Конструктивные особенности шарошечного долота

Конструкция вооружения и опор шарошечных долот

Шарошечное долото представляет собой породоразрушающий инструмент, в котором разрушение горной породы на забое скважины осуществляется за счет перекатывания шарошек, оснащенных элементами вооружения. Конструкция включает корпус с лапами, на которых на подшипниковых опорах установлены шарошки. Вооружение шарошек может быть выполнено в виде стальных зубьев, фрезерованных или наваренных на тело шарошки, либо в виде прессованных твердосплавных вставок. Опора шарошечного долота обеспечивает вращение шарошки относительно лапы и воспринимает нагрузки, возникающие при бурении. От типа опоры и вооружения напрямую зависят ресурс работы долота и его применимость в различных геологических условиях. Для ваших задач вы можете купить шарошечное долото в нашем каталоге.

Материалы и типы вооружения: стальные зубья и твердосплавные вставки

Вооружение шарошечных долот подразделяют на два основных типа: фрезерованные стальные зубья и твердосплавные вставки (ТСВ). Стальные зубья изготавливаются методом фрезерования на поверхности шарошки, после чего могут подвергаться упрочняющей наплавке износостойким материалом на основе карбида вольфрама. Такое вооружение применяют в мягких и средних породах, где преобладает режуще‑скалывающий механизм разрушения. Высота стальных зубьев обычно составляет 15–30 мм, угол заострения варьируется от 40 до 60 градусов в зависимости от твердости формации.

Для бурения твердых и абразивных пород используют твердосплавные вставки, изготавливаемые из карбида вольфрама с кобальтовой связкой. Вставки запрессовывают в отверстия на поверхности шарошки. Они имеют различные формы: клиновидные, конические, полусферические (ballistic, conical, chisel). Твердосплавные вставки обладают высокой стойкостью к абразивному износу, позволяя сохранять геометрию вооружения на протяжении всего времени работы долота. Радиальные и конические вставки обеспечивают дробящее и истирающее действие, а клиновидные – скалывание.

Опора: открытая и герметизированная маслонаполненная

Опора шарошечного долота – подшипниковый узел, состоящий из нескольких рядов тел качения (роликов, шариков) и подпятника. По способу защиты от абразивного воздействия промывочной жидкости различают два типа опор: открытая и герметизированная маслонаполненная.

В открытой опоре смазка осуществляется промывочной жидкостью, а тела качения находятся в прямом контакте с буровым раствором. Такой тип применяется при бурении мягких пород с небольшими нагрузками и частотами, когда ресурс опоры не является критическим. Предельная частота вращения для открытых опор обычно ограничена 100–150 об/мин, а осевая нагрузка – 15–30 тонн в зависимости от типоразмера долота.

Герметизированная маслонаполненная опора содержит уплотнение (манжету или торцевое уплотнение) и внутреннюю полость, заполненную техническим маслом. Масло смазывает тела качения, уменьшая трение и отводя тепло. Компенсатор давления выравнивает давление внутри опоры с наружным, предотвращая выдавливание смазки. Такая конструкция позволяет работать при более высоких нагрузках (до 50 тонн для долот диаметром 295 мм) и повышенных оборотах (до 250–300 об/мин). Герметизированная опора применяется при бурении твердых и абразивных пород, где требуется большой ресурс долота.

По данным исследований, проведённых в рамках классификации IADC, долота с герметизированной маслонаполненной опорой могут демонстрировать наработку на 30–50 % выше по сравнению с открытыми опорами при бурении в одних и тех же горно‑геологических условиях.

Роль гидромониторных насадок и выбор долота по формации

Принцип работы гидромониторных насадок и очистка забоя

Гидромониторные насадки – это сменные сопла, установленные в корпусе долота, которые направляют поток промывочной жидкости на забой с высокой скоростью. Скорость истечения жидкости из насадок достигает 80–120 м/с, что обеспечивает интенсивное разрушение мягких пород и удаление шлама с поверхности забоя. Конструкция гидромониторных долот предусматривает, что струя жидкости бьёт непосредственно под шарошки, улучшая охлаждение вооружения и очистку зубьев.

Количество насадок варьируется от одной до трёх; для обеспечения равномерной промывки забоя сопла обычно направлены под углом 15–30 градусов к оси долота. Гидравлическая мощность, передаваемая на долото, характеризуется гидравлической силой струи. Увеличение расхода промывки и снижение диаметра сопел повышает скорость струи, но требует большего давления от буровых насосов. Выбор диаметра насадок (обычно от 8 до 18 мм в зависимости от типоразмера долота) производится исходя из расчётного перепада давления на долоте (3–5 МПа для мягких пород, до 10–12 МПа – для твёрдых).

Критерии выбора долота для твёрдых и абразивных пород

Выбор шарошечного долота для конкретной формации определяется твёрдостью, абразивностью и трещиноватостью породы. Для твёрдых абразивных пород (например, кварцитов, гранитов, доломитов) требуются долота с твердосплавным вооружением и герметизированной опорой. Форма вставок должна обеспечивать дробящее действие: предпочтительны конические или полусферические вставки.

Для бурения в перемежающихся по твёрдости породах часто используют долота с комбинированным вооружением – на одной шарошке могут располагаться вставки разной формы. Важным критерием является размер (диаметр) долота: для больших диаметров (более 295 мм) применяют три шарошки, для меньших (до 120 мм) – одно- или двухшарошечные конструкции. Основные параметры, влияющие на выбор, приведены в нижеследующей таблице.

