Скачиваний:
145
Добавлен:
02.03.2016
Размер:
6.67 Mб
Скачать

Рис. 4.4. Конструктивные схемы опор шарошечных долот

один роликовый подшипник, один шариковый и один подшипник скольжения;

один шариковый и один роликовый подшипники; два роликовых подшипника и между ними шариковый подшипник;

один роликовый и два шариковых подшипника разного размера (один из них замковый), расположенные в нижней части цапфы;

два шариковых подшипника одного размера (оба замковые) и один роликовый подшипник;

два шариковых подшипника разного размера (один замковый), расположенные в верхней части цапфы, и один роликовый подшипник;

три шариковых подшипника разного размера; подшипники: скольжения, шариковый, роликовый.

Двухрядные опоры: ролик − опора скольжения (см. рис. 4.4, à), шарик − шарик, шарик − ролик (см. рис. 4.4, в) применяются главным образом в долотах диаметром менее 145 мм. Трехрядные опоры с двумя радиальными роликовыми подшипниками и шариковым замковым рядом (см. рис. 4.4, г) или с опорой в виде подшипника скольжения (см. рис. 4.4, á) применяются при конструировании долот для бурения с высокими осевыми нагрузками и большими скоростями вращения. Трехрядные опоры, включающие роликовый подшипник и два ряда шариковых подшипников (см. рис. 4.4, д, å) применяют в долотах диаметром 145−190 мм.

65

Трехрядные шариковые опоры имеют ограниченное применение, так как они не оправдывают сложности их изготовления. Четырехрядные опоры применяются в долотах диаметром более 214 мм.

Âпоследнее время во ВНИИБТ и других организациях созданы долота

ñгерметизированной опорой, заполняемой во время сборки долота консистентной смазкой. Наиболее перспективным следует считать создание шарошечных долот с лубрикаторами, обеспечивающими подвод смазки к опорам шарошек в течение всего времени работы долота на забое.

На рис. 4.5 показаны три схемы герметизации опор долота. Для нор-

мальной работы уплотнения опоры снабжаются компенсирующими устройствами, выравнивающими перепад давления при спуске долота в скважину. Для этого лапа долота снабжается компенсатором в виде поршневого лубрикатора 1 (ñì. ðèñ. 4.5, à), фетрового фильтра 3 (ñì. ðèñ. 4.5, á) или эластичной диафрагмы 4 (ñì. ðèñ. 4.5, в). Смазка в лапах долота изолируется от внешней среды разделителем, к поверхности которого имеется доступ промывочной жидкости. По мере увеличения перепада давления за счет разности давлений на разделителе и опоре смазка постепенно выдавливается наружу. Уплотнительная манжета 2 должна герметизировать опору со стороны торца шарошки и снижать до минимума расход смазки через зазоры между манжетой и шарошкой.

Опыт бурения показал, что наилучшую компенсацию обеспечивает конструкция, не имеющая подвижных элементов, способных заклиниваться при перемещении (см. рис. 4.5, в).

Для бурения пород различной твердости изготовляют трехшарошеч- ные долота двух типов:

1)со смешенными осями цапф лап относительно оси долота;

2)без смещения осей цапф лап относительно оси долота.

Буровые долота со смещенными осями цапф лап относительно оси долота, кроме дробящего действия, производят скалывание породы за счет

Рис. 4.5. Герметизированные маслонаполненные опоры

66

проскальзывания зубьев или штырей шарошек относительно забоя. Оси вращения шарошек могут быть смещены по направлению вращения ωä долота или против него для увеличения скольжения. На рис. 4.6, à показано положительное смещение; на рис. 4.6, á − отрицательное. Значения смещения k и угла разворота β выбирают в зависимости от типа и размера долота.

Долота типа М (рис. 4.7, à) предназначены для бурения мягких несцементированных малоабразивных пород, поэтому они снабжены двухили трехконусными самоочищающимися шарошками со смещенными в сторону вращения долота осями цапф относительно оси долота. Шарошки имеют крупные зубья большой высоты, длины и шага с малыми углами заострения. Угол наклона оси шарошки к оси долота 55−57°30′, что позволяет вписывать в заданный диаметр шарошки больших размеров. Форма забоя вы- пукло-вогнутая.

Долота типа МС (см. рис. 4.7, à) применяются для бурения мягких, перемежающихся с более твердыми прослойками малоабразивных пород. Их шарошки двух- и трехконусные с самоочищающимися зубьями. Смещение осей шарошек у долот типа МС меньше, чем у долот типа М.

