Типы шарошечных долот и области их применения (ГОСТ 20692-75)

Особенность кинематики работы шарошки состоит в том, что каждая шарошка участвует в сложном вращательном движении: относительном движении вокруг собственной оси и переносном вращательном движении вокруг оси долота (рис.12). В результате сложения двух вращательных движений в каждый момент времени шарошка совершает вращение вокруг некоторой мгновенной оси с частотой w_а.

Если мгновенная ось вращения шарошки проходит через линию контакта описанного конуса с поверхностью забоя (рис.12,а), то взаимодействие зубцов с забоем происходит без их относительного смещения. Если известна угловая скорость вращения долота w_д, то угловая скорость вращения шарошки вокруг своей оси равна w_ш = w_д / sin (a/2) или w_ш = p n / 30 sin (a/2), где п — частота вращения долота, мин^-1; a — угол при вершине шарошки.

Если мгновенная ось пересекается с линией контакта шарошки с забоем (рис. 12, б), то при вращении шарошки зубцы, удаленные от точки А, будут проскальзывать по забою, производя скол. Скольжение зубцов шарошечного долота оценивается коэффициентом скольжения k_ск,, который равен отношению суммарной площади, описываемой зубцами долота за один его оборот при их проскальзывании по забою, к площади забоя. Коэффициент скольжения k_ск может изменяться от 0 до 0,15. Увеличение коэффициента скольжения достигается использованием многоконусных шарошек со смещениемих осей относительно оси долота.

Таким образом, в зависимости от приведенных выше конструктивных особенностей шарошечное долото может быть отнесено к породоразрушающему инструменту дробяще-скалывающего или дробящего действия. В мягких породах при­меняют шарошечные долота с высокими коэффициентами скольжения, добиваясь тем самым усиления скалывающего действия зубцов.

Рис. 12. Характер взаимодействия вооружения шарошки с забоем:

а – без скольжения; б – со скольжением; S_k – площадь проскальзывания

В твердых и особенно в абразивных породах шарошечные долота должны работать без скольжения. Эти долота оснащаются шарошками, представляющими собой правильный конус, вершина которого лежит на оси до­лота. Коэффициент скольжения такого долота теоретически равен нулю.

Важная особенность, которая отличает шарошечные долота от лопастных, — то, что с забоем одновременно взаимодействует лишь небольшая часть зубцов. Отношение суммы длин зубцов, выделенных по одной образующей на каждой шарошке, к радиусу долота называется коэффициентом перекрытия k_п. В мягких породах применяют долота с коэффициентом перекрытия k_п = 1,1, в породах средней твердости k_п = 1,4.

Ресурс работы долота определяется не только износом вооружения, но также и износостойкостью опоры шарошки. Опора шарошки — весьма уязвимый узел и нередко именно ее недостаточный ресурс ограничивает продолжительность работы долота на забое.

Опора шарошки включает несколько подшипников, один из которых шариковый, служащий для закрепления шарошки на цапфе и называемый замковым, остальные подшипники качения (шариковые или роликовые) или скольжения. После создания герметизированных маслозаполненных опор, обеспечивающих благоприятные условия работы подшипников, долговечность долота удалось повысить в несколько раз.

Под шифрами ГНУ и ГАУ разработаны две серии долот с герметизированной опорой. Долота серии ГНУ предназначены для роторного бурения и бурения с тихоходными забой­ными двигателями. В опоре долота серии ГНУ размещаются (от торца шарошки) роликовый подшипник, шариковый "замковый" подшипник и подшипник скольжения. У торца цапфы имеется упорный осевой подшипник скольжения, второй осевой подшипник скольжения введен у внутреннего бурта замкового подшипника.

В опоре долот серии ГАУ роликовый подшипник качения заменен подшипником скольжения. Герметизация опоры имеет упрощенную конструкцию. Наибольшую трудность в изготовлении долот серии ГАУ представляет отыскание материалов для подшипника скольжения и обеспечение высокой точности его размеров.

По расположению и конфигурации промывочных каналов различают долота с центральным промывочным каналом и гидромониторные долота с периферийными каналами. У долот с центральным каналом (цилиндрическим или щелевидным) поток промывочной жидкости направляется на шарошки, омывает их и затем попадает на забой.

Гидромониторные долота имеют каналы, в конце которых установлены сменные металлокерамические или твердосплавные насадки. Наиболее часто используют металлокерамические насадки с коноидальным или коническим каналом. Они предназначены для создания направленного потока, который по выходе из долота со скоростью выше 80 м/с устремляется прямо на забой.

Поскольку шарошечными долотами успешно разбуривают практически все породы — от самых мягких до особо крепких, в соответствии с ГОСТ 20692—75 для обеспечения высоких показателей бурения в породах с различными физико-механическими свойствами применяется широкая гамма до­лот. Они выпускаются под шифрами М, МЗ, МС, МСЗ, С, СЗ, СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К, ОК.

В условном обозначении долота, кроме шифра области применения, указывают число шарошек, номинальный диаметр долота (мм), конструкцию промывочных каналов и опор шарошек. Центральная промывка обозначается буквой "Ц", гидромониторная — "Г". У долот типов М, МС и С оси шарошек смещены, что позволяет повысить коэффициент скольжения. Долота типов СТ, Т, ТК, К, ОК имеют шарошки с несмещенными осями. Шарошки у долот типов М, МС и С — самоочищающиеся, т.е. венцы зубцов одной шарошки проходят между венцами соседней. Шарошки для долот ТК (частично), К и ОК заправ­ляются резцами из твердых сплавов (штыри) клиновидной или полусферической формы. Все долота, имеющие в шифре букву "3" и предназначенные для бурения в абразивных породах, имеют шарошки, оснащенные твердосплавными резцами клинообразной формы.

Лапы шарошек изготовляют из высококачественной стали марки 20ХНЗА, а собственно шарошки — из стали марок 17НЗМА и 20ХНЗА. Для повышения качества материала шарошек применяют способы шлакового переплава, двойного шлакового переплава и т.п.

При сборке долот с негерметизированной опорой ее заполняют графитовой смазкой. Герметизированные опоры заливаются специальной смазкой, содержащей присадки.

Широкое повсеместное внедрение шарошечных долот обусловлено рядом их существенных преимуществ:

· зубцы шарошки поочередно и лишь кратковременно взаи­модействуют с забоем, что при большом количестве рабочих элементов обеспечивает большую долговечность вооружения долота;

· возможность варьирования механизмом взаимодействия долот с забоем, что позволяет реализовать наиболее эффективный способ разрушения горной породы, — отсюда широ­кая гамма типов долот для бурения пород от самых мягких до крепчайших;

· использование опор качения и скольжения позволяет значительно снизить крутящий момент, требуемый для вращения долота на забое.

Алмазные долота

Алмазные долота предназначены для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твердых на больших глубинах (с глубины 3000 м).

Алмазное долото состоит из стального корпуса с замковой резьбой и фасонной алмазонесущей головки (матрицы). Матрица разделена на секторы радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия (рис. 13).

Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси

специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. При однослойном размещении алмазов применяют алмазы в 0,05-0,4 карата (карат - единица измерения массы алмазов (1 карат равен 0,2 г). Диаметр кристалла сферической формы в 1 карат равен примерно 4,5 мм. Для бурения в твердых породах изготовляют долота с объемным размещением мелких (менее 0,02 карата) кристаллов алмаза в матрице (импрегнированные алмазные долота). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей поверхностью матрицы составляет 0,1-0,25 их диаметра.

Диаметр алмазных долот на 2-3 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных долот. Это вызвано созданием условий для перехода к бурению алмазными долотами после шарошечных, у которых, как правило, по мере износа уменьшается диаметр.

Отраслевым стандартом ОСТ 39026-76 предусмотрено выпускать алмазные долота диаметром от 91,4 до 292,9 мм.

Основными достоинствами алмазных долот являются большая проходка на долото, хорошая центрируемость их на забое и формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).

Существенные недостатки алмазных долот - это крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная механическая скорость не превышает 3 м/ч), узкая область применения (исключаются абразивные породы), а также повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины и промывке скважины в процессе бурения.

Долота ИСМ

Особая разновидность долот разработана Институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) - долота типа ИСМ. Долота ИСМ предназначены для разрушения резанием и истиранием (микрорезанием) неабразивных пород мягких (М), перемежающихся по твердости (МС) и средней твердости (С).

Эти долота имеют вооружение из сверхтвердого композиционного материала «Славутич», в состав которого входят мелкокристаллические алмазы и дробленный карбид вольфрама. Для оснащения долот применяют цлиндрические вставки (штыри) диаметром 8-12 мм с плоскими или полусферическими рабочими торцами. Штыри в корпусе долота припаивают в гнездах.

