Конструктивные особенности одношарошечных долот

При бурении на больших глубинах используются долота меньших диаметров. Размеры долота естественно сказываются на прочности его конструкции. На больших глубинах встречаются крепкие и очень крепкие породы. Применение трехшарошечных долот малых диаметров не всегда позволяет осуществить необходимые нагрузки на долото, что снижает эффективность разрушения горных пород. Применение же долот истирающе-режущего типа, фрезерных и алмазных, не всегда возможно в связи с их большой избирательностью и энергоемкостью. Это вызвало необходимость разработки одношарошечных долот. Наиболее известны в нашей стране одношарошечные долота ин-та СевКавНИИ. Шарошка этих долот имеет форму шара, несколько усеченного со стороны цапфы долота.

Центр этого шара совпадает с точкой пересечения осей цапфы долота и скважины. Такая геометрия позволила выполнить шарошку максимально возможного размера, жестко центрировать долото в процессе его работы на забое и обеспечить нормальную работу опорного узла.

Вооружение долота выполнено в виде твердосплавных зубцов, расположенных на теле шарошки в шахматном порядке.

При бурении такими долотами зубки, двигающиеся по сложным траекториям с различными характеристиками и пространственными положениями, при резании забоя наносят на его поверхность «сетку» поражения, расчленяя тем самым забой на отдельные зоны, порода в которых будет обладать меньшей сопротивляемостью разрушению. Одношарошечные долота выпускаются диаметром от 93 до 269 мм, с допустимой нагрузкой от 2,5 до 30 т.

С целью изучения кинематики одношарошечного долота рассмотрим вопрос погружения твердого сферического тела в неупругую среду с горизонтальной поверхностью под действием вертикальной осевой нагрузки, проходящей через центр тяжести шара.

Действующие усилия на одношарошечное долото располагаются по схеме, показанной на рис. 53.

Рис.53

Шар имеет ось вращения, образуемую двумя подшипниками наклоненную под углом a₀ к вертикали, и эта наклонная ось

. Рис.54

вращается относительно вертикальной оси с постоянной угловой скоростью w0 под действием постоянно вращающего момента m0. Рассматривая реальное движение шарошки, можно описать ее движение по кинематической схеме, т. е. шарошка будет совершать сложное движения по стенкам забоя скважины.

Многие результаты решения задач теоретической механики в общей постановке в настоящее время успешно применяются для решения вопросов, связанных с изучением движения реальной шарошки. Полученные при этом расхождения незначительны и допустимы.

Итак, рассматривание движение шара вокруг наклонной оси и относительно неподвижного центра 0, получим зависимости для определения величин усилий Р₁ и Р₂, возникших в результате передачи шарошке вращающего момента М₀ посредством двух подшипников. Эти усилия (Р₁ и Р₂) направлены перпендикулярно оси у подвижной системы

Р₁аsina₀ + P₂sinвsina₀ = М₀

Отсюда найдем Р₁ и Р₂ при условии что:

.

Сумма моментов сил Р₁ и Р₂ относительно точки 0 равна:

.

Следовательно, шар, находящийся под воздействием осевой нагрузки и вращающего момента, придет в движение (относительно неподвижного центра) лишь тогда, когда вращающий момент достигнет величины, равной сумме моментов всех сил трения, обусловленных приложенной осевой нагрузкой, т. е.

В реальных условиях осевая нагрузка не может быть сосредоточенной силой, т. к. передается корпусом долота на тело шарошки не через одну точку, а через определенную площадь контакта опорных элементов цапфы шарошки, т.е. будет распределенной силой. Упрощенно, осевая нагрузка является статической распределенной силой по диаметральному сечению шарошки. Закон распределения этой силы зависит от конструктивных особенностей и пространственного положения опоры долота.

Допустим, что осевая нагрузка распределена равномерно по диаметральному сечению шарошки, перпендикулярному оси корпуса долота.

При этом, качественная картина сохраняется (см. рис.) Учитывая принятые допущения, можно записать:

;

где Р - распределенное удельное давление;

G_ос - величина осевой нагрузки;

pR - диаметрального сечения шарошки.

Рассматривая распределение удельных контактных давлений (g) от силы (G по полусферической поверхности забоя, принимаем также, что нормальные напряжения (s_с) в теле шарошки и забоя значительно меньше допустимых и не вызывают деформаций рассматриваемых поверхностей.

Рис.55

Из рис.55 ясно, что удельное контактное давление при принятых нами условиях возрастает от периферии к центру забоя, где оно достигает максимума, однако, с приближением к центру забоя темп роста значительно снижается. Отсюда можно сделать вывод, что при бурении одношарошечными долотами равномерное распределение сил на забое невозможно из-за неравномерного распределения точек приложения этих сил и из-за полусферической формы забоя.

Разрушение горной породы долотами такого типа происходит при движении сферической шарошки без отрыва от поверхности. Характер разрушения при бурении одношарошечными долотами напоминает разрушение пород режуще-истирающими долотами. Отличие заключается в том, что у одношарошечных долот элементы вооружения движутся по сложным траекториям с изменением радиуса своего движения относительно оси скважины.

Эти траектории являются цикличными, пространственными и, как правило, замкнутыми эпициклоидальными кривыми, имеющими равное число точек возврата. Ориентация траектории отдельных элементов различна и зависит от положения данного элемента на поверхности шарошки. При взаимодействии элементов вооружения с забоем на его поверхности образуется своеобразная сетка поражения.

Применение одношарошечных долот позволило резко улучшить количественные и экономические показатели буровых работ, особенно с ростом глубины бурящихся скважин.

Наибольшее распространение эти долота получили в Чечено-Ингушетии.

Лекция №14