Исследование буровых долот с дисковыми и зубчато-дисковыми шарошками

2. ИССЛЕДОВАНИЕ  БУРОВЫХ ДОЛОТ С ДИСКОВЫМИ

И ЗУБЧАТО-ДИСКОВЫМИ ШАРОШКАМИ

          Воздействие на породу породоразрушающих элементов бурового инструмента носит комбинированный характер в связи с рядом его особенностей конструктивных устройств и технологических процессов бурения скважин.

          К особенностям  конструктивных устройств бурового инструмента можно отнести, кроме прочих, вид установки породоразрушающих элементов в корпусе: стационарный (породоразрушающие элементы не имеют возможности обособленного перемещения относительно корпуса) и подвижный (породоразрушающие элементы имеют возможность обособленного перемещения относительно корпуса). Со стационарным видом установки породоразрушающих элементов в корпусе можно считать режущий буровой инструмент (режущие долота, коронки, электрические сверла и др.).

          Буровой инструмент с подвижным видом установки породоразрушающих элементов в корпусе по способу движения можно разделить на следующие группы: с возвратно-поступательным, поступательно-вращательным и вращательным перемещением породоразрушающих элементов в корпусе. К буровому инструменту с поступательно-вращательным перемещением породоразрушающих элементов в корпусе можно отнести перфораторы, пневмоударники, а также комбинированный буровой инструмент. С вращательным перемещением породоразрушающих элементов в корпусе следует считать шарошечные долота, дисковые долота фрезерного типа, а также рассматриваемый в данной монографии буровой инструмент с зубчато-дисковыми шарошками.

        Технологический процесс бурения скважин основан на поступательном и вращательном перемещениях бурового инструмента относительно вертикальной оси скважины. Эти перемещения вместе с конструктивными особенностями бурового инструмента создают сложный характер взаимодействия породоразрушающих элементов с породой. Они обусловлены кинематикой долота, исследования которой является важной задачей в определении рациональных режимных параметров буровых работ.       

2.1.  Основные понятия и определения

Дисковые долота обычно относят к инструментам шарошечного типа. Терминология в этой области рассмотрена Л.Н. Бароном, Л.Б. Глатманом и С.Л. Загорским применительно к проходческим комбайнам [22].

Шарошкой называют вращающийся вокруг своей оси инструмент, разрушающий горную породу при перекатывании по забою под значительным напорным усилием. Различают следующие конструктивные элементы шарошки: а) опорная часть, обычно именуемая опорой; б) корпус, т. е.  тело шарошки; в) вооружение – наружная, рабочая часть шарошки, контактирующая с забоем.

          Опора является важнейшим конструктивным элементом, так как от степени её стойкости, в первую очередь, зависит технический ресурс шарошки. Опоры должны выдерживать очень большие нагрузки, поэтому обеспечение их высокой стойкости представляет довольно  сложную задачу.

          Форма корпуса шарошек бывает: а) цилиндрической; б) конусной; в) дисковой; г) фигурной (например,  бочкообразной, шаровой, полусферической и др.).

          Исполнительные  органы проходческих комбайнов обычно оснащают шарошками с цилиндрическим и дисковым корпусом, а буровые шарошки, как правило, имеют форму конуса (совершенного, несовершенного, усеченного и др.), реже - сферическую (одношарошечные долота) или дисковую.

          По типу вооружения шарошки можно разделить на два основных класса [22]: I - шарошки с рабочими выступами (зубьями). II - безвыступные шарошки.  Различие по данному признаку связано с физическими особенностями процесса разрушения пород шарошками обоих классов. При перекатывании шарошки с рабочими выступами контакт с забоем имеет прерывный характер, и процесс разрушения состоит из последовательных циклов внедрения зубьев в горную породу. При перекатывании или более сложном взаимодействии безвыступной шарошки возникает ее непрерывный контакт с забоем, и в процессе разрушения горной породы образуются сплошные стружки.

          Различают два типа рабочих выступов: зубья и штыри. Шарошки с выступами первого типа называют зубчатыми или с фрезерованным вооружением, а с выступами второго типа – штыревыми. Если вооружение состоит из чередующихся зубьев и штырей, то такие шарошки называют комбинированными.

          Основными геометрическими параметрами, характеризующими зубчатую шарошку, являются: диаметр (окружность выступов) шарошки, ширина шарошки, высота зуба, ширина зуба, угол заострения зуба, шаг зубьев (кратчайшее расстояние между вершинами соседних зубьев),  ширина площадки притупления зубьев.

          Вооружение шарошки с фрезерованными зубьями представляет одно целое с ее корпусом. По числу венцов шарошки с рабочими выступами называют одновенцовыми, двухвенцовыми и т.д.

          Штыревую шарошку характеризуют следующие геометрические параметры: диаметр шарошки, ширина  шарошки, диаметр штыря; угол атаки, т.е.  наклона штыря к радиусу цилиндрического (или конического) корпуса шарошки, обычно по направлению его вооружения; шаг штырей, межвенцовое расстояние  и ряд других.

          Штыревые шарошки весьма разнообразны по форме головки штырей: сферические, клиновидные, параболоидные, крестовидные и многие другие. Наиболее распространены сферические и клиновидные головки из твердых сплавов ВК8В и ВК11В. Закрепляют штыри в корпусе шарошки запрессовкой и пайкой.

Как в исполнительных органах породопроходческих комбайнов, так и в буровых долотах, шарошки  могут устанавливать с некоторым углом разворота, под которым понимается угол р (рис. 2.1) между вектором скорости и нормалью к оси вращения шарошки ОО1 в плоскости, проходящей через венец.

Рис. 2. 1. Схема разворота шарошки: 1 – нормаль к оси вращения шарошки; 2 – вектор скорости

         Основными силовыми параметрами, характеризующими работу штыря при разрушении горной породы, являются осевое, или напорное усилие, обычно обозначаемое Р_у, и тангенциальное усилие, или усилие перекатывания, обычно обозначаемое Р_z.  Для процесса разрушения пород шарошечным инструментом характерно соотношение:                   

                                                              .                                            (2.1)                                                                                                        

          При внедрении штыря или зуба шарошки в горную породу образуется углубление, которое носит название лунки выкола. В большинстве горных пород (за и исключением весьма пластичных) на дне лунки выкола обычно образуется  плотно спрессованный нарост из тонко измельченных, а затем сильно уплотненных породных чешуек. В хрупких породах чешуйки легко отделяются от массива, а в упруго-пластичных отделить их бывает затруднительно.

          Фактическая глубина выкола, или глубина разрушения h_p, обычно превышает глубину внедрения штыря h_b (за исключением весьма пластичных пород) [22].