Режущие буровые долота

Режущие долота предназначены для бурения мягких пород. Хотя абсолютные значения осевых усилий подачи, необходимых для внедрения режущего долота в породу при одинаковых диаметрах долота, меньше, чем у шарошечных, потребный вращательный момент на режущем долоте, приходящийся на единицу осевого усилия подачи, должен быть больше, чем у шарошечного инструмента. Это объясняется спецификой процесса взаимодействия инструмента с породой.

Комплект бурового инструмента в этом случае состоит из режущих долот и шнековых штанг.

Шнековый способ очистки скважин от буровой мелочи является пассивным, поскольку не обеспечивает принудительного удаления продуктов разрушения из призабойной зоны. Поступление буровой мелочи на первый виток шнека, который отстоит от забоя на высоту долота, происходит за счет вытеснения ее буровым инструментом. Шнековый способ очистки скважины применяется только в сочетании с режущим буровым инструментом. Шнековый способ очистки скважины допускает наличие в буровой мелочи фракций, достигающих в поперечнике 35 мм. Долото должно иметь минимальное количество резцов, обеспечивающих максимальный эффект отделения от массива неразрушенных твердых включений.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что буровая мелочь в призабойной зоне создает значительные сопротивления движению инструмента и ограничивает возможную скорость бурения. При бурении в породах крепостью f =3…4 увеличение высоты корпуса долота с 200 до 280 мм приводит к снижению скорости бурения на 15%. При увеличении коэффициента перекрытия скважины с 0,3 до 0,61 скорость бурения снижается в 2,1 раза.

Режущий инструмент классифицируется:

– по форме режущей кромки и расположению резцов по высоте; со сплошной режущей кромкой (бесступенчатая форма забоя); с прерывистой режущей кромкой (ступенчатая форма забоя); с превышением резцов в каждой последующей линии над предыдущими (ступенчатая форма забоя);

–по числу режущих лучей (перьев): двухлучевые (двухперые); трехлучевые, четырехлучевые; с круговым расположением резцов. Двухлучевые долота чаще имеют сплошное армирование режущей кромки и при шнековой очистке обеспечивают наименьший коэффициент перекрытия скважины. В трещиноватых породах целесообразно применение трехлучевых долот. Четырехлучевые долота и долота с круговым расположением резцов имеют большой коэффициент перекрытия скважины и рекомендуются для бурения с продувкой;

– по способу армирования твердым ставом: вставками по торцу или по передней грани; с несъемными резцами; со сменными резцами. Армирование производится пластинами твердого сплава типа ВК или трубчато-зернообразным твердым сплавом типа ТЗ. Перспективным на породах повышенной крепости является инструмент со сменными резцами.

Долота для бурения в мягких породах. Специфика бурения в мягких породах (f < 4) обусловлена большими скоростями подачи инструмента на забой. При этом резцы снимают крупную стружку, достигающую по глубине 10 мм и более. Поэтому возникает необходимость защиты корпуса от износа на значительной высоте и по всей длине режущей кромки.

Специфика бурения мягких пород обусловлена большими скоростями подачи инструмента на забой. В этом случае скорость бурения ограничивается не возможностями разрушения породы на забое скважины, а интенсивностью очистки. Поэтому при бурении мягких пород режим удаления буровой мелочи из забоя и достижения минимальных значений высоты и коэффициента перекрытия приобретает первостепенное значение. При бурении по мягким породам резцы снимают крупную стружку, составляющую по глубине 10 мм и более. В связи с этим возникает необходимость защиты корпуса от износа на значительной высоте и по всей длине режущей кромки.

Карпинским машиностроительным заводом для бурения мягких пород изготовляется режущее долото (рис. 9.7, а) НПИ-2, разработанное Новочеркасским политехническим институтом. Долото имеет небольшую высоту, центральную рассечку размером 13 мм и смещение передних режущих граней обоих перьев долота практически в одну плоскость, проходящую через ось скважины. Режущая кромка долота армирована пластинами твердого сплава на всю высоту корпуса. По своим параметрам долото удовлетворяет условиям бурения мягких пород.

Этим условиям отвечают режущие долота типа РК. Долото РК-4м (рис. 9.7, д) имеет съемный корпус. Один хвостовик используется на нескольких съемных корпусах. Ступенчатая форма режущей кромки долота увеличивает его устойчивость и создает разрыв сплошности забоя.

Долото РК-4м (режущая коронка, 4 модель, модернизированная) состоит из; хвостовика, съемного корпуса и соединительного пальца. Применение съемного корпуса упрощает конструкцию и технологию изготовления, обеспечивает увеличение срока службы долота, поскольку один хвостовик используется на
нескольких съемных корпусах.

Ступенчатая форма режущей кромки долота повышает его устойчивость и создает разрыв сплошности забоя. Центральный паз долота составляет 30 мм, коэффициент перекрытия скважины инструментом снижен до 0,26.

Конструкция долота типа РК совершенствовалась по пути уменьшения высоты, увеличения ширины центрального паза, изменения формы хвостовика и уменьшения расхода твердого сплава. Уменьшение высоты долота осуществлялось как поиск рациональной формы съемного корпуса и его связи с хвостовиком.

Ежегодно долотами типа РК пробуривается более 200 тыс. м скважин. По сравнению с долотами НПИ-2 они допускают механическую скорость бурения в 1,2 раза больше.

Режущее долото 1РДМ-160ш (рис. 9.7,е; 1 - номер модели, Р - режущее, Д - долото, М - монгольский вариант, 160 - диаметр скважины, ш - со шнековой очисткой) имеет литую конструкцию с оригинальным обтекаемым переходом от корпуса к хвостовику. Вогнутая форма перехода позволяет снизить сопротивления движению буровой мелочи и уменьшить коэффициент перекрытия скважины до 0,24. Долота 1РДМ-160ш близки по параметрам к долотам типа РК и должны заменить серийные долота НПИ-2 при бурении скважин по мягким породам.

Долота для бурения в породах повышенной крепости. Специфика эксплуатации таких долот требует создания высокого удельного давления на забой за счет максимального сокращения линии контакта с забоем и сохранения его ступенчатости, наиболее просто достигаемым применением сменных резцов.

Специфика режущего инструмента для бурения пород повышенной крепости определяется необходимостью создания высокого удельного давления на забой. Поэтому геометрия инструмента в данном случае имеет первостепенное значение. С учетом ограниченности осевого усилия подачи требуется максимальное сокращение линии контакта с забоем при сохранении его ступенчатости. Сокращение линии контакта инструмента с забоем наиболее просто достигается применением сменных резцов, что и является одним из основных направлений расширения области эффективного использования станков режуще-вращательного бурения. Интенсивность и неравномерность износа по длине режущей кромки зависит от радиуса вращения. Съем резцов позволяет их выборочную замену по мере износа и благодаря этому увеличение срока службы долота.

Новочеркасским политехническим институтом разработаны режущие долота со сменными резцами НПИ-6/160 (см. рис. 9.7, б) со шнековой очисткой и НПИ-6В/160 со шнеко-пневматической очисткой .скважин, которые выпускаются Карпинским машиностроительным заводом. Долота предназначены для бурения скважин диаметром 160 мм в породах крепостью до 8. Конусный трехлучевой корпус долота армирован унифицированными сменными резцами. Комплект из 60 опережающих, 45 боковых и 90 калибрующих сменных резцов рассчитан на пробуривание 5000 м скважин. Трехлучевым расположением резцов предусматривается предотвращение осложнений в трещиноватых породах. К недостаткам долот следует отнести их высокую стоимость, значительную линию контакта с забоем, что снижает эффективность разрушения породы, а также большой коэффициент перекрытия скважины, обусловливающий повышенные сопротивления со стороны буровой мелочи. Параметры долота НПИ-6 не соответствуют условиям бурения на карьерах Сибири и Севера.

Большое количество вариаций режущего бурового инструмента сосменными резцами предложено Кузбасским политехническим институтом. Для них характерно симметричное дублированное расположение резцов с оставлением при бурении концентрических целичков породы. Такое расположение резцов обеспечивает симметричность корпуса, однако не может считаться рациональным по условиям вписываемости, износа и загрузки резцов в линиях резания. Коронка КБС-160У (см. рис. 9.7, в) оснащена резцами РК-8Б с укороченными иобточенными державками. Резцы фиксируются в корпусе специальными валиками и удерживаются от разворота выступами на торце корпуса. Коронка КБЛ-160Е (см. рис. 9.7, г) имеет литой корпус и оснащена шестью резцами ШБМ-1-103А с укороченными до 40 мм и проточенными до 22 мм державками. Резцы фиксируются в корпусе сквозными шплинтами. Анализируя конструкции предложенных коронок, нельзя признать удачными способы фиксации резцов, а необходимость их механической обработки связана с дополнительными трудозатратами.

