Новая конструкция режуще-шарошечного долота
Результаты проведенных исследований и производственных испытаний показывают, что наиболее перспективным видом буровых долот следует считать комбинированные режуще-шарошечные долота (РШД), аналоги которых в зарубежной практике отсутствуют.
При бурении неабразивных пород эти долота могут успешно заменить дорогостоящие и дефицитные шарошечные долота.
Конструктивно режуще-шарошечные долота могут выполняться по различным схемам, которые отличаются друг от друга взаимным расположением режущих органов и шарошек на долот. Наиболее рациональны РШД, имеющие режущие лопасти, расположенные между шарошками. Эти лопасти могут быть неподвижными относительно корпуса и жестко на нем зафиксированными или опираться на упругий элемент, что позволяет им смещаться в осевом направлении. В качестве упругого элемента в большинстве предложенных конструкций используются пружины различных типов. В этом случае режущий элемент, опирающийся на пружину, выполняется как единое целое и содержит две лопасти со сплошными режущими кромками или прерывистыми, образованными съемными резцами.
Однако, с точки зрения эффективности разрушения породы и для повышения износостойкости долота, целесообразно оснащать РШД двумя независимыми режущими элементами.
Такой элемент может быть выполнен как державка, на которой устанавливаются съемные резцы, снабженные хвостовиком, опирающимся на упругий амортизатор. При этом наиболее рационально использовать резиновые амортизаторы, помещаемые в отверстия, в которые входят хвостовики режущих частей долота.
Резиновые амортизаторы, на которые опираются хвостовики, можно выполнить как цилиндры с отверстием в центре, помещенные в металлические стаканы. При одноосном сжатии такой элемент приобретает бочкообразную форму. При этом с момента касания его боковой поверхностью стенок стакана проявляется эффект объемного сжатия, жесткость сжимаемого элемента резко возрастает, и он ограничивает дальнейшее перемещение хвостовика, играя роль буферного устройства.
При циклической нагрузке, имеющей место при бурении, возможен нагрев амортизатора. Кроме того, нагревается и примыкающий к нему корпус долота. Теплообразование ускоряет физико-механические и химические процессы в резиновом амортизаторе и снижает его прочность. Для большинства резин порог температурной устойчивости 80-100шС, поэтому необходимо предусматривать охлаждение стаканов, в которых установлены амортизаторы. Охлаждение собственно долота осуществляется сжатым воздухом, подводимым к забою скважины для очистки от буровой мелочи.
Подвижные режущие органы долота рационально оснащать съемными типовыми резцами РК-8Б или РБ-224.
Резцы по мере износа могут заменяться новыми или перезатачиваться. Это увеличивает срок службы долота и уменьшает расходы на инструмент.
Лапы с шарошками можно использовать от серийных шарошечных долот с вооружением типа С или Т, которые привариваются к корпусу долота. При этом вследствие неточности механической обработки и сборки возможна неточная установка шарошек, в результате чего они будут неравномерно нагружены, поэтому лапы долота должны собираться на кондукторе.
С учетом изложенного, на кафедре горных машин и комплексов КузГТУ было спроектировано, изготовлено и испытано режуще-шарошечное долото. Оно представляет собой двухшарошечное долото, имеющее корпус, выполненный заодно с хвостовиком, снабженным стандартной конической резьбой. К корпусу приварены лапы с шарошками. В стаканах, также приваренных к корпусу, размещены подвижные державки, опирающиеся на амортизаторы из резины. На державках, являющихся режущими органами, зафиксированы съемные резцы.
При бурении слабых пород долото работает как режущее. С увеличением их крепости амортизаторы сжимаются под действием осевого усилия, и в работу вступают шарошки. Разрушение породы при этом происходит под действием комбинированного воздействия режущего и шарошечного инструмента.
Как показал опыт конструирования и проведенные испытания долот, комбинация в них режущих и шарошечных органов позволяет при бурении скважин по хрупким породам средней крепости (с f=5-6) на 15-20% снизить энергоемкость процесса разрушения.
Проведенные на предприятиях сравнительные испытания долот показывают, что РШД имеют существенные преимущества перед серийными шарошечными долотами. Комбинированный буровой инструмент может быть применен на станках вращательного (шарошечного) бурения, выпускаемых промышленностью, и должен найти широкое применение. Однако серийное изготовление комбинированных долот до сих пор не налажено и требует инвестиций на организацию их производства.