3.4. Особенности разрушения горных пород инструментом дробяще-скалывающего действия

Породоразрушающим инструментом в этом случае являются шарошечные долота (Рис.18 ). С детальным устройством шарошки вы уже познакомились при изучении дисциплины «Технология бурения», по этой причине мы обратим внимание только на некоторые принципиальные моменты, необходимые для понимания механизма разрушения горных пород при использовании этого инструмента.

Современное шарошечное долото дробяще-скалывающего действия выпускают в секционном исполнении. Каждая секция состоит из лап и шарошек, находящихся на цапфах, и опор шарошек. На шарошках расположены породоразрушающие элементы (вооружение). Секции соединены между собой сваркой. Кроме этого, долото имеет две системы: систему для промывки забоя скважины и систему, обеспечивающую смазку опор. Шарошечные долота изготавливаются как с обычной (центральной), так и с гидромониторной (боковой) системами промывки забоя скважины.

У долот с центральным каналом (цилиндрическим или щелевым) поток промывочной жидкости направляется вначале на шарошки и лишь затем попадает на забой. Гидромониторные долота имеют периферийные (боковые) каналы, заканчивающиеся сменными металлокерамическими или твердосплавными насадками с коноидальным или коническим кана-лами. При выходе из канала насадка поток промывочной жидкости уст-ремляется прямо на забой. Для повышения эффективности работы долота высоконапорную струю промывочной жидкости необходимо направлять на ту часть забоя скважины, на которую воздействует зуб долота. В шиф-ре долот центральная промывка обозначается буквой “Ц”, гидромони-торная – “Г”.

Шарошки могут иметь коническую, сферическую, цилиндрическую формы. Большее применение получили конусные (многоконусные) шаро-шки. Шарошки имеют два обязательных конуса: основной и допол-нительный. Основной конус взаимодействует с забоем скважины, а обрат-ный – с ее стенкой. Остальные конусы, взаимодействующие с забоем, получили название дополнительных. Многоконусность шарошек обеспе-чивает рельефную поверхность забоя: основной конус формирует выпук-лую часть забоя, а дополнительные конусы – вогнутую часть. Создание выпуклого забоя содействует центрированию долота в процессе бурения. Угол 2 при вершине основного конуса выбирают из условия получения шарошки максимального объема.

Породоразрушающим элементом шарошек являются зубья или твер-досплавные вставки, располагающиеся на конусах концентрическими венцами (рядами). Геометрия зубьев шарошек может быть различной в зависимости от твердости разбуриваемой горной породы: клин с площад-кой притупления на вершине (рис. 18), цилиндр с клиновым или полу-сферическим торцом (для разбуривания пород, обладающих очень боль-шой твердостью). Для повышения износостойкости лапы и шарошки под-вергаются цементации на глубину (0,6 - 2,4) мм с последующей двойной закалкой и отпуском.

Работа долота происходит при вертикальном перемещении (углуб-лении) и горизонтальном перекатывании со скольжением или без него под действием осевого усилия и вращающего момента. При работе на забое шарошки вращаются вокруг оси долота по часовой стрелке с угловой скоростью _д (переносное движение долота) и одновременно вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки с угловой скоростью _ш (отно-сительное движение).

Разрушение горной породы на забое скважины таким инструментом происходит, во-первых, за счет ударов, наносимых зубьями перека-тывающихся шарошек по забою, и, во-вторых, за счет действия осевой нагрузки, обеспечивающей вдавливание породоразрушающих элементов в горную породу. При определенных конструктивных особенностях данного породоразрушающего инструмента в разрушении горной породы при-нимает участие и сдвиговая нагрузка, осуществляя дополнительно к удару и вдавливанию резание породы.

Эффективность скалывающего воздействия породоразрушающих эле-ментов шарошки на породу зависит от формы шарошек, их расположения в корпусе, и состояния поверхности забоя. Так как перечисленные процессы протекают одновременно, то это создает крайне сложную кар-тину взаимодействия породоразушающих элементов вооружения долота с горной породой. Для лучшего понимания различные явления рассмотрим отдельно в упрощенном виде.

