Глава 23 бутовой инструмент

§ 1. Технологический буровой инструмент

Технологический буровой инструмент служит для разрушения породы, удаления продуктов разрушения, спуска и подъема бурового снаряда. К нему относятся: породоразрушающие инструменты (долота, стаканы, грунтоносы), ударные штанги, раздвижные штанги — ножницы, канатные замки, канат (трос).

Долота (рис. 23.1) служат для разрушения породы на забое и обработки стенок скважины. Это основная рабочая часть бурового снаряда, испытывающая при бурении в твердых породах наиболь

шие. 23.1. Долота для ударно-канатного бурения

шую нагрузку. Долота изготовляют из специальных высококачественных сортов сталей (63, У7, У8, У7А, У8А).

Основные элементы долота (рис. 23.1, а): лезвие I; рабочая головка 2; тело (корпус) долота 3, имеющее желоба 4 для прохода воды и шлама при бурении; шейка 5 долота с ключевыми выемками-площадками 6 для захвата долота инструментальным ключом при соединении с ударным снарядом и кольцевыми проточками 7, которые облетают захват долота, оставшегося в скважине при аварии; резьбовая головка 8. Долото характеризуется основными размерами: длиной долота А, длиной лезвия Д, толщиной тела долота Б, шириной ключевой выемки В, диаметром шейки долота d и, наконец, размером резьбовой головки, имеющей определенный тип резьбы.

Форма или конфигурация рабочей головки долота характеризуется числом лезвий, углом скоса или зазора <р головки долота, углом приострения лезвия а и углом наклона лезвия у. Кроме того, головка имеет специфическую рабочую или дробящую поверхность. Рабочие головки долот могут иметь одно лезвие, оставляющее при ударе след в виде прямой линии (рис. 23.1, а, г), два лезвия, оставляющие след в виде двух прямых линий, пересекающихся под прямым углом (рис. 23,1, в, д), и, наконец, три лезвия — одно основное и два боковых, идущих по периферийной части головки долота (рис. 23.1, б, е). Число и расположение лезвий существенно влияет на работоспособность долот, так как от этого зависит объем породы, разрушае\ ой при ударе, возможность заклинивания лезвия долота в трещиноватых породах или в сужающемся стволе при износе боковых частей головки и др.

Угол скоса <р головки долота определяет величину зазора, получаемого между стенкой скважины и телом долота. Этот зазор необходим для уменьшения сил трения долота о стенку скважины. Для мягких пород угол скоса принимают равным 8—9°, для крепких в целях увеличения стойкости головки долота его уменьшают до 4°.

Угол приострения а является углом между боковыми гранями лезвия долота. Зависит угол приострения от характера пород (их физико-технических свойств): твердости, трещиноватости и т. д. Для мягких пород он составляет 70—80°, для средних по твердости пород — 90—105°, а для твердых и очень твердых —110—120°, иногда 140°. При бурении трещиноватых пород угол приострения также увеличивается. Угол приострения у долот, выпускаемых заводами, часто равен 100°. Нужный угол лезвию придают на месте работ в зависимости от свойств проходимых пород.

Угол у характеризует конфигурацию лезвия головки долота. Это угол между линией, соединяющей периферийные концы лезвия (перпендикулярная длинной оси долота), и контурной линией основного лезвия. В зависимости от величины этого угла и положения его относительно линии, перпендикулярна й оси долота, контур лезвия может быть прямолинейным (у = 0), яогнутым или выпуклым (у = 3 + 6°).

Дробящая поверхность — это поверхность возможного соприкосновения граней лезвия долота с породой на забое при ударе. Измеряется эта поверхность в процентах от всей площади забоя (см. рис. 23.1, г, д, е — заштриховано). Величина дробящей поверхности может быть в зависимости от твердости пород от 40—50 до 80% и более. Чем тверже породы, тем больше должна быть дробящая поверхность, что увеличивает стойкость долота и, следовательно, продолжительность его эффективной работы в скважине.

Таким образом, в соответствии с характером проходимых пород рабочая головка долот может иметь вид простого зубила — плоское долото (см. рис. 23.1, а); форму двутавровой балки (см. рис. 23.1, б); форму креста (в поперечном сечении) — крестовое долото (см. рис. 23.1, в, д) и более сложную фасонную форму с боковыми лезвиями и увеличенной дробящей поверхностью до 80% — округляющие или копытообразные долота (см. рис. 23.1, ж, з).

Плоские долота могут быть двух типов — облегченные и тяжелые. Облегченное плоское долото (см. рис. 23.1, а) имеет небольшую толщину тела с широкими и неглубокими каналами. Рабочая головка долота зубильной формы с одним лезвием и небольшой дробящей поверхностью около 40%. Угол приострения у таких долот не превышает 90°, они предназначены для проходки сравнительно мягких, плотных нетрещиноватых пород. Тяжелое долото по внешней форме напоминает облегченное, но имеет большую толщину тела и дробящую поверхность до 50—60%. Угол приострения 90—110°. Предназначены тяжелые (плоские) долота для проходки пород средней твердости и твердых. Размеры плоских облегченных долот (по длине лезвия): 148, 198, 248, 298, 345, 395, 445, 495 и 695 мм. Масса долот от 42 до 520 кг. Тяжелые долота диаметром 148—395 мм имеют массу 60—470 кг соответственно.

Долота двутавровые (см. рис. 23.1, б) имеют три лезвия — одно основное (зубильного типа) и два дополнительных боковых, образованных выступающими по краям тела долота бортами. Это повышает износостойкость периферийных частей головки. Такое долото реже заклинивается в трещиноватых породах и придает скважине более правильную цилиндрическую форму. Угол приострения основного лезвия двутавровых долот 90—110°. Предназначены такие долота для бурения пород мягких и средней твердости не сильно трещиноватых. Диаметр долот от 148 до 850 мм, масса 42-630 кг.

Крестовое долото имеет два лезвия, что повышает их износостойкость и дробящую поверхность вдвое. При работе такое долото практически не заклинивается в трещинах, так как одно из лезвий всегда будет располагаться поперек трещины, и не отклоняется в сторону при ударе по забою с неоднородной по твердости породой. Угол приострения лезвий 110—140°, угол скоса 5°. Предназначается такое долото для бурения неоднородных по твердости пород, твердых трещиноватых и слоистых пород, а также в толщах мягких пород с включением крупных обломков пород или валунов. Диаметры долот 148—595 мм, масса 66—980 кг.

Округляющие и широкобортные долота имеют утолщенное тело и головку копытообразной формы с тремя фасонного профиля лезвиями и большой дробящей поверхностью (рис. 23.1, ж, з). Угол приострения основного лезвия 90—130°, угол скоса 5—6°. Такие долота служат для выравнивания стенок скважины и хорошо работают как в мягких, так и в твердых породах, плотных и трещиноватых, а также в валунно-галечниковых отложениях. Диаметр долот может быть от 148 до 695 мм, длина 700—1500 мм, масса 85—1400 кг соответственно.

При разведке россыпей широко используют долота со сменной головкой конструкции ПГО «Севвостгеология» (рис. 23.1, и). Съемную головку 1 у такого долота крепят к телу (корпусу) 5 винтом- шпилькой 3 с головкой 4. Положение головки и жесткость крепления обеспечиваются гладкими шпильками 2. При износе лезвия головка легко отсоединяется и заменяется новой. Каждое долото комплектуют 25—30 сменными головками с лезвиями различной конфигурации и разными углами приострения (70—90°). Диаметр долота 191 мм, масса в сборе 84 кг, масса головки 5 кг.

В практике ударно-канатного бурения в мягких и очень мягких породах используются долота комбинированного типа (рис. 23.1, к). Рабочая головка 1 у такого долота имеет крестообразную форму, а тело 2 —форму плоского долота с укороченным поперечным телом 3. При бурении таким долотом в глинах в скважине образуется тестообразная масса, которая налипает на тело долота и извлекается вместе с ним на поверхность. Крестовая головка способствует удержанию породы на теле долота. При этом не требуется делать специальные рейсы для удаления продуктов разрушения желонкой, что существенно повышает производительность труда.

К специальным долотам относятся эксцентричные, пирамидальные и др. (рис. 23.2). Эксцентричные долота, имеющие плоское асимметричное тело со скошенным (наклонным) лезвием (рис. 23.2, а), служат для бурения с одновременным увеличением диаметра скважины при спуске обсадной колонны вслед за забоем. Пирамидальное долото (рис. 23.2, б) служит для проходки скважины в валунно-галечниковых отложениях. При этом валуны или крупная галька раскалываются и вдавливаются в стенки скважины, за счет чего формируется ствол, так как тело долота имеет цилиндрическую форму, а рабочая головка — форму пирамиды.

Рис. 23.3. Конструкции желонок:

в —с плоским клапаном и резьбовой головкой для присоединения к ударному снаряду: 1 — башмак; 2 — плоский клапан; 3 — шарнир; 4 —труба- корпус желонки; 5 — вилка; 6 — резьбовая головка; б — с плоским клапаном и дужкой для присоединения каната:

1. — башмак; 2 — клапан; 3 — корпус; 4—дужка; в — с полусферическим клапаном и я зыком-рыхлителем: 1 — язык,

2. — башмак; 3 — клапан полусферический; «/ — корпус; 5 —дужка

Расширители предназначены для увеличения диаметра скважины одновременно с ее углубкой долотом, имеющим меньшую, чем необходимо, длину лезвия. Такой инструмент применяется, например, при необходимости продвигать колонну обсадных труб вслед за забоем.

