Файл: Царицын В.В. Бурение шарошечными долотами.pdf

зубьев, одновременно воздействующих на породу, к длине линии контакта шарошки с забоем (рис. 15),

Рис. 14. Конструкция шарошек:

о —с усеченным конусом (тип С); б —с полным конусом (тип Т).

равной радиусу долота или длине образующей конуса (для совершенного конуса)

% у+Ж>, (4)

где ]£/,-, £ 4 — соответственно суммы длин кон­ тактирующих зубьев первой, вто­ рой и третьей шарошек.

25

Общий коэффициент перекрытия зубьев наиболее распространенных типов долот колеблется в пределах 1—1,6. Для зубьев, расположенных на основных ко­ нусах, этот коэффициент изменяется от 0,55 (№ 5 и 6)

до 1, поэтому в отдель­ ных моделях долот до 45% забоя скважин (по основному конусу шарош­ ки) не перекрывается зу­ бьями.

Геометрическая форма зубьев современных трех­ шарошечных долот (за исключением штыревых долот) имеет форму клина (см. рис. 10) с притуплен­ ной вершиной. Ширина притупления зубьев в за­ висимости от размера до­ лота равна 1—2 мм (см.

по основанию Ь0 и по вершине Ьв, шагом зубьев tz и углом заострения аг.

Высота зубьев зависит от назначения долота. Зубья принято подразделять по высоте на мелкие (для бу­ рения крепких пород), средние (для бурения пород средней крепости) и крупные, т. е. высокие (для бу­ рения слабых порол). Длина зубьев на венцах зави­

26

сит от их расположения. Наибольшую длину имеют зубья, расположенные на периферийных венцах. Ши­ рина зубьев по основанию зависит от положения венца на шарошке, высоты, угла заострения и шага зубьев.

Угол заострения зубьев определяется условием прочности их материала и эффективностью разруше­ ния горной породы. Чем крепче горная порода, тем больше угол заострения. Практически угол заострения имеет величину у долот для бурения крепких пород az = 42 —г—50°, для бурения средних пород а2 = 41 -f-46° и для бурения мягких пород аг = 37-н42°.

Шаг зубьев у современных долот различный на разных венцах, но одинаковый на каждом отдельном венце, что зависит от длины окружности венца по вершинам зубьев, угла заострения и числа зубьев на венце. С увеличением крепости пород шаг зубьев уменьшается.

Учитывая различие физико-механических свойств горных пород, отечественные заводы выпускают ша­ рошечные долота типов М, С, CT, Т, ТК, К.

Долота типа М служат для бурения в мягких и вязких породах: глина, мел, соль, гипс и др. Эти до­ лота имеют трехконусные самоочищающиеся шарошки с осями, смещенными относительно радиального в проекции положения и наклоненными к оси долота под углами 55—57°30'. Шарошки этих долот изго­ товляются чаще литыми, имеют наиболее крупные зубья и наименьшие углы заострения. Зубья перифе­ рийных венцов имеют Г-или Т-образную форму и рас­ полагаются в шахматном порядке.

Долота типа С служат для бурения в породах средней крепости: плотные глины, мергели, рыхлые песчаники и др.

27

Конструкция шарошек аналогична вышеописанным, но их зубья меньшей высоты и с большими углами заострения. Периферийные зубья на двух шарошках выполняются наклонными относительно образующей конуса шарошки.

Долота типа СТ служат для бурения в породах средней крепости, перемежающихся с твердыми. Они имеют двухили трехконусные самоочищающиеся ша­ рошки, оси которых пересекаются в одной точке на оси долота и наклонены к ней под углом 52—55°. Периферийные зубья прямые или Г- и Т-образной формы.

Долота типа Т служат для бурения в крепких по­ родах: доломиты, доломитизированные известняки, ангидриты. Эти долота имеют несамоочищающиеся с совершенными конусами шарошки. Оси и образующие шарошек пересекаются в одной точке на оси долота. Зубья имеют меньший шаг, меньшую высоту и больший угол приострения, чем зубья долот М, С, и СТ.

Долота типа ТК отличаются от долот типа Т более мелкими и более тупыми зубьями и служат для бу­ рения в окременелых породах.

Долота типа К служат для бурения в крепких и очень крепких окременелых породах и кварцитах. Они отличаются от остальных типов тем, что шарошки вместо призматических зубьев оснащены вставными карбидо-вольфрамовыми штырями с полусферической рабочей поверхностью (рис. 16).