Режимы бурения и износ шарошечных долот

Влияние осевой нагрузки и частоты вращения на ресурс

Режим бурения – совокупность параметров (осевая нагрузка на долото, частота вращения ротора или вала забойного двигателя, расход и состав промывочной жидкости), определяющая скорость проходки и износ инструмента. Увеличение осевой нагрузки приводит к росту глубины внедрения вооружения в породу, что увеличивает механическую скорость бурения, но одновременно возрастают усилия на опорах и зубьях, что сокращает ресурс долота.

Частота вращения шарошечного долота напрямую связана с частотой ударов о забой. Для мягких пород рекомендуемые обороты составляют 150–250 об/мин, для твёрдых – 40–100 об/мин. При повышении частоты вращения выше 300 об/мин резко возрастает износ опор, особенно открытых, из‑за перегрева и усталостных разрушений. Оптимальный режим бурения подбирают эмпирически: в процессе углубления регистрируют механическую скорость, крутящий момент и вибрации. Превышение допустимой нагрузки на опору может привести к заклиниванию роликов и срыву резьбы.

Для долот диаметром 215,9 мм (8½”) с герметизированной опорой заводские рекомендации производителей обычно указывают максимальную нагрузку – 32 тонны, при частоте вращения не более 200 об/мин. Превышение этих значений повышает риск аварийного износа.

Классификация износа по системе IADC

Для оценки состояния шарошечных долот после бурения Международная ассоциация буровых подрядчиков (IADC) разработала классификацию износа. Система IADC (International Association of Drilling Contractors) описывает восемь категорий: износ вооружения (B), износ опор (G), износ калибрующей части (O), состояние уплотнений (S) и другие. Каждый параметр кодируется цифрами или буквами. Например, код вооружения «1–4» означает износ вставок от 1/4 высоты до полного исчезновения.

Основные категории износа включают:

• B – износ вооружения (средняя высота оставшихся элементов, от 0 до 8, где 0 – новый, 8 – полный износ).
• G – износ опор (от 1 до 8, где 1 – опора новая, 8 – разрушение подшипников, заклинивание).
• O – износ внешнего диаметра (потеря калибра в мм).
• S – состояние уплотнения (N – норма, L – утечка, F – отказ).

Также учитываются дополнительные факторы: наличие сколов на вооружении, термотрещины, эрозия корпуса и насадок. После каждого рейса буровая бригада фиксирует код износа долота по IADC для анализа эффективности и корректировки режимов бурения. Для оценки срока службы долота в часах часто используют показатель «наработка» (hours run), который сопоставляют с кодом износа.

Сравнение шарошечных долот с долотами PDC

Особенности применения в разных геологических условиях

Долота PDC (Polycrystalline Diamond Compact) оснащены резцами из поликристаллического алмаза, закреплёнными на корпусе. Они работают по принципу резания или стружкообразования, что эффективно в мягких и средних породах с невысокой абразивностью. Шарошечные долота, напротив, разрушают породу скалыванием, дроблением и истиранием. В твёрдых абразивных породах PDC-долота подвержены быстрому износу алмазных резцов, особенно при наличии кварцитовых включений. Шарошечные долота с твердосплавными вставками выдерживают ударные нагрузки и сохраняют работоспособность до полного износа вооружения.

В трещиноватых и разнообразных по твёрдости формациях, где возникает высокая вибрация, PDC-долота требуют антивибрационных устройств, в то время как шарошечные долота за счёт подвижных шарошек могут частично демпфировать ударные нагрузки. При бурении глубоких скважин с высокими температурами (свыше 150 °C) в PDC-долотах возможна деградация алмазно‑металлической связки, а шарошечные долота с герметизированной маслонаполненной опорой рассчитаны на температуры до 200 °C.

Преимущества и ограничения при бурении

Основные преимущества шарошечных долот:

• Возможность бурения в широком диапазоне пород – от мягких до самых твёрдых и абразивных.
• Устойчивость к ударным нагрузкам при переменной твёрдости забоя.
• Способность работать с различными типами промывочных жидкостей (вода, глинистый раствор, полимерные системы).
• Простая конструкция вооружения даёт возможность многократной перешлифовки (для стальных зубьев) или замены шарошек.

Ограничения шарошечных долот:

1. Более низкая механическая скорость проходки по сравнению с PDC-долотами в мягких и средних породах.
2. Меньшая долговечность при высоких оборотах (более 300 об/мин) и высоких нагрузках.
3. Необходимость периодической замены долота после износа опор, что увеличивает время на спуско‑подъёмные операции.
4. Ограниченная эффективность в пластичных высоковязких породах, где шарошки накапливают шлам и снижают проходку.

По данным отчётов IADC, средняя механическая скорость бурения шарошечным долотом в гранитах составляет 3–5 м/ч, в то время как PDC-долото в таких условиях показывает 1–2 м/ч из‑за быстрого износа резцов. При бурении в мергелях скорость PDC достигает 30–50 м/ч, что в 3–5 раз выше, чем у шарошечного.

Выбор между шарошечным долотом и PDC определяется технико‑экономическими расчётами, учитывающими стоимость долота, затраты времени на рейс, механическую скорость, стоимость промывочной жидкости и требования к качеству ствола скважины. Для твёрдых абразивных пород шарошечные долота остаются стандартным решением, а для мягких и средних – преимущество переходит к PDC.

Видео