Изучение конструкций серийных шарошечных буровых долот

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ СЕРИЙНЫХ ШАРОШЕЧНЫХ БУРОВЫХ ДОЛОТ

 

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Основы бурового дела» для студентов

специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

 

 

Составитель Ю.Л. Боярко

 

 

 

 

Издательство

Томского политехнического университета

2009

УДК 622.24.05

ББК 33.131:34.9Я52

    Б52

 

Б52

Изучение конструкций серийных шарошечных буровых долот: лабораторная работа № 4. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов нефтегазового направления, специальности 130504. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. –   с.

 

 

УДК 622.24.05

ББК 33.131:34.9Я52

 

 

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию         методическим семинаром кафедры бурения скважин ИГНД

«_____» _________ 2009 г.

 

Зав. кафедрой профессор,

доктор технических наук                              В.Д. Евсеев

 

 

Председатель учебно-методической

комиссии                                                         Н.Г. Квеско

 

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой ГРНМ ИГНД

Б.Б. Квеско

 

 

© Боярко Ю.Л., составление, 2009

© Составление. Томский политехнический

университет, 2009

© Оформление. Издательство Томского

политехнического университета, 2009

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Целью лабораторной работы является изучение конструкции серийных шарошечных долот дробяще-скалывающего действия в объеме, необходимом для горного инженера по специальности "Бурение нефтяных и газовых скважин". Необходимость такого изучения вытекает из того, что шарошечными долотами осуществляется основной (до 80 –      85 %) объем проходки скважин. Знание конструкции долот поможет:

1) правильно выбрать тип долота для бурения;

2) обоснованно назначить параметры режима работы долота;

3) проводить контрольные измерения выходных параметров долота и по ним оценить его потенциальные возможности;

4) по результатам осмотра и обмера предыдущего отработанного долота корректировать тип последующего долота и параметры режима его работы;

5) вносить предложения по совершенствованию конструкции.

Для достижения поставленной цели долота рассматриваются не по конструктивным элементам, а по элементам и системам, выполняющим определенные функции, т.е. по функциональным элементам и системам.

 

КОНСТРУКЦИИ ДОЛОТ

 

Шарошечные долота дробяще-скалывающего действия выпускаются в настоящее время в двух- и трехшарошечном исполнении. Свое название они получили по конструктивному элементу – шарошке, на которой располагаются элементы вооружения, разрушающие горную породу. Шарошечное долото включает в свою конструкцию следующие функциональные элементы и системы (рис. 1):

1) корпус А;

2) присоединительную резьбу В;

3) вооружение D;

3) систему очистки забоя и элементов долота Е;

4) опоры шарошек F;

5) систему герметизации маслонаполненных опор G.

Первые пять функциональных элементов и систем обязательны для шарошечного долота. Шестая система включается в конструкцию ряда типов долот с целью, повышения долговечности опор шарошек.

 

Корпус

 

Корпус А (рис. 1) долота образуется в результате сварки по всему

Рис. 1. Трехшарошечное долото

наружному контуру отдельных собранных секций (сварочный шов 1). Такие долота принято называть секционными. Число секций равно числу шарошек.

Собранная секция (рис. 2) состоит из лапы 1, заканчивающейся цапфой 2, на которой на подшипниках смонтирована свободно вращающаяся шарошка 3. Взаимная ориентация секций в долоте осуществляется с помощью двухгранного угла 4,фрезеруемого на каждой лапе, и сборочных штифтов 5.

 

Присоединительная резьба

 

Присоединительная резьба В (см. рис. 1) служит для присоединения долота к низу бурильной колонны и нарезается после сварки секций и токарной обработки верхней части корпуса. На всех долотах нарезается коническая наружная (ниппельная) замковая резьба.

 

Вооружение

 

Вооружение предназначено для разрушения горной породы на забое и фрезерования стенки-скважины. Вооружение размещено на наружной поверхности шарошек.

 

2.3.1. Форма шарошек. Шарошки имеют коническую форму и могут быть одноконусными (рис. 4, а) и многоконусными (рис. 4, б, в). Тело одноконусной шарошки (см. рис. 4, а) ограничено двумя коническими поверхностями. Конус I называется основным, а конус 2 обратным.

