§ 2. Конструктивные элементы Породоразрушающего инструмента шарошечного типа

Конструктивные элементы ПРИ шарошечного типа определяют кинематику и динамику их работы на забое. Отличаются друг от друга ПРИ количеством, формой и расположением шарошек, геометрической формой, размером и качеством вооружения, количеством, конструкцией и расположением промывочных каналов и другими деталями.

Корпус у корпусных долот представляет собой литое кольцо, имеющее на верхнем конце внутреннюю присоединительную резьбу. К кольцу приваривают лапы. Секционные долота изготовляют сваркой отдельных секций —лап, образующих корпус, на верхнем конце которого нарезают наружную присоединительную резьбу (см. рис. 3.1). По этому признаку все шарошечные долота делятся на две группы: группа А —секционные (диаметром от 46 до 320 мм) и группа Б —корпусные (диаметром от 346 до 490 мм). Долота геологоразведочного стандарта диаметром более 59 мм имеют конусную замковую резьбу, а диаметром 59 мм и менее— цилиндрическую ниппельную резьбу трапецеидального профиля. Шарошечные коронки также могут иметь наружную или внутреннюю резьбу (замковую или специальную цилиндрической формы) для присоединения к колонковой трубе при сборке бурового снаряда.

Лапы служат для закрепления цапф (осей), вокруг которых вращаются шарошки. У секционных долот лапы, сваренные вместе, образуют корпус.

Шарошки — основной рабочий орган ПРИ шарошечного типа. Форма шарошек может быть различной: конической, цилиндрической, сферической, полусферической, дисковой, в виде усеченного конуса и др. Наиболее распространена коническая форма шарошек. Применяют одно- и многоконусные шарошки, которые могут иметь основной 1, несколько дополнительных 2, 3 и обратный 4 конусы. Заостренная часть шарошки называется вершиной, противоположная плоская — тыльной частью (рис. 3.2). Геометрическая форма конусных шарошек определяется количеством и углами конусов

А А А

Рис. 3.2. Формы и конструктивные параметры шарошек (а), расположение шарошек со смещением осей (б)

2уЗ, 2/Jj, 2/3₂, 2/?₃, длиной образующих 1_и 1₂, 1₃, /₄, а габариты — высокой шарошки Н и диаметром калибрующей окружности D_K или D_m. Положение шарошек относительно оси корпуса долота определяется углом наклона <р оси шарошки ОБ, величиной вылета вершины шарошки / и смещением оси шарошки К_с.

Для оснащения одношарошечных долот применяются обычно шарошки сферической формы, в форме дисков, плоской формы с рабочей торцовой поверхностью, кольцевой и конической формы и др. В связи с тем, что долото оснащается одной шарошкой, появляется возможность усилить опору, что существенно повышает стойкость долот в целом и эффективность разрушения породы по всей площади забоя, включая и его центральную часть.

Вооружение (породоразрушающие элементы) шарошек может быть в виде зубьев или штырей (зубков) из твердых сплавов, располагающихся дискретно концентрическими венцами по определенной системе (рис. 3.3). Всем венцам присваиваются буквенные обозначения (от вершин к торцу): А, Б, В, Г, Д.

I I ж

Рис. 3.3. Конструктивные элементы шарошек;

I, И, III — шарошки трехшарошечного долота; 1, 2, 3 — беговые дорожки

В большинстве случаяев зубья шарошек имеют форму клина, основные элементы которого показаны на рис. 3.4, а.

Длина зуба в зависит от количества венцов в шарошке и ее размеров. На периферийных венцах длина зубьев обычно больше, чем на основных. Минимальная длина зуба 5 мм у долот малого диаметра. У долот со смещенными осями шарошек обычно в>2К_с, (где К_с — величина смещения осей, мм). Высота зубьев на разных венцах различна и увеличивается к тыльной части шарошки в зависимости от размеров долота и характера пород, для разрушения которых оно предназначено. Обычно для более мягких пород высота берется больше, а твердых — меньше. Ширина зуба у основания т зависит от высоты и угла заострения смежных зубьев на одном и том же венце.

