Файл: Тюменский государственный нефтегазовый университет.pdf

18
Смазкоподающие и герметизирующие устройства
Смазкоподающее 3 (рис. 10, а) и герметизирующее 7 устройство и система каналов 5, 6, 9 и зазоров 8 для подвода смазочного вещества к элементам опоры шарошки в процессе бурения. Смазочное вещество накапливается в резервуаре-лубрикаторе 4, выполненном в лапе 1 и подается в смазочные каналы 5 под действием упругого диафрагменного колпачкового компенсатора 3, который деформируется при перепаде давлений, действующем со стороны промывочной жидкости, проникающей через отверстия в крышке 2, или же со стороны смазочного вещества.
Перед заполнением смазочной системы ее проверяют на герметичность. Смазочное вещество должно быть очищено от водных паров и пузырьков воздуха.
Рис.10 Секция долота серии ГНУ: а – типа СЗ; б – типа ТЗ; в – типа - ТКЗ
2.4. Вооружение долот
По типу вооружения долота бывают с фрезерованным, твердосплавным и комбинированным вооружением. В зависимости от вида вооружения долота соответственно являются долотами 1, 2 и 3 классов.
Высота породоразрушающих элементов или твердосплавных зубков, и их шаг по венцам максимальны в долотах, предназначенных для бурения мягких пород и изменяется до минимума в долотах для твердых пород.
Фрезерованное вооружение
В долотах, предназначенных для разрушения малоабразивных пород, шарошки оснащены фрезерованными зубьями, наплавляемыми зерновым твердым сплавом.

19
Зубья образуются путем выполнения (выфрезеровывания) в каждом венце продольных (по образующим конуса) выемок 27 (рис. 4). Каждая из боковых стенок этой выемки является одновременно гранью зуба. Грань
28, расположенная в сторону направления вращения (показано стрелкой
24) долота, называется набегающей,а противоположная ей грань 26—
сбегающей. Сопряжение обеих граней зуба называется рабочей кромкой
25.
Чем острее двугранный угол
γ, тем эффективнее поражение забоя в мягких породах. Однако слишком острый угол уменьшает прочность зуба, что приводит к его скалыванию.
В долотах типа Т (для бурения твердых плотных пород) рабочая кромка преднамеренно выполняется в виде площадки притупления, что предупреждает разрушение зуба в процессе вращения шарошек. Ширина площадки притупления 6 колеблется в зависимости от плотности пород от
1 до 4 мм.
С изменением типа долота от М до Т в долотах диаметрами от 215,9 до
269,9 мм высота зуба на основных венцах уменьшается от 12—19 до 9—
12 мм, а на периферийном—от 16—22 до 10—15 мм. Длину зуба 1
(ширину венца) во избежание его поломки обычно принимают не менее 5 мм.
В долотах типа МС длина зуба уменьшается по сравнению с долотом типа М в 1,3 раза, а в долотах типа С — в 1,5 раза.
Длину периферийного зуба устанавливают обычно на несколько миллиметров или вдвое большей, чем на основных венцах. Иногда зубья, чаще всего периферийного венца, выполняют с расфрезеровками с внутренней и (или) наружной стороны, что уменьшает длину рабочей кромки и повышает «агрессивность» (т. е. внедряемость в породу) этих зубьев. Одновременно этим самым увеличивается и ширина проходов, по которым может перемещаться охлаждающе-очищающая промывочная жидкость вместе со шламом.
В систему этих проходов входят кольцевые межвенцовые проточки и продольные выемки между зубьями. Чем шире проточки и выемки, тем более крупные куски разбуренной породы могут по ним перемещаться, но при увеличении ширины потоков уменьшается скорость течения промывочной жидкости.
Ширина продольной выемки определяет шаг зубьев, т. е. расстояние между одноименными его элементами, например между ребрами- вершинами рабочих кромок двух соседних зубьев одного и того же венца.
Зубья основных венцов имеют обычно правильную клиновидную форму или призматическую с прямой рабочей громкой. Периферийный же зуб, особенно в трехшарошечных долотах, иногда выполняется с Г-, Т-, П- или
Ш-образной рабочей кромкой.

