Разрушение горных пород при бурении скважин алмазным буровым инструментом

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

В. В. Нескоромных

М. С. Попова

Л. Баочанг

Разрушение горных пород 

при бурении скважин 

алмазным буровым инструментом

Монография

Красноярск

СФУ
2020

УДК 622.232 
ББК 33-1 
Н552 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
А. Я. Третьяк, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Нефтегазовые техника и технологии» Южно-Российского государственного политехнического университета имени М. И. Платова; 
А. Г. Вахромеев, доктор геолого-минералогических наук, доцент ВАК 
по специальности 25.00.14, начальник геологического отдела Иркутского филиала ООО «РН-Бурение» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Нескоромных, В. В. 
Н552 
 
Разрушение горных пород при бурении скважин алмазным 
буровым инструментом : монография / В. В. Нескоромных, М. С. Попова, Л. Баочанг. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2020. – 268 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-4413-9 
 
 
Рассмотрены процессы, возникающие при механическом вращательном 
способе бурения горных пород современными буровыми инструментами  
с алмазным вооружением, с учетом динамических процессов, влияния среды 
и сопротивления горных пород, а также линейной скорости приложения 
усилий резания-скалывания и раздавливания. Уделено внимание теории  
и совершенствованию конструкций буровых инструментов, вооруженных 
резцами типа PDC, алмазным однослойным и импрегнированным инструментами. 
Предназначена специалистам, научным сотрудникам и аспирантам, интересующимся вопросами бурения скважин, проектирования буровых инструментов, совершенствования технологий бурения. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 622.232 
ББК 33-1 
 
 
ISBN 978-5-7638-4413-9 
© Сибирский федеральный университет, 2020 

Введение

Одной из основных тенденций развития технических средств

и технологий бурения скважин различного назначения, в первую очередь разведочного бурения на твердые полезные ископаемые и бурения скважин с целью освоения месторождений углеводородного сырья, является совершенствование буровых инструментов. В этом направлении достигнуты значительные результаты, что связано, прежде 
всего, с использованием современных сверхтвердых материалов, таких как синтетические алмазы различной крупности, поликристаллические алмазные пластины, которыми вооружаются долота и коронки
с резцами PDC, а также с созданим новых композиционных материалов, различных новых конструкций буровых инструментов, в которых 
использованы новые материалы [4; 11; 12; 23; 39; 49; 50; 61; 71; 73; 
84; 94; 95].

Для повышения качества бурового инструмента применяют сис
темы компьютерного моделирования вооружения и систем промывки 
долот и буровых коронок. Системы проектирования бурового инструмента, созданные ведущими компаниями, обладают значительной 
базой данных об отработанных в различных регионах мира долотах.
В результате при проектировании новых долот учитывается большой
объем промысловых данных, что позволяет создавать практически 
совершенные буровые инструменты на основе вариационного моделирования с проработкой многих вариантов и условий их применения
[36; 42; 43; 54; 73; 89]. 

Ресурс долот, особенно с термостойкими резцами PDC типа TSD, 

составляет от нескольких десятков и сотен метров до тысячи и более 
метров, а механическая скорость бурения может достигать нескольких 
десятков метров в час, в среднем 20–40 м/ч [36; 62]. 

При бурении средних по твердости горных пород с присутстви
ем пропластков твердых пород или при бурении достаточно мощных 
слоев твердых горных пород проявляются более низкие эксплуатационные показатели долота с резцами PDC. В этом случае скорость бурения такими долотами не превышает нескольких метров в час, а ресурс снижается до 100–200 м проходки. Для создания долот с круп

ными резцами типа PDC ведутся перспективные работы по конструированию долот для бурения твердых пород. Это направление также 
одно из приоритетных в разработке новых типов буровых инструментов.

В настоящее время для создания буровых инструментов приме
няют в основном искусственные алмазы: импрегнированные – для 
самых твердых горных пород и однослойные – для пород средней 
твердости и твердых. В сочетании с методами компьютерного моделирования достигнуты высокие эксплуатационные показатели. При 
этом импрегнированный инструмент развивается более интенсивно, 
демонстрируя лучшие показатели при бурении практически всех типов горных пород.

