Шарошечные долота

При шарошечном бурении используют следующие виды долот: двух- и трехшарошечные, режущие и комбинированные. Наиболее распространенные трехшарошечные долота используют для разработки пород от мягких до очень крепких с вооружением шарошки в виде фрезерованных на ней зубьев (рис. 9.5, а) различной длины и конфигурации или впрессованных в нее штырей из твердого сплава — карбида вольфрама (рис. 9.5, б).

Трехшарошечные долота (рис. 9.5), применяемые в горнорудной промышленности, состоят из трех сварных секций (лап) 2, на которых монтируют шарошки 1. Опоры шарошек в зависимости от размеров долот выполняют по различным схемам. В горной промышленности трехшарошечные долота применяют с опорами (Р-Ш-Р), имеющими два силовых роликоподшипника 6 и 8 и между ними один шариковый (замковый) 7. На долотах малых диаметров нижний подшипник может быть шариковым (Р-Ш-Ш) или скользящего типа. Долота, предназначенные для тяжелых условий эксплуатации, снабжают упорной пятой скольжения (УПС) 11.

Шарошки и лапы долот в основном изготовляют из хромоникелевой малоуглеродистой (12ХН2), (20ХНЗА) и никель-молибденовой (17НЗМА) сталей и подвергают химико-термической обработке.

Тип шарошечного долота выбирают в зависимости от назначения, конструкции, формы шарошек, расположения последних относительно оси долота и забоя, числа и размера зубьев, абразивной стойкости зубьев и способа очистки от буровой мелочи (воздухом или водо-воздушной смесью).

Вооружение шарошек долот М, С, Т — фрезерованные в теле шарошек зубья; долот МЗ и ТЗ — твердосплавные зубки с клиновидной формой рабочей поверхности, а долот ТК, К, ОК — зубки формы с полусферической рабочей головкой.

Зубки в корпусе шарошки могут крепиться тремя способами: запресовкой, пайкой, обжатием.

Боковая поверхность долот М, С и Т для повышения долговечности наплавляется зерновым твердым сплавом релит. Тыльные части шарошек, козырьки и спинки лап также армированы твердосплавными зубками с плоскими торцами, запрессованными заподлицо с телом, причем козырьки и спинки лап могут быть наплавлены зерновым твердым сплавом релит.

Для бурения скважин на карьерах и при строительстве инженерных сооружений изготавливаются следующие типы трехшарошечных долот.

Таблица 9.1

¹ Кроме упомянутых типов имеются промежуточные разновидности долот МС, МСЗ, СЗ, СТ и ТКЗ.

По способу расположения зубьев шарошки долота могут быть с само- и несамоочищающимися зубьями. У наиболее распространенных самоочищающихся долот зубчатый венец одной шарошки входит в проточку между венцами другой, за счет чего улучшается очистка зубьев от породы.

Вращающееся трехшарошечное долото со стальными зубьями или карбид-вольфрамовыми вставками при воздействии на него усилия подачи, вращательного момента и продольного поступательного движения разрушает горную породу ударом, что вызывает упругие деформации в массиве и разрушение последнего. При взаимодействии зуба долота и горной породы, в месте их контакта образуется сложное напряженное состояние в результате появления напряжений сжатия, растяжения и сдвига.

Внедрение зуба в забой сопровождается появлением в месте их контакта сил трения шарошки о породу, препятствующих удалению частиц из кратера. Как только зуб покидает кратер, частицы отбитой породы должны быть удалены сжатым воздухом и транспортированы на поверхность уступа с глубины 20÷60 м.

Усилие подачи оказывает существенное влияние на скорость бурения, вне зависимости от его величины.

При малом усилии подачи скорость бурения низка, из скважины выходит буровая мелочь в виде тонкодисперсной пыли. Эта фаза разрушения породы называется абразивной и приводит к быстрому износу долота.

Увеличение нагрузки на долото увеличивает проникновение его зубьев в породу. Если штыри или зубья шарошки погружаются в породу на 80% своей высоты под воздействием надлежащего усилия, откалывая при этом от забоя частицы достаточно крупного размера, долото будет бурить с максимальной эффективностью. В удаляемом из скважины воздушном потоке наблюдается малое количество пылевых частиц.

Как только достигнута фаза активного скола частиц, добавление нагрузки на долото дает отрицательный эффект, так как при полном погружении зубьев долота шарошка ложится на свой конус увеличивая сопротивления бурению.

