§ 2. Лопастные долота

Лопастное долото для сплошного бурения (рис. 1-1) состоит из стального штампованного или литого корпуса с конической присоеди­нительной резьбой и лопастей, отштампованных или отлитых заодно целое с корпусом, присоединенных или приваренных к ному.

Лопастные долота используют при бурении однократно, в связи с чем длина лопастей рассчитывается на один рейс, а корпус делается по возможности более легким и дешевым.

Ранее лопастные долота изготовлялись коваными или литыми с длинными лопастями, рассчитанными на неоднократное их вос­становление непосредственно на промыслах. Ввиду мал о эффектив­ности такого метода эти долота применяют в основном только при бурении скважин диаметром более 490 мм.

По количеству лопастей долота подразделяются на двух-, трех-, четырех- и многолопастные (рис. 1-2). Лопасти выполняются со ско­сом боковых граней под углом 3—5°, направленным в сторону, про­тивоположную вращению. В зависимости от назначения долота лопасти заправляют под различными углами, отличающимися формой передней грани, ее наклоном относительно плоскости, перпендику­лярной оси долота. Углы наклона грани относительно плоскости называются углом резания а, углом приострения р и тыльным углом 7- В центре долота в лезвиях делается вырез для улучшения его работы.

На рис. 1-3 показаны различные профили заправки лопа­стей. Корпус и лопасти долота выполняют из среднеуглеродистых

11

и зернобым дым спладом

Рис. 1-1. Лопастное долото.

1 — корпус; 2 — насадка; 3 — лопасть.

12

Рис. 1-2. Двух-, трех- и четырех лопастные долота.

нелсгировашшх или малолегированных конструкционных сталей. Передняя и боковая грани лопастей для увеличения стойкости арми­руются твердым сплавом. После приварки лопастей к корпусу на передней и боковой гранях ее вырезают канавки, дно которых наплав-ливастся крупкой зернистого твердого сплава релит. В подготовлен­ные таким образом пазы с подушкой из твердого сплава укладывают

твердосплавные пластины. Для этого применяют литой карбид вольфрама (релит ФФ) или прес­сованный твердый сплав кар-бидволъфрама типа ВК8. Затем поверхности лопасти армиру­ются снаружи, т. е. заплавля-ются чугуном с крупкой твер­дого сплава.

Для снятия напряжений после сварки и наплавки до­лото подвергают термообра­ботке — нормализации, после

Рис. 1-3. Заправка лопастных долот.

I — для легкобуримых, мягких пород; J/ -

для мягких и средней крепости пород; III -

для средних пород.

Рис. 1-4. Схема действия сил на лез вне лопастного долота.

чего нарезается присоединительная резьба, производится подгонка по диаметру и заправка лезвий долота.

Силы, действующие на лопастное долото. В процессе разрушения породы на лопастные долота действуют две силы: осевая Q, вызывающая вдавливание резцов лопасти в по­роду (усилие подачи), и окружная Р, вызывающая скалывание породы (рис. 1-4).

Под действием этих сил каждая точка лопасти долота совершает винтовое движение, но так как она расположена на различном рас­стоянии от оси долота, то углы подъема винтовой линии движения точек будут различны.

13

Наименьший угол имеет периферийные точки; наибольший, равный 90°, — точку, расположенную на оси, которая но совершает движения по окружности, а имеет только поступательное переме­щение.

Разрушение забоя осуществляется не одновременно. Периферий­ные участки лопасти производят наибольшую работу. На оси долота скалывания но происходит, что препятствует внедрению долота, особенно в процессе бурения в более твердых породах.

При подаче долота за один оборот на величину h на забое сква­жины образуется столько уступов, сколько долото имеет лопастей.

Высота уступа

где Л;—число лопастей долота.

В процессе бурения осевая сила Q и окружная Р уравновеши­ваются реакциями забоя. Сила Q уравновешивается вертикальной реакцией Л, определяемой сопротивлением породы вдавливанию, а сила Р — горизонтальной реакцией F, определяемой сопротив­лением породы скалыванию.

