Том 337 № 3 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5047
Конструктивные возможности резцов PDC для армирования буровых долот
Актуальность. Современные условия проведения буровых работ, связанные с необходимостью вскрытия анизотропных горных пород на большой глубине, нуждаются в развитии буровой техники и технологии сооружения скважин. Последние достижения в разработке конструкций бурового инструмента показали возможности расширения области его применения и повышения показателей процесса бурения. Одним из перспективных в этом направлении является инструмент типа PDC, характеризующийся высоким ресурсом и прочностью, а также позволяющий разрушать породы различной твердости и абразивности. При этом конструктивные особенности режущих элементов типа PDC обладают потенциалом для дальнейшего развития бурового инструмента. Широкие возможности применения PDC заключаются в том, что резцы такого типа могут изготавливаться различных размеров и отличаться формой режущей грани, а изменение углов их ориентирования на рабочей поверхности долот легко приводит конструкцию бурового инструмента в соответствие со свойствами разрушаемой горной породой. К тому же цилиндрическая форма такого резца позволяет оказывать воздействие на гидравлические и динамические процессы, протекающие в призабойной зоне при сооружении скважины. Таким образом, развитие бурового инструмента типа PDC не исчерпано и требует научного подхода для дальнейшего развития. Целью работы является исследование влияния конструктивных особенностей резцов типа PDC с отверстием в режущей грани на характер работы бурового долота. Объекты: конструкция резцов типа PDC с отверстием в режущей грани. Методы: аналитический метод, метод компьютерного моделирования. Результаты. Разработаны конструкции резцов типа PDC с отверстием в режущей грани, определена область их применения, даны рекомендации по армированию долот резцами PDC с отверстием в режущей грани.
Для цитирования: Конструктивные возможности резцов PDC для армирования буровых долот. М.С. Попова, В.В. Нескоромных, К.В. Лалетина, И.С. Иванов. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 3, с. 7–14. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/3/5047
Ключевые слова:
долото, PDC, бурение, повышение эффективности, разрушение горных пород, проектирование
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нескоромных В.В., Попова М.С., Баочанг Л. Разрушение горных пород при бурении скважин алмазным буровым инструментом: монография. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2020. 268 с.
2. Potential role of permafrost thaw on increasing Siberian river discharge. P. Wang, Q. Huang, S.P. Pozdniakov, Shiqi Liu T. Wang, Y. Zhang, J. Yu, J. Xie, G. Fu, N.L. Frolova, C. Liu. Environ. Res. Lett., 2021, Vol. 16, 034046. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/abe326.
3. New high-resolution estimates of the permafrost thermal state and hydrothermal conditions over the Northern Hemisphere. Y. Ran, X. Li, G. Cheng, J. Che, J. Aalto, O. Karjalainen, J. Hjort, M. Luoto, H. Jin, J. Obu, M. Hori, Q. Yu, X. Chang. Earth Syst. Sci. Data, 2022, Vol. 14, Р. 865–884. DOI: https://doi.org/10.5194/essd-14-865-2022,
4. Нескоромных В.В., Попова М.С., Баочанг Л. Влияние среды призабойной зоны скважины на эффективность разрушения горной породы резцом PDC. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2021, Т. 332, № 9, С. 119–127. DOI: 10.18799/24131830/2021/9/3362.
5. Попова М.С. Гидродинамические процессы при разработке конструкций алмазного бурового инструмента. Известия томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2024, Т. 335, № 4, С. 159–171. DOI: 10.18799/24131830/2024/4/4320
6. Vtorushin E.V., Dorovsky V.N. Cutting forces estimation with non-Euclidean model of inelastic deformations applied to rock cutting. San Francisco: ARMA, American Rock Mechanics Association, 2017. Vol. 4, 137 p.
7. Detournay E., Richard T., Shepherd M. Drilling response of drag bits: theory and experiment. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, Vol. 45 (8), P. 1347–1360.
8. Basarir H., Karpuz C. Preliminary estimation of rock mass strength using diamond bit drilling operational parameters. International Journal of Mining, Reclamation and Environment, 2016, Vol. 30 (2), P. 145–164.
