоя резцом PDC; истирание породы алмазными зёрнами импрегнированного долота.

Отсюда главные связи. Чем порода пластичнее — глины и соль на большой глубине, пластичные аргиллиты, — тем хуже работает вдавливание (порода сминается, не скалываясь) и тем выгоднее срезание. Чем порода твёрже и абразивнее, тем быстрее изнашивается резец, который скользит по ней, и тем выгоднее вдавливание или истирание. Мягкие рыхлые породы частично размывают и сами струи раствора. На всех долотах обломок нужно сразу убрать с забоя: давление раствора прижимает его к забою, и неубранный шлам долото перемалывает повторно (что струи делают у забоя).

Типы долот

Основные типы долот

Тип: Шарошечное с фрезерованными зубьями
Как разрушает: вдавливание и скобление
Породы: мягкие, липкие
Сильные стороны: дёшево, хорошо очищается
Ограничения: зубья быстро стираются

Тип: Шарошечное с твердосплавными зубками
Как разрушает: вдавливание и скалывание
Породы: от средних до очень твёрдых, абразивные, перемежающиеся
Сильные стороны: стойкое вооружение, выдерживает удары
Ограничения: ресурс опор, обороты

Тип: PDC
Как разрушает: срезание
Породы: от мягких до твёрдых малоабразивных; соль
Сильные стороны: высокая скорость, длинные рейсы, нет подвижных частей
Ограничения: удары, вибрации, абразивность

Тип: Импрегнированное
Как разрушает: истирание
Породы: очень твёрдые абразивные
Сильные стороны: ресурс в самых твёрдых породах
Ограничения: малая скорость, нужны высокие обороты

Тип: Гибридное
Как разрушает: срезание и вдавливание
Породы: перемежающиеся, твёрдые
Сильные стороны: ровнее момент, меньше вибраций
Ограничения: дороже, сложнее

Тип	Как разрушает	Породы	Сильные стороны	Ограничения
Шарошечное с фрезерованными зубьями	вдавливание и скобление	мягкие, липкие	дёшево, хорошо очищается	зубья быстро стираются
Шарошечное с твердосплавными зубками	вдавливание и скалывание	от средних до очень твёрдых, абразивные, перемежающиеся	стойкое вооружение, выдерживает удары	ресурс опор, обороты
PDC	срезание	от мягких до твёрдых малоабразивных; соль	высокая скорость, длинные рейсы, нет подвижных частей	удары, вибрации, абразивность
Импрегнированное	истирание	очень твёрдые абразивные	ресурс в самых твёрдых породах	малая скорость, нужны высокие обороты
Гибридное	срезание и вдавливание	перемежающиеся, твёрдые	ровнее момент, меньше вибраций	дороже, сложнее

Обзор, а не правило выбора: в каждой группе есть долота от «мягких» до «твёрдых». Подбор долота к разрезу и классификационные коды — в уроке Выбор долот и оценка их износа.

Как менялись долота

Первые долота роторного бурения были лопастными (drag bits): стальные лопасти «рыбьим хвостом» скребли мягкие породы, а в твёрдых быстро тупились и уводили ствол. Двухшарошечное долото, запатентованное в 1909 году, позволило бурить твёрдые породы; позже перешли на три шарошки с зацепляющимся вооружением. Зубки из карбида вольфрама появились в шарошечных долотах в начале 1950-х годов. Поликристаллические алмазные резцы на твердосплавной подложке созданы в 1970-х; долота PDC распространялись с 1980-х годов и к середине 2010-х, по оценкам производителей, бурили больше 90 % метража в мире. Гибридные долота вышли на рынок в 2010-х годах.

Долото называют по диаметру — это номинальный диаметр ствола: 215,9 мм (8½″), 295,3 мм (11⅝″), 444,5 мм (17½″) и т. д. Наверху у долота ниппель с замковой резьбой REG — у долота 215,9 мм это 4½″ REG; его навинчивают на наддолотный переводник с муфтами на обоих концах, на забойный двигатель или роторную управляемую систему (переводники, Отклоняющие инструменты и забойные двигатели).

Шарошечные долота

Корпус шарошечного долота сварен из трёх лап (legs). Каждая лапа заканчивается наклонённой к оси долота цапфой (journal), на которой на подшипниках вращается шарошка (cone) — конус с рядами зубьев. Долото вращается вместе с колонной, а шарошки перекатываются по забою, и их вооружение (cutting structure) раз за разом вдавливается в породу. Раствор выходит через насадки в корпусе между лапами.

СхемаШарошечное долото (схема, не в масштабе). Вверху — вид сбоку: ниппель, корпус, лапы со спинками, шарошки с периферийным (калибрующим) и внутренними венцами, насадка. Внизу — разрез лапы и шарошки: цапфа, наклонённая под углом

\beta

к горизонтали, роликовый, шариковый (замковый) и скользящий подшипники, уплотнение, резервуар смазки с компенсатором и канал, через который заложены шарики.