Желонки предназначены для непосредственного бурения в

рыхлых породах (песках, супесях, галечниках) и для удаления из скважины продуктов разрушения (шлама) при бурении долотами в плотных твердых (скальных) породах.

В общем случае желонка (рис. 23.3, а) представляет собой трубу-корпус 4 с башмаком 1 на нижнем конце, в котором устанавливается клапан 2. К открытому верхнему концу трубы прикрепляется вилка 5 с резьбовой головкой 6 или дужка для присоединения каната.

В практике ударного бурения скважин применяют различные типы желонок, отличающихся главным образом устройством клапана и дужки. Желонки бывают с плоским, полусферическим или сферическим клапанами (рис. 23.3, б, в) и специальные желонки с поршнем (рис. 23.4, а, б).

Корпус желонок изготовляют из обсадных труб определенного стандартного диаметра: 114, 168, 219, 273, 325, 377, 426, 529 мм. Длина желонок обычно 3—4 м. Диаметр башмака всегда больше диаметра корпуса желонки на 6—12 мм.

Желонки с плоским клапаном предназначены для удаления с забоя крупных обломков пород и гальки, с полусферическим клапаном служат для очистки забоя от шлама, представленного мелкозернистой породной массой.

В практике бурения скважин при разведке россыпных месторождений применяют поршневые желонки конструкции ВНИИ-1 типа Р-8ЖА-4У (см. рис. 23.4, б) с шаровым клапаном. Спущенная в скважину желонка заполняется после 5—6 ходов поршня. Для освобождения от шлама ее помещают в емкость, в которой установлен штырь-толкатель, поднимающий шаровой клапан. Через открывшееся отверстие в башмаке содержимое желонки выливается в шламосборник.

Стаканы служат для бурения мягких липких пород типа увлажненных глин с отбором образцов в виде столбика-керна. Стакан представляет собой трубу с башмаком режущего действия и дужкой с резьбовой головкой для присоединения раздвижной и ударной штанг. Только отсутствие клапана отличает такой снаряд от желонки. Бурят стаканом, сбрасывая его на забой с некоторой высоты. При ударе башмак внедряется в мягкую породу, вырезая столбик (керн), попадающий внутрь корпуса стакана, в котором он удерживается силой трения при отрыве от массива и подъеме на поверхность. Для повышения силы удара к стакайу присоединяют ударную и раздвижную штанги.

Ударные штанги служат для увеличения массы бурового снаряда, от которой зависит сила удара при разрушении породы в забое. Ударная штанга (рис. 23.5, а) представляет собой массивную цилиндрической формы стальную деталь 2, оба конца которой снабжены резьбами 1, 4 для присоединения элементов бурового снаряда и вырезами-лысками 3 для захвата инструментальными

Рис. 23.4. Желонки поршневые: а — с плоским клапаном и поршнем: 1 — башмак;

2. —клапан; J —поршень; 4 — резиновый клапан; S — шарнир; 6 — корпус; 7 — окно; 8 — шток; 9 — кольцо для присоединения каната; б — с шаровым клапаном и поршнем: / — башмак; 2 —шаровой клапан; J — корпус; 4 — поршень; S — втулка; б — гайка; 7, 9 — резиновые амортизаторы; 8 — шток; 10 — дужка для присоединения каната; // — манжеты

Рис. 23.5. Элементы бурового снаряда: ударная штанга; 6 —раздвижная штанга (ножницы)

>//

ключами при его сборке и разборке. Параметры ударных штанг, определяющие их массу, приведены ниже.

БУРЕНИЕ 1

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН 1

I 141

J 141

с 155

с 155

[] 252

G₀ = 0,1 253

1 51

rF%irirrnrsn^Sr^n 51

/_п = / - ft, (24.31) 393

Ш 405

Щк! 405

В различных отраслях промышленности обычно устанавливают

свои нормативы на буровой инструмент, которые могут быть различными.

Раздвижные штанги или ножницы служат для улучшения условий работы ударного снаряда в скважине при бурении. Раздвижная штанга (рис. 23.5, б) состоит из двух замкнутых звеньев 2, 3, имеющих свободу перемещения друг относительно друга на некоторую величину S. Свободные концы звеньев снабжены резьбами 2, 5 и вырезами-лысками 4. Отличаются раздвижные штанги главным образом размерами и величиной свободного хода звеньев друг относительно друга. По этому признаку различают два типа раздвижных штанг: рабочие и ловильные. Свободный ход у рабочей раздвижной штанги 150—250 мм, а у ловильной 400—500 мм. Поперечные размеры штанг характеризуются диаметром шеек d: 112, 140, 165, 188, 220 мм, при длине 1800—2000 мм.