9. Борисов К.И. Современные способы оценки эффективности разрушения горных пород резанием-скалыванием долотами типа PDC. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2022, Т. 333, № 6, С. 103–121. DOI 10.18799/24131830/2022/6/3756
10. Инновационные подходы к конструированию высокоэффективного породоразрушающего инструмента. А.Я. Третьяк, В.В. Попов, А.Н. Гроссу, К.А. Борисов. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2017, № 8, С. 225–230.
11. Su O., Ali Akcin. Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2011, Vol. 48 (3), P. 434–442.
12. Hasan A.R., Kabir C.S. Wellbore heat-transfer modeling and applications. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2012, Vol. 96–97, P. 109–119.
13. A novel method for measuring and analyzing the interaction between drill bit and rock. X. Wang, Z. Wang, D. Wang, L. Chai. Measurement, 2018, Vol. 121, Р. 344–354.
14. Che D., Zhu W.-L., Ehmann K.F. Chipping and crushing mechanisms in orthogonal rock cutting. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, № 119, P. 224–236.
15. Третьяк А.Я., Борисов К.А. Классификация поломок пластин PDC, вызываемых забойными вибрациями при бурении скважин. Результаты исследований–2020: Материалы V Национальной конференции профессорско-преподавательского состава и научных работников ЮРГПУ (НПИ). Новочеркасск, 2020. С. 252–254.
16. Алмазное буровое долото: пат. № 2653212, Российская Федерация, C1; заявл. 11.07.2017; опубл. 07.05.2018, Бюл. № 13. 13 с.
17. Closed-form solution of stress state and stability analysis of wellbore in anisotropic permeable rocks. D.-P. Do, N.-H. Tran, H.-L. Dang, D. Hoxha. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2019, Vol. 113, P. 11–23.
18. Optimization model for polycrystalline diamond compact bits based on reverse design. Z. Ai, Y. Han, Y. Kuang, Y. Wang, M. Zhang. Advances in Mechanical Engineering, 2018, Vol. 10 (6), P. 476–479.
19. Numerical investigations on the effect of ultra-high cutting speed on the cutting heat and rock-breaking performance of a single cutter. M. Gao, K. Zhang, Q. Zhou, H. Zhou, B. Liu, G. Zheng. Journal of Petroleum Science and Engineering, July 2020, Vol. 190, № 107120.
20. Integrated hydrogeological and hydrogeochemical dataset of an alpine catchment in the northern Qinghai–Tibet Plateau. Z. Pan, R. Ma, Z. Sun, Y. Hu, Q. Chang, M. Ge, S. Wang, J. Bu, X. Long, Y. Pan, L. Zhao. Earth Syst. Sci. Data, 2022, Vol. 14, P. 2147–2165. DOI: https://doi.org/10.5194/essd-14-2147-2022
21. Катанов Б.А. Развитие конструкций режущих буровых долот. Горное оборудование и электромеханика, 2006, № 1, С. 6–8.
22. Алмазное долото с механическим креплением резцов: пат. № 2536901, Российская Федерация, C2; заявл. 23.04.2013, опубл. 27.12.2014, Бюл. № 30. 10 с.
23. Богомолов Р.М. Алмазное долото с инновационным креплением резцов. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, 2018, № 1, С. 13–18. DOI: 10.30713/1999-6934-2018-1-13-18.
REFERENCES
1. Neskoromnih V.V., Popova M.S., Liu Baochang. Destruction of rocks when drilling wells with diamond drilling tools: monograph. Krasnoyarsk, Siberian Federal University Publ., 2020. 268 р. (In Russ.)
2. Wang P., Huang Q., Pozdniakov S.P., Shiqi Liu, Wang T., Zhang Y., Yu J., Xie J., Fu G., Frolova N.L., Liu C. Potential role of permafrost thaw on increasing Siberian river discharge. Environ. Res. Lett., 2021, vol. 16, 034046. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/abe326,
3. Ran Y., Li X., Cheng G., Che J., Aalto J., Karjalainen O., Hjort J., Luoto M., Jin H., Obu J., Hori M., Yu Q., Chang X. New high-resolution estimates of the permafrost thermal state and hydrothermal conditions over the Northern Hemisphere. Earth Syst. Sci. Data, 2022, vol. 14, pp. 865–884. DOI: https://doi.org/10.5194/essd-14-865-2022
4. Neskoromnih V.V., Popova M.S., Liu Baochang. Influence of the bottom borehole zone environment on the efficiency of rock breaking by the PDC cutter. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2021, vol. 332, no. 9, pp. 119–127. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2021/9/3362.
