Файл: 1. Общие понятия о строительстве скважин понятие о скважине, ее конструкции и элементах.doc

только первая шарошка имеет полный конус, а две (вторая и третья по ходу часовой стрелки с торца) имеют форму усеченного конуса. Шарошки нумеруются в зависимости от числа зубьев на венце А. Первая имеет на этом венце наименьшее, а третья наибольшее число зубьев.

Шарошечные долота выпускаются в соответствии с ГОСТ 20692—75 (таблица). Этим документом предусматривается изготовление шарошечных долот 13 типов, 39 различных номинальных диаметров - от 46 до 508 мм. Типы долот отличаются друг от друга конструкцией и расположением шарошек и зубцов на них, а также конструкцией опор шарошек.

Характер взаимодействия зубцов шарошки с забоем, а следовательно, и специфика разрушения горных пород на забое зависят от размеров и плотности размещения зубцов в венце, а также от конфигурации шарошек и расположения их осей.

Таблица
Типы шарошечных долот и области их применения (ГОСТ 20692-75)

Общая харак­теристика гор­ной породы	Характеристика механических свойств	Шифр долота	Исполнение вооружения шарошки
Мягкие поро­ды	Неабразивные рыхлые, пластичные (слабые супеси, наносы, пластичные глины, мягкие известняки и т.д.)	М	С фрезерован­ными зубьями
	Абразивные слабосцементи­рованные (слабые песчаники, суглинки, мергели и т.п.)	мз	Со вставными зубками
Мягкие поро­ды с пропластками пород средней твер­дости	Неабразивные породы (ка­менная соль с пропластками ангидритов, тонко переслаи­вающиеся глины с пропласт­ками слабых песчаников и т.п.)	мс	С фрезерован­ными зубьями
	Абразивные слабосцементиро­ванные породы (с пропласт­ками песчаников, сланцы мягкие с пропластками сланцев средней твердости и т.п.).	мсз	Со вставными зубками
Породы сред­ней твердости	Неабразивные пластичные и хрупкопластичные породы (известняки средней твердости. слабые доломиты, плотные глины и т.п.)	с	С фрезерован­ными зубьями
	Абразивные породы средней твердости (песчаники, алевро­литы и т.п.)	сз	Со вставными зубками
Породы сред­ней твердости с пропластками твердых	Неабразивные хрупкопластич­ные породы средней твердости с пропластками твердых (пере­слаивающиеся известняки, гипсы, доломиты, аргиллиты и т.п.)	ст	С фрезерован­ными зубьями
Твердые	Неабразивные твердые породы (аргиллиты, доломиты, твердые известняки и т.п.)	т	С фрезерован­ными зубьями
	Абразивные твердые породы (крепкие песчаники, окварцованные известняки, доломиты и т.п.)	тз	Со вставными зубками
Твердые с пропластками крепких	Неабразивные твердые породы с пропластками крепких (пере­слаивающиеся твердые извест­няки, доломиты, ангидриты и т.п.)	тк	С комбиниро­ванным воору­жением (фре­зерованные и вставные зубья)
	Абразивные твердые породы с пропластками крепких (мелкозернистые песчаники, окремнелые аргиллиты и т.п.)	ткз	Со вставными зубками
Крепкие	Крепкие породы (окремнелые разности известняков, доломитов, кварциты, изверженные крепкие породы)	к	Со вставными зубками
Очень крепкие	Скальные магматические породы (граниты, гнейсы, диабазы и т.п.)	ок	Со вставными зубками

---

Особенность кинематики работы шарошки состоит в том, что каждая шарошка участвует в сложном вращательном движении: относительном движении вокруг собственной оси и переносном вращательном движении вокруг оси долота (рис.12). В результате сложения двух вращательных движений в каждый момент времени шарошка совершает вращение вокруг некоторой мгновенной оси с частотой _а.

Если мгновенная ось вращения шарошки проходит через линию контакта описанного конуса с поверхностью забоя (рис.12,а), то взаимодействие зубцов с забоем происходит без их относительного смещения. Если известна угловая скорость вращения долота _д, то угловая скорость вращения шарошки вокруг своей оси равна _ш = _д / sin (/2) или _ш =  n/ 30 sin (/2), где п — частота вращения долота, мин^-1;  — угол при вершине шарошки.