Вооружение. У долот для мягких пород — фрезерованные зубья (milled teeth): длинные, тонкие, редко стоящие стальные зубья, выточенные прямо на шарошке и наплавленные твёрдым сплавом. Они глубоко внедряются в мягкую породу и сами очищаются. У долот для средних и твёрдых пород — твердосплавные зубки (tungsten carbide inserts, TCI): цилиндрики из карбида вольфрама, запрессованные в отверстия шарошки. Чем твёрже порода, тем короче и тупее зубки и тем гуще они стоят: клиновидные и длинные — для мягких пород, конические и полусферические — для твёрдых.

Зубья расположены кольцевыми рядами — венцами (rows). Венцы соседних шарошек входят друг между другом (зацепление), и шарошки очищают друг друга от налипшей породы; одна из шарошек заходит за центр забоя, чтобы там не оставался столбик несрезанной породы.
Периферийный (калибрующий) венец (heel / gauge row) бурит угол между забоем и стенкой и держит диаметр ствола. Если его износить, ствол сужается — следующее долото придётся спускать с проработкой, — а на опоры начинают действовать непредусмотренные силы. Поэтому калибр защищают дополнительными зубками, в том числе с алмазным покрытием, и наплавкой.
Спинку лапы (shirttail), которая трётся о стенку, тоже наплавляют твёрдым сплавом: если её сотрёт, раствор со шламом доберётся до уплотнения опоры.

Геометрия шарошек. Ось цапфы наклонена к горизонтали под углом наклона цапфы (journal angle) $\beta$ — обычно 30–33° у долот для мягких пород и 34–39° для твёрдых. Если вершина конуса шарошки лежит на оси долота, шарошка катится по забою без проскальзывания (раздел для углублённого изучения). У долот для мягких пород оси шарошек смещают (cone offset) относительно оси долота — примерно до 9–10 мм (3/8″), а саму шарошку делают из нескольких конусов разного угла. Тогда чистое качение невозможно: шарошка проскальзывает, и зубья не только вдавливаются, но и скребут и выдалбливают породу. В твёрдых породах проскальзывание лишь стирает вооружение, поэтому у долот для них смещение мало — около миллиметра — или его нет.

Опоры (bearings). Шарошка сидит на цапфе на трёх группах опор. Радиальную нагрузку от веса на долото несут роликовый подшипник у основания цапфы и подшипник скольжения — втулка на её носке; шариковый подшипник удерживает шарошку на цапфе (шарики закладывают через канал в лапе, который потом закрывают пробкой) и вместе с упорной пятой воспринимает осевые силы. Размер опор ограничен: чем крупнее подшипники, тем тоньше стенка шарошки и короче зубья, поэтому опоры долот для мягких пород с длинным вооружением меньше.

Опоры шарошечных долот

Опора: Открытая, на телах качения
Смазка: буровой раствор
Где применяют: неглубокие интервалы, короткие рейсы; дёшево

Опора: Герметизированная, на телах качения
Смазка: консистентная смазка
Где применяют: допускает более высокие обороты

Опора: Герметизированная опора скольжения
Смазка: консистентная смазка
Где применяют: большие нагрузки, долгие рейсы при умеренных оборотах

Опора	Смазка	Где применяют
Открытая, на телах качения	буровой раствор	неглубокие интервалы, короткие рейсы; дёшево
Герметизированная, на телах качения	консистентная смазка	допускает более высокие обороты
Герметизированная опора скольжения	консистентная смазка	большие нагрузки, долгие рейсы при умеренных оборотах

Открытую опору смазывает и охлаждает раствор, но абразив в нём быстро её изнашивает. Опора скольжения передаёт нагрузку большой площадью контакта. Герметизированную опору заполняют смазкой из резервуара в лапе. Гибкая диафрагма — компенсатор — выравнивает давление смазки с давлением раствора в скважине, чтобы уплотнение не продавливало ни внутрь, ни наружу. Уплотнения — резиновые кольца, а для высоких оборотов и температур — металлические торцевые.

Как изнашивается шарошечное долото: стираются и ломаются зубья, изнашивается калибр, разрушаются опоры. Когда опора разбита, шарошка заклинивает на цапфе или болтается, а в худшем случае отрывается и остаётся на забое — её приходится извлекать ловильными работами. Поэтому опоры часто ограничивают рейс раньше, чем вооружение. Как описывают износ поднятого долота и выбирают следующее — тема урока Выбор долот и оценка их износа.

