Особливості конструкції
Конструкція долота визначається властивостями породи та діаметром свердловини. Лапи та цапфи ідентичні, але форма та розподіл різців на шарошках різні [2]. Конструкція долота забезпечує рівномірну навантаженість трьох лап.
Для м'яких і твердих порід зазвичай враховують такі фактори: кут нахилу цапфи; величину усунення, форму зубців; тип підшипників та взаємозв'язок між зубцями та підшипниками.
Кут нахилу цапфи.Цапфа долота є опорною поверхнею, що несе навантаження, і складається з підшипників (див. рис. 4.4). Кут нахилу цапфи визначається як кут, утворений лінією, перпендикулярною до осі цапфи, і віссю долота. На рис. 4.5 показаний розріз лапи трехшарошечного долота. Кут 6 визначає кут нахилу цапфи.
Кут нахилу цапфи безпосередньо впливає розміри шарошки. Збільшення кута нахилу цапфи веде до зменшення кута основного конуса шарошки, що, своєю чергою, відбивається на розмірах долота. На рис. 4.6 показано як зменшуються розміри шарошки, якщо кут нахилу цапфи збільшується від 0 до 45°. Чим менший кут нахилу цапфи, тим більша калібруюча-фрезеруюча дія трьох конічних шарошок [1]. У міру зростання кута цапфи (починаючи з нуля) форма шарошок має бути такою (див. рис. 4.6), щоб унеможливити їх зчеплення один з одним. Отже, кут нахилу цапфи впливає розміри і форму шарошки.
Оптимальні кути нахилу цапфи шарошечних доліт для м'яких і твердих порід становлять 33 і 36° відповідно.
Мал. 4.5. Схема визначення кута нахилу цапфи:
/ - Вісь долота; 2 - вісь цапфи; 3 - цапфа
Мал. 4.6. Вплив кута нахилу цапфи на розміри шарошки:
а б, в, г, д- Кутнахилу цапфи 0, 15, 30, 36 і 45° відповідно Темним показані частини, що видаляються
Мал. 4.7. Конструкції шарошок:а— шарошки, що перекочується;6- для чагмей породи;в- зі зміщенням осей шарошки щодо осі долота,I- вісь шарошки та опори підшипників;2- вісь долота *3- вершина;4- Кут конуса шарошки; 5-т вершина внутрішнього кута;6- вершина кута периферійного конуса шарошки;7,8- кут відповідно периферійного та внутрішнього конусів шарошки;9- Зміщення;10- вісь цапфи; //-Вершина кута зміщення;12- Кут зміщення.
Мал. 4.8. Схема розташування зубців сусідніх шарошок.
Зміщення осі шарошки.Зміщення осей шарошок визначається як горизонтальна відстань між віссю долота і вертикальною площиною, що проходить через цапфу [3]. Вплив зміщення осі та конструкції шарошки на руйнування породи показано на рис. 4.7. Шарошка наведена на рис. 4.7,а,має вершину в центрі обертання долота і рухається по колу з центром у вершини. Така схема визначає чисте кочення. Шарошка з двома основними кутами, жоден з яких не має вершини у центрі обертання долота, представлена на рис. 4.7,б.У цьому випадку конічна поверхня периферійного ряду обертається навколо своєї теоретичної вершини, а внутрішня конічна поверхня шарошки навколо своєї вершини. Так як шарошка обертається навколо центральної осі долота, вона прослизає при обертанні, зрізаючи породу.
Практикою встановлено, що м'які породи ефективно руйнуються за рахунок скелящої дії, що дробить. Цей ефект посилюється внаслідок усунення осьових ліній шарошок від центру обертання долота (рис. 4.7, в). Величинаусунення осей залежить від міцності породи. Для м'яких порід тришарошево долото виготовляють з великим зміщенням, щоб шарошки прослизали під час кочення по вибою свердловини. Тверді породи характеризуються крихкістю, високою міцністю і ефективно руйнуються за рахунок скелі, що дробить, дії. Долото зазнає значного осьового навантаження, щоб подолати міцність породи на стиск безпосередньо під зубцем і зруйнувати її. Для твердої породи зрізувальні зусилля не потрібні і, отже, зміщення осей відсутнє.
