Глава 1

ТВЕРДОСПЛАВНЫЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

§ 1. Общие сведения о твердосплавном породоразрушающем инструменте

Твердосплавный ПРИ, применяемый при бурении в породах мягких и средней твердости (I—VII и частично VIII категории по буримости) с получением керна и без него, может иметь вид коронки или долота. В качестве ПРЭ при этом используют резцы из твердых сплавов различной формы и размеров. Основным конструктивным элементом такого ПРИ является корпус в виде короночного кольца или тела цилиндрической формы, имеющей рабочую часть, которая вооружена твердосплавными резцами, и резьбовую часть для присоединения к буровому снаряду.

По форме ПРЭ и с учетом механизма разрушения породы твердосплавный ПРИ может быть режущего действия (РД), режу- ще-скалывающего действия (РСД) и режуще-истирающего или фрезерующего действия (РИД). Во всех этих случаях ПРИ армируют твердым сплавом в виде резцов, либо наплавкой.

При изготовлении ПРИ обычно используют твердые сплавы вольфрамово-кобальтового состава марок ВК. Характеристика некоторых из них приведена ниже.

Марка твердого сплава	ВК-4	ВК-6	ВК-8	ВК-11	ВК-15	ВК-20	ВК-25
Содержание WC, %	96	94	92	89	85	80	75
Содержание Со, %	4	6	8	11	15	20	25
Твердость IIRC	88	87,5	87,5	86	86	89	82
Предел прочности на изгиб, МПа, не менее	1400	1500	1600	1800	1800	1950	2000

При вращательном бурении рекомендуется применять средне- и крупнозернистые малокобальтовые сплавы марок ВК-6 и ВК-8, а при ударно-вращательном или ударном — средне- и высококобальтовые Сплавы марок ВК-11, ВК-15, ВК-20 и ВК-25, обладающие большей ударной вязкостью, но меньшей твердостью и износостойкостью.

Формы резцов, применявшихся в различное время в качестве вооружения ПРИ, весьма разнообразны. В соответствии с ГОСТами резцы изготавливались в виде пластинок, призм, цилиндров и более сложных конфигураций с различными параметрами (табл. 1.1). С учетом размеров резцы для вооружения ПРИ, применяемого при вращательном бурении, условно делятся на крупные, мелкие и очень мелкие.

Для повышения износостойкости долот РСД и ДСД используют наплавочный твердый сплав релит — зернистый (3) или трубча- то-зернистый (ТЗ).

§ 2. Конструкции, типоразмеры и области применения твердосплавных коронок

Основными конструктивными элементами и параметрами твердосплавных коронок являются: короночное кольцо и вооружение — количество, распределение и положение резцов в рабочей части коронки, форма и площадь сечения циркуляционных каналов, их расположение, диаметр коронки.

Короночные кольца характеризуются стандартными размерами и элементами, приведенными на рис. 1.1, вив табл. 1.2.

Профиль присоединительной резьбы у корончатых колец трапецеидальный, характеризующийся определенными параметрами в соответствии с ГОСТ 6238—77 (рис. 1.1, б): шаг резьбы 5 = 4 мм; рабочая высота витка t = 0,75 мм; ширина витка у вершины т = 1,922 мм; ширина впадины Ъ = 1,934 мм; угол наклона боковой стороны витка а/2 = 5°.

Изготавливают короночные кольца из сталей марок 35 или 40. На отдельные размеры колец ГОСТами предусматриваются определенные допуски в сторону увеличения или уменьшения размеров, значения которых приводятся в соответствующих документах и справочниках.