Долота PDC

Резец PDC (polycrystalline diamond compact) — цилиндр из карбида вольфрама, на торец которого спечён слой поликристаллического алмаза толщиной несколько миллиметров: мелкие кристаллы синтетического алмаза, сращённые между собой при высоком давлении и температуре с кобальтовой связкой. Диаметр резцов обычно 13, 16 или 19 мм (реже 8–11 мм и 22 мм и больше). Кромку алмазного слоя обычно скашивают фаской — так она меньше выкрашивается при ударах. Резцы впаивают в гнёзда на лопастях (blades) корпуса долота.

Корпус бывает стальным или матричным. Стальной точат из легированной стали: он прочен, позволяет делать высокие лопасти и большие промывочные пазы, но размывается раствором со шламом, поэтому его наплавляют. Матричный спекают из порошка карбида вольфрама, пропитанного медным сплавом: он стоек к размыву и истиранию, но более хрупок и дороже.
Лопасти и расстановка резцов. У долот для мягких пород — три-четыре лопасти с крупными резцами: каждый резец снимает толстый слой, а между лопастями остаётся много места для шлама. У долот для твёрдых пород — шесть лопастей и больше, мелкие резцы и несколько резцов на одной кольцевой дорожке забоя: каждый резец нагружен меньше, и долото стойче, но в мягких породах медленнее.
Профиль долота — форма его торца в разрезе: конус в центре, вершина, плечо и калибр. Короткий плоский профиль распределяет нагрузку между резцами равномерно и лучше управляется; длинный параболический даёт больше места под резцы на плече, где они изнашиваются быстрее всего, и устойчивее работает с двигателем.
Наклон резцов. Резец ставят с наклоном назад (back rake; в терминах теории резания — отрицательный передний угол): его ось отклонена от направления движения вверх, к корпусу долота, на угол $\theta$ — обычно около 15–20°, у калибра и в долотах для твёрдых пород больше. На тот же угол режущая грань отклонена от перпендикуляра к забою, а боковая поверхность резца за кромкой приподнята над породой. Чем больше угол, тем тупее кромка встречает породу: срез тоньше, проходка медленнее, зато резец прочнее и меньше выкрашивается; при малом угле резец агрессивнее. Боковой наклон (side rake) отводит шлам к пазам.
Калибрующие поверхности (gauge pads) — продолжения лопастей по стенке ствола, армированные твёрдым сплавом или алмазом. Длинный калибр делает долото устойчивым и ствол — ровным, короткий облегчает управление направлением двигателем или роторной управляемой системой (отклоняющие инструменты).
Ограничители глубины резания (depth-of-cut control) — выступы за резцами, которые не дают резцам врезаться глубже расчётного и сглаживают колебания момента.

СхемаДолото PDC (схема, не в масштабе). Вверху — вид на торец долота с пятью лопастями со стороны забоя (отсюда вращение колонны видно против часовой стрелки): резцы на передней кромке лопастей, насадки между ними, промывочные пазы у калибра и калибрующие поверхности. Внизу — резец в работе: он наклонён назад на угол

\theta

(на этот угол его боковая поверхность приподнята над забоем, а грань отклонена от вертикали), срезает слой толщиной

\delta_{\text{р}}

, и срезанная порода поднимается перед его гранью.

Углубление за оборот и толщина среза резца

\delta = \frac{1000\,R}{60\,N}, \qquad \delta_{\text{р}} = \frac{\delta}{z}

где:

$\delta$ углубление долота за один оборот, мм/об
$R$ механическая скорость проходки, м/ч
$N$ частота вращения долота — с учётом двигателя, если он стоит в компоновке низа бурильной колонны (КНБК), об/мин
$\delta_{\text{р}}$ толщина слоя, который снимает за оборот один резец, мм
$z$ число резцов, проходящих по одной кольцевой дорожке забоя, —

Единицы: метрические: $R$ — м/ч, $N$ — об/мин, $\delta$ — мм

Справедливо, если

резцы одной дорожки равномерно разнесены по окружности и снимают равные доли углубления;
долото углубляется равномерно по всему забою, без качания и вибраций;
дорожки соседних резцов перекрываются, и толщина среза по ширине резца неодинакова — формула даёт наибольшую толщину.

При той же механической скорости рост частоты вращения делает срез тоньше, а рост скорости при тех же оборотах — толще. Толщина среза определяет силы на резце: чем она больше, тем больше момент и нагрузка на каждый резец.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

\delta\,[\text{in/об}] = \frac{12\,R\,[\text{ft/h}]}{60\,N} = \frac{R}{5N}

$R$ — футы в час, $N$ — об/мин, углубление — дюймы за оборот.

12 дюймов в футе, 60 минут в часе.

