Шарошкові долота та їх елементи

1. На рисунках представлені шарошкові долота.

На рис. 3.1.1 – трьохшарошкове долото озброєне твердосплавними зубками, гідромоніторне;

рис. 3.1.2 - трьохшарошкове долото із фрезерованими зубцями із центральною промивкою;

рис. 3.1.3 - трьохшарошкове долото озброєне твердосплавними зубками, із центральною промивкою;

рис. 3.1.4 – конструкція трьохшарошкового долота із фрезерованими зубцями, гідромоніторною периферійною промивкою і негеометизованою опорою;

1 – корпус, 2 – насадка гідромоніторна, 3 – лапа, 4 – шарошка, 5 – цапфа, 6 – роликопідшипник, 7 – кульковий підшипник.

рис. 3.1.5 - одношарошкове долото озброєне твердосплавними зубками;

рис. 3.2.1 – конструкція секції долота із герметизованою маслонаповненою опорою типу В;

рис. 3.2.2 – конструкція секції долота з продувкою газоповітряним агентом;

рис. 3.3.1 – конструкція опори долота типу В, схема – ШШШ;

рис. 3.3.2 – конструкція опори долота типу В, схема – РШШ;

рис. 3.3.3 – конструкція опори долота типу В, схема – РШР;

рис. 3.3.4 – конструкція опори долота типу А, схема – РШССу;

рис. 3.3.5 – конструкція опори долота типу А, схема – СШСу.

Основними конструктивними елементами шарошкових доліт є: корпус, лапи, шарошки, цапфи, вузли опор кочення або ковзання, промивні канали і насадки.

Шарошки відрізняються формою і розміщенням вінців на конічних поверхнях, типом озброєння. В доліт на рис. 3.1.1,3,5, 3.2.2 шарошки із вставними твердосплавними зубками; рис. 3.1.2,4, 3.2.1, 3.3.1,2,3,4,5 – із фрезерованими зубками. Долота першого типу використовуються при бурінні абразивних, міцних і особливо міцних порід, другого типу - м’яких, твердих і порід середньої твердості.

Сукупність промивних каналів і насадок створюють схему промивки долота. На рис. 3.1.1,4, 3.2.1 зображені долота із гідромоніторною промивкою через насадки. На рис. 3.1.2,3,5 зображені долота із центральною промивкою через отвір у корпусі. На рис. 3.2.2 долото із продувкою. Гідромоніторна промивка забезпечує краще очищення вибою і шарошок від вибуреної породи, але створюють значний перепад тиску в циркуляційній системі. Долота з продувкою використовують при бурінні вибухових свердловин глибиною до 25 м в гірничо-збагачувальній промисловості. Вони мають продувочні канали виконані в лапах і цапфах для підводу повітря до опор і охолодженні елементів підшипників.

Опори доліт відрізняються типом тіл кочення, їх кількістю.

Долота з відкритими опорами, в яких охолоджування підшипників досягається безпосереднім контактом з промивальною рідиною, можуть працювати при вищих частотах обертання, чим долота з герметизованими маслонаповненими опорами з охолоджуванням підшипників тільки через контакт зовнішніх поверхонь шарошек з промивальною рідиною.

Якщо відкриті опори включають тільки підшипники кочення (серія «В»), то таке долото може працювати при частоті обертання до 600 об/мин.

При введенні в опору кінцевих підшипників ковзання радіального і п'яти-підп'ятника (серія «В») верхня межа допустимих частот обертання долота складе приблизно 400 об/мин.

Долота з герметизованими маслонаповненими опорами з торцевим ущільненням, що містять кінцевоих радіальний і проміжний упорний підшипники ковзання і периферійний роликовий підшипник кочення (серія «НУ»), при використанні в опорах спеціальних пластичних змащувальних матеріалів (ПСМ) можуть працювати при частотах обертання до 250 об/мин.

Долота з герметизованими маслонаповненими опорами, що містять всі радіальні і наполегливі підшипники ковзання і замковий підшипник кочення або ковзання і периферійне радіальне ущільнення (серія «АУ»), можуть працювати з частотою обертання до 150 об/мин, хоча кращі показники по стійкості опори досягаються при частотах обертання до 100 об/мин.

2. Долота призначені для руйнування породи на вибої при бурінні свердловини. Шарошкові долота відносяться до доліт дроблячо-сколюючої дії. При обертанні долота разом із бурильною колоною і контакті шарошок із вибоєм, останні одночасно обертаються навколо своїх цапф і "прокочуються" по вибою. При цьому зуби шарошок врізаються в породу і при подальшому обертанні сколюють її. Такий процес відбувається при застосуванні доліт із фрезерованими зубцями. Коли ж застосовують долота із твердосплавними зубками, зубки з великим зусиллям тиснуть на породу, в результаті чого в ній виникають напруження, що перевищують границю міцності і порода руйнується (дробиться).

Частинки зруйнованої породи виносяться на поверхню завдяки швидкісному потоку промивальної рідини, який створюється витіканням рідини через отвори і насадки. При витіканні рідини з насадок виникає гідромоніторний ефект. Також замість рідини може застосовуватися повітря (сухе або із краплинками води)

В опорах шарошок використовуються підшипники ковзання і кочення. При їх виборі задаються частотою обертання долота.

Режим роботи долота характеризується:

• частотою обертання, хв^-1;

• осьовим навантаженням, кН.

Результати застосування доліт характеризують:

• механічна швидкість буріння, м/год;

• проходка на долото, м.

3. Те чи інше долото застосовують в залежності від типу розбурюваної ним породи, її твердості і абразивності (вибирається тип озброєння долота), від параметрів режиму буріння, таких як частота обертання, осьове навантаження (вибираються тип опор шарошок).