Породоразрушающие инструменты шарошечного типа, предназначенные для работы в породах повышенной твердости и абразивности (ОК, К, ТК, ТКЗ, ТЗ, СЗ, МСЗ, М3), оснащают твердосплавными штырями (зубками) трех основных форм (рис. 3.4, б): с полусферическим торцом рабочей части —формы Г26 или типа 1СЦ; с плоским торцом —формы 754 или типа

' Г

Рис. 3.4. Формы и конструктивные параметры вооружения шарошек: а —зуб шарошки; б — твердосплавные штыри (зубки), 1 — наружный торец зуба; 2 — рабочий торец зуба (площадка притупления); 3 — внутренний торец зуба; 4, 5 — сбегающая и набегающая стороны зуба; в —длина зуба, На — высота зуба по нормали к наружному конусу шарошки; Не — высота зуба по нормали к Бнухреннему конусу; т — ширина зуба у основания; с —ширина зуба при вершине; S — шаг зубьев; а — угол заострения зуба

*j°

Г25(т)

Const

т

нт

2СЦ; с клиновидным торцом —формы Г25 типа ЗСЦ. Штыри типа 2СЦ, применяемые в качестве калибрующих, имеют плоский торец. Диаметр твердосплавных штырей в зависимости от номера изделия может быть от 3,14 до 14,14 мм, а высота в зависимости от диаметра —от 3 до 24 мм.

Твердосплавные штыри укрепляют в теле шарошки прессованием в отверстиях, имеющих по диаметру минусовый допуск в пределах 0,06—0,09 мм с целью обеспечения надежной посадки штырей в гнездах. Глубину отверстий подбирают с таким расчетом, чтобы выход штырей из тела шарошки составлял требуемую величину, в зависимости от типоразмера инструмента от 2—3 до 6—8 мм.

Неодинаковая величина выхода штырей на разных венцах одной и той же шарошки приводит к получению забоя ступенчатой формы, что в условиях хрупкого разрушения пород повышает

эффективность работы инструмента. При оснащении шарошек твердосплавными ПРЭ используют штыри разного диаметра — меньшей величины у вершины, а большей — у основания (торца) шарошек.

Для повышения эффективности работы шарошечных долот используют комбинированное вооружение. У таких долот при определенной высоте основных имеются дополнительные зубья или штыри. Высота их меньше на величину, превышающую возможную глубину внедрения в породу основных зубьев. Вспомогательные зубья служат для разрушения участков между основными зубьями в тех случаях, когда параметры основного вооружения не соответствуют характеру разрушаемых пород.

По взаиморасположению зубьев у смежных шарошек долота делятся на самоочищающиеся и неочищающиеся. В первом случае одноконусные или многоконусные шарошки устанавливаются без смещения осей или с положительным смещением. При этом зубья венцов одной шарошки заходят в промежутки между зубьями (венцами) соседних шарошек. У несамоочищающихся шарошек одноконусные шарошки устанавливаются без смещения осей с некоторыми зазорами. Самоочищение у таких долот может быть достигнуто увеличением высоты зубьев. Наиболее работоспособными являются долота с самоочищающимися зубьями или штырями первого типа с многоконусными шарошками и положительным смещением их осей, в особенности при разрушении пород повышенной твердости и абразивности.

Цапфы долот служат опорой шарошек и, кроме того, на них размещаются подшипники. В зависимости от конструкции последних цапфы могут иметь различную, обычно ступенчатую, форму с цилиндрическими поясками (в случае применения подшипников скольжения или роликовых подшипников качения) или с канавками — беговыми дорожками для размещения шариковых подшипников (см. рис. 3.1). Для укладки шариков, выполняющих роль замка, в цапфе имеется канал, который при сборке долота закрывается замковым пальцем.

Опоры шарошек служат для передачи нагрузки на забой при условии непрерывного вращения шарошек вокруг своих осей. Отличаются опоры конструкцией и количеством элементов подшипников. При этом применяются в разных вариантах подшипники скольжения (С) и качения — шариковые (1И) и роликовые (Р). Количественно в опоре может быть один, два, три или четыре ряда подшипников. В известных конструкциях ПРИ шарошечного типа применяется несколько типов опор в зависимости от диаметров и условий работы инструмента: I — скольжения — шариковая — скольжения (СШС); II — скольжения — шариковая — шариковая (СШШ); III —роликовая—шариковая —скольжения (РШС); IV —скольжения — шариковая — роликовая (CHIP); V—роликовая — шариковая — роликовая (РШР); VI — шариковая — шариковая — роликовая (ШШР); VII —шариковая —шариковая —шариковая (ШШШ) и др.

У долот небольшого диаметра (менее 76 мм) в основном применяются опоры типа С (скольжения). В долотах среднего размера (от 76 до 145 мм) используются пять основных типов опор: СШС, СШШ, PLLIC, СШР и РШР. Долота большого диаметра, как правило, имеют опоры двух типов: РШР и ШШР.

Шарошки на цапфе закрепляются шариками замкового подшипника или без использования шариков. В первом случае после сборки концевого и периферийного подшипников шарошка одевается на цапфу и через специальный канал закладываются шарики замкового подшипника. Затем в канал устанавливают запорный палец, ориентируемый штифтом — фиксатором, который вставляется в пазы и приваривается в торце цапфы (см. рис. 3.1).