Существует две разновидности долот ИСМ по конструкции: лопастная и секторная. Лопастная разновидность аналогична по конструкции долоту 6ИР.

Секторная разновидность долота состоит из стального корпуса, торцевая профильная поверхность которого разделена на секторы радиальными промывочными каналами. Штырями из «Славутича» вооружена торцевая и калибрующая поверхности долота. Вылет штырей над поверхностью секторов составляет 3-5 мм. На калибрующей поверхности штыри утоплены.

При бурении в мягких породах штыри работают как резцы, осуществляя резание и скалывание. В перемежающихся по твердости и породах средней твердости работают зерна алмазов, разрушая породу микрорезанием.

Присоединяют долото к бурильной колонне при помощи замковой резьбы.

Отраслевым стандартом ОСТ 39026-76 предусмотрено вьпускать долота ИСМ диаметрами от 91,4 до 391,3 мм.

Преимуществами долот ИСМ являются их значительная проходка на долото, достигающая (при соблюдении условий эксплуатации) нескольких сотен метров и относительно высокая рейсовая скорость.

К недостаткам следует отнести узкую область применения (только в неабразивных породах М, МС и С) и высокий момент на вращение долота, ограничивающий применение забойных двигателей.

3.3. Долота для бурения с отбором керна

Для отбора керна используется колонковое долото (рис.14), состоящее из бурильной головки (ГОСТ 21210-75) и керноприемного устройства (ГОСТ 21949-76).

Бурголовка, разрушая породу по периферии забоя, оставляет в центре скважины колонку породы (керн), поступающую при углублении скважины в керноприемное устройство, состоящее из корпуса и керноприемной трубы (керноприемника).

Корпус керноприемного устройства служит для соединения бурильной головки с бурильной колонной, размещения керноприемника и защиты его от механических повреждений, а также для пропуска бурового раствора к промывочным каналам

Рис.14. Колонковое долото:

1 – бурильная головка; 2 – керн; 3 – керноприемная труба; 4 – корпус керноприемного устройства;

5 – шаровой клапан

бурголовки. Керноприемник предназначен для приема керна, сохранения его во время бурения от механических повреждений и гидроэрозионного воздействия бурового раствора и сохранения при подъеме на поверхность. Для выполнения этих функций в нижней части керноприемника устанавливают кернорватели и кернодержатели, а вверху клапан, пропускающий через себя вытесняемый из керноприемника буровой раствор при заполнении его керном.

По способу установки керноприемника в корпусе ГОСТ 21949-76 «Устройства керноприемные» предусматривает изготовление керноприемных устройств как с несъемными, так и со съемными керноприемниками.

При бурении с несъемными керноприемниками для подъема на поверхность заполненного керном керноприемника необходимо поднимать всю бурильную колонну.

При бурении со съемным керноприемником бурильная колонна не поднимается. Внутрь колонны на канате спускается специальный ловитель, с помощью которого из керноприемного устройства извлекают керноприемник и поднимают его на поверхность. При помощи этого же ловителя порожний керноприемник спускают и устанавливают в корпусе.

В настоящее время разработан целый ряд керноприемных устройств с несьемными керноприемниками («Недра», «Кембрий», «Силур»), предназначенных для различных условий отбора керна и имеющих аналогичную конструкцию. При турбинном бурении керн отбирают с помощью колонковых турбодолот со съемным керноприемником КТДЗ и КТД4С.

Для керноприемных устройств изготовляют шарошечные, алмазные, лопастные и ИСМ бурголовки, предназначенные для бурения в породах различной твердости и абразивности.

ГОСТ 21210-75 предусмотрено выпускать шарошечные и лопастные бурильные головки диаметрами от 76,0 до 349,2 мм.

Пример условного обозначения бурголовки для керноприемных устройств без съёмного керноприемника (К) с наружным диаметром Д_н = 212,7 внутренним диаметром Д_в = 80 мм для бурения мягких пород:

К 212,7/80 М ГОСТ 21210-75.

Пример условного обозначения бурголовки для керноприемных устройств со съемным керноприемником (КС) с наружным диаметром Д_н = 187,3мм, внутренним диаметром Д_в = 40 мм для бурения абразивных пород средней твердости: КС 187,3 / 40 СЗ ГОСТ 21210-75.