Если мгновенная ось пересекается с линией контакта шарошки с забоем (рис. 12, б), то при вращении шарошки зубцы, удаленные от точки А, будут проскальзывать по забою, производя скол. Скольжение зубцов шарошечного долота оценивается коэффициентом скольжения k_ск,, который равен отношению суммарной площади, описываемой зубцами долота за один его оборот при их проскальзывании по забою, к площади забоя. Коэффициент скольжения k_ск может изменяться от 0 до 0,15. Увеличение коэффициента скольжения достигается использованием многоконусных шарошек со смещением их осей относительно оси долота.

Таким образом, в зависимости от приведенных выше конструктивных особенностей шарошечное долото может быть отнесено к породоразрушающему инструменту дробяще-скалывающего или дробящего действия. В мягких породах при­меняют шарошечные долота с высокими коэффициентами скольжения, добиваясь тем самым усиления скалывающего действия зубцов.

Рис. 12. Характер взаимодействия вооружения шарошки с забоем:

а – без скольжения; б – со скольжением; S_k – площадь проскальзывания
В твердых и особенно в абразивных породах шарошечные долота должны работать без скольжения. Эти долота оснащаются шарошками, представляющими собой правильный конус, вершина которого лежит на оси до­лота. Коэффициент скольжения такого долота теоретически равен нулю.

---

Важная особенность, которая отличает шарошечные долота от лопастных, — то, что с забоем одновременно взаимодействует лишь небольшая часть зубцов. Отношение суммы длин зубцов, выделенных по одной образующей на каждой шарошке, к радиусу долота называется коэффициентом перекрытия k_п. В мягких породах применяют долота с коэффициентом перекрытия k_п = 1,1, в породах средней твердости k_п = 1,4.

Ресурс работы долота определяется не только износом вооружения, но также и износостойкостью опоры шарошки. Опора шарошки — весьма уязвимый узел и нередко именно ее недостаточный ресурс ограничивает продолжительность работы долота на забое.

Опора шарошки включает несколько подшипников, один из которых шариковый, служащий для закрепления шарошки на цапфе и называемый замковым, остальные подшипники качения (шариковые или роликовые) или скольжения. После создания герметизированных маслозаполненных опор, обеспечивающих благоприятные условия работы подшипников, долговечность долота удалось повысить в несколько раз.

Под шифрами ГНУ и ГАУ разработаны две серии долот с герметизированной опорой. Долота серии ГНУ предназначены для роторного бурения и бурения с тихоходными забой­ными двигателями. В опоре долота серии ГНУ размещаются (от торца шарошки) роликовый подшипник, шариковый "замковый" подшипник и подшипник скольжения. У торца цапфы имеется упорный осевой подшипник скольжения, второй осевой подшипник скольжения введен у внутреннего бурта замкового подшипника.

В опоре долот серии ГАУ роликовый подшипник качения заменен подшипником скольжения. Герметизация опоры имеет упрощенную конструкцию. Наибольшую трудность в изготовлении долот серии ГАУ представляет отыскание материалов для подшипника скольжения и обеспечение высокой точности его размеров.

По расположению и конфигурации промывочных каналов различают долота с центральным промывочным каналом и гидромониторные долота с периферийными каналами. У долот с центральным каналом (цилиндрическим или щелевидным) поток промывочной жидкости направляется на шарошки, омывает их и затем попадает на забой.

Гидромониторные долота имеют каналы, в конце которых установлены сменные металлокерамические или твердосплавные насадки. Наиболее часто используют металлокерамические насадки с коноидальным или коническим каналом. Они предназначены для создания направленного потока, который по выходе из долота со скоростью выше 80 м/с устремляется прямо на забой.

---

Поскольку шарошечными долотами успешно разбуривают практически все породы — от самых мягких до особо крепких, в соответствии с ГОСТ 20692—75 для обеспечения высоких показателей бурения в породах с различными физико-механическими свойствами применяется широкая гамма до­лот. Они выпускаются под шифрами М, МЗ, МС, МСЗ, С, СЗ, СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К, ОК.

