История создания и освоения многочисленных типов и размеров шарошечных буровых долот самых различных конструкций началась в 1909 году, когда американский полковник-миллиардер Говард Хьюз запатентовал в США первое двухшарошечное буровое долото. Именно двухшарошечное долото стало родоначальником применяемых и в настоящее более 1500 типоразмеров шарошечных буровых долот, используемых как при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин, так и проведении геологоразведочных работ.
В 1929 году Говард Хьюз разработал и запатентовал, созданную на базе двухшарошечного, трехшарошечное буровое долото, обладающего значительно большей устойчивостью к сохранению направления бурения, чем двухшарошечное, и ставшее в последствие на протяжении более чем 100 лет основным породоразрушающим инструментом для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин во всем мире.
Однако двухшарошечные долота сумели сохранить свою нишу в общем объеме производимого бурового инструмента и в настоящее время продолжают успешно применяться как для бурения геологоразведочных скважин, так и при проведении других видов буровых работ.
К преимуществам двухшарошечного долота по сравнению с трехшарошечным такого же диаметра можно отнести наличие более значительных диаметров шарошек и габаритов опорных узлов. Это связано с тем, что в двухшарошечных долотах на 25-40% объем, ограниченный для шарошек, одинакового диаметра долота, необходимо распределить только на две части, вместо трех в трехшарошечных долотах того же диаметра (рис.1).
Это позволяет значительно увеличить размеры подшипников опор, а также толщину стенок шарошек, что дает возможность размещать на поверхностях увеличенных венцов большее количество породоразрушающих элементов – фрезерованных зубьев с большим шагом и большим вылетом над телом шарошки. Это является очень важным для увеличения механической скорости бурения в мягких и средних породах, для которых двухшарошечные геологоразведочные долота изначально и проектировались.
Этими важными обстоятельствами постепенно начали пользоваться для создания новых конструкций двухшарошечных буровых долот малого и среднего диаметров для бурения уже твердых и даже твердокрепких пород.
Рис.1 Сравнительный анализ геометрических параметров элементов двухшарошечного (1) и терхшарошечного (2) долота одинакового диаметра
Рост механической скорости бурения двухшарошечных долот по сравнению с трехшарошечными такого же диаметра, обеспечивается за счет увеличения габаритных наружных размеров шарошек и их подшипниковых узлов, большим вылетом и шагом зубьев позволяющим увеличить динамику воздействия зубьев вооружения на породу.
Увеличенный вылет над телом шарошки и больший шаг между зубьями при перекатывании двух шарошек по забою с примерно одинаковым количеством венцов и зубьев на каждой шарошке, как и у трехшарошечных долот (от 2 до 3 венцов на шарошке), обеспечивают разное количество одновременно контактирующих с забоем зубьев. Оно составляет для двухшарошечного долота примерно 
зуба, а для трехшарошечного - 
:
Но поскольку число шарошек у тех и других долот различно, то у двухшарошечных долот общее количество одновременно контактирующих зубков составляет 
штук, а для трехшарошечных 
штук, то есть в полтора раза больше. А как известно, чем меньшее количество одновременно контактирующих с забоем зубков, тем больше создаваемое ими удельное давление на породу. Таким образом, у двухшарошечных долот удельное давление создаваемое зубьями их вооружения на породу примерно в 1,5 раза больше, чем у аналогичных по диаметру и одинаковой осевой нагрузке трехшарошечных долот.
При создании двухшарошечных долот с тврдосплавным зубчатым вооружением, увеличенная толщина стенок шарошек, кроме обеспечения увеличенных габаритов опоры, позволяет разместить и закрепить путем запрессовки или пайкт твердосплавные зубки увеличенных габаритов, обладающих повышенной стойкостью по сравнению с твердосплавными зубками меньшего размера, используемых при оснащении аналогичных по диаметру трехшарошечных долот.