Для порід середньої твердості кут зміщення осей може становити 2°.
Зубці.Довжина і геометрія зубців безпосередньо пов'язана з міцністю гірської породи, що руйнується, висота обмежується розміром шарошки і конструкцією підшипників.
При конструюванні враховують такі чинники.
1. Розташування зубців на шарошці та їхнє взаємне розташування на сусідніх шарошках, які визначаються міцністю зубця, його висотою та значенням кута при вершині [3]. Взаємне розташування зубця сусідніх шарошок (рис. 4.8) забезпечує їхнє зачеплення для очищення та, у свою чергу, ефективне буріння.
2. Форму і довжину зубців, які визначаються характеристиками гірської породи, що розбурюється. Довгі, гострі та розташовані з великим кроком зубці використовують для буріння м'яких пластичних порід. У м'яких породах застосовують довші зубці, що дозволяє отримати значний обсяг породи. Велика відстань між зубцями сприяє легкому видаленню уламків породи та самоочищенню долота. Кут при вершині зубця долота для м'яких порід змінюється від 39 до 42 °.
Для твердих порід зубці виготовляють коротше, вони мають менший кут загострення і більш часто розташовані, щоб витримувати високі стискаючінавантаження, необхідних руйнування. У цьому випадку зубці не проникають у породу, а здійснюють її розрив за рахунок застосування високих стискаючих навантажень.
Долото для порід середньої твердості має невелику кількість зубців і середні кути при вершині 43-45 ° [2]. Кут при вершині зубців долота для твердих порід становить 45-50 °.
3. Типи зубців. Зубці тришарошкового долота можуть бути фрезерованого або вставного типу. Фрезеровані зубці вирізаються з корпусу шарошки (див. рис. 4.2), одна сторона зубця має тверду поверхню, покриту твердосплавним матеріалом типу карбіду вольфраму, щоб забезпечити самозаточуючу дію. Оскільки неармована сторона зношується, вона має гостру кромку. Значна довговічність зубця досягається шляхом покриття карбідом вольфраму однієї сторони повністю, а протилежної – частково [2]. Така конструкція зменшує зношування зубця.
Мал. 4 9. Види вставок для різних порід:
а -для м'яких, б - для м'яких і середньої твердості, в -для середніх і твердих;г -для твердих
Мал. 4 10 Схема підшипника типу ролик - кулька - ролик:
1- зовнішній роликовий підшипник,2,3 -кульковий та роликовий підшипники.
Долота з фрезерованими зубцями найбільше широко використовують при бурінні дуже м'яких порід, в яких потрібні невеликі навантаження.
Для твердих порід застосовують шарошки із вставками штирьового типу. Вставки виготовлені з карбіду вольфраму та запресовані в отвори, попередньо просвердлені у корпусі шарошки.
Існують кілька форм вставних зубців, кожна з яких призначена для відповідної твердості гірської породи, що розбурюється (рис. 4.9). Гострокінцеві вставні
зубці використовують для буріння м'якихпорід, а круглі та напівсферичні вставки застосовують для буріння середніх та твердих порід. На рис. 4.1 показано долото штирьового типу з гострими вставними зубцями.
Підшипники опор долот.Ці елементи долота виконують такі функції: 1) сприймають радіальне навантаження; 2) сприймають осьові навантаження; 3) утримують шарошки на лапах.
Перша функція здійснюється крайнім та ближнім до вершини цапфи підшипниками, друга та третя функції – кульковими підшипниками та фрикційними завзятими поверхнями.
Застосовують два різні типи підшипників: кочення (антифрикційні) та ковзання (фрикційні).
Підшипники кочення застосовують у вигляді двох схем: ролик - кулька-ролик (РШР) і ролик-кулька-підшипник ковзання (РШС).