Тело двухконусной шарошки ограничено тремя коническими поверхностями (см. рис. 4, б), а трехконусной четырьмя (см. рис. 4, в). Конуса 3 и 4, расположенные между основным и обратным конусами, называются дополнительными. Вершины дополнительных конусов направлены к оси долота и их боковые поверхности взаимодействуют с забоем. Дополнительные конуса принято нумеровать, начиная от основного конуса в сторону обратного.

Шарошка характеризуется следующими геометрическими параметрами: диаметром d_ш, углами основного 2α и дополнительных кону­сов 2α_i, высотой Н_ш (рис. 5). Угол при вершине основного конуса определяет объем шарошки.

 

 

Рис. 2. Секция трехшарошечного долота

Рис. 3. Схема сборки шарошечного долота

Рис. 4. Формы шарошек

Рис. 5. Расположение венцов на шарошках

2.3.2. Размещение венцов на шарошках. По телу основного и дополнительных конусов на шарошках прорезаются венцы (см. рис. 5). Венцы принято обозначать буквами русского алфавита или нумеровать, начиная с вершины шарошки. Последний венец на шарошке называют периферийным, а остальные центральными. Венцы на шарошках размещаются так, что каждый из центральных венцов поражает свою кольцевую часть забоя самостоятельно, а периферийные венцы всех шарошек долота поражают периферийную кольцевую часть забоя, прилегающую к стенке скважины, последовательно друг за другом. Геометрической характеристикой венца является его ширина по вершине L_ij, где i – номер шарошки, а j – номер венца на шарошке.

Проекции венцов на профиль забоя образуют схему перекрытия за­боя. Из приведенной на рис. 5 схемы видно, что в центральной части забоя остаются кольцевые участки, не перекрытые венцами. Эти кольце­вые участки принято называть "воротниками".

Шарошки принято нумеровать в зависимости от того, какое место занимает первый венец по отношению к вершине шарошки и оси долота. Шарошке, у которой первый венец занимает пространство, прилегающее к вершине основного конуса, и при этом венец поражает центральную часть забоя, присваивается первый номер. Шарошка, первый венец которой поражает следующую кольцевую часть забоя, является второй и т.д. У двух- и трехконусных шарошек первая имеет полный основной конус и наибольшую высоту Н_ш, а вторая и третья – усеченные основные конуса и меньшую высоту.

 

2.3.3. Стальное фрезерованное вооружение. На венцах шарошек фрезеруются или крепятся элементы вооружения, предназначенные для разрушения горной породы на забое. Фрезерованные элементы вооружения (зубья) на центральных венцах шарошек имеют форму притуплённых клиньев (рис.6, а), которые характеризуются следующим геометрическими параметрами: длиной по вершине L, разной ширине венца; начальной высотой h₀, измеряемой по внешнему сечению венца; на­чальным притуплением b₀ (площадка L х b₀ называется площадкой притупления зуба); углом заострения 2γ, углами наклона ψ₁ и ψ₂  торцовых граней зуба к нормали, проведенной к площадке притупления; шагом размещения зубьев в венце t, измеряемым по внешнему сечению венца.

С целью снижения потери диаметра долота в процессе бурения, вызванной износом обратного конуса, а также улучшения условии разрушения породы у стенки скважины, на периферийных венцах могут фрезероваться клиновидные зубья, имеющие по площадкам притупления Г (рис.6, б), I (рис. 6, в), II (рис, 6, г) – образную форму, при этом, «полочки» этих зубьев прилегают к обратному конусу шарошки, или по­перечные зубья (рис.6, д), площадки притупления которых повернуты на 90° относительно образующей шарошки.

 

Рис. 6. Фрезерованные зубья

 

 

Рис. 7. Твердосплавные зубки

 

 

Для обеспечения долговечности фрезерованного вооружения шарошки изготавливаются из малоуглеродистых легированных сталей (например, марок 17НЗМА, 18ХНЗМА, 20ХНЗА) с последующей их химико-термической обработкой, которая позволяет получить высокую-твердость поверхностного цементированного слоя глубиной 0,6 – 2,4 мм в зависимости от диаметра долота (с увеличением диаметра глубина цементации возрастает), необходимую прочность и ударную выносливость сердцевины. Боковые 1 и торцовые 2 грани зубьев, а также калибрующие поверхности, обратных конусов 3 шарошек наплавляются (армируются) твердым зерновым сплавом релит, представляющим собой измельченный литой карбид вольфрама. Наплавка осуществляется путем разогрева токами высокой частоты или ацетилено-кислородным пламенем армируемой поверхности до температуры плавления, погружения в расплавленную поверхность зернистого релита и охлаждения. Кроме этого, в некоторых конструкциях долот в обратные конуса шарошек запрессовываются цилиндрические твердосплавные (сплав-ВКIIВК) вставки 4 с последующей наплавкой. Для улучшения охлаждения наплавленных поверхностей обратных конусов на них выполняются канавки 5.