Твердосплавная коронка имеет стандартные элементы и размеры (см. рис. 1.1, а): внутренний и наружный диаметры короночного кольца (D^ и D_K1I), определяющие толщину тела коронки <5, внутренний и наружный диаметры коронки по резцам (Х>_вр и D„_p), а также величину выхода или выпуска резцов из корпуса коронки по торцу за наружную д₂ и внутреннюю <5₃ боковые поверхности коронки. В случае необходимости получения кольцевого забоя повышенной ширины используют коронки с

Таблица Т. 1 Параметры резцов из твердых сплавов

Рис. 1.1. Конструктивные элементы твердосплавных коронок:

а — коронка с затачиваемыми резцами, б — профиль резьбы, в — коронка с приваренными ребрами, 1 - корпус, 2— ключевая выемка, 3 — резьба, 4 — резцы, 5 —вырезы для циркуляции промывочной жидкости, б —ребра

Таблица 1.2. Основные размеры короночных колец (в мм)

Диаметр короночного кольца		Толщина тела кольца <5	Диаметры резьбовой часта		Конусность К	Длина
наруж ный	внутрен ний		наруж ный	внутрен ний		L	*•1	*■2
°кн	йкв		°рн	°рв
149	135	1	141	139	1:16
130	116	1	120	118
110	96	1	101	99
91	77	7	82	80		75	45	«30
74	61	6,5	66	64	1:8
57,5	45,5	6,0	50	48
44,5	32,5	6,0	37	35
34,5	22,5	6,0	27	25

приваренными к корпусу ребрами 6 (рис, 1.1, в). Обычно верхний конец коронки имеет наружную резьбу 3 и внутреннюю коническую расточку К. В нижней торцовой части коронок делают специальные вырезы — промывочные окна 5, обеспечивающие нормальные условия циркуляции жидкости и удалени/е продуктов разрушения. С целью улучшения условий удаления шлама с забоя при недостаточной величине зазора между стенкой скважины и коронкой в ее корпусе делают специальные пазы или каналы по наружной поверхности, в сечении обычно имеющие треугольную форму. Число пазов в коронках зависит от их диаметра и условий работы (типа разбуриваемых пород) и колеблется от 2—3 до 10—12. Иногда пазы делают наклонными (по спирали). Суммарная площадь промывочных окон и пазов (каналов) должна обеспечивать циркуляцию промывочной жидкости без существенных потерь напора.

Количество резцов (вооруженность коронки) зависит от типоразмера коронки, формы и размеров самих резцов. Это определяется обычно конструктивно с учетом области и условий применения ПРИ.

Расположение резцов в коронке играет важную роль в ее работе. Все резцы по назначению делят на основные и подрезные. Основные резцы производят разрушение породы в площади забоя, а подрезные — калибруют ствол скважины и керн, обрабатывая стенки скважины и поверхность керна.

Основные резцы должны располагаться так, чтобы перекрывалось поперечное сечение торца короночного кольца. При этом они должны выступать над торцом на величину д_1г а подрезные —за боковую наружную и внутреннюю поверхности кольца, соответственно на величину д₂ и (5₃ (см. рис. 1.1). Это обеспечивает внедрение резцов в породу на определенную глубину, циркуляцию очистного агента, удаляющего продукты разрушения, и свободное вращение снаряда. Величины выхода или выпуска резцов д_и д₂ и <3₃ определяются в зависимости от характера породы —чем порода мягче, тем выход больше. Особенно важно увеличивать выход резцов при бурении разбухающих или вспучивающихся пород, когда диаметры скважины и керна могут резко изменяться. В твердых породах выход резцов за боковую поверхность должен быть порядка 0,75—1,0 мм, а над торцом —1,5—2 мм; в мягких породах — на величину 3—б мм за боковую поверхность и на 5—6 мм над торцом. Величина выхода резцов уменьшается при бурении в сильно трещиноватых породах во избежание поломки и выкрашивания резцов. Подрезные резцы выставляются на большую величину за наружную и на меньшую за внутреннюю поверхности коронки. В зависимости от размера резцов торец короночного кольца может перекрываться одним или группой — двумя или тремя резцами (см. рис. 1.1).