Долота типа С (рис. 4.7, á) используются для бурения малоабразивных пород средней твердости. Шарошки у долот типа С двух- и трехконусные, самоочищающиеся, со смещением осей цапф в сторону вращения долота. Зубья шарошек короче, с меньшим шагом и большими углами заострения, чем у долот типов М и МС.

Для бурения мягких и средних по твердости пород, но обладающих высокой абразивностью, применяются долота типов М3, МС3 и С3. Эти долота по конструктивным параметрам аналогичны долотам типов М, МС и С, но вместо литых зубьев в шарошки запрессованы твердосплавные штыри с клиновидной рабочей поверхностью.

Буровые долота дробящего (ударного) действия типов СТ, Т, ТК и К изготовляются без смещения осей цапф лап относительно оси долота. Породы разрушаются главным образом за счет динамического воздействия твердосплавных штырей и зубьев шарошки по забою скважины.

Рис. 4.6. Схемы смещений осей шарошек в плане

67

Рис. 4.7. Геометрические характеристики трехшарошечных долот различных типов

Долота типа СТ применяются для бурения плотных пород средней твердости и абразивности. Эти долота снабжены двух- и трехконусными шарошками, оси которых пересекаются в одной точке на оси вращения долота (рис. 4.7, в). Вооружение шарошек зубковое с малым шагом и большими углами заострения.

Долота типа Т пригодны для бурении твердых малоабразивных пород. Для проходки твердых и хрупких малоабразивных с пропластками крепких пород применяются долота типа ТК (рис. 4.7, г). Долота этого типа отлича- ются от долот типа Т наличием на периферийном венце шарошек вставных твердосплавных штырей с полусферической рабочей частью вместо обыч- ных фрезерованных зубьев. Долота типа ТК изготовляются для бурения скважин с продувкой воздухом.

Долота типа К применяют для разбуривания самых твердых и крепких абразивных пород. Шарошки одноконусные, с твердосплавными штырями с полусферической рабочей поверхностью. Долота выпускаются для бурения с промывкой жидкостью и продувкой воздухом.

В этой серии дополнительно выпускаются долота типов Т3, ТК3 и ОК. В долотах шарошки армированы клиновидными твердосплавными штырями, так как они применяются для бурения твердых и крепких абразивных пород. Долота типа ОК дополнительно на обратном конусе снабжаются твердосплавными штырями с плоской рабочей частью. Эти долота выпускаются для бурения взрывных скважин в горнорудной промышленности.

ОДНОШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА

Одношарошечные долота (рис. 4.8) предназначены для бурения твердых и крепких пород, залегающих на больших глубинах и подверженных всестороннему значительному сжатию. Работа долота основана на дробящескалывающем действии. Кинематика одношарошечного долота позволяет снизить скорость вращения шарошки вокруг своей оси в сравнении с трехшарошечными долотами. В результате этого значительно повышается износостойкость опор долота.

Одношарошечное долото состоит из одной лапы, на цапфе которой смонтирована сферическая шарошка. Опора шарошки представлена двумя шариковыми подшипниками, первая из которых замковая. Конструкция одношарошечного долота позволяет выполнить опору в

Рис. 4.8. Одношарошечное долото:

1 − корпус; 2 − замок; 3 − штифт; 4 − шарик; 5 − твердосплавный штырь; 6 − шарик; 7 − шарошка

69

больших габаритах при малых размерах долота. Поэтому продолжительность работы опор опытных долот малого диаметра (140 мм) в 3−4 раза оказалась выше в сравнении с трехшарошечными долотами того же размера.

Сферическая шарошка армируется твердосплавными штырями с полусферической и призматической рабочими поверхностями. Высота выхода штырей над телом шарошки 5 мм. На поверхности шарошки выфрезерованы шесть продольных пазов для подвода промывочной жидкости к забою. Промывочная жидкость подается через канал в корпусе долота на поверхность шарошки. Струя истекает по касательной и способствует очищению поверхности шарошки от породы.

4.2. КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ

Работа шарошечного долота является механическим процессом, обусловливающим ударное и сдвигающее действие зубьев вооружения шарошки. Очевидно, что все процессы протекают одновременно и создают сложную картину взаимодействия породоразрушающих элементов долота с горной породой. Для упрощения рассматриваются отдельно разные процессы.

ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДОЛОТА

Перекатывание шарошек по забою скважины приводит к возникновению возвратно-поступательного движения центра вращения шарошки, а следовательно, и корпуса долота. На рис. 4.9 показана схема перекатывания зубчатого венца шарошки по недеформируемому забою, из которой видно, что при упоре долота на один зуб венца в точке B ее ось вращения находится в точке 0; при перемещении центра вращения в точку 0′ под действием крутящего момента происходит удар по забою смежным зубом в точке C′. При этом в новом положении шарошка опирается на два зуба в точках B è C′, а центр вращения опустится по вертикали на вели- чину δ.

Амплитуда δ перемещения центра вращения венца при перекатывании одновенечной шарошки по недеформируемому забою определяется геометрическими параметрами долота. В соответствии с приведенной схемой можно записать

 

 

 

π

 

2

π

 

 

δ = rz

1

− cos

 

 

= d sin

 

 

,

(4.1)

 

 

2z

 

 

 

z

 

 

 

 

ãäå rz − радиус венца по вершинам зубьев; z − число зубьев; d − диаметр венца по вершинам зубьев.

Формула (4.1) показывает, что амплитуда возвратно-поступательного движения шарошки прямо пропорциональна ее диаметру и обратно пропорциональна числу зубьев на рассматриваемом венце. Периферийный венец, снабженный наиболее крупными зубьями, определяет колебательный процесс корпуса шарошечного долота. Средние и вершинные венцы накла-

70

Рис. 4.9. Схема перекатывания зубчатого венца по недеформируемому забою

дывают дополнительные колебательные движения, особенно при учете скольжения шарошки при перемещении по забою.

Число ударов зубьев венца шарошки по породе в минуту

m = nø z = inä z,

(4.2)

ãäå nø частота вращения шарошки в минуту; i − передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота; nä − частота вращения долота в минуту.

Скорость соударения зуба с породой при отсутствии его проскальзывания

v =

π2 r n

ø

 

 

z

cos β,

(4.3)

30z

 

 

 

 

 

где β − угол наклона оси шарошки.

Время контакта зуба с породой при ударе без проскальзывания

tê

=

60

.

(4.4)

 

 

 

nä zi

 

В реальных условиях при перекатывании шарошки происходит внедрение зубьев в породу. В твердых породах внедрение может исчисляться десятыми долями миллиметра. В мягких породах может происходить внедрение зуба на значение его высоты. В соответствии со схемой (см. рис. 4.9) можно получить

 

 

 

 

 

2

π

 

 

hz

= rz

1

− cos

 

 

= d sin

 

 

,

(4.5)

 

 

z

 

 

 

 

z

 

 

 

 

ãäå hz максимальная глубина внедрения зуба одновенечной шарошки.

71

В однородных породах при постоянной осевой нагрузке амплитуда δ колебания долота будет иметь то же значение, что и при работе по недеформируемому забою, если углубление долота за каждую треть оборота будет происходить на максимальное значение hz. При внедрении зуба на значение δ бывают случаи работы долота при отсутствии продольных перемещений его корпуса. В большинстве случаев при бурении шарошечными долотами наблюдается сложный колебательный процесс долота.

СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ШАРОШЕК

Скорость вращения шарошек во многом определяет кинематику и динамику работы долота. В свою очередь, скорость вращения шарошек определяется скоростью вращения долота и значением передаточного отношения.

В каждый момент времени движение шарошки можно рассматривать как состоящее из трех составляющих: переносного − вращения вокруг оси долота; относительного − вращения вокруг оси шарошки и поступательного движения вдоль оси долота. При анализе работы долота обычно поступательное движение вдоль оси в расчет не принимается, так как эта скорость несоизмеримо меньше переносной и относительной.

Передаточным отношением долота iä называют отношение угловых скоростей вращения долота ωä и шарошки ωø, ò.å.

iä = ωäø.

(4.6)

При вращении шарошки, представленной многоугольной пирамидой, опирающейся последовательно при качении на вершины − зубья, скорость движения любой точки шарошки, не имеющей скольжения относительно забоя, определяется выражением

v

 

= ω

R = ω r cos

ψ

,

(4.7)

ä

 

 

ä

ø

2

 

 

 

 

 

 

 

 

ãäå R − радиус вращения точки относительно оси скважины; r − радиус вращения точки относительно оси шарошки; ψ − угол между зубьями.

Передаточное отношение долота можно представить выражением

iä =

r cos

ψ

 

 

2

.