5. Popova M.S. Hydrodynamic processes in designing diamond drilling tools. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2024, vol. 335, no. 4, pp. 159–171. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2024/4/4320
6. Vtorushin E.V., Dorovsky V.N. Cutting forces estimation with non-Euclidean model of inelastic deformations applied to rock cutting. San Francisco, ARMA, American Rock Mechanics Association, 2017. Vol. 4, 137 p.
7. Detournay E., Richard T., Shepherd M. Drilling response of drag bits: theory and experiment. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008, vol. 45 (8), pp. 1347–1360.
8. Basarir H., Karpuz C. Preliminary estimation of rock mass strength using diamond bit drilling operational parameters. International Journal of Mining, Reclamation and Environment, 2016, vol. 30 (2), pp. 145–164.
9. Borisov K.I. Modern methods of evaluating the effectiveness of rock destruction by cutting with PDC bits. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2022, vol. 333. no. 6, pp. 103–121. (In Russ.) DOI 10.18799/24131830/2022/6/3756
10. Tretyak A.Ya., Popov V.V., Grossu A.N., Borisov K.A. Innovative approaches to the design of highly efficient rock cutting tools. Gorny informatsionno-analiticheskii byulleten, 2017, no. 8, pp. 225–230. (In Russ.)
11. Su O., Ali Akcin. Numerucal simulation of rock cutting using the discrete element method. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2011, vol. 48 (3), pp. 434–442.
12. Hasan A.R., Kabir C.S. Wellbore heat-transfer modeling and applications. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2012, vol. 96–97, pp. 109–119.
13. Wang X., Wang Z., Wang D., Chai L. A novel method for measuring and analyzing the interaction between drill bit and rock. Measurement, 2018, vol. 121, pp. 344–354.
14. Che D., Zhu W.-L., Ehmann K.F. Chipping and crushing mechanisms in orthogonal rock cutting. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, no. 119, pp. 224–236.
15. Tretyak A.Ya., Borisov K.A. Classification of PDC plate fractures caused by downhole vibrations during well drilling. Research results-2020. Materials of the V National Conference of the teaching staff and researchers of the YRSPU (NPI). Novocherkassk, 2020. pp. 252–254 (In Russ.)
16. Polushin N.I., Laptev A.I., Kushkhabiev A.S., Kotelnikova O.S., Sorokin E.N., Karzakov S.G. Almaznoe burovoe doloto. Patent RF, no. 2653212, 2018. (In Russ.)
17. Do D.-P., Tran N.-H., Dang H.-L., Hoxha D. Closed-form solution of stress state and stability analysis of wellbore in anisotropic permeable rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2019, vol. 113, pp. 11–23.
18. Ai Z., Han Y., Kuang Y., Wang Y., Zhang M. Optimization model for polycrystalline diamond compact bits based on reverse design. Advances in Mechanical Engineering, 2018, vol. 10 (6), pp. 476–479.
19. Gao M., Zhang K., Zhou Q., Zhou H., Liu B., Zheng G. Numerical investigations on the effect of ultra-high cutting speed on the cutting heat and rock-breaking performance of a single cutter. Journal of Petroleum Science and Engineering, July 2020, vol. 190, no. 107120.
20. Pan Z., Ma R., Sun Z., Hu Y., Chang Q., Ge M., Wang S., Bu J., Long X., Pan Y., Zhao L. Integrated hydrogeological and hydrogeochemical dataset of an alpine catchment in the northern Qinghai–Tibet Plateau. Earth Syst. Sci. Data, 2022, vol. 14, pp. 2147–2165. DOI: https://doi.org/10.5194/essd-14-2147-2022
21. Katanov B.A. Development of designs of cutting drill bits. Mining equipment and electromechanics, 2006, no. 1, pp. 6–8. (In Russ.)
22. Bogomolov R.M., Kinyaev A.V., Krylov S.M. Diamond cutter with cutter mechanical fixing. Patent RF, no. 2536901, 2014. (In Russ.)
23. Bogomolov R.M. Diamond bit with innovative cutter attachment. Equipment and technologies for the oil and gas complex, 2018, no. 1, pp. 13–18. DOI: 10.30713/1999-6934-2018-1-13-18. (In Russ.)
