Обобщенные геометрические характеристики рабочей поверхности шарошечных долот.

Шарошечные долота изготовляют с различным числом шарошек. В свою очередь, шарошки могут быть одно-, двух- и трехконусными со смещением или без смещения оси вращения относительно оси долота. Несмотря на их большое разнообразие, конструктивно шарошечные долота выполнены однотипно.

Рабочая поверхность шарошек долота снабжается зубчатыми венцами, расположенными концентрически в определенной последовательности с гладкими впадинами. Вооружение зубчатых шарошек выполняется как одно целое с телом шарошки; в штыревых долотах шарошка армируется породоразрушающими элементами из твердого сплава; шарошки также могут иметь комбинированное зубчато-штыревое вооружение.

Интенсификация разрушения забоя долотом особенно в мягких породах может быть повышена за счет эффективного использования энергии струи промывочной жидкости. Для этой цели в корпус долота встраиваются профилированные насадки, при движении через которые поток промывочной жидкости приобретает большую скорость. Чем выше скорость истечения жидкости из насадки, тем больше гидромониторный эффект, скорость бурения и проходка на долото.

Работа шарошечного долота является механическим процессом, обусловливающим ударное и сдвигающее действие зубьев вооружения шарошки. Очевидно, что все процессы протекают одновременно и создают сложную картину взаимодействия породоразрушающих элементов долота с горной породой. Для упрощения рассматриваются отдельно разные процессы.

Перекатывание шарошек по забою скважины приводит к возникновению возвратно-поступательного движения центра вращения шарошки, а следовательно, и корпуса долота. Амплитуда возвратно-поступательного движения шарошки прямо пропорциональна ее диаметру и обратно пропорциональна числу зубьев на рассматриваемом венце. Периферийный венец, снабженный наиболее крупными зубьями, определяет колебательный процесс корпуса шарошечного долота.

Скорость вращения шарошек во многом определяет кинематику и динамику работы долота. В свою очередь, скорость вращения шарошек определяется скоростью вращения долота и значением передаточного отношения.

В каждый момент времени движение шарошки можно рассматривать как состоящее из трех составляющих: переносного - вращения вокруг оси долота; относительного - вращения вокруг оси шарошки и поступательного движения вдоль оси долота. При анализе работы долота обычно поступательное движение вдоль оси в расчет не принимается, так как эта скорость несоизмеримо меньше переносной и относительной.

В процессе бурения на шарошечное долото действуют статические и динамические силы. Распределение нагрузок по различным элементам шарошечного долота зависит от конструктивных особенностей опор и вооружения шарошки, а также связано с физико-механическими свойствами разбуриваемых пород. Точное определение сил, действующих в различных точках, затруднено, поэтому ниже дается приближенный метод их определения.

Рис. Корпусное трехшарошечное долото:

1 - корпус; 2 - лапа; 3 - промывочная плита; 4 - палец; 5 — фиксирующий штифт; 6 - ролик; 7 -шарик; 8 - шарошка

 

1.14 Основы кинематики шарошечных долот. Скольжение шарошечных долот. Факторы, его обуславливающие.

 Шарошки вращаются вокруг своей оси и вокруг оси долота. Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно касаются забоя то одним, то двумя зубьями, т.е. шарошка при своем качении по забою то поднимается, то опускается, производя при этом удары по забою, вследствие чего зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динамическое воздействие.

Для обеспечения скалывающего эффекта используются три технических приема:

1) вынос вершины шарошки за ось долота на величину. В соответствии с положениями теоретической механики мгновенная ось вращения (МОВ) шарошки при ее качении по забою должна пройти через точку пересечения осей шарошки и долота и пересечь образующую шарошки. Тогда при повороте шарошки вокруг МОВ вооружение долота, расположенное левее точки пересечения МОВ и образующей шарошки, будет скользить с некоторой скоростью v t относительно забоя в отрицательном направлении, а вооружение долота, расположенное правее точки пересечения МОВ и образующей шарошки, будет скользить в положительном направлении. Такое принудительное скольжение уже создаст существенный скалывающий эффект.

2) выполнение шарошек многоконусными.

В некоторых конструкциях долот последний дополнительный конус может быть заменен цилиндром. Многоконусное выполнение шарошек обеспечивает более значительный скалывающий эффект. Общим недостатком первого и второго приема является наличие нескользящего сечения шарошки, проходящего через точку пересечения МОВ и образующей шарошки.

3) смещение осей шарошек в плане оси долота и шарошки не пересекаются. Следовательно, третий прием позволяет исключить нескользящую относительно забоя точку на образующей шарошки, контактирующей с забоем.

Для периферийных венцов всех типов долот характерно положительное (в направлении вращения долота) скольжение, а у ближайших к оси долота венцов – только отрицательное скольжение. Чем больше смещение осей шарошек в плане, тем большее число венцов имеют положительное скольжение относительно забоя скважины.