Расчётный примерСколько породы снимает один резец

Исходные данные (условные)

Долото: PDC 215,9 мм, пять лопастей, резцы 16 мм
Режим: 20 м/ч при 150 об/мин; для сравнения — 300 об/мин с двигателем при той же скорости проходки
Расстановка: в центре и на конусе — по одному резцу на дорожке, на плече — по два
Самый внутренний резец: на радиусе 30 мм

Решение

Углубление за оборот: $\delta = 1000\cdot 20/(60\cdot150) = 2{,}22$ мм.
Резец, который один проходит свою дорожку, снимает за оборот слой 2,22 мм — 14 % своего диаметра; на плече, где на дорожке два резца, каждый снимает $2{,}22/2 = 1{,}11$ мм.
Скорость скольжения резца на калибре (радиус 107,95 мм): $v = 2\pi\cdot 0{,}10795\cdot 150/60 = 1{,}70$ м/с; у резца на радиусе 30 мм — $2\pi\cdot 0{,}030\cdot 150/60 = 0{,}47$ м/с, в 3,6 раза меньше. За час резец на калибре проходит по породе $1{,}70\cdot 3600/1000 = 6{,}1$ км.
С двигателем, при 300 об/мин и той же скорости проходки: углубление за оборот 1,11 мм, скорость на калибре 3,39 м/с.

Ответ: За оборот долото углубляется на 2,22 мм, и одиночный резец срезает слой той же толщины; резец на калибре скользит по породе со скоростью 1,70 м/с — в 3,6 раза быстрее внутреннего.

Что это значит. Толщина среза в несколько миллиметров — это и есть «агрессивность» долота: чем меньше лопастей и резцов на дорожке, тем толще срез при той же скорости, тем выше скорость в мягких породах, но тем больше нагрузка на каждый резец и момент. Резцы на плече и калибре проходят за час километры и сильнее нагреваются и изнашиваются, поэтому туда ставят больше резцов. Двигатель при той же скорости проходки вдвое утончает срез, но вдвое ускоряет скольжение: в мягких и средних породах запас по толщине среза позволяет бурить быстрее, а в твёрдых абразивных высокие обороты разогревают и стирают резцы. Как скорость проходки зависит от нагрузки и оборотов, разбирают в уроке Показатели работы долота и стоимость метра. Данные примера условные.

Удары и вибрации — главный враг резцов

Алмаз твёрд, но хрупок. Резцы PDC выкрашиваются, когда долото бьёт о твёрдый пропласток, когда оно «гуляет» по забою, обкатываясь вокруг смещённого центра (вихревое движение, whirl), и при крутильных колебаниях «залипание — проскальзывание» (stick-slip), когда долото то останавливается, то срывается с места. Против этого работают устойчивые профили, ограничители глубины резания, калибр с низким трением и подбор нагрузки и оборотов на буровой.

Алмазные, импрегнированные и гибридные долота

Долота с природными алмазами (natural diamond bits) — алмазы, вставленные в поверхность матричной коронки. Каждый алмаз, как плуг, бороздит породу на малую глубину. Ими бурили самые твёрдые породы и отбирали керн; сегодня их почти вытеснили импрегнированные долота и PDC.
Термостойкие поликристаллические алмазы (thermally stable polycrystalline, TSP) — элементы из спечённого алмаза, из которого удалена кобальтовая связка. Они выдерживают гораздо более высокую температуру, чем обычные резцы PDC, но мельче и слабее; их ставят в матрицу, как природные алмазы, — в импрегнированные долота и на калибр.
Импрегнированные долота (impregnated diamond bits) — в матрицу лопастей или отдельных сегментов вкраплены мелкие зёрна синтетического алмаза. Зёрна истирают породу, матрица постепенно изнашивается, и обнажаются новые зёрна — долото «самозатачивается». Скорость проходки невелика, но ресурс в очень твёрдых абразивных породах — кварцитах, кварцевых песчаниках, кристаллических породах — большой. Нужны высокие обороты, поэтому такие долота работают с турбобуром или высокооборотным двигателем (забойные двигатели).
Гибридные долота — на одном корпусе лопасти с резцами PDC и шарошки. Резцы срезают породу, а шарошки дробят её, подготавливая работу резцов, и стабилизируют долото: колебания момента меньше, чем у чистого PDC. Их применяют в перемежающихся и твёрдых породах.

По тем же принципам устроены бурильные головки для отбора керна: кольцевые долота с резцами PDC, природными алмазами или импрегнированные, которые разрушают породу только по кольцу и оставляют в центре столбик керна (Лабораторный анализ керна).

Насадки и промывочные пазы

Ранние шарошечные долота выпускали раствор через центральный канал: струя била в шарошки, а не в забой, шлам оставался под долотом, и вооружение обрастало глиной. Современные долота промываются через гидромониторные насадки (jet nozzles) — сменные втулки из карбида вольфрама с отверстием заданного диаметра (его указывают в 1/32 дюйма). У шарошечного долота три насадки в корпусе между лапами, иногда ещё центральная; удлинённые насадки подводят струю ближе к забою. У долота PDC насадок обычно больше — до восьми и более: они направлены вдоль лопастей, очищают и охлаждают резцы и гонят шлам к пазам.

