Выбор способа бурения

По конструктивному исполнению корпуса шарошечные долота разделяются на: корпусные, применяемые для бурения скважин большого диаметра; секционные (бескорпусные), состоящие из двух (трех) сваренных между собой секций со стандартной присоединительной резьбой.

Основные конструктивные особенности долот: конструкция шарошек; схема опор; система промывочных устройств; наплавка зубьев твердым сплавом; оснащение шарошек твердосплавными зубьями.

Основные конструктивные параметры  долот: расположение на оси шарошек  по отношению к оси долота и  вершин шарошек относительно оси долота; величина угла наклона осей шарошек к оси долота; число конусов на шарошках; расположение венцов зубьев; геометрические параметры зубьев.

Долота типа К характеризуются ударным действием вооружения на разрушаемый забой и предназначены для бурения твердых и весьма твердых пород.

Шарошки долот имеют чистое качение  по забою без проскальзывания, а  вооружение состоит из цилиндрических твердосплавных зубков со сферической  головкой. Калибрующее вооружение каждой шарошки работает в режиме резания.

Долота типа ТК и Т характеризуются ударно-скалывающим действием вооружения на разрушаемый забой. Шарошки этих долот имеют кинематические схемы, обеспечивающие чистое качение с небольшим проскальзыванием основного конуса по поверхности забоя. Поэтому твердосплавные и фрезерованные зубья наносят по забою удары с некоторым сдвигом по ходу вращения шарошек. Шарошечные долота типа Т и ТК образуют забой выпуклой формы.

Долота типа ТК и Т предназначены для бурения твердых пород и твердых с пропластками очень твердых.

Долота типа СТ и С характеризуются скалывающим действием вооружения на разрушаемые породы. Их шарошки имеют многоконусную форму самоочищающегося типа и работают по кинематической схеме, обеспечивающей качение со значительным проскальзыванием основных конусов шарошки вдоль поверхности забоя. Оси шарошек смещены относительно оси долота на 2—3 мм в зависимости от размеров долота, поэтому вооружение шарошек, состоящее из твердосплавных зубков и фрезерованных зубьев, наносит по забою наклонный удар со значительным сдвигом по ходу их вращения. Шарошечные долота типа СТ и С образуют забой выпуклой формы. Эти долота предназначены для бурения пород средней твердости с пропластками твердых пород.

Долоma пита М характеризуются режуще-скалывающим действием вооружения на разрушаемые породы. Их шарошки имеют многоконусную форму самоочищающегося типа; они работают по кинематической схеме, обеспечивающей большое скольжение основных конусов шарошки вдоль поверхности забоя. Вооружение шарошек состоит из острых фрезерованных зубьев, имеющих одностороннюю  наплавку мелкозернистым твердым сплавом. Зубья шарошек вдавливаются в поверхность забоя и скалывают большой кусок породы с поворотом рабочей площадки зуба. Шарошечные долота типа М образуют выпуклый забой. Долота предназначены для бурения скважин в мягких породах с пропластками пород средней твердости.

Двухшарошечные  долота (рис.4) — наиболее распространенный породоразрушающий инструмент при бурении геологоразведочных скважин на глубину до 2000 м. В определенных гсолого-технических условиях эти долота обеспечивают превосходство над трехшарошечными на 10—15% по проходке и на 15—20% по механической скорости, т е. в условиях, когда невозможно создать необходимые осевые нагрузки для нормальной работы трехшарошечных долот. Каждая отдельная секция двухшарошечного долота имеет большие диаметры шарошек по сравнению с трехшарошечным, что позволяет иметь на шарошке увеличенное число зубчатого или твердосплавного вооружения при увеличенном шаге между зубками. Зубки, расположенные на шарошке с увеличенным шагом, наносят по забою более интенсивные удары со сколом более крупных частиц разбуриваемой породы.

Рис. 5. Двухшарошечные долота:

а – типа К: 1- твердосплавные зубки; 2- подшипник скольжения с центральным замковым устройством; 3- шарошки; б – типа Т(ТК): 1- шарошки чистого качения самоочищающегося типа; 2- стальные фрезерованные зубки пирамидальной формы с наплавкой релита; 3- зубья пикообразной схемы; 4- составные стальные вкладыши; 5- фиксирующаяся разжимная шайба; 6- твердосплавные цилиндрические зубки; в- типа С(СТ): 1- шарошки; 2- стальные фрезерованные зубки пирамидальной формы; 3- односторонняя наплавка мелкозернистым твердым сплавом релита; 4- венцы с самоочищающейся схемой расположения; 5- основной рабочий конус шарошек; 6- усиленная калибрующая поверхность затылочного конуса; г – типа М: 1- шарошки; 2- - стальные фрезерованные зубья; 3- односторонняя наплавка мелкозернистым релитом; 4- зубья; 5- направленный слой крупнозернистого сплава на затылочном конусе шарошек

Преимуществом двухшарошечных долот  над трехшарошечными является упрощение технологии их изготовления. Двухшарошечные долота имеют меньшую стоимость. К недостаткам двухшарошечных долот относится недостаточно мощное калибрующее вооружение — насыщенность зубьями снижена на 30% по сравнению с трехшарошечными долотами. Это приводит к преждевременному износу долота по диаметру, а также является причиной вибрации при бурении, приводящей к более интенсивному искривлению скважины, чем при бурении трехшарошечньши долотами.