 

2.3.4. Твердосплавное вооружение. В ряде типов долот в качестве элементов вооружения на центральных и периферийных венцах используются твердосплавные зубки, изготовленные из вольфрамо-кобальтового сплава типа ВКIIВК. Зубок имеет форму цилиндра, один торец которого плоский, а другой является рабочей головкой зубка, непосредственно воздействующей на горную породу. По форме рабочей головки выпускаются зубки конусно-клиновые типов «М» и «С» (рис. 7, а), клиновые типа «Т» (рис. 6, б) и конусно-сферические типа «К» (рис. 7, в). Вариантом зубка «К» может быть конусно-сферический зубок с несколькими коническими поверхностями (рис. 7, г). Зубок типа «М» имеет по сравнению с зубком «С» большую высоту рабочей головки h и меньший угол при вершине клина γ = 60⁰ (у зубка «С» γ = 68⁰).

Можно встретить долота с твердосплавными зубками с рабочими головками по ГОСТ 880-75. Этим ГОСТом предусмотрен выпуск зубков двух форм Г-25 и Г-26. Зубки Г-25 имеют клиновую рабочую поверхность с углом при вершине 90°. Вершина клина скруглена радиусом     1 мм и имеет торовидную поверхность. Зубки Г-26 имеют сферическую рабочую головку с радиусом сферы несколько больше радиуса цилиндрического тела зубка.

Твердосплавные зубки I запрессовываютсяся в отверстия, выполненные в венцах 2 (рис.2, а). Для улучшения условий работы зубков в телекаждого венца могут фрезероваться по образующей шарошки канавки 3.

Твердосплавное вооружение долот принято характеризовать следующими конструктивными параметрами: диаметром зубка D; формой рабочей головки зубка; глубиной запрессовки зубка в тело шарошки h₃; вылетом зубка из тела шарошки h_δ; шагом размещения зубков в венце t.

У долот с твердосплавным вооружением для фрезерования стенки скважины обратным конусом и предотвращения его износа в последний запрессовываются цилиндрические твердосплавные зубки 4 с плоскими торцами (рис. 8, б).

 

Рис. 8. Крепление зубков

 

 

2.3.5. Перекрытие забоя. Важным геометрическим параметром, во­оружения шарошечного долота является коэффициент перекрытия забоя, который рассчитывается для долот с фрезерованными зубьями по формуле

,                                             (1)

где  – сумма длин зубьев по одному с каждого венца всех шаро­шек (i – шарошка, j – венец); R_d – радиус долота, а для долот с твердосплавными зубками

,

где  – сумма диаметров зубков по одному с каждого венца всех шарошек. Для расчета коэффициента перекрытия забоя конкретного долота необхо­димо на нем промерить штангенциркулем размеры и .

 

2.3.6. Расположение шарошек. Расположение шарошек относительно оси долота определяется следующими параметрами:

1) углом наклона оси шарошки к оси долота β (см. рис. 2);

2) выносом вершины шарошки за ось долота f;

3) величиной смещения осей шарошек в плане К (рис. 9,а, б).                  

Угол наклона оси шарошки к оси долота для современных серийных шарошечных долот лежит в пределах 51⁰ ÷ 57⁰30 и определяется типом долота по вооружение.

Величина выноса вершины шарошки за ось долота определяется типо­размером долота и лежит в пределах 0 ÷ 12 мм.                           

В плане оси шарошек расположены относительно друг друга под углом 120⁰, а по отношению к оси долота возможны два варианта распо­ложения:

1) долота с несмещенными осями шарошек, оси которых пересекаются в одной точке на оси долота (рис. 9, а);

2) долота со смещенными осями шарошек (рис. 9, б)

Смещение делается в сторону вращения долота ω и при этом считается положительным. Величина смещения лежит в пределах 4 – 10 мм и определяется типоразмером долота. Долота считаются с несмещенными осями шарошек, если они имеют смещение, не превышающее 1,5 мм. Такое смещение называют технологическим. Оно гарантирует отсутствие отрицательного смещения шарошек, которое могло появиться в результате неблагоприятного сочетания допусков по размерам лап   и неточностей сборки и сварки секции в корпус.