Підшипник опори типу ролик - кулька - ролик (рис. 4.10) включає роликовий підшипник (ближній до вершини цапфи), що містить ролики (невеликі суцільні циліндри), проміжний кульковий та зовнішній роликовий підшипники. Кульковий замковий підшипник служить для закріплення шарошки на цапфі Діаметр підшипника визначається кутом нахилу цапфи та типорозміром шарошки. Раціональне співвідношення між діаметрами підшипників, роликів та кульок, товщиною корпусу шарошки визначається міцністю кожної складової частини. Недолік опори долота зі схемою РШР — фарбування бігових доріжок за більшого навантаження під впливом високих напруг. Довговічність долота зі схемою РШР менша порівняно зі схемою, в якій застосовують підшипники фрикційного типу (ковзання).
Схема ролик - кулька - ролик зазвичай використовується в долотах діаметром більше 311 мм в умовах, в яких потрібні високі швидкості обертання.
Опора зі схемою РШС (див. рис. 4.4) включає підшипник ковзання, встановлений ближче до вершиницапфи. Внутрішній кульковий та зовнішній роликовий підшипники такого ж типу, що й у схемі РШР. Підшипник ковзання складається зі спеціальної втулки, що цементується, запресованої в гніздо передньої частини цапфи Поверхня цапфи покрита спеціальним твердим сплавом (стелітом) так, що при обертанні втулки на цапфі коефіцієнт тертя незначний, в результаті чого зменшується знос.
Підшипники ковзання стали застосовувати в бурінні, щоб унеможливити недоліки опор зі схемою РШР — фарбування бігових доріжок. Крім того, заміна роликів підшипниками ковзання дозволяє збільшити міцність шарошки внаслідок більшої товщини корпусу та цапфи за рахунок її більшого діаметру.
Опори за схемою ролик-кулька-підшипник ковзання використовують у долотах діаметром до 311 мм.
Мал. 4.11. Цапфа підшипника ковзання типу СШС [1]:
1- зрівняльні отвори;2- резервуар з мастилом,3- отвір для заповнення мастилом,4 -канал для змащення, 5 - замковий палець,6 -кільцевий шар мастила, 7 - сальникове ущільнення,8- шар твердого сплаву на цапфі,9- лапа,10- мембрана для зрівнювання тиску;11- шар спеціального покриття для швидкого відведення тепла на внутрішній поверхні шарошки,12- шарошка,IS- кульковий підшипник, /4 - п'ята,15 -стій твердого сплаву на навантаженій поверхні цапфи.
Фрикційні підшипники (ковзання). Основна їх відмінність у тому, що ролики підшипника, встановленого ближче до вершини цапфи, і зовнішнього замінені підшипниками ковзання. Це дає можливість збільшити діаметр опори, в результаті чого одержують міцнішу опору. Опора за схемою підшипник ковзання - кулька-підшипник ковзання (СШС) наведено на рис. 4.11.Існує інший варіант "Хьюз", в якому кульковий підшипник замінений сталевим кільцем.
Змащення опор долот.Опори шарошечних доліт бувають не-герметизовані та герметизовані. Негерметизовані опори змащуються за допомогою циркулюючого в свердловині бурового розчину, що надходить через зазори між шарошкою і цапфою. Для змащення доліт з герметизованою опорою застосовують спеціальну систему, розміщену всередині корпусу лапи. В останньому випадку змащення буровим розчином не рекомендується, оскільки буровий розчин містить абразивні тверді речовини (пісок, барит тощо), які скорочують термін експлуатації долота.
Негерметизовані опори змащуються буровим розчином. Герметизована опора складається з підшипників, ущільнення, резервуара зі змащенням та компенсатора тиску (див. рис. 411). Ущільнення є О-подібне кільце, поміщене між шарошкою і нижньою точкою підшипника. Кільце ущільнювача створює герметизацію, що попереджає попадання бурового розчину на опору або вихід мастила. Резервуар забезпечує подачу консистентної
мастила в опору через канал. Рух консистентного мастила регулюється системою компенсування тиску.
Компенсатор тиску включає гнучку мембрану, яка діє в межах металевого протектора та утримується сталевою кришкою з отворами. Компенсатор підтримує однаковий тиск усередині та зовні опори. Механізм компенсування тиску має запобіжний клапан. Останній захищає ущільнення опори та компенсатор від пошкодження, коли висока температура сприяє розкладанню мастила на газоподібні компоненти, внаслідок чого збільшується внутрішній тиск.