Бесшариковое закрепление шарошек используют в долотах малого диаметра геологоразведочного стандарта. В этом случае шарошки удерживаются на цапфе либо пружинным распорным кольцом, размещающимся в кольцевых канавках на цапфе и в теле шарошки, либо запорным болтом (пальцем), ввинчиваемым в торец цапфы.

При бурении скважин с продувкой забоя воздухом в результате плохого теплообмена обычные долота могут перегреваться, что приводит к быстрому выходу из строя опорных узлов, вплоть до расплавления беговых дорожек. Для лучшего охлаждения опор в лапах и цапфах долот для бурения с продувкой скважин воздухом делают специальные каналы, по которым часть воздуха (до 25% от общего количества) проходит через опоры. Это в определенной мере предупреждает попадание частиц разрушенной породы в опоры и предохраняет их от быстрого износа. Во избежание попадания шлама в каналы с обратным потоком при прекращении подачи воздуха компрессором центральное отверстие в долоте рекомендуется перекрывать обратным клапаном. Такие клапаны делаются и в долотах, предназначенных для бурения с промывкой. Промывочная жидкость при этом выполняет еще и роль смазки опоры.

С целью предохранения опор от износа создаются маслонаполненные герметизированные конструкции с компенсированием перепада давления внутри и вне опоры с помощью специального фильтра или лубрикатора. В процессе работы долота с такой опорой через отверстие в крышке камеры масло гидростатическим давлением вытесняется из эластичного мешка и по системе каналов поступает во все зазоры опоры, осуществляя их смазку. Утечка масла предупреждается специальным уплотнением, установленным в тыльной части шарошки (у основания цапфы).

Промывочные каналы или отверстия, служащие для прохода потока промывочной жидкости или воздуха к забою, играют существенную роль в работе ПРИ шарошечного типа. От их расположения, конфигурации и размеров зависят качество очистки забоя и зубьев шарошек от продуктов разрушения, интенсивность разрушения породы, охлаждение и износ ПРИ.

Высокие скорости движения жидкости и особенно воздуха в каналах долота и в призабойной области скважины вызывают сложное (гидро- или аэродинамическое) движение струй с завихрениями и элементами эжекции. Это приводит подчас к накапливанию продуктов разрушения в некоторых участках забоя скважины или долота и аномальному износу его элементов (опор и вооружения). Кроме того, поток жидкости с высокой плотностью, движущийся с большой скоростью, создает избыточное гидродинамическое давление на породу в забое, что затрудняет отделение продуктов разрушения от массива. Прямой поток промывочной жидкости в определенных условиях может препятствовать выходу шлама из призабойной части скважины. Наконец, в некоторых случаях применение неудачной системы промывки может привести к образованию на бурильных трубах сальников из частиц липких пород.

В конструкциях шарошечных долот применяют различные схемы расположения промывочных каналов: с центральным каналом, боковым или комбинированные с одним или несколькими отверстиями (рис. 3.5). Отверстия по форме могут быть цилиндри-

Рис. 3.5. Схема расположения циркуляционных каналов и конструкции гидромониторных насадок:

I—насадка; 2—уплотнение; 3 — стопорное кольцо; 4 — шайба; 5 — резьбовая втулка; б — дистанционная втулка

1

ческими, трехгранного или щелевого сечения. Каналы располагаются параллельно оси долота или наклонно. При этом потоки жидкости (или воздуха) могут быть направлены на шарошки или на забой. В первом случае обеспечивается хорошая очистка зубьев от налипающей породы, но ухудшается очистка забоя от шлама. Кроме того, при такой схеме не используется гидромониторный эффект потока жидкости, который в известных случаях повышает эффективность разрушения породы в забое. При боковой схеме промывки струя жидкости направляется на забой мимо шарошек, что обеспечивает более эффективную очистку забоя от продуктов разрушения, а в мягких породах — разрушение породы за счет гидромониторного эффекта, заключающегося в гидродинамическом воздействии высоконапорной струи жидкости на породу. Эффективное разрушение достаточно мягких пород возникает при скорости движения потока порядка 60 м/с. Максимальные скорости потока, получаемые при использовании современной техники бурения, достигают 125 м/с.

В долотах небольшого диаметра с центральным промывочным каналом применяются сменные промывочные насадки конструкции УфНИИ (рис. 3.5, а). Такие насадки позволяют получать скорости истечения жидкости до 50 м/с и приближают струю к забою, что обеспечивает хорошую очистку последнего от продуктов разрушения.

С учетом того, что при высоких скоростях движения жидкости повышается ее абразивное воздействие на стенки гидромониторных насадок, для их изготовления используются металлокерамические твердые сплавы. Крепление насадок может быть резьбовое, с помощью стопорного кольца или пружинного замка (рис. 3.5, б). Насадки могут иметь коническую или цилиндрическую форму кднала.