3.4.1. Вооружение шарошечных долот первого класса. Шарошечные долота первого класса имеют стальное зубчатое вооружение, выполненное фрезерованием заодно с шарошкой. Основные параметры вооружения приведены на рис. 19: начальное притупление b, длина зубьев l (ширина венца), начальная высота зубьев h₀ , угол при вершине клина 2, линейный шаг размещения зубьев в венце z. Параметрами, определяющими тип вооружения долота, являются шаг и угол при вершине клина.

Выбор шага обусловлен ожидаемой максимальной глубиной разрушения горной породы забоя, необходимостью не только полного разрушения соответствующего венцу кольцевой области забоя, но и перекрытия двух соседних разрушенных кольцевых областей.

При перекатывании щарошки по забою происходит внедрение зубьев долота в горную породу забоя скважины. Глубина внедрения в значи-тельной степени определяется твердостью нагружаемых горных пород. Максимальная глубина внедрения зуба долота, находящегося в вертикальном положении при разбуривании мягкой горной породы, определяемая при условии, что два соседних по венцу зуба не внедряются в горную породу, находится из выражения:

δ_max = R_шsinα (1 – cos θ/2),

где α – угол наклона оси шарошки к оси долота, θ - угловой шаг зубьев в венце. Из этого условия определяется величина углового шага размещения зубьев

 = arccos(1 - δ_max / R_шsin),

Из этой формулы следует, что чем больше L_max , тем больше должен быть угловой шаг  и линейный шаг z = 2R_шsin(/2). Уменьшение углового, линейного шага обеспечивает перекрытие зон поражения (лунок) в кольцевой области забоя, разрушаемой венцом. Чрезмерное увеличение углового и линейного шага нежелательно, т.к. это приводит к уменьшению количества зубьев в венце и, естественно, к уменьшению числа поражений кольцевой области. Отсюда следует, что шаг должен быть оптимальным.

Величина угла 2 при вершине зуба должна удовлетворять следующему условию: прирост площади контакта зуба долота при бурении из-за износа должен быть минимальным. Это условие дополняется еще одним: так как при контактировании с забоем зуб подвергается не только сжатию под действием осевого усилия, но и изгибу под действием силы резания, то чем больше ожидаемое сопротивление горной породы скалыванию, тем больше должен быть угол 2. Значения угла 2 для различных типов долот приведены ниже:

Тип долота М, МС С СТ Т

2, градусы 36-42 42-44 44-46 48-52

.

Периферийные зубцы шарошки предназначены не только для разру-шения породы забоя, но и для разрушения породы стенки скважины. Рабочей поверхностью периферийных зубьев являются не только площадки притупления, но и торцы зубьев со стороны обратного конуса, фрезерующие стенку скважины. Поэтому эти зубья выполняются не только в виде клина, но и имеют Г-, Т-, П- образную геометрию. Запас вооружения здесь должен быть больше. Для сохранения диаметра скважины постоянным необходимо, чтобы обратный конус касался стенки скважины по всей своей высоте.

Степень поражения породы по радиусу долота оценивается коэффициентом перекрытия, который представляет собой отношение суммы всех длин зубьев, контактирующих с породой к радиусу долота. Величина коэффициента перекрытия меняется в зависимости от типа шарошечного долота в диапазоне 0,7 - 1,4. Так как при наличии сплошных зубьев величина коэффициента перекрытия достигает своей максимальной величины, равной трем, то указанное существенно меньшее значение этого коэффициента означает, что изготовление вооружения в виде венцов позволяет значительно увеличить давление вооружения на забой при неизменном осевом усилии на долото (по сравнению с лопастными долотами). В мягких горных породах применяют долота с коэффициентом перекрытия 1,1, в породах средней твердости – 1,4.

С помощью коэффициента перекрытия определяется площадь контакта зубьев долота с горной породой по формуле В.С.Федорова

S_к = Db / 2,

где D – диаметр долота.

3.4.2. Вооружение щарошечных долот второго класса. Шарошечные долота этого класса преднаначены для разрушения абразивных горных пород. Эти долота имеют твердосплавное вооружение в виде зубков. Зубки состоят из цилиндрического тела, запрессовыемого в гнезда, находящиеся на венцовых выступах шарошек, и рабочей головки, размеры и форма которой определяют конструктивные особенности зубков. Важнейшие характеристики твердосплавного вооружения – диаметр зубков, глубина их запрессовки, радиусы кривизны рабочих поверхностей, начальная высота зубьев и шаг размещения их в венце.

