5.4. Разрушение горных пород шарошечными долотами

5.4.1. Конструкции и вооружение шарошечных долот

При выполнении геологоразведочных работ на твердые полезные ископаемые для бурения как мягких, так и очень крепких горных пород применяются шарошечные долота.

• Шарошечное долото создано в конце XIX, начале ХХ века. Долото с коническими шарошками запатентовано Говардом Хьюзом, США в 1909 г. Уникальность этого инструмента состоит в сочетании ударного, раздавливающего и скалывающего действией, реализуемых одновременно, что позволяет успешно бурить как мягкие и пластичные, так и твердые и хрупкие горные породы.

Ш арошечное долото (на рис. 5.58) состоит из корпуса с резьбой 1, лап 2 и шарошек 3, размещаемых на осях – цапфах 4. Шарошки 3 имеют вооружение в виде армированных зубьев 5. При вращении корпуса долота 1 с лапами 2, шарошки 3 вращаются вокруг цапф 4. Поэтому между шарошками 3 и цапфами 4 размещают шариковые или роликовые подшипники 6, а в долотах малого размера применяют подшипники скольжения. Очистной агент подается к забою по каналу 7. Отверстие 8 предназначено для доставки в канал между шарошкой 3 и цапфой 4 шариков подшипника 6, которые, выполняя функцию подшипника, служат также в качестве фиксаторов шарошки 3 на цапфе 4. После сборки долота канал 8 закрывают.

При вращении долота шарошки перекатываются по забою, опираясь, каждая из них, на породу то одним, то двумя зубьями. Одновременно в контакте с породой находятся несколько зубьев, а остальные остаются как бы в резерве. Если сопоставить вооружение шарошечного долота с инструментом режущего типа, например, лопастным долотом, можно убедиться, что запас вооружения у

шарошечного долота увеличивается в десятки раз, хотя удельное давление на забой при равной осевой нагрузке при этом не увеличилось. Зубья шарошечного долота находятся в контакте с горной породой весьма короткое время, а выйдя из контакта, интенсивно охлаждаются промывочной жидкостью. Это позволяет резко увеличить удельную мощность, реализуемую зубьями, по сравнению с резцами режуще-скалывающего инструмента, без опасности развития катастрофического изнашивания [30].

Ресурс шарошечных долот определяется довольно часто не стойкостью вооружения, а износостойкостью опор вращения шарошек. Для повышения ресурса шарошечных долот большого размера применяют герметизирующие подшипниковые узлы уплотнения, а также долота с маслонаполненными под давлением опорами [15].

По числу шарошек долота могут иметь 1, 2, 3, 4 и более шарошек. В геологоразведочном бурении используют в основном долота с 2 и 3 шарошками.

По назначению шарошечные долота разделяются на следующие основные виды [15]:

• для бескернового вращательного бурения;

• для бурения с отбором керна (колонковые долота);

• для гидроударного бурения;

• для бурения с продувкой;

• специального назначения.

При геологоразведочном бурении основной объем буровых работ выполняется долотами для бескернового бурения.

Для бурения применяют наряду с долотами, которые оснащены только шарошками, комбинированные шарошечные долота [15].

1. Шарошечно-лопастные долота применяют для бурения скважин в мягких породах с наличием валунно-галечных отложений и пропластков

твердых пород. Подобные долота эффективны также при бурении мерзлых горных пород и нашли применение при бурении скважин в регионах Сибири и Дальнего Востока [32].

В шарошечно-лопастных долотах сочетается двухлопастное долото режущего типа с шарошечным зубчатым долотом ударно-скалывающего действия. В процессе бурения лопастное долото эффективно проходит разрезы мягких пород, а при встрече твердых пропластков вступает в работу шарошечное долото, эффективно разрушая твердые хрупкие породы ударным воздействием зубчатого вооружения. В мерзлых горных породах, для которых при бурении свойственно таяние и размягчение в поверхностном слое, шарошки дробят мерзлый массив, а лопастное долото подрезает мягкий подтаявший слой, подготавливая забой для работы зубьев шарошек.

2. Шарошечно-ударные долота предназначены для бурения с использованием забойных гидро- и пневмоударных машин. В данном случае шарошечное долото сочетается с долотом ударного типа, располагаемого между шарошками в центральной части.

3. Шарошечно-шнековые долота используются для бурения сыпучих пород, мерзлых пород и мягких горных пород с пропластками твердых.

4. Шарошечно-цепные долота используют для бурения глубоких скважин и представляют собой целые породоразрушающие агрегаты, оснащенные значительным количеством шарошек.

Д ля производства геологоразведочных работ выпускаются бескерновые шарошечные долота следующих типов: М (для мягких пород), МЗ (для мягких абразивных), МС (для мягких пород с пропластками пород средней твердости), МСЗ (для мягких абразивных пород с пропластками пород средней твердости), С (для горных пород средней твердости), СЗ (для абразивных пород средней твердости), СТ (для горных пород средней твердости с пропластками твердых пород), Т (для твердых пород), ТЗ (для твердых абразивных пород), ТК (для твердых горных пород с пропластками крепких пород), ТКЗ (для абразивных твердых пород с пропластками крепких пород), К (для крепких пород), ОК (для очень крепких горных пород).

Все перечисленные долота подразделяются на две группы, которые отличаются как по характеру взаимодействия и разрушения горной породы на забое, так и по конструктивному исполнению рабочих породоразрушающих органов – шарошек долота.

Первая группа шарошечных долот – долота с зубчатыми шарошками, производящие раздавли-вающее-дробящее-скалывающее воздействие (М, МЗ, МС, МЗС, СЗ). Раздавливание, дробление и скалывание породы реализуется при качении шарошки по забою, а вследствие проскальзывания (поступательного движения шарошки без вращения на оси) осуществляется дополнительное резание-скалывание породы.

Т аким образом, разрушение горных пород может производиться при различных соотношениях режуще-скалывающего и дробящего воздействия. Чтобы создать долота, производящие на горную породу только ударные – дробящие нагрузки, необходимо придать шарошкам такую геометрическую форму, при которой последние осуществляли бы чистое качение. Этим условиям соответствует одноконусная шарошка с образующими, пересе-кающимися на оси долота (рис. 5.59). Любое отклонение от указанной геометрии приводит к проскальзыванию шарошек при вращении долота на забое.

Проскальзывание шарошек является важным показателем кон-струкции долота, который оценивается коэффициентом проскальзывания (К_пр) – отношением длины траектории проскальзывания зубца за один оборот долота на забое к длине концентрической окружности на забое скважины, по которой перемещается зубец при вращении долота. Проскальзывание достигается за счет формы шарошек и смещения осей вращения шарошек от оси долота С (рис. 5.60, а). Например, для долот с конусными шарошками (рис. 5.59) К_пр=0, для двух-, трехконусных шарошек (рис. 5.60, б) К_пр=0,05-0,1, для бочкообразных К_пр=0,1-0,15, для долот со смещением осей шарошек от оси долота коэффициент проскальзывания может достигать 0,3 (рис. 5.60, а). То есть, в последнем случае, почти треть пути по забою зубцы шарошек осуществляют поступательное перемещение как зубцы твердосплавных коронок и долот, а только две трети пути по забою перекатываются, совершая дробяще-скалывающее и раздавливающее воздействие на горную породу.

Вооружение шарошек долот первой группы выполняется зубчатым (зубцы фрезеруются непосредственно на шарошке и армируются наплавляемым твердым сплавом), а долота, предназначенные для бурения абразивных пород, имеют вооружение в виде запрессованных в шарошки твердосплавных вставок с клиновидной формой рабочей поверхности.

Для второй группы долот характерно увеличенное дробящее воздействие на породу и минимальное проскальзывание шарошек (СТ, Т, ТЗ, ТКЗ, К, ОК). Именно поэтому у долот этого типа в основном одноконусные шарошки, установленные в долоте без смещения осей вращения (рис. 5.59). При этом шарошки долот типа СТ и Т выполняются зубчатыми, ТК, К, ОК армируются твердосплавными вставками со сферическими торцами, а шарошки долот типа ТЗ и ТКЗ имеют комбинированное вооружение – зубья чередуются с твердосплавными вставками.

Ш арошечные долота могут оснащаться гидромониторными насадками, повышающими скорость истечения струй промывочной жидкости из центрального канала долота для улучшения очистки забоя и шарошек от продуктов разрушения.

Как уже отмечено, породоразрушающими элементами шарошек могут быть зубья или твердосплавные вставки с клиновидной, шарообразной и др. формами рабочих поверхностей.

Зубья и вставки на шарошках долота располагают венцами (концентрическими рядами на поверхности шарошек – см. рис. 5.58, позиции I, II, III). Венцы и зубья со вставками в них располагаются таким образом, чтобы за один полный оборот долота вся поверхность забоя была покрыта зонами разрушения.

Зубья шарошек могут иметь различную геометрическую форму. Наиболее типичной является клиновая с площадкой притупления на вершине зуба (рис. 5.61). Зубья шарошек характеризуются определенными параметрами: α – углом приострения зуба; a – шириной площадки притупления; b – длиной зуба; H – высотой зуба; S – шагом расстановки зубьев.