Выступающая наружу часть штыря равна радиусу полусферы (3—5 мм), что определяется сопротивляе­ мостью твердого сплава ударным нагрузкам. Это является одной из причин того, что в более мягких и особенно пластичных породах штыревые долота ра­ ботают малоэффективно, так как тело шарошки не

28

>

позволяет штырям внедряться в породу. В крепких породах проходка на такое долото в несколько раз больше. Это объясняется:

1)повышенной прочностью штырей;

2)повышенным удельным давлением на горную породу в начальный момент внедрения штыря, так как начальная поверхность контакта штыря значи­ тельно меньше (близка к точке), чем призматиче­ ских зубьев с притуплен­ ной вершиной;

3)более медленным

темпом износа штырей (почти без изменения гео­ метрии), чем призматиче­ ских зубьев, благодаря бо­ лее высокой твердости вставок и сферической форме контактной поверх­ ности.

Интенсивность уменьшения механической скорости (при меньшей начальной скорости бурения) и проходки на долото при бурении этим долотом по крепким по­ родам значительно меньше, чем при бурении долотами

спризматическими зубьями.

Вправильном подборе типа долот в соответствии с физико-механическими свойствами буримых горных по­ род заключается один из резервов повышения произво­ дительности работы долот. Работа долота будет эф­ фективной, если его применять по назначению. Так, например, при бурении даже твердых (по существующей на промыслах классификации) пород на Долинском месторождении (рис. 17) долота типа Т (1В12Т и др.)

29

работают менее эффективно, чем долота типа С (1В12С и др.) и М (1В12МЛ). Это указывает на то, что долота типа Т, созданные для бурения крепких пород восточ­ ных районов страны (Татария, Башкирия), не соответ-

к>

й 5- <0

ж

Рис. 17. Проходка за долбление при бурении долотами но­ мер 12 разных типов на Долинской площади в интервале:

а — 0 — 1500 м (Воротыщенская серия); б — 1800—2200.« (Воротыщенская серия); в — 0 — 2000 м (Поляницкая серия); г — 1700 — 2200 м (Поляницкая серия); д — 0 — 1500 м (Менилитовая серия надвига);

е — 1700 — 2800 м (Менилитовая серия); ж — 2300 — 3200 м (Мени­ литовая серия).

30

ствуют крепости пород нефтегазовых месторождений западных областей Украины, поэтому для основной части пород геологического разреза Долинского (Битковского и др.) нефтяного месторождения более эф­ фективным будет применение долот типа М, С, и СТ.

РАБОТА УДАРА ЗУБА

Эффективность работы шарошечного долота опреде­ ляется энергией, прикладываемой к породе при

Рис. 18. Схема к определению работы удара зуба шарошки.

каждом ударе зуба. Работа ѵдара зуба шарошки опре­ деляется из условий потенциальной возможности при перекатывании ее по абсолютно твердой породе (рис. 18).

31:

Амплитуда качения долота S вдоль оси определяется следующим выражением:

следовательно, и объем разрушения горной породы увели­ чиваются с увеличением осевого усилия, радиуса шарош­ ки и уменьшением количества зубьев. Для расчетов ра­ диус шарошки г' следует принимать равным 2/3г, так как (рис. 19) площадь забоя скважины может быть

32

представлена как сумма элементарных треугольников. При этом условии среднее значение г' будет равно

мени;

z0 — количество зубьев венца, отстоящего от центра скважины на расстоянии 2/3г или x/sd.

СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД В МАССИВЕ

Г*1ри объяснении процесса бурения в качестве исход- ' 'ного положения следует принять, что объем раз­ рушаемой породы при внедрении лезвия в массив больше объема внедренной части лезвия, так как:

1) при ударном характере нагрузки в месте кон­ такта инструмента с горной породой образуются микротрещины, способствующие понижению сопротив­ ляемости породы;

2) в результате внедрения лезвия порода может скалываться у краев углубления, где у металлов при

состоянии (рис. 20). Выделим в цилиндре некоторый малый элемент, который ограничен двумя концентриче­ скими дугами, отстоящими от оси на расстоянии х и друг от друга — на dx. С боков этот элемент ограничим двумя радиальными плоскостями, образующими между собой угол а, выраженный в радианах. Обозначим

34