Долота дробяще-скалывающего действия

В начале XX в. при бурении скважин на нефть применяли два способа бурения: ударный и вращательный. При ударном способе долота эффективно разрушали твердые хрупкие породы, а в пла­стичных горных породах показатели были очень низкими. При вращательном способе использовали лопастные долота, которые, в свою очередь, обеспечивали хорошие показатели только в мяг­ких пластичных горных породах. Развитие техники, создание псе более мощных двигателей позволяли использовать на забое сква­жины все большую мощность и повышать скорости бурения. В этом направлении ударный способ бурения быстро исчерпал себя из-за больших инерционных нагрузок в бурильном инструменте при уве­личении частоты ударов. Значительно большие возможности по реализации мощности на забое скважины имел вращательный способ бурения, но не было породоразрушающего инструмента, имеющего большой запас вооружения и способного эффективно разрушать твердые абразивные горные породы. Такое долото было изобретено в 1909 г. Юзом (США).

Долото Юза — прообраз современных долот дробяще-скалывающего действия с коническими шарошками. Оно имело две одно-конусные шарошки со сплошными зубьями, нарезанными вдоль образующей конусов (около тридцати зубьев на шарошке). При вращении долота шарошки перекатывались по забою, опираясь на него то одним, то двумя зубьями. Следовательно, одновременно в контакте находилось не более четырех зубьев долота, а осталь­ные пятьдесят шесть как бы в резерве. Каждый из зубьев можно противопоставить лопасти долота и убедиться, что запас вооруже­ния увеличился в 30 раз по сравнению с двухлопастным долотом, хотя удельное давление на забой при одинаковой осевой нагрузке не уменьшилось. Более того, перекатываясь с зуба на зуб (см. рис. 1,0), долото наносило удары по забою, осуществляя дробя­щее действие, т. е. это долото обладало и эффектом ударного бу­рения.

Зубья шарошечного долота находятся в контакте с горной породой весьма короткое время, а выйдя из контакта, интен­сивно охлаждаются промывочной жидкостью непосредственно со 'стороны рабочей поверхности. Это позволило резко увеличить удельную мощность, реализуемую зубьями, по сравнению с ло­пастными долотами без опасности развития катастрофического изнашивания.

Первые шарошечные долота имели одноконусные шарошки с вершиной, лежащей на оси долота. Они обладали незначитель­ной скалывающей способностью и давали хорошие результаты только в хрупких горных породах. Однако при бурении пластично-хрупких и особенно высокопластичных горных пород скорость про­ходки была весьма низкой. Для разрушения таких горных пород необходимо было повысить скалывающую способность долот. Ре­шение этой задачи велось двумя путями.

Первый путь — создание долот с цилиндрическими и слабо-коническими шарошками. При вращении такой шарошки (рис. 1, а) вокруг зуба, которым она опирается на забой, одно­временно шарошка поворачивается вокруг оси, перпендикулярной к забою, в результате вращения долота вокруг своей оси. В про­цессе поворота шарошки из позиции 1 в позицию 2 зуб долота относительно забоя совершает два движения — поворот вокруг вертикальной оси и возвратно-поступательное движение вначале к центру скважины, а затем от центра. При этом зуб оказывает скалывающее воздействие на участке забоя, показанном па рис. 1, а штриховкой. Скважина калибруется углами зубьев, контактирующими со стенкой скважины.

Основные недостатки таких шарошек — их плохое вписывание в скважину и очень большой износ части зубьев, прилегающей к торцам шарошек. Для уменьшения этих недостатков конструк­торы вынуждены были уменьшать диаметр шарошек и их длину,

т. е. проектировать многошарошечные долота. Для улучшения ка­либровки скважины оси шарошек, обрабатывающих стенку сква­жины, устанавливали наклонно к плоскости забоя, а шарошки выполняли слабоконусными. В настоящее время долота с такими шарошками применяют в основном при бурении кольцевым забоем.

Второй путь — приспособление вооружения долот с конически­ми шарошками и кинематики их взаимодействия с забоем для эф­фективного разрушения пластично-хрупких и высокопластичных горных пород. Эта задача решается (рис.1, б) выполнением. шарошек многоконусными, выносом их вершин за ось долота на величину f и смещением осей шарошек в плане на величину k в направлении вращения долота. Эти приемы позволяют получить необходимый скалывающий эффект.