При работе с раздвижной штангой уменьшается сила, тормозящая движение ударного снаряда в момент удара по забою за счет растяжения стального каната, в результате чего верхнее звено раздвижной штанги вместе с канатным замком продолжает движение в пределах свободного хода относительно нижнего звена. Это же обстоятельство обеспечивает увеличение силы, действующей вверх за счет сокращения длины стального каната, удлинившегося под действием веса подвешенного бурового снаряда в период его падения, что происходит при снятии нагрузки в момент удара снаряда по забою. Под действием силы, направленной вверх при сокращении длины каната, и усилия, которое создается оттяжной рамой станка, снаряд выдергивается с забоя и приподнимается на исходную величину. Таким образом, наличие свободного хода верхнего звена раздвижной штанги способствует выбиванию заклинившегося бурового снаряда, что особенно характерно при бурении по сильно трещиноватым породам.

Ловильные ножницы используют при выбивании прихваченного снаряда в скважине. Благодаря большому свободному ходу верхнего звена возникает возможность его разбега в период движения каната вверх за счет действия оттяжной рамы ударного механизма. В связи с этим формируется повышенная динамическая сила, направленная вверх.

Канатные замки служат для присоединения стального каната к буровому снаряду. Применяют два основных типа канатных замков: простой или нормальный и со свободной втулкой (са- мовращающийся). Самовращающийся замок (рис. 23.6, а) состоит из корпуса 2 цилиндрической формы, имеющего внутренние проточки, в которых помещается конец каната, втулка 4 и шайба 5, в нижнем конце — присоединительная резьба 1. Верхний конец заканчивается шейкой с рифлением 7 для захвата ловильным инструментом в случае обрыва каната. Конец каната закрепляется в конической расточке втулки 4, которая может свободно вращаться внутри корпуса замка, чему способствует шайба 5 и смазка в

Vue. 23.6. Канатные замки: а — с вращающейся втулкой; б — замок с боковым

виде воды, попадающей на трущиеся поверхности через отверстия 3 в корпусе. Такая конструкция канатного замка обеспечивает проворачивание конца каната, раскручивающегося при растяжении и скручивающегося при снятии нагрузки. За счет такого процесса возникает поворачивание бурового снаряда вокруг своей оси после нанесения удара по забою при подъеме его вверх. Существуют и другие конструкции канатных замков, в частности, с боковым окном 1 в корпусе 3 (рис. 23.6, б), через которое может проходить конец каната, вместе с втулкой 2 при необходимости ее замены. Диаметры канатных замков соответствуют диаметрам элементов бурового снаряда той или иной нормали, например: 112, 140, 188, 220 мм. Длина от 380 до 670 мм, масса 9—127 кг.

Соединение всех элементов бурового снаряда осуществляется с помощью присоединительной конической резьбы треугольной формы, выполненной в соответствии с отраслевыми нормалями.

Канаты при ударном бурении служат для спуска и подъема бурового снаряда и желонки, а также для осуществления долбежных операций при бурении, при чистке скважины и выполнении грузоподъемных операций, связанных с извлечением обсадных труб из скважины. В соответствии с этим различают канаты инструментальные (бурильные¹), желоночные и талевые (грузовые"). В качестве инструментального используется канат только прямой левой свивки. При растяжении свободный конец такого каната вращает снаряд вправо, затягивая резьбовые соединения. В качестве желоночных и талевых канатов могут применяться канаты любой свивки, но чаще крестовой.

При выборе каната производят расчет на прочность в зависимости от наибольшей растягивающей нагрузки, которая будет действовать на канат при работе.

Способы соединения каната с канатным замком, имеющим втулку, приведены на рис. 23.1,а, б, в, г. Конец каната пропускают через осевой канал замка с верхнего (узкого) конца. На канат надевается втулка 1. Затем канат на расстоянии 0,2—0,3 м от конца перевязывают мягкой проволокой, придавая утолщению грушевидную форму 2, пряди расплетают на отдельные проволоки 3, а органический сердечник вырезают. После этого проволоки загибают на 180° в сторону перевязки и их концы прихватывают проволокой 4. Получившееся утолщение, имеющее форму конуса втулки или замка, затягивают внутрь втулки и канатного замка

5. Такое закрепление каната получило название сухой заправки в отличие от заправки, при которой конусную расточку замка или втулки заливают свинцом.

Рис. 23.7. Способы присоединения стального каната к буровым инструментам

Присоединение стального каната к желоночной дужке или серьге 3 осуществляется петлей с закреплением конца специальными зажимами 1 (рис. 23.7, д). Для предохранения каната от деформации и обрыва проволочек на перегибе в петлю вставляется специальное ушко 2 (коуш). Концы стальных проволочек при этом должны быть изолированы. Их обычно обматывают мягкой проволокой.