Для достижения оптимальной скорости бурения, оператор должен иметь возможность изменять скорости вращения долота и подачи его на забой в зависимости от изменения крепости пород.

Потребное усилие подачи зависит от диаметра скважины (долота) и сопротивления породы сжатию. Диапазон нагрузок на долото (усилие подачи) рекомендуется изменяет от 0,18 кН/мм его диаметра для мягких пород до 1,62 кН/мм для очень крепких скальных пород. Скорости проходки скважин изменяются от 0,03 м/мин для весьма крепких пород до 3 м/мин для очень мягких.

Долота со стальными фрезерованными зубьями предназначены для бурения мягких породных формаций с низким сопротивлением сжатию (σ_сж до 40 МПа), таких как мягкие песчаники, кальциты, глины и других формаций содержащих абразивные включения. Долота этого типа имеют длинные и тонкие зубья обеспечивающие глубокое проникновение их в породу при сравнительно малой нагрузке. Геометрия долота создает максимально возможное срезающее воздействие на забой скважины. Обычно эти долота эксплуатируются при осевой нагрузке от 0,18 до 0,56 кН/мм диаметра долота и скоростях вращения от 120 до 70 об/мин, соответственно.

Долота со стальными фрезерованными зубьями для бурения формаций средней крепости (как абразивных, так и неабразивных) с сопротивлением сжатию (σ_сж до 80 МПа) таких как сланцы, песчанистые сланцы, известняки и другие, отличаются от долот предназначенных для бурения мягких формаций более крепкими и более тесно расставленными зубьями с меньшими углами заострения, имеющими износостойкую защиту поверхностей и геометрию, создающую более интенсивные скребково-дробильные воздействия на забой. Нагрузки на долото рекомендуются в диапазоне от 0,36 до 0,9 кН/мм диаметра долота при скоростях вращения от 100 до 60 об/мин, соответственно.

Долота со стальными фрезерованными зубьями для бурения крепких формаций с сопротивлением сжатию (σ_сж до 100 МПа). сконструированы для работы в низко- или высокоабразивных породах таких как граниты, кварцевые песчаники и другие. Эти долота имеют более мощные подшипники и более тесно поставленные зубья с большими углами заострения позволяющими приложить более высокие осевые нагрузки. Геометрия этих долот обеспечивает максимальный дробящий и минимальный срезающий эффект. Нагрузка на долото рекомендуется в пределах от 0,72 до 1,26 кН/мм диаметра при скоростях вращения долота от 80 до 40 об/мин, соответственно.

Долота с карбид-вольфрамовыми вставками (штырями, зубками) «долотчатого» или «полусферического» типов применяются вместо традиционных долот со стальными зубьями. Такие долота предназначены для работы в исключительно крепких и абразивных формациях, в том числе «долотчатые» для бурения формаций с сопротивлением сжатию (σ_сж до 105 МПа) таких как крепкие песчаники, доломиты, а «полусферические» для работы в формациях средней и высокой крепости с сопротивлением сжатию (σ_сж от 55 до 180 МПа) таких как кварциты, твердые песчанистые кварциты, такониты, базальты и другие формации, которые слишком крепки для долот со стальными зубьями.

Долота с карбид-вольфрамовыми вставками более дороги, однако имеют более высокую (в 4÷10 раз) проходку и скорость бурения. Они позволяют прикладывать более высокие осевые нагрузки от 0,54 до 1,62 кН/мм диаметра долота и скорости вращения от 120 до 30 об/мин, соответственно.

По расположению и конструкции продувочных каналов долота изготавливаются с боковой продувкой (Г) и с центральной продувкой (П). В долотах с боковой продувкой каналы для подвода воздуха к забою скважины выполнены в приливах асимметричных лап (см. рис. 9.5, а). В этих долотах струя воздуха направляется между шарошками на периферийную зону забоя. В долотах с централъной продувкой предусматривается подвод воздуха к поверхности забоя через унифицированное сопло (канал), расположенное в центре корпуса долота (см. рис. 9.5, б).

Боковая продувка улучшает очистку забоя от шлама и снижает эрозионный износ вершин шарошек при бурении в абразивных породах.

Для внешнего определения типа, долота окрашивают в различные цвета и маркируют на торцовой части ниппеля долота. К долоту прикладывают паспорт с шифром, например III 269,9 К-ПГВ, означающим, что это трехшарошечное (III) с диаметром 269,9 мм долото для бурения крепких (К) пород, имеющее центральную (П) и периферийную (Г) продувку, а также подшипники качения (В). На долоте обозначают также номер и дату (обычно месяц и год) выпуска с завода. Нумерация долот на заводах обычно ведется ежегодно, начиная с первого номера.