Промывочные пазы (junk slots) — каналы между лопастями у калибра, по которым раствор со шламом уходит с забоя в затрубье. Их суммарная площадь (junk slot area, JSA) — важная характеристика долота с неподвижными резцами. У долот для мягких пород лопастей мало и пазы большие («открытый торец»): крупный шлам свободно уходит. У плотно оснащённых долот для твёрдых пород пазы меньше. Если в липкой глине шлам не успевает уйти, он налипает на лопасти и резцы — долото сальникует (bit balling): резцы перестают касаться породы, скорость падает. Помогают большие пазы, правильная расстановка насадок, достаточная подача, а в химически активных глинах — ингибированные растворы и растворы на углеводородной основе (Растворы на углеводородной основе).

Расчётный примерГде шламу тесно: пазы долота и затрубье

Исходные данные (условные)

Долото: PDC 215,9 мм; площадь промывочных пазов 100 см² (условно)
Подача: 30 л/с — как в скважине урока о потерях давления при циркуляции
Над долотом: УБТ 158,8 мм, выше бурильные трубы 127 мм
Механическая скорость: 20 м/ч

Решение

Площадь забоя: $\pi\cdot 21{,}59^2/4 = 366{,}1$ см²; пазы занимают 27 % её.
Средняя скорость раствора в пазах: $v_{\text{п}} = 0{,}030/0{,}0100 = 3{,}0$ м/с.
Для сравнения, в затрубье над долотом: у УБТ площадь кольца $\pi(0{,}2159^2 - 0{,}1588^2)/4 = 0{,}0168$ м², скорость $0{,}030/0{,}0168 = 1{,}79$ м/с; у бурильных труб — 1,25 м/с.
У плотно оснащённого долота для твёрдых пород с пазами 70 см² скорость в пазах была бы $0{,}030/0{,}0070 = 4{,}3$ м/с.
За час долото выбуривает $0{,}0366\cdot 20 = 0{,}73$ м³ породы, и весь этот шлам проходит через пазы.

Ответ: В пазах раствор движется со скоростью около 3,0 м/с — в 1,7 раза быстрее, чем в затрубье у УБТ: пазы — самое узкое сечение на пути шлама с забоя.

Что это значит. Чем меньше пазы, тем быстрее в них поток и тем легче их забить крупным или липким шламом. В мягких породах долото даёт много крупного шлама, и большие пазы нужнее, чем лишние резцы; в твёрдых шлама меньше и он мельче, и пазами можно пожертвовать ради числа резцов. Перепад давления на насадках, мощность струй и подбор насадок рассчитывают отдельно (перепад на долоте, Оптимизация гидравлики долота). Данные примера условные.

Как порода выбирает тип долота

Выбор долота начинают с разреза: твёрдость и пластичность пород, их абразивность (кварц стирает и сталь, и твёрдый сплав), перемежаемость, наличие кремней и конгломератов. Затем учитывают привод (ротор, двигатель, турбобур, роторная управляемая система), требования к направлению ствола, тип раствора и экономику рейса. Таблица ниже — обзор, а не рецепт.

Разрез и типичный выбор долота

Разрез: Мягкие липкие глины, рыхлые пески
Что обычно выбирают: PDC с 3–4 лопастями, крупными резцами и большими пазами; шарошечное с длинными зубьями
Почему: много крупного шлама, нужна очистка

Разрез: Средние: аргиллиты, песчаники, известняки
Что обычно выбирают: PDC с 5–6 лопастями
Почему: срезание быстрее, рейс длинный

Разрез: Соль
Что обычно выбирают: PDC
Почему: пластичная порода хорошо срезается

Разрез: Твёрдые абразивные песчаники, доломиты
Что обычно выбирают: PDC с большим числом лопастей и защитой калибра; шарошечное с зубками
Почему: резцы и калибр быстро изнашиваются

Разрез: Перемежаемость с твёрдыми пропластками, кремни, конгломераты
Что обычно выбирают: шарошечное с зубками, гибридное
Почему: удары скалывают резцы PDC

Разрез: Очень твёрдые абразивные: кварциты, кристаллические
Что обычно выбирают: импрегнированное с турбобуром; шарошечное с зубками
Почему: срезающие резцы перегреваются

Разрез	Что обычно выбирают	Почему
Мягкие липкие глины, рыхлые пески	PDC с 3–4 лопастями, крупными резцами и большими пазами; шарошечное с длинными зубьями	много крупного шлама, нужна очистка
Средние: аргиллиты, песчаники, известняки	PDC с 5–6 лопастями	срезание быстрее, рейс длинный
Соль	PDC	пластичная порода хорошо срезается
Твёрдые абразивные песчаники, доломиты	PDC с большим числом лопастей и защитой калибра; шарошечное с зубками	резцы и калибр быстро изнашиваются
Перемежаемость с твёрдыми пропластками, кремни, конгломераты	шарошечное с зубками, гибридное	удары скалывают резцы PDC
Очень твёрдые абразивные: кварциты, кристаллические	импрегнированное с турбобуром; шарошечное с зубками	срезающие резцы перегреваются

Обзор по общим принципам; конкретное долото подбирают по опыту соседних скважин и рекомендациям изготовителя. Классификационные коды и оценка износа — Выбор долот и оценка их износа, сравнение рейсов по стоимости метра — Показатели работы долота и стоимость метра.