У двухшарошечных долот есть еще одно важное преимущество перед трехшарошечными долотами. Очень малые габариты скважины по диаметру не позволяют разместить на лапах трехшарошеных долот приливы для установки боковых промывочных узлов. Поэтому для промывки забоя у этих долот, как правило, используется только один центральный промывочный узел, который надежно очищает от шлама лишь центральную часть бурового инструмента и значительно хуже периферийную. Струя промывочной жидкости, прежде чем достигнуть забоя попадает на поверхностные вершинные части шарошек, и только потом, пройдя сквозь узкие щели самоочищающихся шарошек, сталкивается с поверхностью забоя. Это существенно увеличивает абразивный износ и без того менее прочных вершинных частей шарошек, снижает эффективность очистки забоя, очищая лишь центральную его часть, и как следствие снижает механическую скорость бурения и проходку на инструмент.
Рис.2 Принципиальная схема двухшарошечного бурового долота
В отличие от трехшарошечных долот, у двухшарошечных долот условия для размещения боковых промывочных узлов значительно более выгодные. Между внешними габаритами двух шарошек имеется достаточно большие боковые пространства, в которых свободно размещаются боковые приливы, доходящие практически до самой поверхности забоя, на конце которых размещаются сменные гидромониторные насадки (рис.2).
Известно, что трехшарошечные долота малого диаметра, в которых возможно разместить на лапах приливы для промывочных узлов со сменными твердосплавными насадками лишь условно называются гидромониторными. Постоянный гидромониторный эффект, дополнительно к механическому разрушению породы забоя зубьями долота, обеспечивает кроме очистки забоя еще и гидромеханическое разрушение породы, которое возникает только при условии, когда выходное отверстие из промывочной насадки находится над забоем не более чем на величину равную восьми диаметрам ее выходного отверстия.
Поскольку промывочные каналы между двумя шарошками направлены не в центр, на вершины шарошек, а непосредственно на свободную поверхность периферии забоя, занимающую по площади его значительную часть, приближение выходного отверстия гидромонторных насадок к его поверхности обеспечивает наличие эффекта дополнительного гидромеханического разрушения породы.
Наибольшее успешное применение двухшарошечных долот характерно при бурении известняков, аргиллитов, алевролитов, плотных глин и мергелей.
Как правило, двухшарошечные долота выпускаются не в трехсекционном сварном исполнении, как трехшарошечные, а в двухсекционном, что значительно снижает трудоемкость и упрощает технологию их изготовления.
Оси цапф шарошек двухшарошечных долот обычно наклонены под углом 
Шарошки оснащены самоочищающимися фрезерованными зубьями или твердосплавными зубками клиновидной формы с большим вылетом над телом и большим шагом. Рабочие поверхности фрезерованных зубьев армируются зерновым твердым сплава, содержащем карбид вольфрама и кобальт.
В качестве примера на (рис.2) представлен один из вариантов исполнения вооружения двухшарошечного бурового долота созданный с целью упрощения технологии его изготовления, основанный на том, что угол межзубцовых впадин, по крайней мере одного периферийного венца, равен углу межвенцовой впадины [0].
Двухшарошечное буровое долото содержит лапы 1 с наклонными цапфами 2 и самоочищающиеся шарошки 3, смонтированные на цапфе 2 посредством подшипников 4. Периферийные венцы шарошек 3 оснащены призматическими зубьями 5 и 6, при этом зубья 5 одной шарошки входят в межвенцовую впадину 7 другой шарошки, у которой периферийный ряд зубьев 6 выполнен таким образом, что угол 
межзубцовых впадин 8 равен углу 
межвенцовой впадины 7.
Такое выполнение шарошек позволяет упростить технологию их изготовления и тем самым снизить стоимость всего долота. Достигается это сокращением необходимой номенклатуры измерительного инструмента и повышением производительности за счет сокращения вспомогательных операций на переналадку и замену измерительного инструмента. Упрощение технологии позволяет улучшить качество изготовления, а следовательно повысить качество и долговечность инструмента, и как следствие увеличить проходку и механическую скорость бурения.
При работе двухшарошечного долота его шарошки совершают сложное вращательное движение, заключающееся в том, что каждая из них, вращаясь вокруг своей собственной оси, одновременно перемещается и вокруг оси вращения долота. При этом двухшарошечное долото под действием веса буровой колонны продвигается вниз, одновременно совершая возвратно-поступательные колебания [0], и воспринимает существенные воздействия динамических нагрузок. Эта особенность эксплуатации двухшарошечного бурового долота предъявляет жесткие требования как к его конструкции, так и технологии изготовления.