Один из главных аспектов актуальности дальнейших работ

по исследованию разрушения горных пород инструментами, оснащенными алмазными резцами и резцами типа PDC при бурении 
скважин, заключается в том, что реальная физическая картина динамики, с учетом скорости резания-скалывания, до настоящего времени 
комплексно не изучена и детально не описана [8; 9; 12; 84; 88; 95].
К этой проблеме вплотную примыкает исследование возможностей 
повышения ресурсных показателей алмазных коронок, буровых головок и долот с резцами PDC применительно к технологии бурения 
глубоких скважин как ВЗД, так и верхним приводом с использованием забойных телеметрических систем и систем компьютерного сопровождения. Поэтому весьма актуальны более глубокие аналитические и экспериментальные исследования проблемы, восполняющие 
пробелы в данной области, что позволит совершенствовать методики 
проектирования бурового инструмента, в том числе системы компьютерного моделирования, используемые при проектировании новых 
типов и серий буровых долот, бурильных головок и коронок для геологоразведочного бурения.

Монография подготовлена в рамках сотрудничества с универси
тетами Китая. В подготовке монографии приняли участие профессор 
Дзилинского университета (г. Чанчунь) Лиу Баочанг и докторант Китайского геологического университета (г. Ухань) А. В. Чихоткин.

1. Обзор и анализ технического уровня 

разрабатываемого бурового инструмента, 

оснащенного резцами PDC

1.1. Обзор и анализ конструкции резцов типа PDC

и буровых инструментов с данным типом вооружения. 

Основные результаты и механизм разрушения

Современные буровые долота, буровые головки и коронки

с резцами для бурения мягких пород, пород средней твердости с прослоями твердых изготавливают путем спекания либо прессования поликристаллических алмазов, которые отличаются от иных композиционных алмазосодержащих материалов (например, славутич) тем, 
что имеют жесткий каркас-пластину из сросшихся алмазных зерен.
К таким материалам, получившим название PDC (polycrystalline diamonds cutters), относится созданный в 1976 г. компанией General Electric (CША) материал StratapaxТМ. Компания De Beers (ЮАР) выпускает его под названием SindetТМ [4; 5; 8; 23; 33; 36; 49; 65]. 

В 80-е г. ХХ в. Институт сверхтвердых материалов (Киев, Украин
ская ССР) совместно с ВНИИалмаз (Москва, Россия) также разработали 
несколько марок поликристаллических алмазов на твердосплавной WCподложке аналогичных PDC. Материал АТП (алмазные твердосплавные 
пластины – термин, которым названы резцы с использованием поликристаллических алмазов) применялся преимущественно для оснащения 
бурового инструмента [5; 12; 36; 55–57].

PDC и резцы с АТП получили широкое распространение по
скольку не уступают по эксплуатационным качествам крупным природным алмазам. С применением сверхтвердых материалов изготавливаются долота, коронки, расширители, которые успешно заменяют 
шарошечные долота, твердосплавные коронки, традиционный алмазный инструмент с резцами из природных алмазов, обеспечивая высокий ресурс бурового инструмента [4; 5; 23; 36].

Резцы PDC с пластинами StratapaxТМ способны бурить как мяг
кие породы с высокой механической скоростью, так и твердые
с удовлетворительными механической скоростью и стойкостью бурового инструмента. Именно поэтому буровые инструменты, армированные резцами c пластинами StratapaxТМ, наиболее эффективны при 
бурении в разрезах, представленных породами перемежающейся 
твердости и при наличии высокоабразивных горных пород [36; 81]. 

Таким образом, с появлением резцов с пластинами StratapaxТМ

удалось получить универсальный буровой инструмент, удовлетворяющий достаточно противоречивым требованиям процесса разрушения мягких пород резанием
и твердых пород резанием
скалыванием и раздавливанием.

В бурении используются твердосплавные пластины StratapaxТМ

толщиной 3,5 мм c поликристаллическим покрытием алмазов 0,5 мм. 
Алмазный слой состоит из спеченных между собой кристаллов размером 60–150 мкм. Твердость пластин, измеренная на приборе 
ПМТ-3, составляет 50–80 ГПа. Твердосплавная подложка пластины 
состоит из твердосплавной шихты, содержащей 95 % карбида вольфрама и 5 % кобальта. Формование пластин осуществляется либо спеканием, либо прессованием.

Сравнение эксплуатационных свойств PDC, природных алмазов

и твердого сплава с содержанием кобальта 6 % свидетельствует о том, 
что основные свойства поликристаллических алмазов сопоставимы
с природными.