У основу конструкцій типів доліт покладений принцип створення найвищої швидкості буріння породи, характерної для даного типа долота, при забезпеченні їм найвищої проходки, що досягається сукупністю основоположних чинників: високою зносостійкістю озброєння і опори при раціональній схемі промивки.

У долотах для м'яких порід зовнішній контур шарошек має багатоконусну бочкоподібну форму, яка в поєднанні з максимальною величиною зсуву осей шарошек в плані щодо осі долота кінематично обуславливает руйнування породи на забої одночасно втискуванням і зрушенням руйнуючого елементу озброєння.

У долотах же. призначених для буріння в дуже міцних породах, зовнішня конфігурація шарошки і її розташування в долоті близькі до конуса, вершина якого лежить в точці перетину осей долота і шарошки в профільній площині, що містить вісь шарошки. Тут крихке руйнування породи на забої відбувається за рахунок ударного впровадження елементів озброєння шарошки, які краще пристосовані до великих напруг стиснення і можуть витримувати великі питомі навантаження.

У долотах для інших порід - від м'яких абразивних до дуже міцних - озброєння шарошек виконується у вигляді запресованих в їх корпуси зубків з твердого сплаву вольфрамо-карбідної групи з відповідними призначенню долота конфігураціями робочих головок, виступаючих над поверхнею шарошки, - зубковое озброєння.

4. Деталь 2 – це гідромоніторна насадка. В ній потік рідини звужується (стискається) і при цьому виникає перепад тиску, який сприймається самою насадкою. Оскільки промивна рідина містить абразивні частинки, то насадка при контакті з рідиною зазнає гідроабразивного зношування.

Щоб насадка інтенсивно не спрацьовувалася під дією швидкісного, високонапірного абразивного потоку, вона має бути виготовлена із зносостійкого і теплостійкого матеріалу, наприклад, з твердих сплавів вольфрамо-кобальтової групи і металокерамічних матеріалів типу 22ХС або ЦМ-332.

5. Виготовлення (складання) долота починають із виготовлення корпусу 1, лапи 3 із цапфами 5 кріпляться між собою спеціальними штифтами і зварюються разом. Далі в шарошки закладаються тіла кочення (6,7), втулки підшипників ковзання. Шарошка 4 насаджується на цапфу. При цьому монтується торцеве ущільнення шарошки (якщо це передбачає конструкція). Для осьової фіксації шарошки на цапфі, в кіьцеві розточки виконані в цапфі та шарошці вставляються через отвір у цапфі кульки, що утворюють замковий підшипник. Отвір у цапфі закривається пальцем, який потім заварюється. Якщо долото маслонаповнене, то після збирання порожнини заповнюються долотним мастилом, вставляються лубрикатори.

Коефіцієнт внутрішньої уніфікації деталей виробу. Відображає ступінь багаторазового використання в конструкції одних і тих же деталей. Визначається за фор-мулою

де NН – кількість найменувань деталей у виробі; N – загальна кількість деталей у виробі.

Коефіцієнт блочності виробу. Характеризує простоту, зручність складання виробу і визначає частку деталей, що входять в спеціалізовані блоки в загальній кількості деталей, які містяться у виробі.

Визначається за формулою

де Nб – кількість спеціалізованих блоків виробу; Nд – кількість деталей виробу, що не увійшли до складу блоків.

6. Ресурс роботи долота залежить від умов роботи – характеристики розбурюваної породи, якості очистки бурового розчину (вмісту абразиву) і охолодження долота розчином, відповідності параметрів режиму буріння (осьове навантаження, частота обертання) паспортним характеристикам долота.

Досвід показує що найшвидше виходять з ладу опори шарошок, навіть до настання зносу озброєння шарошок. Мають місце руйнування тіл кочення, спрацювання поверхонь тертя, втомне викришуванння поверхонь бігових доріжок тіл кочення, абразивне спрацювання через негерметичність ущільнення.

Для підвищення довговічності необхідно зміцнювати поверхні тіл кочення, бігових доріжок, елементів тертя, початкові зазори в підшипниках при виготовленні мають бути якомога меншими, застосовувати якісні мастильні матеріали, які б володіли високими протизадирними і протизносними показниками, відводили тепло.

Для зміцнення поверхонь тертя застосовують

цементацию закалку в масле низкий отпуск

покриття цапф антифрикційними і твердими сплавами на основі бронзи, срібла, типу стеліт.

7. 96% бурового інструменту – шарошкові долота. Досвід експлуатації показує, що їх стійкість залежить в основному від стійкості опор. В асортименті мастил довгий час були відсутні спеціальні пластичні мастила для опор доліт. Практика буріння показує, що необхідно створювати мастила з рівнем триботехнічних і експлуатаційних властивостей, що відповідають мастилам провідних долотних фірм США.

В підшипниках виникають високі контакні тиски, які в декілька раз перевищують контактні еавантаження підшипників загального машинобудування, тому їхня довговічність визначається годинами, в той час як стандартних підшипників – сотнями тисяч.

Механізм спрацювання опори носить складний характер, бо опора являє собою багаторядний блочний підшипник, який є нерівномірно навантаженим, а, отже, і нерівномірно проходтить спрацювання. В опорах доліт має місце: гідроабразивне спрацювання, окислювальне спрацювання, втомне, пластичне деформування і теплові процеси. Тому мастила повинні володіти високими протизадирними і протизносними показниками. Долота заповнюють мастилом на заводі – виготовлювачі і в процесі експлуатації масилом не поповнюють.

Вибираємо спеціальне долотне матисло "Долотол", "Пластол". Виготовлене воно з нафтових масел, згущених милом і містять пакет хіміко-активних добавок, які надають комплекс необхідних властивостей.