Т а бл иц а 2 Типы трехшарошечных долот и их назначение
| Тип долота | Горные породы, для разбуривания которых предназначены долота |
| М | Самые мягкие, несцементированные, пластичные (наносы, мягкие и вязкие глины, сланцы, мягкие известняки) |
| МЗ | Мягкие, слабосцементированные абразивные (песчаники, мергели) |
| МС | Мягкие, неабразивные с пропластками пород средней твердости (мел с пропластками слабосцементированных песчаников, каменная соль с пропластками ангидритов, глинистые сланцы) |
| МСЗ | Мягкие, слабосцементированные абразивные с пропластками пород средней твердости (песчано-глинистые слайды, плотные глины с пропластками песчаников) |
| С | Пластичные и хрупкопластичные неабразивные породы средней твердости (плотные глины, глинистые сланцы, известняки средней твердости) |
| сз | Абразивные средней твердости (песчаники, песчанистые сланцы) |
| ст | Хрупкопластичные средней твердости с пропластками твердых пород (песчаники с пропластками гипса, известняки с пропластками гипса, ангидриты) |
| т | Твердые, неабразивные (твердые известняки, доломиты, до-ломитизированные известняки) |
| тз | Твердые абразивные (окварцованные известняки и доломиты) |
| тк | Твердые с пропластками крепких (твердые известняки с пропластками мелкокристаллических известняков и доломитов) |
| ткз | Абразивные твердые с пропластками крепких (окремнелые аргиллиты, твердые известняки и доломиты, мелкозернистые сильно сцементированные песчаники) |
| к | Крепкие (окремнелые мелкокристаллические известняки, доломиты, кварциты) |
| ок | Очень крепкие (граниты, кварциты, диабазы) |
В зависимости от пород, для бурения которых предназначается долото, шарошки имеют различные породоразрушающие элементы — зубцы, изготовляемые либо вместе с телом шарошки путем фрезерования или накатки, либо отдельно из специальных твердых сплавов. Последние имеют клиновидную или сферическую контактную поверхность и запрессовываются в гнезда, высверленные в теле шарошки.
Шарошки долот типов М, МС, С, СТ и Т имеют фрезерованные или накатанные зубцы, высота и шаг которых уменьшаются, а угол при вершине зубца увеличивается от долот типа М к долотам типа Т.
На всех шарошках породоразрушающие элементы располагаются, как правило, концентрическими венцами. Число венцов у шарошек долот типа М наименьшее, а у долот типа Т — наибольшее. Делается это для усиления дробящего воздействия долота на более твердую породу.
Поскольку периферийные венцы трех шарошек поражают один и тот же участок забоя, форма и расположение зубцов на них у каждой шарошки приняты с учетом этой особенности работы долота. Так, если периферийный венец у одной шарошки имеет обычные призматические зубцы, то у другой шарошки он может быть оснащен призматическими, но менее широкими зубцами, расположенными в шахматном порядке. Так как грани зубцов, обращенные к стенке скважины, подвержены абразивному износу, некоторые заводы зубцы на периферийных венцах выполняют Г-образной, Т-образной или П-образной формы.
Шарошки долота типа ТК имеют на внутренних венцах фрезерованные или накатанные призматические зубцы, а на периферийных венцах — зубцы из твердого сплава со сферической породоразрушающей поверхностью.
Шарошки долот типов К и ОК имеют на всех венцах зубцы из твердого сплава со сферической породоразрушающей поверхностью.
Шарошки долот типов МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ и ТКЗ, предназначенные для бурения пород, обладающих абразивными свойствами, оснащены запрессованными в тело шарошек твердосплавными зубцами, имеющими клиновидную породоразрушаю-щую поверхность. Число венцов и клиновидных зубцов в каждом венце выбирается в зависимости от твердости породы, для которой предназначено долото (у долот типа МЗ наименьшее, а у долот типа ТКЗ наибольшее).
Один из основных узлов шарошечного долота — опора шарошек, вращающихся вокруг цапф. При работе долота на забое опоры воспринимают при высокой частоте вращения шарошек
Рис. 26. Опоры трехшарошечных долот: /, II, III — ряды подшипников
значительную нагрузку от бурильной колонны и сил реакции забоя и стенки скважины. Поэтому опора должна иметь подшипники, воспринимающие как радиальную, так и осевую составляющие действующей на нее нагрузки.
