книги из ГПНТБ / Царицын В.В. Бурение шарошечными долотами

по длине лезвия шарошки элементарная работа силы трения F на элементе dy будет

откуда

Если учесть, что h — у sin у, то sin В

ѵ = ш^ Ш й ^ ) у 5 т ^

Таким образом,

и работа сил трения правой части шарошки относи­ тельно оси 00'

20

Для левой части шарошки относительно точки 0' работа долота

= у , т. е. минимальная работа трения будет наблю­

даться при скольжении образующей шарошки по за­ бою скважины относительно точки О', расположенной в середине образующей. *

Аналогичное местоположение точки О' будет для цилиндрической шарошки, ось которой расположена горизонтально, так как в этом случае

При цилиндрической шарошке, наклонной под углом к горизонтали,

Таким образом, при ср > 0 или при несовпадении вершины конуса шарошки с осью долота, шарошка всегда будет проворачиваться относительно точки О'. Это удобно при бурении вязких невысокой крепости горных пород, в противном случае наблюдается интен­ сивный износ зубьев.

21

Количество оборотов шарошки при <р> 0 будет

83—90° (оси шарошек пересекаются на оси долота) применяются для бурения по крепким породам. Раз-

22

рушение вязких невысокой крепости горных пород происходит эффективнее, если зубья, кроме ударов, проскальзывают по забою. Проскальзывание достигается выполнением шарошек двух-, трехконусными (рис. 10) или со смещенными (рис. 11) осями (оси шарошек не пересекаются на оси долота).

т. е. отношением суммы площадей, описываемых гра­ нями зубьев, скользящих по породе, за один оборот долота ко всей обрабатываемой площади забоя.

Для современных трехшарошечных долот коэффици­

23

формы и расположения шарошек число венцов различно

(3 -6 ).

Шарошки по расположению на них венцов зубьев делятся на два типа: несамоочищающиеся и само­ очищающиеся, т. е. когда зубья венца одной шарошки входят между двумя соседними венцами зубьев других шарошек (рис. 13). Для условия самоочищения две шарошки долота выполняются обычно с усеченными конусами

(рис. 14).

Шарошки долот, предназначенных для бурения крепких пород, выполняются с полны­ ми конусами. Число рядов зубьев и их по­ ложение в этих доло­ тах обеспечивают пол­ ное перекрытие забоя

зубьями за один оборот долота.

На периферийной части забоя за один оборот до­ лота перекатываются три венца зубьев по одному и тому же участку, и, следовательно, эта часть забоя обслуживается тремя шарошками. Такое размещение зубьев на периферийном венце несовершенного конуса продлевает износ долота по диаметру.

У самоочищающихся шарошек на несовершенном конусе зубья полностью перекрывают друг друга, на основном конусе зубья не перекрываются, т. е. каж­ дый венец разрушает породу на своем участке. Ве­ личина перекрытия зубьями забоя характеризуется коэффициентом перекрытия — отношением суммы длин

24

зубьев, одновременно воздействующих на породу, к длине линии контакта шарошки с забоем (рис. 15),

Рис. 14. Конструкция шарошек:

о —с усеченным конусом (тип С); б —с полным конусом (тип Т).

равной радиусу долота или длине образующей конуса (для совершенного конуса)

% у+Ж>, (4)

где ]£/,-, £ 4 — соответственно суммы длин кон­ тактирующих зубьев первой, вто­ рой и третьей шарошек.

25

Общий коэффициент перекрытия зубьев наиболее распространенных типов долот колеблется в пределах 1—1,6. Для зубьев, расположенных на основных ко­ нусах, этот коэффициент изменяется от 0,55 (№ 5 и 6)

до 1, поэтому в отдель­ ных моделях долот до 45% забоя скважин (по основному конусу шарош­ ки) не перекрывается зу­ бьями.

Геометрическая форма зубьев современных трех­ шарошечных долот (за исключением штыревых долот) имеет форму клина (см. рис. 10) с притуплен­ ной вершиной. Ширина притупления зубьев в за­ висимости от размера до­ лота равна 1—2 мм (см.

по основанию Ь0 и по вершине Ьв, шагом зубьев tz и углом заострения аг.