Привод. Высокие обороты двигателя или турбобура подходят долотам PDC и импрегнированным; у шарошечных долот ресурс опор с ростом оборотов падает.
Направление ствола. Шарошечные долота при вращении ротором обычно уводят ствол вправо, долота PDC — слабее и чаще влево (как долото уводит ствол). Для управляемого бурения выбирают долота с подходящей длиной калибра и активностью боковой кромки.
Раствор. В растворах на углеводородной основе глина меньше налипает на долото, и PDC работают в глинах лучше.
Экономика. Дорогое долото выгодно, если за рейс оно пройдёт больше и сэкономит спуско-подъёмы: сравнивают не цену долота, а стоимость метра.

Термины и обозначения

Шарошечное долото: долото с вращающимися на цапфах шарошками; разрушает породу вдавливанием и скалыванием.
Лапа, цапфа, шарошка: элемент корпуса; наклонённая ось на конце лапы; конус с вооружением, вращающийся на цапфе (leg, journal, cone).
Вооружение: зубья или зубки долота; фрезерованные зубья — стальные, твердосплавные зубки — из карбида вольфрама (cutting structure).
Периферийный (калибрующий) венец: крайний ряд зубьев шарошки, который бурит угол забоя и держит диаметр ствола (heel / gauge row).
Смещение осей шарошек: сдвиг оси цапфы относительно оси долота; заставляет шарошку проскальзывать и скоблить мягкую породу.
Опора шарошки: подшипники, на которых шарошка вращается на цапфе: качения или скольжения, открытые или герметизированные.
Долото PDC: долото с неподвижными резцами из поликристаллического алмаза на твердосплавной подложке; срезает породу.
Угол наклона резца: наклон резца PDC назад: на этот угол его ось отклонена от направления движения, а грань — от перпендикуляра к забою; определяет агрессивность и прочность резца.
Профиль долота: форма торца долота PDC: конус, вершина, плечо, калибр.
Промывочный паз: канал между лопастями у калибра, по которому шлам уходит с забоя (junk slot).
Импрегнированное долото: долото с мелкими алмазами в матрице; истирает очень твёрдые абразивные породы при высоких оборотах.
Сальникообразование: налипание шлама на долото, при котором вооружение перестаёт касаться породы (bit balling).

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Долото PDC всегда быстрее шарошечного».

На самом деле

В пластичных и средних породах — обычно да. Но в перемежающихся породах с твёрдыми пропластками, в конгломератах и кремнях резцы PDC скалываются, а в очень абразивных — перегреваются и стираются; там шарошечные с зубками, гибридные или импрегнированные долота могут пройти за рейс больше.

Неверно

«Чем больше лопастей и резцов, тем лучше долото».

На самом деле

Больше резцов — тоньше срез и меньше нагрузка на каждый резец: долото стойче в твёрдых породах, но медленнее в мягких и хуже очищается, потому что меньше места остаётся пазам. В мягких породах выигрывают долота с тремя-четырьмя лопастями и крупными резцами.

Неверно

«Обороты шарошечного долота можно поднимать без ограничений — подшипники выдержат».

На самом деле

Шарошки вращаются заметно быстрее самого долота — при угле цапфы 33° в чистом качении почти вдвое, — и опоры при высоких оборотах нагреваются и изнашиваются. Для двигателей выпускают долота с опорами под высокие обороты, но чаще ставят долота PDC.

Неверно

«Импрегнированным долотом бурят на большой нагрузке и малых оборотах, как шарошечным».

На самом деле

Импрегнированное долото истирает породу мельчайшими зёрнами алмаза: каждое зерно внедряется очень неглубоко, и скорость получают за счёт высоких оборотов — с турбобуром или высокооборотным двигателем.

Неверно

«Насадки и пазы — забота гидравлики, к выбору долота отношения не имеют».

На самом деле

Размер пазов, число и расположение насадок заложены в конструкцию долота. В липких глинах долото с узкими пазами сальникует, как бы ни были подобраны диаметры насадок.