Многообразие типоразмеров долот (см. табл. 2), предназначенных для бурения различных пород при разных нагрузках на забой и частотах вращения долота, обусловило создание многих схем опор шарошек. Однако наиболее распространены схемы, приведенные на рис. 26. Как видим, опоры различаются различным сочетанием подшипников: качения (шариковых и роликовых) и скольжения (шарошки по цапфе). При этом в каждой схеме предусмотрен шариковый подшипник, называемый замковым, так как он не только воспринимает усилия, направленные вдоль и перпендикулярно оси цапфы, но и удерживает шарошку на цапфе. Для этого после закладывания необходимого числа шариков через отверстия в цапфе (на рис. 25 и 26 показано пунктиром) пальцем 2 (рис. 27) отверстие это закрывают, а палец приваривают к телу цапфы /.
Рис. 27. Цапфа / и палец 2 трехшарошечного долота
Выбор типов подшипников определяется требуемыми нагрузками на забой, частотами вращения долота и размерами шарошек.
При бурении мягких пород и пород средней твердости требуется сравнительно небольшая нагрузка на забой и повышенная частота вращения долота, что создает условия для применения в /,и /// рядах шариковых подшипников (см. рис. 26, а).
При бурении в твердых породах нагрузку на забой увеличивают, а частоту вращения долота уменьшают, и поэтому предпочтительнее применение более надежных роликовых (/ ряд на рис. -26, б или / и /// ряды на рис. 26, в) вместо шариковых подшипников.
При бурении в крепких и очень крепких породах нагрузку на забой еще более увеличивают, а частоту вращения долота уменьшают до минимально возможного значения. В этих условиях более эффективно применение подшипников скольжения в / и /// рядах (см. рис. 26, д) и подшипника скольжения на вершине цапфы (ряд IV на рис. 26,г).
В рассмотренных схемах опор трехшарошечных долот подшипники смазываются промывочной жидкостью, содержащей выбуренные частицы породы, что значительно снижает их работоспособность и долговечность. Поэтому в последние годы трех-шарошечные долота с открытой опорой постепенно заменяются долотами с герметизированной опорой, принципиальная схема устройства которой приведена на рис. 28. Проникновению промывочной жидкости в полость такой опоры препятствует жесткий уплотнительный манжет /. Смазка, помещаемая в лапах долота, изолируется от внешней среды эластичным колпаком 2.
При бурении с продувкой скважины воздухом условия работы подшипников шарошек значительно ухудшаются вследствие недостаточного теплоотвода от трущихся деталей. Поэтому в долотах, предназначенных для бурения с продувкой воздухом, часть воздуха по специальным каналам в лапах и цапфах направляется в опоры шарошек (рис. 29).
Эффективность работы трехшарошечных долот в значительной степени зависит от степени очистки забоя скважины промывочной жидкостью. Поэтому нельзя допускать скопления выбуренной породы под долотом и перемалывания ее породоразрушающими элементами. Необходимо, чтобы разрушенная порода немедленно удалялась с забоя скважины, что достигается не только подачей к забою достаточного количества промывочной жидкости хорошего качества, но и применением рациональных конструкций и схем расположения промывочных отверстий в долоте.
Изготовляют долота с одним (у долот малого диаметра) и тремя промывочными отверстиями. В первом случае отверстие располагают в центре долота и в него устанавливают сменную втулку с максимальным приближением ее кромки к шарошкам. Во втором случае три отверстия располагают наклонно к оси
| Рис. 28. Схема лапы трехшарошечного долота с герметизированной опорой: 1 — уплотнительный манжет; 2 — эластичный колпак |
| Рис. 29. Лапа трехшарошечного долота для бурения с продувкой скважины воздухом |
долота так, чтобы они направляли промывочную жидкость на шарошки (см. рис. 25) или к периферии долота между шарошками. Для создания эффективного процесса, разрушения горной породы в промывочные отверстия, как и у лопастных долот, вставляют насадки и создают скорость истечения струй жидкости из них не менее 80—120 м/с. Долота с такими насадками называются гидромониторными.
Тяжелые условия работы шарошечных долот обусловливают применение для их изготовления высококачественных сталей с последующей химико-термической обработкой наиболее ответственных и быстроизнашивающихся деталей (зубцов, рабочих поверхностей цапф и шарошек).
Для повышения износостойкости зубцы и тыльная часть шарошек армируются зернистым твердым сплавом из литых карбидов вольфрама.