Существенное колебание твердости природных алмазов объясня
ется анизотропией их структуры, тогда как кристаллы искусственных 
поликристаллических алмазов изотропны, т. е. физико-механические 
свойства кристаллов одинаковы во всех направлениях. Это способствует повышению прочности и износостойкости синтетических алмазов.
По сравнению с твердым сплавом прочность синтетических поликристаллических алмазов на сжатие выше на 70 %, а твердость – на 250 %. 
Износостойкость пластин StratapaxТМ выше, чем природных алмазов,
и в 100–150 раз превышает износостойкость твердого сплава. Основные 
характеристики пластин типа StratapaxТМ, природных алмазов и твердого сплава ВК6 приведены в работах [36; 81].

При расстановке резцов на торце долота чаще всего передний 

угол установки резцов PDC задается производителями одинаковым
с учетом прочностных свойств горных пород. В этом случае слабо учитываются некоторые особенности динамики работы резца и гидродинамических процессов в процессе работы долота на забое скважины.

При бурении осадочных пород – в сравнении с твердосплавным 

инструментом – использование PDC позволяет повысить скорость 
бурения в 1,5–5 раз и стойкость – в 5–15 раз.

Резцы из поликристаллических алмазов состоят из слоя алмазов 

1, твердосплавной подложки 2 и корпуса резца 3 (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Виды пластинок и резцов PDC и возможные формы: 

1 – поликристаллические алмазы; 2 – подложка из твердого сплава; 

3 – корпус резца

Для повышения прочности соединения алмазного слоя 1 с твер
досплавной основой 2 поверхность пластины может выполняться не 
плоской, а рифленой, с насечками, а для снижения скалывания края 
пластин кромки выполняются скошенными.

При изготовлении резцов пластины PDC крепятся диффузион
ной сваркой при высоких температуре и давлении. Перед соединением поверхность пластинок покрывают тонким слоем никеля [36]. 

При бурении с отбором керна механическая скорость бурения 

коронками с резцами PDC увеличивается по сравнению с однослойными алмазными коронками в 4–5 раз, твердосплавными – до десяти 
раз. 

Компания Atlas Copco выпускает резцовые коронки, вооружен
ные поликристаллическими алмазными вставками Diapax и Tripax
[31; 36 ]. 

Элемент Diapax выполнен в виде пластины с нанесенным слоем 

алмазов толщиной 0,5 мм, а Tripax – в виде треугольных или квадратных блоков-резцов.

Коронки с пластинами Diapax предназначены для бурения мяг
ких, вязких глинистых, мерзлых грунтов, горных пород средней твердости. В подобных горных породах коронки с пластинами Diapax
имеют очень высокий ресурс (до 1 000 м) и производительность. Недостатком таких коронок является низкая стойкость к ударным на

грузкам, что делает их непригодными для бурения массива с прослоями твердых горных пород.

Режим бурения коронками с пластинами Diapax предусматрива
ет частоту вращения 50–80 мин-1 и осевую нагрузку 10–20 кН.

Коронки с режущими вставками Tripax компании Atlas Copco

состоят из поликристаллических алмазных компонентов, имеющих 
треугольную или квадратную форму. Коронки со вставками Tripax
применяются для бурения горных пород средней твердости и твердых. Их ресурс составляет от 50 до 250 м. В породах невысокой прочности ресурс коронок может составить около 1 000 м. Такими коронками рекомендуется бурить с частотой вращения 200–300 мин-1 и осевым усилием 10–20 кН.

Компания Boart Longyear производит коронки с резцами из по
ликристаллических алмазов и термически стабильных алмазов (TSD). 
Они особенно эффективны при бурении мягких пород, таких как 
уголь и глинистый сланец, в которых эффективно резание породы 
[21–23; 36].

Первый значительный шаг в повышении ресурса инструмента

с резцами PDC сделан благодаря технологии изготовления термостойких пластин TSD, позволяющей повысить температуру эксплуатации резцов с 750 до 1150 °С [18; 36] .

При использовании бурового инструмента с резцами PDC осо
бое значение имеет схема размещения резцов, которая существенно 
влияет на эффективность разрушения породы. Для повышения разрушения породы расстановка резцов должна максимально соответствовать условиям образования свободных поверхностей забоя скважины. При этом анализ конструкции долот и коронок, созданных различными производителями, указывает на то, что единого подхода
к схемам установки резцов нет. Это говорит об отсутствии общепринятых представлений и аналитической базы о механизме разрушения 
горной породы резцами типа PDC. При этом ряд производителей используют методы компьютерного моделирования при создании бурового инструмента, но, поскольку полнообъемная аналитическая база 
работы резцов в настоящий момент не создана, возможности компьютерного моделирования используются не всегда эффективно.

