Буровое долото. Чем бурят нефтяную скважину

Бурильная колонна — это собранный из бурильных труб ступенчатый полый вал, на конце которого находится долото. В свою очередь, буровое долото — это специальный породоразрушающий инструмент (колонковая бурильная головка, головка бура) для бурения нефтяных скважин. После бурения скважины, в скважину вставляют соответствующие обсадные трубы для её герметизации. В целом, бурением называют разрушение горных пород на забое (в нижней точке пробуриваемой скважины) и извлечение разрушенной породы на поверхность. Сама буровая установка представляет собой комплекс механизмов, таких как буровая вышка, буровые насосы, системы очистки бурового раствора, генераторы, жилые помещения и т.д.

Виды бурильных долот

До 90% всех буровых работ как в Казахстане, так и за рубежом выполняется роторным бурением с помощью шарошечных долот (англ. roller cone bit). Такое долото разрушает породы дробяще-скалывающим методом при вращении друг относительно друга подшипников-шарошек. Шарошки оснащены стальными зубьями различной конфигурации. Наиболее распространены трехшарошечные долота.

Фрезерные долота используют при бурении твердых пластов.

Алмазные долота применяют при вращательном бурении твердых пород на больших глубинах, когда нет возможности обеспечить нужное давление для долота. Стойкость их в разы превышает стойкость шарошечного, поскольку нет подвижных частей и отсутствует риск потери части инструмента.

Эволюция шарошечного долота

Роторное бурение, представляющее собой механический процесс вращательного бурения, использует специальный породоразрушающий инструмент (ПРИ), который крепится к концу трубы и взаимодействует с дном скважины. Существуют два основных типа ПРИ: шарошечное долото и алмазное долото.

После серии интенсивных испытаний, американский предприниматель и изобретатель Говард Робард Хьюз-старший (1869-1924) в сотрудничестве с инженером Уолтером Шарпом (1870-1912) разработали прототип двухконусного долота из дерева. Первая коммерчески успешная модель шарошечного бурового долота была запатентована в США 10 августа 1909 года. Это событие положило начало созданию компании Sharp-Hughes Tool Company, которая впоследствии была переименована в Hughes Tool Company после смерти Шарпа и продажи его акций вдовой Хьюзу-старшему. Долото Хьюза использовало два конусообразных стальных шарошечных элемента с фрезерованными зубьями.

Двухконусное роторное долото Хьюза, получившее прозвище «пожиратель камней», пробивало среднюю и твердую породу со скоростью, в десять раз превышающей скорость любого предыдущего долота. Это нововведение привело к революции в бурении нефтяных скважин. В течение следующих двух десятилетий роторное бурение шарошечными долотами в значительной степени заменило все другие методы бурения на нефтяных месторождениях. В 1933 году инженеры Hughes Tool создали трехконусное вращающееся долото, а с 1934 по 1951 год доля рынка Hughes приблизилась к 100%. Благодаря шарошечному долоту своего отца Хьюз-младший стал одним из богатейших людей в мире. В 100-летний юбилей двухконусного бурового долота Хьюза, Американское общество инженеров-механиков (ASME) 10 августа 2009 года признало его исторической достопримечательностью машиностроения.

К концу первой трети XX века роторное бурение полностью завоевало нефтяную отрасль. Изменения в конструкции оборудования и технологии привели к более чем десятикратному увеличению скорости проходки и снижению себестоимости буровых работ, при этом глубину скважин удалось увеличить до 3–4 км. Однако этот метод имел свои недостатки, включая громоздкость бурового инструмента: при глубине скважины в 4 км колонна бурильных труб весила более 200 тонн, и основная часть энергии тратилась именно на вращение колонны, а не на углубление самой скважины. Решение этой проблемы было найдено путем размещения двигателя, вращающего долото, в глубине скважины.

Первым таким устройством стал турбобур, созданный в 1922 году советским ученым Матвеем Капелюшниковым (1886-1959). Современный турбобур — это многоступенчатый гидравлический двигатель. Этот метод позволяет работать долоту за счет двигателя, расположенного непосредственно над долотом. При этом способе бурения вся компоновка не вращается, а вращается только нижняя часть. Двигатель работает за счет напора глинистого раствора, который подается через бурильные трубы. Буровой раствор, нагнетаемый в скважину для промывки забоя, вращает роторы, усилие с которых передается на долото. Позднее появились и другие виды погружных двигателей, например, электрический и винтовой. В настоящее время на бурение с применением забойных двигателей приходится более 90% работ. При этом само бурение происходит с чередованием направленного (без вращения всей колонны) и роторного режима (с вращением колонны). Именно этот способ бурения позволил строить не только вертикальные, но и горизонтальные скважины.

Особенности шарошечных долот

Современное шарошечное долото состоит из трех шарошек, на которых находятся специальные зубки, выполненные из особо прочных материалов, таких как карбид вольфрама. К ним подходят промывочные устройства, через которые под большим давлением подается специальный бурильный раствор. Шарошки легко вращаются и зубцы просто дробят и разрушают породу.

Твердость породы является одним из ключевых факторов, которые учитываются при выборе подходящего бурового долота. Режущая структура долота меняется в зависимости от породы. Более мягкие породы бурятся шарошечным долотом с широко расположенными длинными выступающими зубьями. В то время как более твердые пласты бурятся долотами с меньшим расстоянием и более короткими зубьями. Шарошечные долота универсальны и могут прорезать многие типы пластов.

Также долота дополнительно классифицируются по их внутренним подшипникам. Каждое долото имеет три вращающихся конуса, и каждый из них будет вращаться вокруг своей оси во время бурения. Вращение бурильной трубы будет происходить по часовой стрелке, а шарошки — против часовой стрелки. Каждый шарошек вращается вокруг своей оси с помощью подшипника. Опять же, подшипники подразделяются в основном на три типа: долота с открытым подшипником, долота с герметичным подшипником и долота с цапфовым подшипником.

Долота с открытым подшипником обеспечивают легкий доступ к подшипникам и позволяют быстро заменить их при необходимости. Долота с герметичным подшипником защищают подшипники от попадания в них бурового раствора и других внешних воздействий, что продлевает их срок службы. Долота с цапфовым подшипником используются в условиях, требующих высокой нагрузки на долото, так как они обеспечивают большую устойчивость и долговечность.

Все эти инновации и улучшения в технологии бурения и конструкции долот способствовали значительному прогрессу в нефтяной промышленности, позволяя бурить глубокие и сложные скважины с высокой эффективностью и надежностью. Это, в свою очередь, привело к расширению возможностей исследования и добычи нефти и газа, способствуя развитию глобальной энергетической инфраструктуры.