Подробно: для продвинутых

Как катится шарошка и почему она проскальзывает

Представим шарошку правильным конусом, вершина которого лежит на оси долота на забое, а нижняя образующая — на забое. Долото вращается с угловой скоростью $\Omega$ , и точка образующей на расстоянии $s$ от оси долота движется вместе с корпусом со скоростью $\Omega s$ . Чтобы она не скользила по забою, поверхность шарошки в этой точке должна двигаться относительно корпуса с той же скоростью навстречу. Расстояние от этой точки до оси шарошки равно $s\sin\beta$ , где угол между осью шарошки и образующей равен углу наклона цапфы $\beta$ , — значит, $\omega\,s\sin\beta = \Omega s$ . Расстояние $s$ сокращается: условие выполняется сразу по всей образующей, и шарошка катится без проскальзывания.

Вращение шарошки при чистом качении

\omega = \frac{\Omega}{\sin\beta}

где:

$\omega$ частота вращения шарошки относительно корпуса долота, об/мин
$\Omega$ частота вращения долота — та же величина, что $N$ в разделе о долотах PDC; здесь в паре с $\omega$ шарошки, об/мин
$\beta$ угол наклона цапфы к горизонтали — он же угол между осью шарошки и образующей, лежащей на забое, градусы

Единицы: $\omega$ и $\Omega$ — в одних единицах

Справедливо, если

шарошка — один конус, его вершина лежит на оси долота, смещения осей нет;
забой плоский, долото не качается.

Если вершина конуса не на оси долота — оси смещены или шарошка составлена из конусов разного угла, — равенство $\omega s\sin\beta = \Omega s$ не может выполняться для всех точек сразу. Шарошка вращается с некоторой промежуточной скоростью, часть венцов отстаёт или забегает, и их зубья скребут породу. Именно этого добиваются у долот для мягких пород.

Расчётный примерКак быстро вращаются шарошки

Исходные данные (условные)

Угол наклона цапфы $\beta$: 33° (долото для мягких пород) и 36° (для твёрдых)
Частота вращения долота: 90 об/мин ротором; 200 об/мин с двигателем
Периферийный венец: 20 зубков

Решение

Отношение $\omega/\Omega = 1/\sin\beta$ : при 33° — 1,836, при 36° — 1,701.
При 90 об/мин шарошки вращаются относительно корпуса с частотой $90\cdot1{,}836 = 165$ и $90\cdot1{,}701 = 153$ об/мин; с двигателем при 200 об/мин — $200\cdot1{,}836 = 367$ об/мин (угол 33°).
Периферийный венец из 20 зубков при 165 об/мин ударяет по забою $165\cdot 20/60 = 55$ раз в секунду.

Ответ: Шарошки и их опоры вращаются в 1,7–1,8 раза быстрее долота: при 90 об/мин — около 165 об/мин, с двигателем — около 367 об/мин.

Что это значит. Это идеальное качение: у реальной шарошки со смещением и несколькими конусами скорость немного другая, но порядок тот же. Опоры работают на почти вдвое больших оборотах, чем долото, и с каждым ударом зубка воспринимают толчок, поэтому их ресурс и ограничивает рейс шарошечного долота на высоких оборотах. Данные примера условные.

Почему резцам PDC опасен нагрев

Резец, скользящий по породе, греется трением, особенно когда на нём уже есть площадка износа. Для оценки: изношенный резец на калибре, прижатый к породе силой 2 кН при коэффициенте трения 0,3 и скорости 1,7 м/с, выделяет $2000\cdot0{,}3\cdot1{,}7 \approx 1$ кВт тепла на площадке в несколько квадратных миллиметров (числа условные). Раствор отводит тепло, но кромка резца нагревается намного сильнее забоя.

Слабое место — кобальт, оставшийся между кристаллами алмаза после спекания. Он расширяется при нагреве в несколько раз сильнее алмаза (коэффициенты линейного расширения при комнатной температуре — около $13\cdot10^{-6}$ и $1\cdot10^{-6}$ на градус, при нагреве разница меньше, но остаётся многократной), и выше примерно 750 °C связи между кристаллами рвутся, а кобальт к тому же ускоряет обратный переход алмаза в графит. Резец растрескивается и быстро стирается. Поэтому из рабочего слоя у кромки кобальт вытравливают кислотой (выщелоченные резцы, leached cutters): такой слой выдерживает больший нагрев, а остальной алмаз и подложка сохраняют прочность. Полностью очищенный от кобальта алмаз ещё термостойче, но слабее — это элементы TSP.

Практический вывод — тот же, что в примере урока: в твёрдых абразивных породах высокие обороты разогревают резцы PDC на плече и калибре, и долото «сгорает» раньше, чем сотрётся механически. Там снижают обороты, ставят более термостойкие резцы или переходят на импрегнированные и шарошечные долота.

