Исследование буровых долот с дисковыми и зубчато-дисковыми шарошками, страница 4

          Показательна статья английских исследователей Джеймса Е. Фрейнта, Брейна Айсбери и Эрики Ронквист (ассоциация «Эскевейшен Энджиниерич» и «Горная школа Колорадо») «Буровое долото с мини-диском – расставание с традицией», опубликованная в 1997 году. Отмечается, что буровые долота с конусными шарошками устарели,  и началось развитие новой технологии – бурение долотами с дисковыми шарошками. Промышленные испытания дисковых долот  при бурении стволов и скважин привели к выводу: они бурят быстрее и дешевле. Углубление за один оборот и в единицу времени дискового долота выше в 2 раза, возрастает крупность продуктов разрушения. Но диски и опоры должны быть прочными. Испытаны минидисковые шарошки диаметром 12,5 см., а также буровые долота диаметром 200 мм с пятью дисками диаметром 8,25 см, показавшие скорость бурения 37,8 м/ч при осевой нагрузке 145 кН. Преимущество над конусными шарошками оказывается выше, по крайней мере,  на 20 %. Главным направлением будущих исследований авторы считают создание конструкций дисковых долот, воспринимающих более высокие нагрузки.

2.3.  Предпосылки и научно-технические основы создания буровых

долот с зубчато-дисковыми шарошками

         В начале разработки буровые долота с дисковыми и зубчато-дисковыми шарошками  по аналогии с подобным вооружением проходческих комбайнов были названы долотами с вращающимися резцами (ДРВ). Их создание вызвано стремлением расширить область применения  бурения резанием в сторону крепких пород.

          Применяемые в настоящее время  на карьерах режущие долота  имеют постоянный контакт  резцов с забоем скважины. Они по сравнению с  шарошечными долотами проще по конструкции, дешевле и обеспечивают скоростные преимущества в условиях бурения скважин в слабых породах, но показали недостаточную стойкость  резцов, особенно периферийных, при бурении по крепким и абразивным песчаникам.

           Как было установлено  исследованиями, износ резцов режущего инструмента пропорционален пути трения резцов в контакте с породой, ее крепости и абразивности. Путь трения, который проходят резцы,  зависит от радиуса их расположения на корпусе долота. Это обусловливает неравномерный  износ резцов, увеличивающийся от центра долота к периферии. Следовательно, при прочих  равных условиях износ резцов тем больше, а их стойкость тем меньше, чем больше диаметр долота. Включения крепких  и абразивных пород (песчаников) даже небольшой мощности вызывают интенсивный износ и выход из строя резцов долот большого диаметра, которые находят все большее применение. Стойкость резцов, работающих в крайних линиях резания (наибольший диаметр долота 216 - 270 мм), недостаточна. Применение таких долот, как показала практика, рационально в горных породах с коэффициентом крепости f до 7 и f = 5 - 6 (разница  в крепости объясняется различной абразивностью пород).

          Анализ результатов испытаний режущих долот  диаметром 190 - 216 мм и более, выполненных по лопастной схеме и со стержневыми резцами, показал, что в слабых породах  такие долота показывают в 1,5 – 2 раза большую скорость бурения, чем шарошечные; причем эффективность   использования их увеличивается с уменьшением крепости пород. Вследствие этого на уступах, сложенных в основном (на 60 – 90 %)  слабыми породами (что  характерно для многих угольных разрезов), шарошечные долота, уступая по скорости бурения режущим, не позволяют использовать эффект высокой буримости пород и, следовательно, повысить производительность  бурения. Наличие в толще слабых пород пласта крепкого песчаника (медного колчедана и других пород) в зависимости от его мощности, крепости и абразивности  резко снижает технико-экономические показатели  работы станков с режущими долотами или полностью исключает возможность использования режущих  инструментов существующей конструкции.

Одним из путей повышения стойкости режущих долот является «насыщение» периферийной части долота  резцами, т.е. увеличение количества резцов. Анализ показал, что  этот путь не является рациональным, так как с увеличением количества периферийных резцов уменьшается удельная нагрузка  по резцам и толщине снимаемой им стружки. Однако, каждый из резцов по-прежнему проходит в контакте с породой тот же путь трения и поэтому изнашивается почти также, как и при меньшем количестве резцов. Увеличение же суммарной площади затупления резцов  приводит   к увеличению сил трения и мощности  их преодоления, т.е. долото такой конструкции  будет требовать большей нагрузки, большего крутящего момента и большего расхода твердого сплава.

          Для бурения скважин на уступах сложного строения, характеризующихся преобладанием слабых пород и пород средней крепости (f = 2 - 5), содержащих включения крепких и абразивных пород (с f = 6 - 8), необходимы режущие долота с резцами повышенной  стойкости. Они должны обеспечивать высокую стойкость бурения основного объема слабых пород и сохранять свою работоспособность при встрече с включениями крепких пород. Появление  новых твердых сплавов, твердосплавных штырей новых форм и способов их надежного закрепления в элементах буровых инструментов позволяют ставить задачу  создания режущих долот для проходки скважин  в более широком диапазоне изменения крепости пород (до f = 10 - 12) . Теоретически это обосновано [25].

          В связи с этим в НИИОГРе, а затем и в ГУЦМиЗ были проведены работы по обеспечению равномерной и, следовательно, повышенной стойкости резцов буровых долот. Результаты исследований показали перспективность применения для этой цели принципа вращения резца.

          Исследованиями профессора Протодьяконова М.М. (младшего) было показано, что процесс разрушения горных пород резанием по его основным показателям - износостойкости  и энергоемкости – будет тем эффективнее, чем больше площадь поперечного  сечения резца и чем  меньше периметр режущей кромки инструмента, контактирующий с породой. Физическая сущность этого явления заключается в том, что  с увеличением площади сечения  реза увеличивается крупность отделяемых элементов породы и уменьшается площадь вновь образованных поверхностей  продуктов разрушения, а, следовательно, и энергоемкость резания. К тому же уменьшается длина  пути резания, отнесенная к единице объема разрушенной породы. Этому условию в наибольшей степени отвечают вращающиеся резцы, позволяющие осуществлять разрушение горных пород резами большего сечения.