(4.8)

R

 

 

 

 

 

Так как угол между зубьями в долотах мал и можно принять cos ψ ≈ 1, òî

приближенно

2

 

iä

r

=

dø

,

(4.9)

 

R

 

Dä

 

ãäå dø − диаметр шарошки; Dä − диаметр долота.

В действительности за счет проскальзывания шарошек по забою теоретическая скорость вращения выше фактической на 15−20 %. Кроме того, зубья шарошки при контакте с забоем погружаются на различную глубину в породу, а в результате износа меняется как форма зубчатого венца, так и форма забоя. Эти изменения приводят к отклонению теоретических результатов от практических.

72

СКОЛЬЖЕНИЕ НЕ СМЕЩЕННЫХ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗАБОЯ ШАРОШЕК ПРИ ВРАЩЕНИИ

Движение шарошки по забою, в соответствии с законами теоретической механики, как движение бегуна в виде гладкой шарошки относительно опорной плоскости, характеризуется угловой скоростью

Ω = ω2

+ ω2

+ 2ω ω

ä

cos(ω ω

),

(4.10)

ø

ä

ø

ø ä

 

 

где Ω − абсолютная мгновенная угловая скорость вращения шарошки; ωä − угловая скорость вращения водила вокруг вертикальной оси; ωø − угловая скорость вращения бегуна вокруг своей оси.

Мгновенная ось вращения, по направлению которой расположится вектор абсолютной угловой скорости, проходит через точку пересечения осей слагаемых вращений.

Движение шарошки относительно забоя рассмотрим для случая равномерного вращения гладкой одноконусной шарошки с вершиной конуса, лежащей на оси вращения долота. Предположим, что силы трения в опорах отсутствуют, а сцепление на контакте образующей конуса с гладкой недеформируемой поверхностью забоя абсолютное. Для указанных условий схема движения шарошки показана на рис. 4.10. Рассмотрим движение произвольной точки M, лежащей на образующей конуса, контактирующей с плоскостью забоя.

Ее окружная скорость относительно плоскости забоя

vø = ωør

(4.11)

и направлена в сторону вращения шарошки. Переносная скорость этой точки, равная скорости вращения долота и направленная в противоположную сторону

vä = ωäR.

(4.12)

Абсолютная скорость, т.е. скорость скольжения vñê точки M относительно забоя скважины, будет представлять собой геометрическую сумму этих двух скоростей:

 

 

ñê

=

 

ø +

 

ä ;

(4.13)

v

v

v

vñê

= ωø r − ωä R,

(4.14)

ãäå r − радиус шарошки в точке M; R − радиус окружности вращения точки M по забою.

Рис. 4.10. Схема движения гладкой одноконусной шарошки на забое

73

Отношение скорости вращения шарошки к скорости вращения долота всегда равно отношению радиуса вращения по забою R(R′) любой точки M(M′) к радиусу шарошки r(r′). При этом с учетом передаточного отношения шарошки и долота (i = ωøä = R/r) следует, что скорость скольжения для рассматриваемого случая отсутствует. Такие шарошки называют шарошками «чистого качения».

Промышленность выпускает долота с многоконусными шарошками. При движении по забою таких шарошек мгновенная ось вращения проходит через точку пересечения осей складываемых вращений 0 (рис. 4.11). Вторая точка мгновенной оси вращения шарошки проходит через нескользящую точку N, расположенную на образующей конуса, контактирующей с забоем. Мгновенная угловая скорость вращения шарошки

Ω = ω2

+ ω2

+ 2ω ω

ä

cos ϕ.

(4.15)

ø

ä

ø

 

 

По известному направлению мгновенной оси вращения шарошки определяется скорость скольжения любой точки. Для точки M скольжение относительно забоя

vñê = ΩMm = Ωrì .

(4.16)

Из формулы (4.16) видно, что скорость поперечного скольжения контактирующих с забоем зубьев тем больше, чем на большее расстояние от мгновенной оси вращения шарошки они удалены. На участке образующей, расположенной влево от нескользящей точки N, скольжение будет отрицательное, т.е. направлено против направления вращения долота. На участке, расположенном правее точки N, скольжение положительное, направленное в сторону вращения долота. В первом случае будет работать на скалывание породы задняя грань зубьев шарошки, во втором – передняя.

Отношение скорости скольжения к скорости вращения долота определяет способность долота разрушать породу скалыванием:

Рис. 4.11. Схема движения гладкой многоконусной шарошки на забое

74

Соседние файлы в папке Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин