Бурильное долото – важнейший компонент эффективного бурения скважин
Выбираем долото, ориентируясь на применение
При бурении нефтяных, газовых и прочих скважин основным способом разрушения горных пород является механический. Существует несколько видов бурения: сплошное, колонковое, бурение для расширения ствола скважины, для выполнения в скважине спецработ и др. Неотъемлемая часть технологии – использование буровых долот, или искусственно отлитых из металла матриц, на которые монтируются дополнительные детали, такие как шарошки, режущие пластины, зубцы и т. д. Условно долота можно разделить по назначению: для бурения крепких пород, твердых, средней твердости и долота, рассчитанные на бурение мягких пластов.
До 90% всех буровых работ как в России, так и за рубежом в настоящее время выполняется с помощью шарошечных долот. Такое долото разрушает породы дробяще-скалывающим методом, используемым в технологии вращательного бурения. Вооружением долота являются шарошки, которые оснащены стальными и/ или твердосплавными зубьями различной длины и конфигурации либо впрессованными в шарошку штырями из спекаемого карбидовольфрамового порошка – очень твердого материала. В качестве режущих элементов вооружения долот используют также сплавы из никеля, вольфрама, титана, причем видов твердых сплавов очень много.
Кинематика работы шарошки заключается в том, что при вращении долота шарошка совершает сложное перемещение, участвуя в относительном движении вокруг собственной оси и во вращательном движении вокруг оси долота. При сложении двух вращательных движений шарошка совершает поворот вокруг некоторой мгновенной оси. В зависимости от положения этой мгновенной оси меняется и характер взаимодействия зубца с породой. При перекатывании шарошки по забою передача нагрузки на породу носит кратковременный характер, и это уменьшает износ долота. А возникающие при этом динамические нагрузки способствуют интенсивному разрушению породы. Большое число породоразрушающих зубьев, установленных в шарошке, обеспечивают равномерное распределение нагрузки в инструменте, и при незначительной площади контакта шарошки с породой на последнюю воздействует высокое удельное давление.
Наибольшее распространение в бурильной отрасли получили трехшарошечные долота, хотя производятся и одно-, и двухшарошечные.
Надо отметить, что сегодня шарошечные долота представлены на рынке большим числом модификаций. Кроме разделения долот по количеству шарошек, существуют долота различных размеров, типов, классов. Например, если рассмотреть трехшарошечные долота, то рынок предлагает 26 типоразмеров таких долот, представленных более чем 150 моделями. Исходя из видов пород, для бурения которых трехшарошечные долота разрабатывались, модели долот разделены на 13 групп, а поскольку в шарошках используются различные твердосплавные материалы, то шарошечные долота подразделяются еще и на 3 класса в зависимости от сплавов, задействованных в вооружении долот.
Популярность шарошечные долота получили благодаря универсальности, хорошей управляемости, особенно при бурении наклонных участков, а также низкой цене. Но при этом шарошечные долота работают с низким крутящим моментом, за счет чего скорость проходки невысокая, а плохая износостойкость, во-первых, заставляет достаточно часто извлекать долото из скважины для замены, а во-вторых, за счет износа вооружения долота диаметр скважины уменьшается с увеличением глубины, и после шарошечного бурения приходится калибровать ствол скважины, например, алмазным долотом.
Еще один распространенный вид буровых долот – лопастные. Наиболее часто применяются они для того, чтобы в короткое время разбуривать мягкие и средние по твердости породы. Долотами этого типа пользуются в том числе и при бурении скважин на воду. За счет высокой скорости проходки в рыхлых и мягких породах за рейс, а это полное время работы долота в скважине до его подъема на поверхность, бурят скважины глубиной в несколько сотен метров, иногда до 2000 м!
Лопастные долота имеют более простую конструкцию, чем шарошечные, и себестоимость их изготовления дешевле. Но режущие элементы долот постоянно находятся в контакте с породой, и в связи с этим лопастные долота изнашиваются намного быстрее шарошечных. В настоящее время применяются лопастные долота Ø76–445 мм пяти видов: однолопастные пикообразные (П), двухлопастные (2А), трехлопастные (3А), трехлопастные истирающе-режущие (ЗИР) и шестилопастные (6ИР).