Шарошечные долота изготавливают: ОАО «Уралбурмаш» (долота с диаметром от 76 до 250,8 мм), ЗАО «Волгабурмаш» (190,5 и 215,9 мм), Дрогобычский долотный завод (244,5, 269,9 и 320 мм), ОАО «Востокмашзавод» (112, 146, 320 мм), Поваровский опытный завод (215,9, 222,3, 244,5, 250,8, 269,9 мм) и Экспериментальный завод ВНИИБТ (от 76 до 320 мм).

Воздушный поток, потребный для очистки забоя буримой скважины, зависит от нескольких переменных: плотности горной породы, скорости бурения, размера частиц буровой мелочи, зазора между стенкой скважины и штангой, площади скважины. Имеется два фактора влияющих на качество очистки скважины сжатым воздухом: надлежащий его объем и достаточная выносная скорость воздушного потока способного транспортировать буровую мелочь из скважины на заданную высоту. Для подавляющего большинства горных разработок выносная скорость транспортировки мелочи достаточна в пределах 1220—1525 м/мин.

Если известна потребная скорость V_B (м/мин) восходящего потока, то объем воздуха (м³/мин) определяется из выражения

где D и d — соответственно диаметр скважины и штанги, мм.

Скорость V_B восходящего потока воздуха в зазоре между стенкой скважины и штангой является важным фактором в очистке скважины и может быть установлена практически любой величины при фиксированных значениях подачи воздуха известном диаметре скважины за счет увеличения или уменьшения диаметра штанги в соответствии с формулой

Если частица ложится на дно скважины с нулевой скоростью, а далее должна быть ускорена, например, до 1500 м/мин на расстоянии 70—80 мм, то для этого нужно затратить большую мощность, прогоняя через калиброванные отверстия долота (форсунки) достаточный воздушный поток. Чем выше давление воздуха внутри штанги и шарошки, тем выше скорость истечения воздушного потока из долота.

Оптимальная скорость выноса буровых частиц должна быть не менее 1220—1830 м/мин при бурении мягких пород, 1525—2130 м/мин для пород средней крепости и 1830—2440 м/мин для крепких. Для выноса влажных и очень плотных пород, а также при скорости бурения 20 м/ч и выше может потребоваться скорость выноса частиц до 2700 м/мин.

Диаметр штанги для заданного диаметра скважины должен быть:

– для мягких пород на 75 мм меньше диаметра долота (при выносной скорости частиц не менее 1220 м/мин), что позволяет транспортировать частицы размером до 50 мм и более в зазоре между скважиной и штангой без его заштыбовки и повторного дробления частиц;

– для пород средней крепости на 50 мм меньше чем долото (минимальная скорость выноса 1525 м/мин.), что достаточно для прохода частиц до 25 мм;

– для крепких пород, у которых обычно образуются мелкие частицы, штанга должна быть на 38 мм меньше диаметра долота, что позволяет пропускать частицы размером до 15 мм.

У большинства станков вращательного бурения максимальное выходное давление компрессора не превышает 0,35—0,42 МПа. Однако более высокое давление требуется тогда, когда имеют дело с влажной глиной или сильно обводненными породами.

Для адекватного охлаждения трехшарошечного долота требуется, чтобы не менее 20 % потока сжатого воздуха проходило через подшипники долота. Современные долота выпускаются различного размера со сменными воздушными форсунками. Они разделяют воздушный поток на охлаждающий подшипники и очищающий скважину. Форсунки поднимают выходное давление компрессора до 0,7 МПа и более и, в свою очередь, заставляют проходить через подшипники долота большее количество воздуха.

При поступлении в канал долота водовоздушной смеси более плотная вода оттесняется к периферии и направляется через насадки, в то время как практически обезвоженная часть потока воздуха изменяет направление движения и поступает в канал, подводящий воздух к подшипникам. При подаче сжатого воздуха к долоту обратный клапан открывается, пропуская воздух к каналам опор.