20
Шаг зубьев в двух- и трехшарошечных долотах первого класса в зависимости от типа и диаметра изменяется в довольно широких пределах: от 10—13 мм для долот типа Т диаметрами 93—151 мм до 50—60 мм в долотах типа М диаметрами 349,2— 490 мм на основных венцах и от 12—
15 мм в долотах типа Т диаметрами 93—151 мм до 65—80 мм в долотах типа М диаметрами 349,2—490 мм на периферийных венцах.
Вершина или лопатка шарошки (рис.3,4) обычно заходит за центральную ось долот на величину f. Это обеспечивает разрушение центральной зоны забоя скважины и предотвращает образование столбика керна между шарошками. Величина f обычно не превышает 15 мм.
У самоочищающихся долот без смещения осей шарошек венцы полностью не перекрывают забой скважины не только в двух-, но и в трехшарошечных долотах, так как для сборки и нормальной работы долота между сопряженными заходящими друг за друга венцами необходимо иметь гарантируемые зазоры. У долот со смещенными осями можно достичь большого перекрытия забоя, но неперекрытыми остаются участки забоя у его центра. Такие участки называют «воротниками».
Наплавочный материал на все поверхности зуба (боковые и торцевые поверхности и притупления), что способствует увеличению стойкости вооружения и долота в целом.

Твердосплавное вооружение
В долотах, предназначенных для разрушения абразивных пород, шарошки оснащаются твердосплавными вставными зубками с различными породоразрушающей поверхностью, диаметром, величиной выступания над телом шарошки. В качестве материала для их изготовления применяются твердые сплавы с высокими прочностными и противоизносными показателями.
Литера 3 в буквосочетании «МЗ» (так же как и в буквосочетаниях МСЗ,
СЗ, ТЗ, ТКЗ) условно обозначает зубок вставной, твердосплавный.
Для вооружения основных венцов шарошек долота типа МЗ применяются зубки М (рис. 11, а), в опытных долотах—М2 (рис. 11,6), изготовляемые из твердого сплава ВК11ВК. Они состоят из цилиндрического основания и головки клиновидно-конической формы.
Обозначается зубок в зависимости от округленных значений его диаметра и общей высоты (длины) h. Например, М 11Х17, где М— вид
(модификация) зубка, 11—округленный диаметр, мм; 17—округленная высота, мм. Точные значения: d=ll,14 мм, Н=16,70 мм. Диаметр зубка варьирует от 10,12 до 14,14 мм с предельным отклонением в меньшую сторону — 0,03 мм, а высота Н—от 14,70 до 19,60 мм с предельным отклонением в меньшую сторону—0,15 мм.
21

Зубки, как и в долотах других типов второго и третьего класса, запрессовываются с натягом. По большинству венцов зубки устанавливают в два ряда в ступенчатом (шахматном) порядке, что повышает агрессивность вооружения шарошки и способствует повышению удельного давления на забой. Зубки на каждой шарошке могут быть двух и более размеров по диаметру (а иногда и по высоте). Крупные зубки функционируют как опережающие и выполняют основную работу по углублению и калибровке скважины. Мелкие зубки выполняют вспомогательную роль, обеспечивая разрушение гребней, остающихся на забое между крупными зубками.
Необходимо отметить, что с повышением температуры снижается не только прочность, но и твердость материала зубка.
Для повышения сопротивляемости материала зубка при бурении абразивных пород, особенно в высокотемпературных скважинах, необходимо: повышать монолитность зубка, исключить в его теле поры, раковины, трещины и кливаж, минимизировать размеры зерен карбида вольфрама и кобальта, уменьшить содержание кобальта.
Немаловажную роль в работе долот с твердосплавными зубками играет их охлаждение и очистка от шлама. Для этого наружные поверхности шарошек долота типа МЗ выполняют с глубокими и широкими межвенцовыми проточками, придавая шарошкам выпукло-вогнутый пересеченный профиль. Некоторые модели долот типа МЗ проектируют с широкими полукруглыми расфрезерованиями (выемками) венцов в зонах запрессовки зубков.
Во избежание интенсивного износа обратных тыльных конусов шарошек абразивной породой, их армируют цилиндрическими твердосплавными вставками Г-54 (рис. 11, г), изготовленными из сплава
ВК4В. Головка каждой такой вставки выполняется гладкой и запрессовывается почти вровень с поверхностью обратного конуса шарошки.
В качестве породоразрушающего элемента, армирующего венцы шарошкидолота типа СЗ, в применяется зубок С, заменивший ранее применявшиеся зубки Г-25. Этот зубок, (рис. 12), характеризуется более притупленной вершиной, чем зубок М (рис.11,а). Конусность головки составляет 40°, а двугранный угол плоских срезов — 68°. Ширина притупления вершины зубка колеблется от 2,7 до 3,4 мм в зависимости от диаметра d зубка. Радиус R закругления вершины зубка с увеличением диаметра возрастает от 2,6 до 3,2 мм. Диаметр зубка варьирует от 8,12 до
14,14 мм при предельном отклонении ( в меньшую сторону) — 0,03 мм, а высота (H) зубка—от 11,7 до 19,6 мм при предельном отклонении—0,15мм независимо от размера зубка. Пример обозначения размера зубка: С11Х14 где 11 и 14 округленные значения d и Н, в мм.