Конструкция фрезерных долот еще проще, чем устройство лопастных. Фрезерные представляют собой корпус, в торцевой части которого закреплены специальные штыри или твердосплавные вставки, а на всю торцовую часть нанесен слой металла высокой твердости. Такой вид долот предназначен для выполнения нестандартных задач: фрезерные долота применяют, когда необходимо пройти участок в особо твердых пластах, также они незаменимы при удалении оставшихся в стволе скважины после аварии металлических фрагментов бурового инструмента. Для традиционных видов бурения этот инструмент не очень подходит, поскольку скорость проходки очень мала, к тому же фрезерные долота неэффективны при бурении вязких и мягких пород.
Алмазные долота, которые еще называют секторными, применяются для разрушения неабразивных пород средней и высокой твердости. Рабочим органом этого инструмента является основание с поликристаллическими композитными вставками. Если основание используется стальное, то поликристаллические алмазы монтируются в основание с помощью пайки, если же основанием является порошковая матрица, то алмазы внедряются в материал матрицы по специальной технологии.
У алмазных долот много положительных эксплуатационных качеств, а именно: они формируют при бурении геометрически круглый ствол скважины, в отличие от ствола треугольной формы со скругленными вершинами, получаемого после бурения шарошечными долотами. Поверхность стенок ствола при «алмазном» бурении получается очень гладкой, а кроме того, алмазные долота отличаются износостойкостью. К тому же отсутствие в конструкции подвижных частей также увеличивает надежность алмазного инструмента.
Но есть и негативные факторы. Во-первых, это высокая цена алмазного долота. Во-вторых, эти долота не работают с абразивными породами, а значит, имеют довольно ограниченную область применения. «Минусом» инструмента является и то, что ствол скважины перед бурением алмазным долотом необходимо специально готовить, в частности предварительно пройти шарошечным долотом, а это не всегда удобно.
Разновидностью алмазных долот являются PDC-долота (Polycrystalline Diamond Cutter Bits). Особенностью этого инструмента, изготовленного по новейшей технологии в отрасли, является то, что долота изготавливаются из высококачественной стали и армируются алмазными поликристаллическими резцами. PDC-долота бывают шарошечными, лопастными, фрезерными. Размер и количество резцов зависит от числа лопастей или шарошек, а также диаметра долота. Долота PDC, обладающие высокой износостойкостью, демонстрируют скорость проходки, превышающую в 2–3 раза скорость, достигаемую обычными шарошечными долотами. Универсальность этих долот позволяет с их помощью бурить скважины для добычи нефти и газа, для снабжения населения водой или делать геотермальные скважины для работы тепловых насосов.
Ведущие производители долот немногочисленны
Производством буровых долот в России занимается ограниченный круг предприятий. Это связано, с одной стороны, с небольшой емкостью рынка долот, на уровне 90–100 тыс. ед., а с другой – со значительными затратами на организацию высокотехнологичного производства. Выпуск качественного бурового инструмента требует систематических инвестиций в производство, закупку современного оборудования, приобретения новейших технологий, привлечения высококвалифицированных специалистов в компании.
Лидерами в области разработки и производства бурового инструмента для нефтегазового комплекса страны сегодня являются российские компании АО «Волгабурмаш» и НПП «Буринтех». Эти крупные предприятия ориентируются на обеспечение шарошечными долотами и долотами с фиксированной головкой, в том числе и алмазными, нефтегазовой отрасли, а это означает, что весь производимый этими предприятиями инструмент должен отвечать ряду специальных требований. Ведь долота обеспечивают бурение скважин глубиной до 6000 м и участвуют в очень сложных технологических процессах, таких как шельфовое бурение или бурение в эксплозивных условиях. Интенсивность буровых работы в этом секторе экономики обязывает поставлять инструмент особой надежности, и это требование находит отражение в усиленных деталях конструкций поставляемого инструмента. Кроме того, в шарошечных долотах опорный подшипник должен быть герметически защищен, поэтому на все долота этого типа устанавливают дополнительные уплотнения. Бурильный инструмент оснащается фрезерным и твердосплавным вооружением. Производятся долота как для бурения сплошным забоем, так и бицентричные, у которых бурение совмещается с расширением диаметра ствола скважины.
Среди производителей бурового инструмента можно назвать холдинг «Таргин», входящий в 500 крупнейших компаний России. Компания «Таргин» разработала собственные буровые долота PDC под торговой маркой «Таргин Тарбит».
В линейке, предлагаемой предприятием, долота и буровые головки для бурения скважин от 42 до 490 мм. Компания предлагает также услуги по восстановлению изношенных и поврежденных PDC-долот с сохранением первоначальных свойств и технических параметров.