Трехшарошечные долота (рис. 5) позволяют наиболее полно использовать габариты скважины для размещения шарошек, вооруженных наибольшим числом рабочих и калибрующих зубьев, а также позволяют разместить во внутренней полости шарошек наиболее мощные опорные подшипники и обеспечить надежную устойчивость долота на забое при оптимальной осевой нагрузке [8].

Рис. 6. Трехшарошечное долото типа К:

1 — шарошки; 2 — твердосплавные зубки со сферической рабочей головкой; 3 — основной конус шарошек; 4 — калибрующее вооружение шарошек — цилиндрические твердосплавные зубки с плоской рабочей поверхностью, размещенные на затылочном конусе шарошек; 5 — промывочная система

11.1.2.  Лопастные  и дисковые долота

Лопастные долота, армированные режущими элементами из вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов различных марок и форм, разработаны СКБ «Геотехника» и освоены в производстве. Такие долота являются высокопроизводительным породоразрушающим инструментом для бескернового бурения в мягких, малоабразивных я вязких породах, а также многолетнемерзлых породах с содержанием твердых включений. Они применяются при бурении геологоразведочных, гидрогеологических, инженерно-геологических, сейсморазведочных и технических скважин. Эффективность лопастных долот обусловлена простотой конструкции, относительно невысокой стоимостью, высокими производительностью и ресурсом, все это обеспечивает проведение скважин при минимальных энергозатратах и стоимости бурения.

По назначению долота подразделяются на два типа: М — для бурения мягких (в том числе мерзлых) и вязких пород 1—IV категорий по буримости: МС—те же комплексы горных пород, но с содержанием твердых включений.

Долота пиши М диаметром 76-151 мм имеют пикообразную форму и армированы удлиненными твердосплавными пластинами размером 3 х5 мм, установленными в открытых пазах. Усиленное вооружение режущих граней позволяет получить высокие механические скорости бурения при небольших осевых нагрузках. Наличие опережающих лезвий на периферийной части долота предохраняет лопасти от быстрого износа и значительно повышает ресурс инструмента. Калибрующая масть лопастей армирована твердосплавными цилиндрическими зубками (восьмигранниками), предохраняющими долото от износа по диаметру. Для предупреждения размыва стенок скважины промывочные каналы (диаметром 10—25 мм) направлены перпендикулярно к плоскости забоя.

Долота типа МС диаметром 76—151 мм имеют лопасти также пикообразной формы, но армируются твердосплавными цилиндрическими зубками (или восьмигранниками) диаметром 5 мм. Для предотвращения скалывания при встрече в горных породах твердых включений зубки установлены в теле лопастей. Вследствие малой площади режущих лезвий эти долота можно применять при бурении на малых осевых нагрузках. Усиленное вооружение калибрующей и периферийной частей лопастей предохраняет долота от износа по диаметру и обеспечивает им высокий ресурс.

Лопастные долота для шнекового  бурения диаметром 151—320 мм имеют три лопасти ступенчатой формы, армированные (в зависимости от области применения) релитом, наплавленным на рабочие поверхности, твердосплавными пластинами удлиненной формы с малым поперечным сечением, установленными в открытых пазах, или цилиндрическими (восьмигранными) зубками, расположенными в теле лопастей во избежание скалывания при встрече твердых включений в горных породах. Ступенчатое расчленение забоя на отдельные зоны разрушения и центральная рассечка обеспечивают повышение скорости бурения и ресурса долот. Калибрующие участки лопастей армированы износостойкими материалами, предохраняющими долото от износа по наружному диаметру.

В случае необходимости долота могут  изготавливаться в двухлопастном  исполнении. Такие долота (рис. 6) состоят из корпуса с присоединительным шестигранником, с помощью которого монтируют долото на полый шнек.

На корпусе долота имеются две  разновеликие лопасти: одна разрушает  основной профиль забоя — поражает центральную часть скважины и  участвует в калибровке диаметра скважины; другая выполняет вспомогательные функции, разрушая небольшой участок забоя и участвуя в калибровке диаметра скважины.