22
В долотах типа СЗ на кольцевых венцовых выступах между соседними зубками нередко вырезаются поперечные промывочные канавки, способствующие лучшему охлаждению зубков и лучшей очистке долота от шлама. Мелкими зубками оснащают вершину шарошек и некоторые основные венцы, а также нередко вспомогательный ряд периферийного венца третьей шарошки.
Рис. 11 Элементы вооружения долота типа МЗ: а – зубок М; б- зубок М2; в- зубок Г-25; г – твердосплавная вставка
Рис.12 Зубок С
23

Рис.13 Элементы вооружения для долот типа ТЗ и ТКЗ: а – зубок Т; б – зубок К; в – зубок СТ
3. РАЗНОВИДНОСТИ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ
3.1. Одношарошечные долота
Эти долота относятся к одному классу (с твердосплавным вооружением) и одному типу СЗ (по старому обозначению C) - для средних пород.
Одношарошечное долото (рис.14) состоит из корпуса / с присоединительной резьбовой головкой 2, лапы 6 с цапфой 25, тел качения в виде шариков 13 и 17, шарошки 27. В корпусе выполняется наклонный промывочный канал 4, направляющий поток промывочной жидкости из колонны бурильных труб на вооружение шарошки, которое представлено вставными твердосплавными зубками 19. Каждый зубок состоит из головки 24 и хвостовика 23.

24
Присоединительная резьбовая головка 2 выполнена ниппельной и примыкает к упорному уступу 5 (торцу), присутствующему у долот всех разновидностей с ниппельной головкой. Резьба 3—коническая, выполняется с ГОСТ 20692—75 на долота шарошечные.
Шарошка 27 удерживается на цапфе 25 при помощи шариков 13, одна часть каждого из которых входит во внутреннюю беговую дорожку 14 цапфы, а другая — в наружную беговую дорожку 26 шарошки. Эта часть конструкции называется шариковым замком. Замковые шарики заводятся
(после монтажа шарошки на цапфе) через проход 9 и фиксируются в своем рабочем положении при помощи замкового пальца, прихватываемого снаружи сварным швом 8.
Лапа выполняется со спинкой 7, имеющей, как и в других шарошечных долотах, форму прилива, и козырьком 10, выступающим за основание цапфы (сопряжение цапфы с лапой) и прикрывающим кольцевой зазор 28 между лапой и основанием 11 (нередко называемым также затылком) шарошки.
Рабочая наружная поверхность шарошки выполняется сферической с продольными промывочными канавками 16.
Шарошка располагается на цапфе таким образом, чтобы ее центр совпадал с точкой пересечения оси 20 долота с осью 21 цапфы. Ось цапфы и шарошки наклонена к оси долота под углом 30°. Опора шарошки в данной конструкции выполняется состоящей из большого подшипника скольжения 12, замкового шарикового подшипника 13, промежуточного подшипника скольжения 15, шарикового подшипника 17, концевого упорного подшипника скольжения 18. Схема этой опоры сокращенно обозначается СШСШС, где С — скольжение, Ш — шар.
Для армирования рабочей поверхности шарошки одношарошечного долота обычно применяют зубки с плосковыпуклой головкой, соответствующей форме Г23.
Модификации одношарошечных долот по вариантам
промывочных систем и вооружения шарошек
На рис. 15 показаны основные модификации одношарошечных долот, освоенные промышленностью. Модификация с кольцевыми и продольными промывочными канавками обеспечивает усиленную очистку от шлама и охлаждение каждого зубка. Модификация долота с нижней промывкой способствует интенсивной очистке забоя, так как выпускное отверстие промывочного канала выведено в вершину шарошки.
Модификация долота с удлиненными коническими зубками отличается наибольшей агрессивностью вооружения и должна способствовать повышению механической скорости проходки(рис. 14, а-г).