По расположению шарошек относительно друг друга следует различать два вида долот: долото с самоочищающимися шарошками, у которых центральные звенья каждой из шарошек входят в межвенцовое пространство соседних шарошек (рис. 9, в); долота с несамоочищающимися шарошками, у которых контуры соседних шарошек не пересекаются.

Рис. 9. Расположение шарошек

 

Опоры шарошек

 

Опора шарошек предназначены для обеспечения свободного вращения шарошек относительно цапф при передаче нагрузки от корпуса долота вооружению. В процессе работы долота опоры должны воспринимать на­грузки, направленные как по радиусу цапфы, так и по ее оси, поэтому каждую опору выполняют в виде комбинации радиальных, радиально-упорных и упорных подшипников, причем по крайней мере один радиально-упорный подшипник должен быть двустороннего действия, т.е. замковым, функцией замкового подшипника помимо восприятия нагрузки является ограничение осевого перемещения шарошки и удержание ее на цапфе.

В опорах шарошек в качестве радиальных подшипников, восприни­мающих нагрузку, направленную по радиусу цапфы, используются:

1) роликовые подшипники с цилиндрическими роликами, которые на схемах опор обозначаются буквой Р (см. рис. 1 и рис. 2);

2) подшипники скольжения со специальным твердосплавным покры­тием трущихся поверхностей (наплавленная поверхность 1 и 2 цапфы и запрессованная в шарошку втулка 3 и 4), обозначенные буквой С (рис. 12);

3) подшипники скольжения без покрытия, обозначаемые С_о.

В качестве радиально-упорных подшипников, воспринимающих одновременно нагрузку, направленную по радиусу (радиальную) и по оси (упорную) цапфы, используются:

1) шариковые, упорные в одну сторону, обозначаемые Ш (рис. 12, а);

2) шариковые, упорные в обе стороны, – замковые подшипники, обозначаемые Ш_з (см. рис. 1, рис. 2, рис. 12, рис. 13).

 

 

 

 

Рис. 12.

В качестве упорных подшипников, воспринимающих нагрузку, направленную вдоль оси (упорную) цапфы, используются подшипники скольжения;

1) с твердосплавным покрытием трущихся поверхностей (наплав­ленный торец 5 цапфы и у концевых подшипников запрессованная в шарошку пята 6), обозначаемые С_у (рис. 13);

2) без покрытия трущихся поверхностей, обозначаемые С_т.

Беговые дорожки подшипников качения и опорные поверхности под­шипников скольжения выполняются непосредственно на цапфе лапы и внутренней полости шарошки. Профили беговых дорожек и опорных по­верхностей, всех подшипников, кроме замкового, обеспечивают при сборке свободную установку шарошки на цапфе с телами качения. Для обеспе­чения двухстороннего действия замкового подшипника его сборка осу­ществляется после сборки всех остальных подшипников и установки шарошки на цапфу. Шарики замкового подшипника Ш₃ (рис.12, а, б) ус­танавливаются на беговую дорожку через специальное сборочное отверстие 1 в лапе 2, которое затем закрывается замковым пальцем 3. Для того чтобы конец пальца, выходящий на беговую дорожку, имел ее профиль, он до механической обработки цапфы устанавливается в замко­вое отверстие, фиксируется штифтом 4 и сваркой, точится, термообработывается и шлифуется в сборе с цапфой. Для ограничения осевого перемещения пальца, предотвращения выступания его фасонной поверхности над беговой дорожкой и поворота при сборке и работе долота палец фиксируется штифтом и заваривается со стороны спинки лапы.

Для защиты полости опоры от шлама на лапе делается козырек 2, который перекрывает зазор между поверхностью полости в шарошке и по­верхности цапфы. В некоторых случаях износостойкость козырька повы­шают за счет наплавки 3 (см. рис. 1) его внешней поверхности релитом.