Стандартный компрессор при вращательном бурении потребляет 50—75 % установленной мощности бурового станка, при этом, если собственные потери мощности в компрессоре составляют 25 %, то на очистку скважины и охлаждение долота расходуется до 75 % мощности расходуемой компрессором. Порядка 0,21 МПа давления теряется в долоте, не менее 0,1 МПа — в форсунках и 0,07—0,14 МПа в буровом ставе. Давление в ресивере должно быть скорректировано с учетом этих потерь. Производители долот рекомендуют использовать форсунки минимально возможного диаметра, чтобы получить давление в ресивере выше атмосферного минимум на 0,56 МПа. В каталогах фирм приводятся данные средних потерь давлений воздуха при прохождении его через форсунки определенного диаметра.

Благодаря подаче воздуха из ниппеля 3 по воздушному каналу 12 (см. рис. 9.5, б) на подшипники, обеспечивается их охлаждение и предотвращение поступления к ним тонкого абразивного материала, образующегося при бурении на забое скважины. Величина воздушного потока, поступающего на подшипники, регулируется сменными дроссельными насадками, выбор которых производится из расчета подачи на подшипники около 20 % общего расхода воздуха. Остальная часть воздуха подается через периферийные насадки 4 или центральное сопло 13 на забой скважины для его очистки от продуктов разрушения. Сухой воздух — наилучшая рабочая среда, обеспечивающая долговечность подшипников.

Однако в большинстве случаев при бурении взрывных скважин требуется подавление пыли, что осуществляется инжекцией воды вместе с подаваемым воздухом. Для защиты подшипников долота от абразивного шлама, попадающего в них главным образом из продувочных магистралей буровой колонки, куда он самозаливается из скважин при временном прекращении продувки, в ниппель долота устанавливают пластинчатый клапан со встроенным сетчатым воздушным фильтром, водоотделителем и обратным клапаном.

С увеличением коэффициента крепости пород f от 6 до 20 доля расходов на буровой инструмент в стоимости бурения 1 м скважины возрастает от 15 до 75 %. Большинство зубчатых долот впородах с показателем буримости П_б > 8 выходит из строя из-за низкой стойкости вооружения (средняя стойкость долот не превышает 120—170 м).

Штыревые долота при бурении пород с показателем П_б >13÷14 в основном выходят из строя из-за заклинивания подшипников опор. Стойкость опор резко возрастает в результате применения принудительной их смазки в процессе работы.

Смазка опор долота может осуществляться спомощью системы (рис.9.6), обеспечивающей подачу масляно-воздушной смеси в штангу. Воздушный поток, попадая в подшипники долота, обеспечивает непрерывную их смазку.

Маслоотделительные устройства обеспечивают отделение масла и направление его к подшипникам с помощью маслоотражательной втулки, устанавливаемой в ниппельной полости долота и прикрепленной к центральному соплу.

Долота с маслоотражательными втулками применяют при бурении скважин в необводненных породах с f = 6÷12, когда долота выходят из строя вследствие износа элементов опор шарошек.Долота с маслоотражательными втулками обеспечивают увеличение проходки на долото в 1,3—1,6 раза, а механической скорости бурения на 11—20 %. Известны конструкции долот некоторых зарубежных фирм, имеющие маслонаполненные резервуары, устанавливаемые в лапах долота и подающие масло под давлением воздуха продувки долота непосредственно в его подшипники.

Рассеивающие винты предназначены для закручивания воздушного потока с целью увеличения площади поперечного сечения струи, выходящей из центрального продувочного сопла долота, иснижения эрозионного износа вершин шарошек. Наиболее эффективны рассеивающие винты в условиях бурения крепких и очень крепких пород, где долота выходят из строя, главным образом, из- за износа вершин.

Шламозащитные клапаны шарошечных долот. При бурении обводненных скважин применяют обратные клапаны, предохраняющие долото и полости бурильных штанг от шлама.

Обратные клапаны служат для предотвращения попадания воды и грязевой смеси из обводненной скважины через долото в буровой став при прекращении продувки става. В случае прекращения подачи продувочного агента тарелка клапана пружиной прижимается к крышке, а во внутренних полостях центрального сопла и ниппеля долота образуется воздушная подушка. Проходка на долото с применением комбинированных клапанов более чем в 1,5 раза превышает средние показатели по бурению в обводненных породах. Центральные обратные клапаны различаются величиной перепада давления в зависимости от типа запорного устройства, из которых наиболее распространенными являются тарельчатый, шаровой, золотниковый и лепестковый. Обратные клапаны золотникового и тарельчатого типов увеличивают проходку на долото в обводненных породах на 20—30 %.