Шарошки имеют два обязательных конуса (см. рис. 1, б) основной 3, взаимодействующий с забоем скважины, и обратный 1, взаимодействующий со стенкой скважины. Остальные конусы, взаимодействующие с забоем скважины, называются дополнитель­ными. Нумерация их ведется от основного конуса: первый допол­нительный конус 2, второй дополнительный конус и т. д.

Многоконусность шарошек обусловливает неплоскую поверх­ность забоя (см. рис.1, б). Основной конус шарошек форми­рует выпуклую часть забоя, а дополнительные конусы — вогнутую часть забоя. Выпуклый забой способствует центрированию долота в процессе бурения. Угол 2β при вершине основного конуса выби­рают из условия получения шарошки максимального объема.

Смещение осей шарошек приводит к тому, что образующая скважины при подходе к забою искривляется (отрезок z_ф на рис.1, б). На этом участке ствола стенка скважины фрезеруется вооружением обратного конуса шарошки. Для сохранения диа­метра скважины неизменным необходимо, чтобы обратный конус касался стенки скважины не в одной точке, а по всей высоте. Поэтому ζ>90° и только в случае k = 0 ζ = 90°.

Одним из самых распространенных материа­лов для вооружений и армирования рабочих элементов породоразрушающих инструментов является твердый сплав. Ос­новными компонентами твердого сплава являются карбид вольфрама (WC) и кобальт (Со). В табл.1 приведены неко­торые показатели механических свойств карбида вольфрама и кобальта по данным Г.С. Креймера.

Из табл.1. видно, что компоненты твердого сплава имеют существенно разные механические свойства. Соответственно при изменении содержания компонентов в сплаве меняются и его свойства. Например, для изготовления зубков исполь­зуются твердые сплавы ВК4В, ВК8ВК и ВК11ВК и др. В шиф­ре первые две буквы означают вольфрамо-кобальтовый, циф­ры — содержание кобальта в %, последние буквы отражают особенности сплава: В — повышенная вязкость, К — повы­шенная стойкость при ударных нагрузках.

Микротвердость материала твердосплавных зубков состав­ляет 14 000—16 000 МПа, а прочность на изгиб не менее 1750 МПа.

Таблица 1.

Основные элементы современного шарошечного долота рас­смотрим на конкретном примере (рис.2). Шарошечные долота выпускают главным образом в секционном исполнении. Каждая секция включает лапу 5, на цап­фе 7 которой с помощью под­шипников 8 установлена шарош­ка 9, имеющая вооружение в виде зубчатых или сплошных венцов 10. Секции соединены между собой сваркой. На верхнем конце сваренных секций (долота) вы­полняется конус и нарезается присоединительная резьба. Двух­рядный шариковый подшипник собран через отверстие, которое закрывается пальцем 6.

Шарошечные долота выполня­ются с обычной и гидромонитор­ной системами промывки. Систе­ма промывки долота, показанная на рис.2, включает внутрен­нюю полость долота 1, сужа­ющийся подводящий канал 2 и цилиндрическое промывочное отверстие 3. В -долотах для буре­ния с продувкой воздухом в лапах и цапфе сверлят отверстия 4 и 11 для охлаждения подшипников и защиты их от засорения шламом.

Рис.2. Трехшарошечное долото

Подшипники опоры долота, приведенного на рис.2, смазы­ваются промывочной жидкостью. В настоящее время разработаны долота с герметизированными опорами и автономной системой смазки подшипников.

Таким образом, современное шарошечное долото дробяще-скалывающего действия состоит из лап, шарошек, несущих на себе породоразрушающие элементы (вооружение), и опор шарошек. Кроме того, долото имеет две системы — промывки и смазки опор.

Основные марки стали для изготовления долот приведены в табл. 2

Таблица 2. Марки сталей для изготовления долот

Из табл. 2. видно, что долота изготовляют из легированных никель-молибденовых и хромоникель-молибденовых сталей. Для повышения износостойкости лапы и шарошки подвергаются цемен­тации на глубину 0,6—2,4 мм с последующей двойной закалкой и отпуском.

В последнее время широко применяют высококачественные ста­ли электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов.

Дата добавления: 2014-01-07