Шарошечное долото

ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА
Шарошечным долотом называется такой породоразрушающий инструмент, у которого основным рабочим органом является шарошка — стальная конусообразная деталь, свободно посаженная на ось и несущая на своей поверхности иденторы — зубцы, штыри. Оно представляет собой своеобразный механизм, у которого вращение его корпуса преобразуется во вращательное движение шарошек вокруг их оси, в результате чего происходит поражение забоя зубцами, периодически вступающими с ним в контакт. 

Шарошечное долото:
1 — корпус с резьбовой головкой; 2 лапа с опорой; 3 — шарошка
Предложенная в 1909 г., эта конструкция породоразрушающего инструмента оказалась весьма перспективной. В результате разработки и внедрения многочисленных модификаций и непрерывного совершенствования конструкции шарошечных долот за последние годы достигнут быстрый рост показателей эффективности их работы. В нашей стране на долю шарошечных долот приходится свыше 90 % объема глубокого бурения.
Долото может иметь от одной до трех и более шарошек. Наиболее распространены трехшарошечные долота; одно- и двухшарошечные долота производят в ограниченном количестве. Одношарошечные долота предназначены для бурения твердых неабразивных пород на больших глубинах, двухшарошечные — в основном для бурения на небольших глубинах в мягких породах с пропластками пород средней твердости.

Каждая шарошка снабжена множеством резцов, которые располагаются венцами. Венцы соседних шарошек расположены таким образом, что позволяют разрушать породу по всей поверхности забоя. Применяют два способа оснащения шарошки зубцами: фрезерование зубцов из тела шарошки с последующей наплавкой зерненого твердого сплава (релита и т.п.) или установка твердосплавных штырей (резцов) в гнезда методом холодного прессования. У одного и того же долота шарошки могут различаться по виду. Так, у некоторых трехшарошечных долот только первая шарошка имеет полный конус, а две (вторая и третья по ходу часовой стрелки с торца) имеют форму усеченного конуса.
Шарошечные долота выпускаются в соответствии с ГОСТ 20692 — 75. Этим документом предусматривается изготовление шарошечных долот 39 различных номинальных диаметров — от 46 до 508 мм.
Промышленностью производятся шарошечные долота многих типов, различных по вооружению и по конструкции опоры. По вооружению они отличаются друг от друга конфигурацией и расположением шарошек, размером и формой зубцов, их размещением на шарошке, использованием твердого сплава для армирования 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.
При перекатывании шарошки по забою в контакт с ним попеременно вступают зубцы шарошки. В общем виде возможны два варианта контакта зубцов с забоем: опора на один зубец либо опора на два зубца.
Если опорную поверхность рассматривать как абсолютно твердое тело, то перемещение оси шарошки по вертикальной оси z можно представить как 6z = R(1 — ео8ф/2), где R — радиус описанной (по вершинам зубцов) окружности в рассматриваемом сечении шарошки; ф = 2n/n; n — число зубцов в рассматриваемом венце шарошки. Или
6z = 2Rsin2(n/2n).    (2.2)
Хотя в натурных условиях из-за деформации и разрушения породы на забое и других факторов смещение оси шарошки
Схема вертикального перемещения шарошки по ровной поверхности 

Характер взаимодействия вооружения шарошки с забоем:
а — без скольжения; б — со скольжением; SK — площадь проскальзывания шарошки 6z оказывается значительно ниже расчетной величины по формуле, тем не менее в результате перекатывания шарошки возникает ударная нагрузка.
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. В результате сложения двух вращательных движений в каждый момент времени шарошка совершает вращение вокруг некоторой мгновенной оси с частотой ша.

Если мгновенная ось вращения шарошки проходит через линию контакта описанного конуса с поверхностью забоя, то взаимодействие зубцов с забоем происходит без их относительного смещения. Если известна угловая скорость вращения долота шд, то угловая скорость вращения шарошки вокруг своей оси равна ш ш = шд^т(а/2) или ш ш = = nn/30sin(a/2), где n — частота вращения долота, мин-1; а — угол при вершине шарошки.
Если мгновенная ось пересекается с линией контакта шарошки с забоем (рис. 2.5, •), то при вращении шарошки зубцы, удаленные от точки Л, будут проскальзывать по забою, производя скол. Скольжение зубцов шарошечного долота оценивается коэффициентом скольжения кск, который равен отношению суммарной площади, описываемой зубцами долота за один его оборот при их проскальзывании по забою, к площади забоя. Коэффициент скольжения кск 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. 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.
Механизм работы шарошечного долота на забое скважины осложняется тем, что на поверхности забоя остаются следы предшествующего воздействия зубцов в виде так называемой рейки. В некоторых случаях могут образовываться также "воротники", участки неразрушенной породы, расположенные концентрическими кругами.
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 кп. В мягких породах применяют долота с коэффициентом перекрытия кп = 1,1, в породах средней твердости кп = 1,4.
Ресурс работы долота определяется не только износом во-оружения, 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, 52 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 физикомеханическими свойствами применяется широкая гамма долот. Они выпускаются под шифрами М, М3, МС, МСЗ, С, СЗ, СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К, ОК (табл. 2.2).
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 по-родах, имеют шарошки, оснащенные твердосплавными резцами клинообразной формы.

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

Шарошечные долота изготовляют по одной из двух технологических схем:
1)    штамповка секций, их обработка и оснащение шарошками, сварка секций и обработка сварного корпуса с нарезкой присоединительной резьбы;
2)    штамповка корпуса и лап, монтаж шарошек на лапах, приваривание лап к корпусу.
Преимущественно в производстве используется первая схема, по второй изготовляют шарошечные долота больших диаметров. Однако ведутся работы по переходу на первую схему и при изготовлении долот большого диаметра.

Лапы шарошек изготовляют из высококачественной стали марки 20ХН3А, а собственно шарошки — из стали марок 17Н3МА и 20ХН3А. 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 крачения и скольжения позволяет значительно снизить крутящий момент, требуемый для вращения долота на забое.