На ряде угольных и особенно россыпных месторождений станки режущего типа используются для бурения скважин по гравийно-галечным отложениям. Применяемые на станках серийные режущие долота НПИ-2 не отвечают условиям бурения и специфическим особенностям строения и свойствам таких пород, а потому станки имеют низкие технико-экономические показатели работы. Наибольшие затруднения возникают при бурении по сцементированным галечникам средней (25-50 мм) и крупной (50-100 мм) галькой. Бурение в таких условиях осложняется, с одной стороны, высокими значениями крепости и абразивности гравийно-галечных пород и, с другой, - неоднородностью материала. Основной фактор снижения эффективности бурения неоднородность пород, вызывающая повышенную динамичность работы режущего бурового инструмента. Вибрация бурового става приводит к сколу твердосплавной армировки долота, а даже при незначительном сколе твердого сплава срок службы инструмента уменьшается в несколько раз по сравнению со сроком службы при обычном истирании.

В большинстве случаев скол происходит в первую очередь по периферии режущей кромки долота. Таким образом, причиной первоначального износа долота является скол твердого сплава, а окончательного - абразивное истирание.

Достижение удовлетворительной эффективности бурения в гравийно-галечных породах возможно только при использовании соответствующих режущих долот со сменными резцами, что позволяет поддерживать долото в работоспособном состоянии благодаря замене изношенных резцов и варьированию расположения резцов в линиях резания. Шнековый способ очистки скважины допускает наличие в буровой мелочи весьма крупных фракций (размер в поперечнике до 35 мм), поэтому в конструкции долота для бурения гравийно-галечных пород должна учитываться неоднородность материала с возможностью разрушенияего не по гравию и гальке, а по цементирующим связям, имеющим наименьшую прочность. С этой целью долото снабжают минимальным количеством резцов, но обеспечивающих максимальный эффект отделения от массива неразрушенных твердых включений. Сокращение количества резцов способствует также увеличению удельного давления на забой. Для облегчения поступления крупных фракций буровой мелочи на шнек долоту следует придавать обтекаемую форму и максимально уменьшать его высоту и коэффициент перекрытия сечения скважины.

Применительно к условиям бурения гравийно-галечных пород разработаны долота РД-160Ш.

Долото 7РД-160ш (рис. 9.8, а; 7 - седьмая модель, Р - режущее, Д - долото, 160 - диаметр скважины, ш - со шнековой очисткой) предназначено для бурения конгломератных залежей, представленных сцементированными галечниками, многолетнемерзлыми гравийно-галечными отложениями. Долото состоит из хвостовика, съемного корпуса, соединительного пальца и резцов типа РК-8Б. Для увеличения удельных нагрузок на забой и достижения эффекта объемного разрушения количество резцов в долоте сокращено до четырех. Резцы РК-8Б имеют большую длину державки, что обеспечивает снижение разрывающих усилий на корпусе. В целях увеличения прочности корпуса на разрыв гнезда под резцы смещены относительно плоскости симметрии так, чтобы задняя стенка гнезда была толще, чем передняя. Прочность хвостовика усиливается тем, что крутящий момент корпусу передается не только щечками хвостовика, но и специальным его выступом, входящим в соответствующий паз съемного корпуса. Для повышения износостойкости корпуса долото армируется пластинами твердогосплава типа ВК.

Конструкция долота 7РД-160ш обеспечивает сплошную схему обработки забоя при несимметричном недублированном расположении и последовательном превышении одного над другим резцов. Резцы расположены так, что достигается равенство моментов на правом и левом перьях долота и, следовательно, устойчивость долота при работе. При сокращении числа резцов и линий резания учитывалась неоднородность материала и вероятность разрушения его не по гравию и гальке, а по цементирующим связям, обладающим наименьшей, прочностью.

Долото 8РД-160ш (см. рис. 9.8, б) предназначено для бурения слабо сцементированных галечников и гравийно-галечных отложений.