Выбор типов подшипников при конструировании опор определяется габаритами шарошек, типом долота по вооружению и частотой вращения долота, при которой оно будет эксплуатироваться. Схемы опор принято обозначать набором букв, каждая из которых означает тип подшипника. Порядок обозначения подшипников в схемах опор от периферии к центру долота. В настоящее время наиболее применяемыми в долотах диаметра­ми 190,5 мм и 215,9 мм являются схемы:

1) для высоких частот вращения долота Ш_зШ_эР (рис.12, а), ШШ_эШ (рис.12, б) и РШ_зР (см. рис. 2), содержащие только подшипники ка­чения (опоры типа В);

2) для средних и низких частот вращения долота РШ_зС_уСС_у (см. рис. 1), содержащую один радиальный подшипник скольжения (опоры типа Н);  

3) для низких частот вращения СШ_зС_уСС_у (рис. 12), содержащую все подшипники скольжения, за исключением шарикового замкового (опо­ры типа А).

Смазка открытых опор шарошечных долот осуществляется при сборке, а иногда еще и перед спуском долота в скважину. В процессе работы долота на забое эта смазка вымывается промывочной жидкостью, содер­жащей шлам. Это приводит к снижению долговечности подшипников опор. Повышение стойкости опор достигается введением в конструкцию долота системы герметизации маслонаполненной опоры.

 

III 190,5СЗ-ГНУ ГОСТ 20692-75

 

ЗАДАНИЕ

 

Изучить и описать в отчете, иллюстрируя соответствующими эски­зами, конструкцию одного долота по следующей схеме:

1) корпус – освоить сборку секции долота и секций в корпус;

2) присоединительная резьба – по ГОСТ 20692-75 установить шифр резьбы, ее конусность и шаг;

3) вооружение:                                   

количество шарошек и их форма (эскиз);

расположение венцов до шарошкам, обмер венцов и построе­ние схемы перекрытия забоя (эскиз), расчет коэффициента перекрытия забоя;             

элементы вооружения по венцам и обратный конус, их армировка (эскизы);

расположение шарошек относительно оси долота и друг друга (эскизы);

опоры шарошек (эскиз);

5) система очистки забоя и элементов долота (эскизы);

6) система герметизации маслонаполненной опоры (эскизы)

7) шифр долота по ГОСТ 20692-75.

 

Лабораторная работа № 3

 

 

ВЫБОР БУРОВЫХ ДОЛОТ

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Основы бурового дела» для студентов

специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

 

 

Составитель

Боярко Юрий Леонтьевич

 

 

Научный редактор

кандидат технических наук,

доцент                                                              

 

Редактор

 

Верстка

 

Дизайн обложки

 

 

Подписано к печати..2009. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка». Печать Xerox. Усл. печ. л. . Уч.-изд. л.   . Заказ  . Тираж    экз.
	Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

 

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ СЕРИЙНЫХ ШАРОШЕЧНЫХ БУРОВЫХ ДОЛОТ

 

 

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Основы бурового дела» для студентов

специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

 

 

Составитель Ю.Л. Боярко

 

 

 

 

Издательство

Томского политехнического университета

2009

УДК 622.24.05

ББК 33.131:34.9Я52

    Б52

 

Б52

Изучение конструкций серийных шарошечных буровых долот: лабораторная работа № 4. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов нефтегазового направления, специальности 130504. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. –   с.

 

 

УДК 622.24.05

ББК 33.131:34.9Я52

 

 

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию         методическим семинаром кафедры бурения скважин ИГНД

«_____» _________ 2009 г.

 

Зав. кафедрой профессор,

доктор технических наук                              В.Д. Евсеев

 

 

Председатель учебно-методической

комиссии                                                         Н.Г. Квеско

 

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой ГРНМ ИГНД

Б.Б. Квеско

 

 

© Боярко Ю.Л., составление, 2009

© Составление. Томский политехнический

университет, 2009

© Оформление. Издательство Томского

политехнического университета, 2009

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Целью лабораторной работы является изучение конструкции серийных шарошечных долот дробяще-скалывающего действия в объеме, необходимом для горного инженера по специальности "Бурение нефтяных и газовых скважин". Необходимость такого изучения вытекает из того, что шарошечными долотами осуществляется основной (до 80 –      85 %) объем проходки скважин. Знание конструкции долот поможет:

1) правильно выбрать тип долота для бурения;

2) обоснованно назначить параметры режима работы долота;

3) проводить контрольные измерения выходных параметров долота и по ним оценить его потенциальные возможности;

4) по результатам осмотра и обмера предыдущего отработанного долота корректировать тип последующего долота и параметры режима его работы;

5) вносить предложения по совершенствованию конструкции.