Известно, что конструкции двухшарошечных буровых долот, предназначенные для бурения твердых, средних и мягких пород сильно отличаются друг от друга. Одной из основных отличительных особенностей является наличие или отсутствие проскальзывания зубьев вооружения по забою, определяемое как геометрическими параметрами шарошек, так и их пространственной ориентацией относительно оси вращения долота. От соотношения величины качения и скольжения зубьев по забою зависит характер разрушения породы, изменяющийся от дробяще-скалывающего для твердых пород до ударно-режущего для мягких.
Как правило, двухшарошечные буровые долота для мягких и средних пород проектируются так, чтобы при вращении инструмента шарошки перемещались по поверхности забоя с одновременным проскальзыванием. С целью увеличения величины проскальзывания зубьев вооружения по забою у долот данных типов оси вращения шарошек смещают или разворачивают как по, так и против направления вращения долота. Принято считать, что в первом случае смещение имеет положительное значение, а во втором - отрицательное. Величина параллельного смещения 
или угол разворота 
задаются в зависимости от типа и размера двухшарошечного бурового долота (рис.3).
Рис.3 Принципиальная схема вариантов пространственной ориентации шарошек двухшарошечного бурового долота
Смещение осей шарошек относительно оси вращения долота позволяет существенно повысить срезающие усилия зубчатого вооружения при внедрении его в породу забоя, требующих на порядок меньшей энергии при разрушении мягких и средних пород. Это позволяет дополнительно повысить эффективность бурения. В зависимости от величины диаметров двухшарошечных долот, смещения осей шарошек составляет от 3 до 6 мм. Двухшарошечные долота со вставными твердосплавными зубками имеют минимальные смещения осей, порядка 
мм или изготавливаются вообще без их смещения.
Таким образом, все преимущества в статье преимущества двухшарошечных буровых долот перед трехшарошечными одинакового диаметра обеспечивают необходимость их применения при бурении скважин различного назначения и дальнейшего совершенствования их конструкций и технологий изготовления. Косвенно это подтверждается и тем, что основные ведущие мировые фирмы-производители бурового инструмента серийно и на постоянной основе выпускают самые различные конструкции двухшарошенчых долот малого и среднего диаметров, преимущественно до 244,5 мм, а сервисные буровые компании охотно их используют.
Литература:
1. Мищевич В.И., Сидоров Н.А. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Изд.: Недра. 1973.
2. Васильев А.А., Сериков Д.Ю., Близнюков В.Ю. Совершенствование буровых долот различных типов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2019. - №6. - С. 28-31.
3. Богомолов Р.М., Носов Н.В. Буровой инструмент. Энциклопедия изобретений. В 2-х частях, М.: Инновационное машиностроение, 2015. – 826 с.
4. Спиридонов С.В., Сериков Д.Ю. Математическое моделирование процесса износа вооружения бурильного инструмента // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2014. - №10. - С. 37.
5. Богомолов Р.М., Сериков Д.Ю. Виброгаситель-калибратор // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2018. - №3. - С. 39-43.
6. Васильев А.А., Вышегородцева Г.И., Сериков Д.Ю., Исследование влияния схемы промывки шарошечного бурового долота на очистку забоя скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2015. - №5. - С. 25-28.
7. Богомолов Р.М., Носов Н.В., Крылов С.М., Кремлев В.И. Совершенствование технологии и сборки буровых шарошечных долот. М.: Машиностроение, 2014. - 228 с.
8. Вышегородцева Г.И., Васильев А.А., Сериков Д.Ю., Пути повышения эффективности очистки забоя при бурении шарошечными долотами // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море: науч.-техн. журн. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2015. - №6. - С. 12-17.
9. Смирнов В.Г., Панин Н.М Буровое двухшарошечное долото. Авт. свид. СССР на изобр. №817195, Е21В 9/10, опубл. Б.И. № 12 от 30.03.1981.