Установлено, что в плоскости, перпендикулярной забою, резцы 

должны иметь некоторый угол поворота относительно фронтальной 
линии резания-скалывания, что положительно сказывается на условиях отвода разрушенной породы из-под торца коронки или долота, 
снижении динамической нагрузки на инструмент [5; 36].

Как следует из некоторых публикаций [5], оптимальное значение 

фронтального угла резания-скалывания породы может составлять 5–10°.

В буровом инструменте резцы с поликристаллическими пласти
нами устанавливают с отрицательным передним углом γп в пределах
от (0–5º)– (–25º) в зависимости от твердости горных пород [3; 36; 56;
57]. В инструментах, предназначенных для бурения более твердых 
горных пород, передний отрицательный угол задается бòльшим.

В настоящее время долота со вставками PDC очень широко 

применяются при бурении скважин на нефтяных и газовых месторождениях всего мира, особенно при проходке вертикально-горизонтальных стволов по продуктивным горизонтам, бурении мягких
и средней твердости горных пород с прослоями твердых.

Например, в работе [63] приведены данные о бурении в сложных 

перемежающихся по твердости горных породах на месторождениях
Оренбуржья. Интервал бурения 1150–2381 м скважины был пройден
с применением одного долота PDC против расхода 14 долот шарошечного типа по базовой скважине. Средняя проходка на долото PDC составила 1231 м, средняя механическая скорость проходки – 4,4 м/ч против средней проходки на шарошечные долота – 88,5 м и средней механической скорости 1,9 м/ч.

При бурении скважин на месторождениях Удмуртской респуб
лики долотами PDC диаметром 295,3 мм достигнуты средние механические скорости проходки, в два раза превышающие средние 
механические скорости проходки на долота шарошечного типа 
(20,3 м/ч против 11,5 м/ч; 26,7 м/ч против 17,8 м/ч, 26,4 м/ч против
8,7 м/ч) [63].

Среди созданных в настоящее время инструментов в качестве 

примера можно назвать долота компании Tough-Drill™ Varel PDC
(рис. 1.2) [36; 63; 89].

Диаметр долот данной марки варьирует от 88,9 до 469,9 мм, и они 

изготавливаются как в матричном исполнении, так и со стальным торцом (диаметр от 215,9 до 660,4 мм). Данные долота разработаны для бурения различных по твердости горных пород, в том числе и твердых. 
Они обеспечивают высокую скорость бурения и высокий ресурс в абразивных и твердых породах из-за высокоэффективных вставок PDC, 
улучшенной гидравлики очистки и охлаждения резцов долота.

Одна из самых больших проблем применения долот PDC – не
достаточно эффективное использование при бурении твердых пород. 
При бурении твердых пород возникают повреждения от ударного характера разрушения породы, перегрев и повышенный абразивный из

нос резцов, поэтому для проходки в твердых породах в основном используются шарошечные и алмазные долота.

Рис. 1.2. Долото компании Varel cо вставками PDC

Долота Security DBS серии FM3000 ™ компании Varel включают 

новый вариант износостойкого PDC. Вооружение долота отличается 
тем, что одни его резцы PDC выполнены эллипсовидными, а другие –
круглыми. Вставки в форме эллипса имеют более высокие значения 
контактных напряжений в породе по сравнению с круглым резцом
и более значительное заглубление в породу. Удлиненная форма резца 
увеличивает ресурс породоразрушающей вставки. В результате долота с эллипсовидными вставками PDC обеспечивают эффективное бурение более твердых горных пород при сравнительно низких значениях осевого усилия [89].

Долота PDC для бурения твердых пород разработаны с учетом 

динамики долота. Долота FM3000 в качестве основного резца оснащены резцом типа Z3™. Резцы Z3 опираются на вторичные PDC-резцы 
R1 (рис. 1.3), которые оптимизируют глубину резания основными резцами, ограничивая их чрезмерное заглубление в породу при переходе 
долота из более твердых пород к мягким породам, когда действующие 
осевые нагрузки оказываются чрезмерными. Опорные элементы R1,
ограничивая чрезмерное заглубление резцов, также играют важную 
роль в ограничении вибрации долота при бурении. Подобные решения 
стали очень востребованными при проектировании долот для бурения 
перемежающихся по твердости горных пород [63; 89].

Направление потока
буровой жидкости