В условном обозначении долота, кроме шифра области применения, указывают число шарошек, номинальный диаметр долота (мм), конструкцию промывочных каналов и опор шарошек. Центральная промывка обозначается буквой "Ц", гидромониторная — "Г". У долот типов М, МС и С оси шарошек смещены, что позволяет повысить коэффициент скольжения. Долота типов СТ, Т, ТК, К, ОК имеют шарошки с несмещенными осями. Шарошки у долот типов М, МС и С — самоочищающиеся, т.е. венцы зубцов одной шарошки проходят между венцами соседней. Шарошки для долот ТК (частично), К и ОК заправ­ляются резцами из твердых сплавов (штыри) клиновидной или полусферической формы. Все долота, имеющие в шифре букву "3" и предназначенные для бурения в абразивных породах, имеют шарошки, оснащенные твердосплавными резцами клинообразной формы.

Лапы шарошек изготовляют из высококачественной стали марки 20ХНЗА, а собственно шарошки — из стали марок 17НЗМА и 20ХНЗА. Для повышения качества материала шарошек применяют способы шлакового переплава, двойного шлакового переплава и т.п.

При сборке долот с негерметизированной опорой ее заполняют графитовой смазкой. Герметизированные опоры заливаются специальной смазкой, содержащей присадки.

Широкое повсеместное внедрение шарошечных долот обусловлено рядом их существенных преимуществ:

• 
  зубцы шарошки поочередно и лишь кратковременно взаи­модействуют с забоем, что при большом количестве рабочих элементов обеспечивает большую долговечность вооружения долота;
  
• 
  возможность варьирования механизмом взаимодействия долот с забоем, что позволяет реализовать наиболее эффективный способ разрушения горной породы, — отсюда широ­кая гамма типов долот для бурения пород от самых мягких до крепчайших;
  

• 
  использование опор качения и скольжения позволяет значительно снизить крутящий момент, требуемый для вращения долота на забое.
  

2.2.3. Алмазные долота

А лмазные долота предназначены для разрушения истиранием (микрорезанием) неабразивных пород средней твердости и твердых на больших глубинах (с глубины 3000 м).

---

А
Рис.13. Алмазное долото:

1. 
   корпус; 2 – матрица;
   

3 – алмазные зерна
лмазное долото состоит из стального корпуса с замковой резьбой и фасонной алмазонесущей головки (матрицы). Матрица разделена на секторы радиальными (или спиральными) промывочными каналами, которые сообщаются с полостью в корпусе долота через промывочные отверстия (рис. 13).

Алмазонесущую матрицу изготовляют методом прессования и спекания смеси

специально подобранных порошкообразных твердых сплавов. Перед прессованием в пресс-форме по заданной схеме размещают кристаллики природных или синтетических алмазов. При однослойном размещении алмазов применяют алмазы в 0,05-0,4 карата (карат - единица измерения массы алмазов (1 карат равен 0,2 г). Диаметр кристалла сферической формы в 1 карат равен примерно 4,5 мм. Для бурения в твердых породах изготовляют долота с объемным размещением мелких (менее 0,02 карата) кристаллов алмаза в матрице (импрегнированные алмазные долота). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей поверхностью матрицы составляет 0,1-0,25 их диаметра.

Диаметр алмазных долот на 2-3 мм меньше соответствующих диаметров шарошечных долот. Это вызвано созданием условий для перехода к бурению алмазными долотами после шарошечных, у которых, как правило, по мере износа уменьшается диаметр.

Отраслевым стандартом ОСТ 39026-76 предусмотрено выпускать алмазные долота диаметром от 91,4 до 292,9 мм.

Основными достоинствами алмазных долот являются большая проходка на долото, хорошая центрируемость их на забое и формирование круглого забоя (в отличие от треугольной с округленными вершинами формы забоя при бурении шарошечными долотами).

Существенные недостатки алмазных долот - это крайне низкая механическая скорость бурения (максимальная механическая скорость не превышает 3 м/ч), узкая область применения (исключаются абразивные породы), а также повышенные требования к предварительной подготовке ствола и забоя скважины и промывке скважины в процессе бурения.

2.2.4. Долота ИСМ

Особая разновидность долот разработана Институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) - долота типа ИСМ. Долота ИСМ предназначены для разрушения резанием и истиранием (микрорезанием) неабразивных пород мягких (М), перемежающихся по твердости (МС) и средней твердости (С).

Эти долота имеют вооружение из сверхтвердого композиционного материала «Славутич», в состав которого входят мелокристаллические алмазы и дробленный карбид вольфрама. Для оснащения долот применяют цлиндрические вставки (штыри) диаметром 8-12 мм с плоскими или полусферическими рабочими торцами. Штыри в корпусе долота припаивают в гнездах.

---