Для повышения эффективности разрушения горных пород применяют долота с венцами, зубья которых имеют различную длину торцевых площадок. Такие долота получили название долот с волнообразными венцами [15]. Ресурс этого долота и скорость бурения увеличены за счет скола зубьями более крупных частиц породы. Это решается за счет того, что более острые зубья 1 проникают в породу на бóльшую глубину, а более широкие зубья 2 скалывают боковые поверхности лунок, образовавшихся от ударов острых зубьев 1 (рис. 5.62).

О бязательным условием при конструировании шарошечных долот является создание достаточно долговечной опоры шарошек. С этой целью трущиеся детали долот выполняются из высококачественных сталей и подвергаются специальной термообработке. Особенно сложной представляется задача создания долговечных опор качения шарошек у долот диаметром 76, 59 и 46 мм в связи с резким снижением прочностных характеристик всех деталей долот и трудностью использования шариковых затворов шарошек, вызванные малыми размерами цапф, лап и низкой прочностью шариков приемлемых размеров.

В связи с этим для бурения скважин диаметром 76-46 мм в Среднеазиатском НИИ геологии и минерального сырья И.Д. Чумаковым предложена оригинальная и эффективная конструктивная схема малогабаритного долота, получившего маркировку ДДА (долото двухшарошечное асимметричное). Долота ДДА-46, 59, 76 и 93 предназначены для бурения твердых и очень твердых горных пород.

Д олото ДДА (рис. 5.63) состоит из корпуса с резьбой 1 из двух секций, соединенных сварными швами 2. На цапфах 3 корпуса смонтированы шарошки 4 полусферической формы, армированные цилиндрическими зубками 5 из твердого сплава ВК8. Опора долот (цапфа 3, шарошка 4) представлена подшипником скольжения, что позволяет выполнить её конструктивно более прочной, т.к. не требуется размещение на опоре шариков и роликов подшипниковых узлов. Шарошки долота 4 закрепляются на лапах распорным V – образным пальцем 6 с упорными буртами, который своими концами вставляется в отверстия пустотелых цапф 3, создавая, таким образом, дополнительную опору. В этом случае шарошки 4 размещены в долоте не консольно, как это принято по основной схеме (рис. 5.58), а в пределах замкнутого контура «цапфа 1- V-образный палец-лапа 2», что существенно повышает прочность долота и практически исключает отделение шарошек от корпуса при бурении. Угол наклона цапф 6 к оси долота 65^º. Детали долота изготавливаются из легированной стали и подвергаются термообработке, цементации, закалке и отпуску.

Особенностью механики работы долот ДДА является большой путь проскальзывания шарошек по забою скважины, некоторый перекос долота при работе [22], что приводит к расширению ствола скважины.

Исследования, выполненные при создании конструкции долота ДДА, показали, что проскальзывание является одним из основных факторов, интенсифицирующих процесс разрушения при бурении не только мягких и пластичных пород, но и твердых горных пород.

При бурении долотами типа ДДА достигается более высокая механическая скорость бурения при относительно равном ресурсе, в сравнении с долотами других конструкций, например, трех- или двухшарошечных долот типа К, конструкции СКБ Министерства геологии, которые выполнены по классической схеме (рис. 5.58) [15].

По конструктивной схеме шарошечного долота изготавливают долота безударного раздавливающего и режуще-скалывающего действия. В данных долотах шарошки в виде дисков устанавливают, ориентируя оси вращения шарошек параллельно забою и по касательной к траектории вращения долота (см. главу 4, рис.4.5), таким образом, что в процессе бурения шарошка прокатывается по стенке скважины. Поэтому частота вращения шарошек у данных долот прямо пропорциональна скорости бурения, т.к. качение шарошек обеспечивается за счет взаимодействия зубьев шарошек со стенкой скважины при углубке долота.

Подобная конструктивная схема исполнения долота полностью исключает ударный характер передачи нагрузок к породе (преобладает проскальзывание над качением шарошек по забою), но позволяет получить инструмент вращательного типа, у которого при бурении происходит смена контактирующих с забоем резцов за счет проворота шарошек. В результате достигается более значительный ресурс инструмента, т.к. число одномоментно контактирующих с породой резцов значительно меньше их общего числа. При этом достигаются эффективные условия охлаждения резцов, свойственные условиям работы обычных шарошечных долот.

По данным В.Т. Чеснокова (Красноярский гос. ун-т цветных металлов и золота) износостойкость вооружения долот с зубчато-дисковыми шарошками в 2 раза выше, чем долот режущего типа.