Связь с другими темами

Оптимизация гидравлики долота — подача и насадки долота, мощность и сила удара струй.
Потери давления при циркуляции — перепад давления на насадках долота и давление на стояке.
Отклоняющие инструменты и забойные двигатели — забойные двигатели, турбобуры и роторные управляемые системы; как долото уводит ствол.
Расчёт бурильной колонны — как колонна создаёт нагрузку на долото и где проходит нейтральная точка.
Бурильная колонна: трубы, замки, УБТ и ТБТ — наддолотный переводник, центраторы и вся КНБК над долотом.
Выбор долот и оценка их износа — классификационные коды долот, выбор под разрез и описание износа поднятого долота.
Показатели работы долота и стоимость метра — механическая скорость, влияние нагрузки и оборотов, стоимость метра и момент подъёма долота.
Аномальные пластовые давления: происхождение, прогноз, распознавание — d-экспонента: почему после смены типа долота тренд строят заново.
Лабораторный анализ керна — бурильные головки и отбор керна.

Проверьте себя

1
Каким способом в основном разрушает породу долото PDC?
1. А.Истиранием мельчайшими зёрнами алмаза
2. Б.Вдавливанием и скалыванием
3. В.Размыванием струями из насадок
4. Г.Срезанием слоя породы кромкой резца
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Срезанием слоя породы кромкой резца
Резец PDC движется вдоль забоя и срезает слой заданной толщины, как резец токарного станка. Вдавливанием работают шарошечные долота, истиранием — импрегнированные; струи помогают очищать забой, но породу разрушает долото.
2
Долото PDC 215,9 мм бурит 12 м/ч при 120 об/мин; на плече на каждой дорожке по два резца. Какой слой снимает за оборот резец на плече? Что изменится, если поднять частоту вращения до 240 об/мин при той же скорости проходки?
Показать ответ
Углубление за оборот $\delta = 1000\cdot12/(60\cdot120) \approx 1{,}67$ мм, резец на плече снимает половину — около 0,83 мм. При 240 об/мин углубление за оборот вдвое меньше, 0,83 мм, и срез резца на плече — около 0,42 мм; нагрузка на резец меньше, но скорость скольжения и путь резца по породе вдвое больше, поэтому в абразивных породах растут нагрев и износ.
3
Почему у шарошечных долот для твёрдых пород оси шарошек почти не смещают относительно оси долота, хотя у долот для мягких пород смещение заметное?
1. А.В твёрдой породе проскальзывание только стирает зубки, а работает вдавливание; в мягкой скобление ускоряет бурение
2. Б.Смещение расширяет ствол, а в твёрдых породах это не нужно
3. В.Без смещения долото меньше уводит ствол, а в твёрдых породах это важнее
4. Г.Смещение уменьшает нагрузку на опоры, а в твёрдых породах нагрузка мала
Показать ответ
Правильный ответ: А. В твёрдой породе проскальзывание только стирает зубки, а работает вдавливание; в мягкой скобление ускоряет бурение
Смещение уводит вершину конуса с оси долота, и шарошка проскальзывает: зубья не только вдавливаются, но и скребут породу. В мягкой породе это ускоряет бурение, а твёрдую породу скобление почти не берёт — она разрушается вдавливанием и скалыванием, и проскальзывание лишь стирает зубки. Поэтому у долот для твёрдых пород смещение около миллиметра или его нет.
4
Интервал очень твёрдых абразивных кварцитов бурят турбобуром с высокими оборотами. Какое долото подходит лучше всего?
1. А.Импрегнированное
2. Б.Шарошечное с длинными фрезерованными зубьями
3. В.PDC с тремя лопастями и крупными резцами
4. Г.Лопастное
Показать ответ
Правильный ответ: А. Импрегнированное
Импрегнированное долото истирает породу множеством мелких алмазов, работает при высоких оборотах и само обнажает новые зёрна по мере износа матрицы. Фрезерованные зубья в кварците сотрутся сразу, а крупные резцы PDC на высоких оборотах перегреются и выкрошатся.
5
Почему резцы на плече и калибре долота PDC изнашиваются быстрее, чем в центре?
Показать ответ
Скорость скольжения и путь резца по породе пропорциональны радиусу: на калибре долота 215,9 мм при 150 об/мин резец проходит около 6 км в час, а у центра — в несколько раз меньше. Кроме того, резцы на калибре режут угол забоя и стенку. Поэтому на плече ставят больше резцов на дорожку, увеличивают угол наклона, а на калибр — износостойкие элементы.
6
В пачке липкой глины долото PDC с пятью лопастями сменили на долото того же диаметра с семью лопастями и плотной расстановкой резцов. Скорость проходки резко упала, а поднятое долото облеплено глиной. Что произошло и что можно сделать?
Показать ответ
Долото сальниковало: у плотно оснащённого долота меньше площадь промывочных пазов, глинистый шлам не успевал уйти с забоя и налип на лопасти, резцы перестали касаться породы. Помогают долото с меньшим числом лопастей и большими пазами, расстановка насадок, очищающая лопасти, достаточная подача, а в активных глинах — ингибированный раствор или раствор на углеводородной основе.

Обновлено: 19 октября 2026 г.