Момент, необходимый для разрушения породы,

M^-FD. (J.-1)

Момент от силы трения лопасти о породу

где D —наружный диаметр долота;

/ — коэффициент трения долота о породу.

Тогда полный момент сил, приложенный к лопастям,

(1-3)

По величине этого крутящего момента определяется необходимый момент устройств, вращающих долото, и рассчитывается прочность долота.

Вследствие того, что регулировать подачу долота трудно, вели­чина внедрения его переменна и может быть весьма значительна. В результате возникают большие силы сопротивления разрушения породы и большие крутящие моменты. Поэтому толщина лопасти и сварочных швов рассчитывается на прочность по максимальному моменту, образующемуся па долоте при его заклинивании.

Эффективность бурения лопастными долотами определяется также величиной относительного давления лезвия лопасти на породу. Относительное давление

q = %, (1-4)

где L — суммарная длина режущих кромок всех лопастей. 14

В целях увеличения удельного давления при недостаточной осевой нагрузке, особенно в долотах больших диаметров или много­лопастных, лопасти выполняются с вырезами, чтобы вырез одной лопасти перекрывался выступом другой. В этих случаях лопасти имеют как бы пальцеобразный вид.

Отношение длины рабочих кромок лопасти к диаметру долота называется коэффициентом перекрытия, т. с.

lj / т - \

Ч=л-. (Ь5)

Как видно из приведенного, периферийная часть долота изна­шивается сильнее. Поэтому в многопластовых долотах эта часть более укреплена.

В двухлопастных долотах значение г\ близко к единице. Пртс значении т) > 2 эффективность от применения многолопастных долот снижается, в результате чего для бурения ими необходимы большие осевые нагрузки, что не всегда возможно осуществить.

Важную роль для эффективности бурения играет расположение, форма и размеры промывочных каналов. Струя промывочной жидко­сти подастся на режущую переднюю грань лопасти и смывает с нее разрушенную породу. Промывочные каналы направляются так, чтобы оси их отверстий проходили вблизи периферийной частя лопасти, но струя не ударяла бы в стенку скважины.

Струя жидкости, выходящая из отверстия долота, должна обла­дать достаточной энергией, чтобы осуществлять очистку лопасти и забоя. Для обеспечения этого диаметр струи, количество жидкости и скорость ее истечения и расстояние от забоя до торца промывоч­ного отверстия должны находиться в определенном соотношении. Чем меньше диаметр отверстия и скорость истечения, тем отвер­стие должно быть ближе расположено к забою, и наоборот.

В лопастных долотах в зависимости от диаметра промывочные отверстия сопла располагают на расстоянии 50—150 мм от режу­щем грани.

Диаметр отверстия сопла d_c равен 9—25 мм. Эксперименталь­ные исследования показали, что при отверстиях диаметром менее 9 мм струя в затопленном пространстве теряет гидромониторный эффект уже на небольших расстояниях. Для подачи более мощной струи в каждой лопасти предусмотрены одно, а при больших диа­метрах — два отверстия. Для обеспечения гидромониторного эффекта скорость г?_с истечения жидкости из сопла выбирается в пределах 70—120 м/сек. Чтобы иметь возможность получить необходимую скорость истечения при технологически вынужденных измерениях количества жидкости, в конструкции долота предусматривают быстросъемные насадки.

Количество жидкости Q и скорость ее истечения v_a связаны с диаметром сопла d.

4 где 2 —число отверстий в долоте.

Гидравлическое сопротивление в соплах долота

P*=WQ*> (1-7)

где й_д —коэффициент гидравлических сопротивлений; р — удельный вес жидкости.

Для уменьшения гидравлических потерь промывочные каналы выполняются в виде сужающегося сопла.

Во избежание размывания промывочных отверстий в долота вставляют сменные втулки из минералокерамики или твердых спла­вов, а для предупреждения размывания отверстий корпуса долота втулки устанавливают на уплотнениях.