Сейсмические скважины бурят вращательным способом в основном лопастными долотами с промывкой забоя очистным агентом (или продувкой сжатым воздухом) и шнековым способом с погружением заряда ВВ после извлечения инструмента в открытый ствол скважины или через полый шнек. Перечисленные способы бурения ведутся без отбора керна, большей частью в мягких породах II—IV категорий по буримости и в вечномерзлых породах, содержащих в ряде случаев валунно-галечные отложения; около 10% этого вида бурения ведется в твердых породах VII—X категорий шарошечными долотами. Заряды ВВ имеют диаметры 80—100 мм и поэтому могут быть успешно размещены в скважинах диаметром 112 мм и более практически во всем комплексе проходимых пород.

Рис. 7. Двухлопастное долото режущего типа для шнекового бурения:

1 — шпилька; 2 — замковое кольцо, 3 — присоединительный шестигранник; 4 — корпус; 5 — вспомогательная лопасть, разрушающая небольшой участок забоя и калибрующая диаметр скважины; 6 — лопасть, разрушающая основной профиль забоя; 7 — резцы из твердого сплава (лопасть наплавлена также зернистым релитом)

Дисковые долота диаметром 76 и 93 мм относятся к долотам режуще-скалывающего типа: в них совмещены преимущества как шарошечных, так и лопастных долот. Конструкция долот относительно проста и позволяет размещать мощные опоры и вооружение для дисков, что существенно повышает их работоспособность (скорость бурения и ресурс) и износостойкость и делает их применение технологически и экономически выгодным. Наиболее эффективно использование дисковых долот (с точки зрения производительности, энергоемкости и экономичности бурения) в породах средней твердости, в частности, для бурения при разведке угольных месторождений [8].

11.1.3. Долота специального назначения

Для бурения геологоразведочных скважин в особых геолого-технических условиях, а также при использовании специального бурового оборудования и для выполнения специальных задач при проходке скважин разработаны буровые долота специального назначения: шарошечные долота для пневмо- и гидроударного бурения, для бурения с продувкой: шпуровые шарошечные долота, шарошечные долота для направленного бурения; для бурения с гидротранспортом шлама; колонковые шарошечные долота и другие.

Шарошечные долото для гидро- и пневмоударного бурения наиболее перспективны для бурения в твердых и весьма твердых породах поскольку наложение ударных нагрузок на шарошечное долото позволяет интенсифицировать процесс разрушения породы и повысить скорость бурения. Кроме того, использование долот совместно с ударными машинами позволяет бурить с пониженными осевыми нагрузками, что приводит к снижению интенсивности искривления скважин в процессе бурения. Вместе с тем ударное воздействие предъявляет повышенные требования к прочности конструктивных элементов долота. С этой целью в конструкции заложены усиленные опоры скольжения и вооружение шарошек, гарантирующие эффективное применение долот в комплексе с гидро- и пневмоударниками.

Шарошечные долота для бурения с продувкой (рис. 7) предназначены для проходки сухих обезвоженных скважин в основном небольшой глубины, а также для бурения скважин в подземных условиях и взрывных скважин на открытых карьерах. Отличительной особенностью этих долот является наличие специальных каналов, направляющих потоки воздуха (или газовых смесей) через внутреннюю полость лап во внутреннюю полость шарошки. Нагнетаемый через эти каналы воздух выносит частицы породы, проникающие с забоя в опорные подшипники и охлаждает последние, что способствует увеличению их долговечности и повышает работоспособность долота.

Для лучшей циркуляции воздушного потока в призабойной зоне на боковых  гранях лап приваривают боковые косынки, которые закрывают свободное пространство между корпусом долота и шарошками и направляют поток воздуха вниз до забоя.

Рис. 8. Шарошечное долото для бурения с продувкой:

1— специальные каналы для прохода потока воздуха (газовых смесей); 2 — лапа; 5 — расточка в замковом пальце; 4 — цапфа лапы; 5 — внутренняя полость шарошки

Шпуровые шарошечные долота используют для бурения шпуров глубиной до 15 м в твердых породах. В этих условиях наиболее важное значение приобретает механическая скорость бурения с одноразовым использованием долота. Поэтому на основных конусах твердосплавные зубки располагаются в шахматном порядке, угол наклона осей шарошек к оси долота увеличивается, а насыщенность калибрующего вооружения на затылочном конусе снижается.

Шарошечные долота для  направленного бурения предназначены для искусственного искривления скважин. Конструкции таких долот имеют специальное калибрующее вооружение на затылочном конусе шарошек и на периферийных венцах. Это вооружение должно обеспечивать боковое врезание в стенку скважины при проходке через отклонители различных типов, поэтому оно выполнено в виде твердосплавных зубков, максимально уменьшенных диаметров для обеспечения наибольшей насыщеннрсти врезающейся части калибрующих конусов.