Выбор угла при вершине твердосплавных зубцов тот же, что и для притупленного клина, применяемого в долотах первого класса. Так как твердый сплав хуже работает на изгиб, чем сталь, то углы 2 зубков у долот второго класса существенно больше.

Шаг зубков в венцах выбирается не только из условия эффективного поражения горной породы забоя, но и из условия их надежного закреп-ления в теле шарошки. Величина шага зубков тесно связана с их диамет-ром: с точки зрения предупреждения раскалывания венца шарошки умень-шение шага обуславливает и уменьшение диаметра зубков. Величины диаметров зубков различных типов долот удовлетворяют следующему неравенству:

d(МЗ)  d(СЗ)  d(ТЗ).

При данном осевом усилии величина контактного давления определяется величиной контактной площади долота S_к. Действие касательного усилия T приводит к появлению растягивающих напряжений.

Твердость разбуриваемых горных пород влияет на величину шага зубьев (расстояние между зубьями), их высоту: чем больше твердость H горных пород, тем меньше шаг и высота зубьев. Так как эти параметры определяют высоту падения зубьев L, то и энергия удара зуба по забою будет снижаться. Это приводит к снижению вклада ударной нагрузки в разрушение горной породы. С учетом влияния твердости горных пород на геометрические особенности строения зубьев шарашки разработано пять основных видов породорарушающего инструмента шарошечного типа: для бурения мягких пород - M, для бурения пород средней твердости - C, твердых - Т, крепких - К, очень крепких  - ОК.

В породорарушающем инструменте типа К и ОК используются твер-досплавные вставки овальной формы, имеющие небольшой выход из тела шарошки. Это приводит к тому, что разрушение горных пород, об-ладающих большой твердостью, происходит, главным образом, за счет раздавливания породы под пятном контакта при вдавливании твердо-сплавных вставок. На рис. 20 приведены инденторы различной геометрии, предназначенные для разрушения горных пород различной твердости.

Важной особенностью конструкции шарошек с точки зрения разрушения горной породы различной твердости является положение осей шарошек в проекции на плоскость забоя. По этому признаку для разбуривания горных пород различной твердости изготавливаются трехшарошечные долота двух типов (рис.21):

▪ без смещения осей цапф лап относительно оси долота в плане (с пересечением осей шарошек в центре забоя с осью вращения породоразру-шающего инструмента),

▪ со смещением осей цапф лап относительно оси долота в плане (со смещением осей вращения шарошек от центра забоя и связанным с этим переносом вершин шарошек за ось долота).

Во втором случае оси вращения шарошек могут быть смещены по направлению вращения долота (положительное смещение) или против его

вращения (отрицательное смещение). Смещение осей цапф обеспечивает при работе долота кратковременное проскальзывание шарошек (танген-циальное движение шарошки без её вращения), что обеспечивает срезание горной породы, увеличивающее эффективность разрушения.

3.4.3. Кинематика долота дробяще-скалывающего действия. К ха-рактеристикам шарошечного долота, влияющим на кинематику взаимо-действия элементов вооружения долота с горной породой, кроме геомет-рических размеров шарошек, относят угол наклона осей шарошек к оси долота  и смещение осей шарошек в плане относительно оси вращения долота на величину Δ.

Кинематика работы шарошечного долота на забое скважины сложна. В значительной степени это связано с тем, что шарошки вращаются не только вокруг оси скважины, но и вокруг своих осей. Схема взаимо-действия горной породы забоя с долотом дробяще-скалывающего дейст-вия выглядит следующим образом. Каждая шарошка, перекатываясь по забою, опирается то на один из своих зубцов (неустойчивое положение), то на два смежных зубца (устойчивое положение). При этом происходит возвратно-поступательное вертикальное перемещение центра вращения шарошки и корпуса долота. Амплитуда такого колебательного движения шарошки прямо пропорциональна ее диаметру и увеличивается с умень-шением числа зубьев.

Параметры колебательного процесса определяют периферийные венцы

долота, т.к. они являются самыми крупными. При разбуривании одно-родных горных пород (если бы таковые нашлись) при неизменной величине осевого усилия амплитуда колебания долота постоянна, но в силу неоднородности строения горных пород амплитуда колебаний долота меняется постоянно.