Рис. 1.2. Ступенчатые формы забоя скважины

Рис. 1.3. Формы вставок (штабиков):

в

а, б — прямоугольные; в — цилиндрическая; 1 — основные резцы; 2 — опорная пластина; 3 — установочная пластина; 4 — оберточная пластина; S — дополнительный подрезной резец

Рис. 1.4. Схемы расположения резцов в коронке;

а — вертикальное; б, е — наклонное; 1 — передняя грань; 2 — задняя грань; 3 — боковая грань; 4 — плоскость резания

Для повышения эффективности работы основных резцов выход их над торцом делают на разную величину, при этом забой получается сложной ступенчатой формы (рис. 1.2). Наличие дополнительных обнаженных поверхностей создает более благоприятные условия для разрушения породы по принципу подбойки и отбойки.

Величина выхода основных резцов регламентируемся их прочностью на излом. Чем она меньше, тем меньше должен быть выход. Но это приводит к ухудшению условий разрушения породы и удаления продуктов разрушения. В связи с этим, при использовании мелких резцов, их устанавливают в специальных металлических штабиках (матрицах) прямоугольной или цилиндрической формы с таким расчетом, чтобы в процессе работы изнашивалось тело штабика и происходило обнажение резцов (рис. 1.3). Таким способом реализуется принцип «самозатачивания» (само- обнажения) резцов, имеющих небольшую площадь поперечного сечения.

Эффективность работы ПРИ зависит от положения резцов относительно плоскости резания (торца коронки), которое определяется величиной переднего у_п, заднего у_э и угла резания /З_р (рис. 1.4). Относительно тела или корпуса коронки резцы могут располагаться перпендикулярно к ее торцу и наклонно. Угол резания/З_р, таким образом, может быть равен, больше или меньше 90° (см. рис. 1.4, я, б, в). Угол наклона резцов определяют в зависимости от характера пород. В породах мягких и средней твердости более эффективно работают резцы с положительным углом наклона у_п = 30-5-35°, когда /?_р < 90°; в твердых малоабразивных — с вертикальным расположением у_а = 0°, а /?_р = = 90°. Отрицательный угол наименее благоприятен и рекомендуется при бурении очень твердых и в особенности трещиноватых пород. Кроме того, резцы могут быть расположены без поворота или с поворотом вокруг своей оси на угол <р = 10±25° к радиусу коронки.

В зависимости от формы и размеров применяемых резцов все твердосплавные коронки делят на две основные группы: коронки с затачиваемыми резцами, имеющими угол приострения а, (крупнорезцовые и мелкорезцовые), и коронки самозатачивающиеся (микрорезцовые).

В соответствии с условиями работы или характером разбуриваемых пород промышленность выпускает коронки следующих типов: М —для бурения в мягких породах (ребристые коронки); СМ — для бурения в средних по твердости малоабразивных или перемежающихся по твердости породах; СТ — для бурения в породах средней твердости, малоабразивных или с перемежающейся твердостью и трещиноватых; СА —для бурения в породах средней твердости, абразивных, но монолитных или перемежающихся по твердости.

Табли1(а 1*3. Основные размеры твердосплавных коронок (в мм)

Диаметр коронок по резцам	Предельные отклонения по наружному диаметру для коронок типа			Внутренний диамлр для коронок по резцам типа			Предельные отклонения по внутреннему диаметру для коронок типа
	М	СМ, СТ и СА	М		СМ, СТ И СА	М		СМ, СТ и СА
36		+ 0,4			21	_		+ 0,2
46		-0,1	-		31	-		-0,6
59			-		44	-
76		+ 0,5	-		59			+ 0,2
93	±0,4	-0,3	57		75			-0,8
112		+ 0,6 -0,3	73		94	±0,5		+ 0,3 -0,8
132	±0,4	+ 0,6 -0,5	92		114			+ 0,4 -0,8
151			112		133

Рис. 1.5. Ребристые твердосплавные коронки типа М5(в) и М6(б): 1 — короночное кольцо; 2 — ребра; 3,4 — резцы

Рис. 1.6. Твсрдосплавпыс коронки типа СМ4(в) и СМб(б):

/ — корпус коронки; 2 — основной резец; 3 — подрезной резец; 4 — дополнительный резец

Простейшим видом коронок, применяемых при вращательном способе бурения в мягких рыхлых породах, являются коронки, рабочими органами которых служат зубья. Эти коронки получили название зубчатых. С целью повышения их стойкости зубья наплавляют твердым сплавом.

В практике бурения геологоразведочных скважин широко применяются коронки нормального ряда, выпускаемые промышленностью: М5, Мб, СМ4, СМ6, СТ2, СА4, СА5, СА6, основные параметры которых приводятся в табл. 1.3 и на рис. 1.5—1.7.

В связи с унификацией размеров породоразрушающего инструмента у новых твердосплавных коронок, имеющих наружный номинальный диаметр 36, 59, 76, 93 и 112 мм, внутренний диаметр будет иным —22, 42, 58, 73 и 92 мм соответственно с теми же допусками. Кроме того, выпускаются коронки для специальных снарядов, в частности, для бурения с гидротранспортом керна типов ГК-2, КГ-84МС, КГ-93МС (рис. 1.8) и другие разновидности.

Множество конструкций и типов твердосплавных коронок обусловливается разнообразием горных пород, характеризующихся раз-

Рис. 1.7. Твердосплавные коронки типа СА5, СА6(а) и СА4(б):

1 ~ корпус; 2,3 — вставки с основными резцами; 5 — дополнительные подрезные резцы

личными свойствами и спецификой процесса их разрушения. С этих позиций основными факторами, определяющими область применения коронок того или иного типа, являются: твердость или буримость, абразивность и трещиноватость горных пород. Руководствуясь существующей в настоящее время классификацией горных пород, области применения твердосплавных коронок ограничиваются породами I—VIII и частично IX категорий по бу- римости.

В общем случае рекомендуется в породах мягких, вспучивающихся I—IV категорий по буримости применять ребристые коронки типа М5 и Мб (см. рис. 1.5), в породах малоабразивных средней твердости IV—VI и частично VII категорий по буримости— СМ4, и СТ2 (см. рис. 1.6) и в породах абразивных выше средней твердости VI—VII и частично VIII—IX категорий по буримости —микрорезцовые или самозатачивающиеся коронки (СА4, СА5, СА6) или комбинированного типа (см. рис. 1.7).

А-А

Таблица 1.4

Тип коронки	Категория пород по буримости	Характеристика пород
М5	II-IV	Мягкие однородные породы типа глин, слабо сцементированные песчаники, гипсы, ангидриты, глинистые сланцы
Мб	И—IV, частично V—VI	Мягкие однородные породы с включениями щебеночно-галечных отложений
СМ4	V—VI, частично VII	Преимущественно малоабразивные монолитные, перемежающиеся породы типа аргиллитов, алевролитов, глинистых и песчанистых сланцев, известняков, слабых песчаников
СМ6	VI-VII	Малоабразивные монолитные и трещиноватые породы типа доломитов, известняков, серпентинитов, перидотитов
СТ2	IV-VI	Малоабраэивные трещиноватые, перемежающиеся породы типа известняков, частично окремнелых доломитов, сланцев с твердыми включениями и др.

Продолжение табл. 1.4

Тип коронки	Категория пород по буримости	Характеристика пород
СЛ4 СА5, СА6	V1H, частично IX VIII, частично IX	Преимущественно абразивные монолитные и слаботрещиноватые породы типа габбро, пироксенитов, порфиритов, диоритов, дацитов, гранатовых скарнов и др. Преимущественно абразивные монолитные и перемежающиеся породы типа песчаников, диоритов, габбро, порфиритов, окварцованных известняков

В табл. 1.4 приводятся рациональные области применения твердосплавных коронок, выпускаемых серийно.