Может применяться для бурения однородных абразивных и хрупких пород, например, песчаников. От долота 7РД-160ш оно отличается укороченными резцами РК-8Б, благодаря чему высота меньше на 42 мм и значительно лучше режим очистки призабойной зоны от буровой мелочи. Долото 8РД160Ш (рис. 9.8, б) предназначено для бурения в слабо сцементированных галечниках и гравийно-галечных отложениях, может применяться также для бурения в однородных абразивных и хрупких породах, например, песчаниках. В долоте принята сплошная схема обработки забоя при несимметричном недублированном расположении резцов и последовательном превышении их друг над другом. Резцы образуют равенство моментов на правом и левом перьях долота, что способствует устойчивости долота при работе.

Шнековый буровой став (рис. 9.9) служит для передачи крутящего момента долоту, а также очистки скважины. Он составляется из секций, каждая из которых состоит из трубы 1 диаметром d с приваренной к ней спиралью 2 с шагом S из полосовой стали и хвостовиков 3 и 4. Секции (не имеющие продувки) между собой соединяются с помощью валиков, продеваемых сквозь отверстия хвостовиков. Аналогичным образом верхний шнек става соединяется с переходником шпинделя, а к нижней штанге присоединяется долото. Штанги для шнекопневматической очистки (см. рис. 9.9, д, е) имеют сквозное внутреннее отверстие, резьбовое соединение и различную форму спирали. Для станков шнекового бурения в основном применяют три типа штанг диаметром по спирали от 107 до 155 мм, длиной от 1800 до 8190 мм и массой от 20 до 270 кг. В зависимости от абразивности и крепости породы долговечность штанги до разрушения составляет 3—4 тыс м. Наружный диаметр шнека D для уменьшения трения о стенки скважины должен быть на 10 % меньше диаметра долота.

У штанг с продувкой сжатый воздух подается не только к забою скважины, но и через радиальное отверстие в трубе штанги к межвитковому пространству шнека, что позволяет смещать буровую мелочь к периферии скважины — к зоне более интенсивного движения воздушного потока.

Возможность сочетания работы режущего инструмента с очисткой скважин воздухом обоснована теоретически и подтверждена практически многолетним опытом применения режущих долот с продувкой, изготавливаемых небольшими партиями в местных условиях.

Сравнительные экспериментальные исследования работы режущих и шарошечных долот в производственных условиях свидетельствуют о том, что при бурении по песчаникам крепостью менее f 7 по М. М. Протодьяконову переход на режущие долота дает увеличение скорости бурения не менее чем в 1,5 раза и снижение энергоемкости процесса в 2-2,5 раза. При этом выход крупных фракций буровой мелочи (+3 мм) увеличивается в 1,9 раза.

Режущие долота для бурения скважин с продувкой воздухом появились в результате исследований, направленных на повышение эффективности применения станков шарошечного бурения.

Прошли

Применяют режущие долота Иркутского политехнического института типа РД. Созданы конструкции режущих долот для всего диапазона диаметров буримых на карьерах взрывных скважин. Долота разрабатывались с учетом опыта эксплуатации режущих долот со шнековой очисткой.

Долото 3РД-215,9 (рис.9.10, а) предназначено для бурения пород повышенной влажности в сочетании со шнеко-пневматической очисткой скважин. Может быть использовано также для бурения с продувкой скважин воздухом. Долото разработано по заданию СКБ ИГД им. А. А. Скочинского для станка комбинированного бурения СБШК-200. В конструкции долота учтены и требования шнековой очистки скважин - минимальная возможная высота корпуса и минимальный коэффициент перекрытия скважины. Для уменьшения высоты литой корпус долота изготовлен заодно с ниппелем. Корпус имеет обтекаемую форму и обеспечивает максимально возможные по условиям прочности долота продувочные окна призабой части. Подвод воздуха к забою осуществляется по двум каналам с выходом струи между лучами корпуса. Каналы расположены с наклоном к оси скважины в целях предохранения их от забивания. Конструкцией долота предусмотрена сплошная схема обработки забоя с дублированием резцов во внутренней и внешней линиях резания (рис. 9.10, б). Дублирование внутренних резцов применено для повышения надежности центрирования бурового става, который при верхнем расположении вращателя станка обладает недостаточной жесткостью. Режущие долота ЗРД-215,9 показали хорошие результаты при испытаниях станка комбинированного бурения СБШК-200.