25
Рис.14. Конструкция одношарошечного долота
Рис.14. Модификации отечественных одношарошечных долот а-основная (серийная); б-с кольцевыми расточками на шарошке; в-с нижней промывкой; г-с коническими зубками; /-корпус долота; 2 – шарошка
Выпускаемые одношарошечные долота относятся к одному и тому же типу СЗ второго класса (со вставным твердосплавным вооружением).
Выпускаются одной серией—Н.
Эти долота изготовлялись в четырех моделях: I 139,7C3-H; I 161C3-H; I
190,5СЗ-Н; I 215,9СЗ-Н. Предполагается изготавливать первые две модели в усовершенствованном варианте с герметизированной опорой шарошки.
Цифра I обозначает одношарошечную разновидность;
139,7—номинальный диаметр долота в мм; СЗ—тип долота;
Н — серию долота и модификацию по опоре шарошки.
Отклонение по диаметру в соответствии с действующим ГОСТ на долото шарошечные диаметрами от 93 до 349,2 мм допускается +0,8 мм.
26

3.2. Двухшарошечные долота
Эти долота применяют при бурении геологоразведочных скважин.
Модели двухшарошечных (рис.4) долот можно распределить на два класса, четыре типа и несколько модифицаций, отличающихся одна от другой по схеме и конструкции промывочного узла либо опоры шарошек.
Долота первого класса изготовляют двух типов - М и С.
Двухшарошечные долота типа М предназначены для бурения скважин сплошным забоем и в слабых, наиболее мягких и вязких несцементированных породах, таких как суглинки, слабые глины и мергели. Эти долота изготовляют трех типоразмеров: В112МГ, В132МГ и
В151МГ.
Долото В112МГ выполняется двухсекционным. Секции сопрягаются плоскостями на фиксирующих штифтах и свариваются сварным швом.
Угол наклона цапф к оси долота 57°30'. Опора каждой шарошки выполнена по схеме СШР, то есть подшипник скольжения - шарикоподшипник (замковый) - роликовый подшипник. Шарошки - самоочищающиеся со смещением их осей относительно осей долота на 3 мм. Фрезерованные зубья шарошек - крупные, заостренные, защищенные твердосплавной наплавкой. Такое вооружение обеспечивает наиболее высокую эффективность в очень мягких и вязких породах. Промывка - боковая. Промывочные каналы иногда оснащают металлокерамическими соплами, направляющими струи жидкости в зазоров между шарошками.
Долото В132МГ состоит из двух сварных секций. Оси цапф и шарошек наклонены под углом 57°30' к оси долота. Опора шарошки выполнена по схеме ШШР. Один из шариковых подшипников (большой) - замковый.
Шарошки - самоочищающиеся, оснащены крупными фрезерованными зубьями.
Рабочие поверхности зубьев армированы зернистой твердосплавной наплавкой (релит ТЗ), а угол заострения зубьев изменяется в диапазоне 48 0
36'-51 0
50'. Промывочное устройство - боковое, со струй- ными соплами.
Примерно такой же конструкцией характеризуется долото В151МГ, но у него смещение осей шарошек относительно оси долота составляет 5
мм, а заострение зубьев 45-49°.
К типу С относятся долота 2В93С и 2В112СМ, предназначенные для бурения скважин в средних породах, таких как известняки, аргиллиты, алевролиты, уплотненные глины, мергели. Долото 2В93С состоит из двух сварных секций, плоскость прилегания которых расположена симметрично относительно шарошек.
Оси цапф шарошек наклонены под углом 47°30' к оси долота.
Шарошки - самоочищающиеся. Опора шарошки состоит из двух подшипников скольжения и одного шарикового (замкового) подшипника.
Вооружение шарошек представлено выфрезерованными стальными
27