Высота зубьев зависит от назначения долота. Зубья принято подразделять по высоте на мелкие (для бу­ рения крепких пород), средние (для бурения пород средней крепости) и крупные, т. е. высокие (для бу­ рения слабых порол). Длина зубьев на венцах зави­

26

сит от их расположения. Наибольшую длину имеют зубья, расположенные на периферийных венцах. Ши­ рина зубьев по основанию зависит от положения венца на шарошке, высоты, угла заострения и шага зубьев.

Угол заострения зубьев определяется условием прочности их материала и эффективностью разруше­ ния горной породы. Чем крепче горная порода, тем больше угол заострения. Практически угол заострения имеет величину у долот для бурения крепких пород az = 42 —г—50°, для бурения средних пород а2 = 41 -f-46° и для бурения мягких пород аг = 37-н42°.

Шаг зубьев у современных долот различный на разных венцах, но одинаковый на каждом отдельном венце, что зависит от длины окружности венца по вершинам зубьев, угла заострения и числа зубьев на венце. С увеличением крепости пород шаг зубьев уменьшается.

Учитывая различие физико-механических свойств горных пород, отечественные заводы выпускают ша­ рошечные долота типов М, С, CT, Т, ТК, К.

Долота типа М служат для бурения в мягких и вязких породах: глина, мел, соль, гипс и др. Эти до­ лота имеют трехконусные самоочищающиеся шарошки с осями, смещенными относительно радиального в проекции положения и наклоненными к оси долота под углами 55—57°30'. Шарошки этих долот изго­ товляются чаще литыми, имеют наиболее крупные зубья и наименьшие углы заострения. Зубья перифе­ рийных венцов имеют Г-или Т-образную форму и рас­ полагаются в шахматном порядке.

Долота типа С служат для бурения в породах средней крепости: плотные глины, мергели, рыхлые песчаники и др.

27

Конструкция шарошек аналогична вышеописанным, но их зубья меньшей высоты и с большими углами заострения. Периферийные зубья на двух шарошках выполняются наклонными относительно образующей конуса шарошки.

Долота типа СТ служат для бурения в породах средней крепости, перемежающихся с твердыми. Они имеют двухили трехконусные самоочищающиеся ша­ рошки, оси которых пересекаются в одной точке на оси долота и наклонены к ней под углом 52—55°. Периферийные зубья прямые или Г- и Т-образной формы.

Долота типа Т служат для бурения в крепких по­ родах: доломиты, доломитизированные известняки, ангидриты. Эти долота имеют несамоочищающиеся с совершенными конусами шарошки. Оси и образующие шарошек пересекаются в одной точке на оси долота. Зубья имеют меньший шаг, меньшую высоту и больший угол приострения, чем зубья долот М, С, и СТ.

Долота типа ТК отличаются от долот типа Т более мелкими и более тупыми зубьями и служат для бу­ рения в окременелых породах.

Долота типа К служат для бурения в крепких и очень крепких окременелых породах и кварцитах. Они отличаются от остальных типов тем, что шарошки вместо призматических зубьев оснащены вставными карбидо-вольфрамовыми штырями с полусферической рабочей поверхностью (рис. 16).

Выступающая наружу часть штыря равна радиусу полусферы (3—5 мм), что определяется сопротивляе­ мостью твердого сплава ударным нагрузкам. Это является одной из причин того, что в более мягких и особенно пластичных породах штыревые долота ра­ ботают малоэффективно, так как тело шарошки не

28

>

позволяет штырям внедряться в породу. В крепких породах проходка на такое долото в несколько раз больше. Это объясняется:

1)повышенной прочностью штырей;

2)повышенным удельным давлением на горную породу в начальный момент внедрения штыря, так как начальная поверхность контакта штыря значи­ тельно меньше (близка к точке), чем призматиче­ ских зубьев с притуплен­ ной вершиной;

3)более медленным

темпом износа штырей (почти без изменения гео­ метрии), чем призматиче­ ских зубьев, благодаря бо­ лее высокой твердости вставок и сферической форме контактной поверх­ ности.

Интенсивность уменьшения механической скорости (при меньшей начальной скорости бурения) и проходки на долото при бурении этим долотом по крепким по­ родам значительно меньше, чем при бурении долотами

спризматическими зубьями.

Вправильном подборе типа долот в соответствии с физико-механическими свойствами буримых горных по­ род заключается один из резервов повышения произво­ дительности работы долот. Работа долота будет эф­ фективной, если его применять по назначению. Так, например, при бурении даже твердых (по существующей на промыслах классификации) пород на Долинском месторождении (рис. 17) долота типа Т (1В12Т и др.)

29