Для водоснабжения, для строительной, горнорудной и других отраслей нашей экономики главными поставщиками долот являются предприятия ОАО «Уралбурмаш» и ЗАО «Гормаш». Поскольку долота, используемые в горнорудной отрасли, не так нагружены, как у нефтяников и газовщиков, то предприятия производят стандартные недорогие долота. Для строительной отрасли глубина бурения не превышает 30 м, для водоснабжения иногда требуются скважины глубиной до 300 м, но не более. Для строительного бурения и при буровых работах в горнорудном производстве используются главным образом шарошечные и лопастные долота, а вот долота с фиксированной головкой практически не встречаются.
Инструмент для бурения инженерно-геологических, гидрогеологических, поисковых скважин, долота для установки буронабивных свай и и укрепления фундаментов производит ООО «Завод буровых технологий» из Санкт-Петербурга. Предприятие предлагает серию долот PDC в качестве альтернативы шарошечным долотам при бурении скважин в песчаниках, известняках, аргелитах. Завод также выпускает классические шарошечные долота различных модификаций для бурения твердых малоабразивных пород и твердых с пропластками очень твердых. Для бурения мягких и средней твердости пород ЗБТ предлагает 2- и 3-лопастные шнековые долота ТМ «Карьер». Главной особенностью этих долот является то, что лопасти имеют оригинальную ступенчатую форму, что позволяет добиться более высоких скоростей бурения и повышает износостойкость инструмента.
Большой спектр бурового инструмента предлагает предприятие «Буровой инструмент» из Кургана. В предлагаемом ассортименте шнековые долота, долота для малогабаритных бурильных установок (МГБУ), а также долота с боковой и центральной промывкой. Завод освоил производство лопастных долот, предназначенных для бурения геологоразведочных шурфов и скважин в трещиноватых абразивных горных породах.
Для геологических партий, а также для предприятий, занимающихся частным бурением, предприятие выпускает пикабуры, применяемые при бурении мягких и средних пород. Для сооружения водных скважин пикабуры являются оптимальным инструментом, поскольку они обеспечивают высокую скорость бурения и продуктивность работы при небольшой стоимости.
Конструкторы предприятия из Кургана разработали также долота PDC с резцами из поликристаллических алмазов. Оптимальное количество резцов размещается на минимальном числе лопастей, что позволяет достичь высоких скоростей бурения, а благодаря износостойким резцам инструмент эффективен при работе с породами мягкими и твердыми. Причем в качестве опции долото может комплектоваться резцами повышенной стойкости для бурения пород с пропластками до V–VII категорий твердости.
Надо сказать, что в мире насчитывается не более трех десятков компаний, серьезно занимающихся разработкой и производством бурового инструмента, а свыше 80% мирового рынка находится под контролем всего нескольких транснациональных компаний, таких как National Oilwell Varco, Schlumberger, Halliburton и Baker Hughes. Высокая концентрация производства связана, как и в России, с ограниченностью спроса бурового инструмента и большими затратами на организацию производственного цикла.
GemDrill-Gemsa, SEG – один из ведущих в мире производителей и поставщиков буровых установок и бурильного оборудования для горнодобывающей промышленности. Компания работает более чем в 86-ти странах. При создании продукции и организации сервиса основное внимание GemDrill уделяет обеспечению максимальной безопасности оператора, высокой производительности и энергоэффективности, а также эргономике оборудования.
В обширной производственной линейке компании есть буровые установки для самых разных видов работ, для бурения под землей и с поверхности земли, включая поиск полезных ископаемых, горные разработки, бурение скважин в отраслях гидрологии и энергетики, а также в целях развития инфраструктуры.
Буровые установки GemDrill универсальны и имеют низкую стоимость владения. Все установки комплектуются высококачественными узлами и деталями, произведенными в соответствии с правилами «Безопасности машин» Евросоюза и имеют соответствующую маркировку.
На нашем рынке инструмент для буровых работ активно предлагают многочисленные зарубежные производители, в основном из США, Европы и, конечно, Китая. Интересно, что качество наших долот, как правило, не уступает показателям аналогичной импортной продукции, однако стоимость российского инструмента оказывается минимум на треть дешевле. А есть примеры, когда цена российского долота была ниже на 300% по сравнению с ценой предлагаемого «брендового» из-за рубежа!
Но к сожалению, наши предприятия выдерживают пока мощный натиск зарубежных конкурентов только благодаря низким ценам на свою продукцию. Видимо, без активных действий по объединению мелких отечественных предприятий в холдинги, а также без использования мощных рычагов поддержки своего производителя в форме государственных защитных протекций конкурировать российским предприятиям, выпускающим буровой инструмент, с мировыми гигантами будет очень и очень сложно.
