Бурение недр для поиска углеводородов требует выполнения операции спуска долот на колонне бурильных трубах или на гибких НКТ и их вращения с помощью поверхностной буровой установки или забойного двигателя и турбины. Выбор наилучшего долота для определенных условий является одной из проблем, с которой приходится сталкиваться нефтяным компаниям и буровым подрядчикам при планировании строительства скважины.

Основной инструмент буровых инженеров, то есть долото для вращательного бурения, которое в широком смысле слова классифицируется как долото с фиксированными рез-цами или как шарошечное долото, предназначен и изготовлен для различных пород и широкого спектра условий. Все, кто покупают и используют долота, должны понимать разницу между различными типами и конструкциями (рис. 72).

Долота с фиксированными резцами, или лопастные долота, имеют лопасти, составляющие с корпусом одно целое и вращающиеся одновременно с ним. Стальные лопастные долота, которые также называют долотами типа «рыбий хвост» из-за их характерного вида, применялись для вращательного бурения до 1900 года, и они резали мягкие породы, как плуг нарезает борозды в грунте. Современные долота с фиксированными резцами с поверхностями, армированными алмазами, также «пропахивают» породы; долота, в которых алмазы импрегнированы в матрице лопастей, «истирают» породы; долота PDC срезают породу аналогично токарному станку.

Шарошечные долота имеют металлические шарошки, которые независимо вращаются во время вращения долота на забое. Каждое долото имеет режущее элементы, т.е. упрочненные твердым сплавом стальные зубья или вставки из карбида вольфрама, которые раскалывают, разрушают, долбят или крошат породу подобно зубилу или скребку, в зависимости от твердости породы. Шарошечные долота обеспечивают более глубокое бурение, и их часто считают долотами для проходки твердых пород, поскольку они могут бурить более твердые породы, чем режущие долота ранних конструкций

Рис.72 Буровые долота

Буровые долота составляют только долю — от одного до пяти процентов—от общей стоимости скважины, но являются основным компонентом экономики строительства скважины. Время, необходимое для бурения скважины, напрямую зависит от скорости бурения долота и от продолжительности его работы до износа. На основе отношения стоимости проходки одного фута инвестирование в правильно подобранное долото значительно снизит время бурения и количество спуско-подъемных операций. Для бурения неглубоких скважин с помощью наземных установок могут вполне подходить менее дорогие стандартные шарошечные долота. Усовершенствованные шарошечные долота или долота PDC с более высокой механической скоростью проходки и большим сроком службы, даже если они стоят дороже, могут быть самым экономически выгодным выбором при бурении в море и более глубоких скважин, где высока стоимость времени использования буровой установки и стоимость спуско-подъемных операций, необходимых для замены долот. Независимо от применения стоимость покупки оптимизированных долот затем многократно окупается.

Первое шарошечное долото с тремя шарошками было запатентовано компанией «Ховард Хьюз» в 1909 году. Компания «Си Эс Рид» (C.S. Reed) усовершенствовала шарошечное долото в 1916 и 1917 году путем применения сменных двойных дисков и четырех вращающихся шарошек. Эти первые шаги в деле эволюции долот позволили продвинуть враща-тельное бурение за пределы границ глубины и срока службы стальных лопастных долот. С тех пор усовершенствования затрагивали то кон-струкцию шарошек, то структуру резцов. Эти усовершенствования предусматривали: армирование шарошек более твердым металлом, навариваемым на стальные зубцы; применение антифрикционных роликовых подшипников с шариковым замковым подшипником, удерживающим шарошки; вставок из карбида вольфрама, самосмазывающихся герметичных роликовых подшипников и подшипников скольжения.

Эта тенденция продолжается в настоящее время, о чем свидетельствуют новые конструкции подшипников и систем герметизации, усовершенствованные системы удержания шарошек, улучшенные режущие элементы с упрочнением карбидом вольфрама и алмазным композитом, которые обеспечивают превосходные рабочие характеристики и надежность, особенно в труднопроходимых твердых породах, при высокоскоростном бурении с использованием забойных двигателей или турбин.

Комплексное применение отдельных элементов и усовершенствований в конструкции долот для специфических условий позволяет улучшить процесс бурения и увеличить срок службы долот путем увеличения величины нагрузки на долото и повышения стойкости шарошечных долот.

Долота с фиксированными резцами также были подвержены эволюции по отношению к первым лопастным долотам за счет использования природных алмазов и синтетических поликристаллических алмазов (PDC) на режущих элементах. Долота с фиксированными резцами не имеют подвижных деталей, а только режущие поверхности, которые подвержены износу, и в некоторых случаях они могут бурить быстро в течение длительного периода времени. Природные алмазы впервые использовали примерно в 1910 году для специальных керноотборных долот, которые бурят ствол скважины по кольцу, а полученный столб породы, или керн, извлекают с помощью специальной колонковой трубы для оценки породы. Алмазные долота для сплошного бурения на забое скважины были внедрены в начале двадцатых годов двадцатого века. На основе технологии, разработанной компанией «Дженерал Электрик», которая позволяет импрегнировать синтетические алмазы в карбид вольфрама, первые долота PDC получили промышленное применение в начале семидесятых годов прошлого столетия.

Усовершенствования в долотах с фиксированными резцами стали возможными благодаря применению улучшенных материалов и технологий производства в сочетании с лучшим пониманием вопросов стабильности долот и динамики промывочной жидкости. Усовершенствованные режущее вооружение и конструкции долот сводят к минимуму неустойчивое забойное движение или вибрацию, обеспечивая более быстрое и эффективное бурение. Для режущих элементов обеспечивается совместимость с разбуриваемыми породами или с условиями бурения. Было создано новое поколение долот PDC, отвечающих сложным требованиям наклонно-направленного бурения, а усиленные долота с импрегнированными алмазами также находят новые области применения.

Усовершенствование гидравлики долота и режущего вооружения позволили получить более совершенную конструкцию шарошечных долот и долот с фиксированными резцами. Полномасштабное испытание и компьютерное моделирование улучшили наше понимание взаимосвязи потока промывочной жидкости, очистки долота и удаления шлама, что позволило еще больше повысить производительность бурового долота. Компьютерное моделирование расчетной динамики промывочной жидкости (CFD), подобное моделированию, примененному для проектирования корпусов автомобилей, самолетов и морских судов, позволило проектировщикам оптимизировать гидравлику шарошечных долот и долот с фиксированными резцами для получения более высокой механической скорости проходки.

Усовершенствованные программы проектирования в настоящее время позволяют коррелировать литологию и прочность пород с различными типами долот, чтобы помочь операторам в выборе необходимых долот. Базы данных большой емкости регистрируют и отслеживают ход бурения и полученные ре-зультаты, что помогает в выборе шарошечных долот и долот с фиксированными резцами, и создают основу для непрерывного усовер-шенствования и последующего развития.

По мере улучшения конструкции и технологии изготовления исчезают границы между шарошечными долотами и долотами с фиксированными резцами. Исследования и разработки позволяют повысить надежность, усовер-шенствовать интегрированную конструкцию, улучшить гидравлику и стабильность для всех типов долот. Хотя это наделяет бурильщиков большими возможностями, это также значительно усложняет процедуру выбора долот.

Буровые долота и новые скважинные инструменты в сочетании с опытом сервисных служб экономят операторам время и деньги. В данной статье делается обзор шарошечных долот, долот PDC с фиксированными резцами и алмазных долот, а также последних разработок, включая весь диапазон конструкций, материалов и методов изготовления, которые значительно улучшают буровые характеристики и помогают бурильщику подобрать долота для определенного типа породы или условий бурения.