Для достижения поставленной цели долота рассматриваются не по конструктивным элементам, а по элементам и системам, выполняющим определенные функции, т.е. по функциональным элементам и системам.

 

КОНСТРУКЦИИ ДОЛОТ

 

Шарошечные долота дробяще-скалывающего действия выпускаются в настоящее время в двух- и трехшарошечном исполнении. Свое название они получили по конструктивному элементу – шарошке, на которой располагаются элементы вооружения, разрушающие горную породу. Шарошечное долото включает в свою конструкцию следующие функциональные элементы и системы (рис. 1):

1) корпус А;

2) присоединительную резьбу В;

3) вооружение D;

3) систему очистки забоя и элементов долота Е;

4) опоры шарошек F;

5) систему герметизации маслонаполненных опор G.

Первые пять функциональных элементов и систем обязательны для шарошечного долота. Шестая система включается в конструкцию ряда типов долот с целью, повышения долговечности опор шарошек.

 

Корпус

 

Корпус А (рис. 1) долота образуется в результате сварки по всему

Рис. 1. Трехшарошечное долото

наружному контуру отдельных собранных секций (сварочный шов 1). Такие долота принято называть секционными. Число секций равно числу шарошек.

Собранная секция (рис. 2) состоит из лапы 1, заканчивающейся цапфой 2, на которой на подшипниках смонтирована свободно вращающаяся шарошка 3. Взаимная ориентация секций в долоте осуществляется с помощью двухгранного угла 4,фрезеруемого на каждой лапе, и сборочных штифтов 5.

 

Присоединительная резьба

 

Присоединительная резьба В (см. рис. 1) служит для присоединения долота к низу бурильной колонны и нарезается после сварки секций и токарной обработки верхней части корпуса. На всех долотах нарезается коническая наружная (ниппельная) замковая резьба.

 

Вооружение

 

Вооружение предназначено для разрушения горной породы на забое и фрезерования стенки-скважины. Вооружение размещено на наружной поверхности шарошек.

 

2.3.1. Форма шарошек. Шарошки имеют коническую форму и могут быть одноконусными (рис. 4, а) и многоконусными (рис. 4, б, в). Тело одноконусной шарошки (см. рис. 4, а) ограничено двумя коническими поверхностями. Конус I называется основным, а конус 2 обратным.

Тело двухконусной шарошки ограничено тремя коническими поверхностями (см. рис. 4, б), а трехконусной четырьмя (см. рис. 4, в). Конуса 3 и 4, расположенные между основным и обратным конусами, называются дополнительными. Вершины дополнительных конусов направлены к оси долота и их боковые поверхности взаимодействуют с забоем. Дополнительные конуса принято нумеровать, начиная от основного конуса в сторону обратного.

Шарошка характеризуется следующими геометрическими параметрами: диаметром d_ш, углами основного 2α и дополнительных кону­сов 2α_i, высотой Н_ш (рис. 5). Угол при вершине основного конуса определяет объем шарошки.

 

 

Рис. 2. Секция трехшарошечного долота

Рис. 3. Схема сборки шарошечного долота

Рис. 4. Формы шарошек

Рис. 5. Расположение венцов на шарошках

2.3.2. Размещение венцов на шарошках. По телу основного и дополнительных конусов на шарошках прорезаются венцы (см. рис. 5). Венцы принято обозначать буквами русского алфавита или нумеровать, начиная с вершины шарошки. Последний венец на шарошке называют периферийным, а остальные центральными. Венцы на шарошках размещаются так, что каждый из центральных венцов поражает свою кольцевую часть забоя самостоятельно, а периферийные венцы всех шарошек долота поражают периферийную кольцевую часть забоя, прилегающую к стенке скважины, последовательно друг за другом. Геометрической характеристикой венца является его ширина по вершине L_ij, где i – номер шарошки, а j – номер венца на шарошке.

Проекции венцов на профиль забоя образуют схему перекрытия за­боя. Из приведенной на рис. 5 схемы видно, что в центральной части забоя остаются кольцевые участки, не перекрытые венцами. Эти кольце­вые участки принято называть "воротниками".

Шарошки принято нумеровать в зависимости от того, какое место занимает первый венец по отношению к вершине шарошки и оси долота. Шарошке, у которой первый венец занимает пространство, прилегающее к вершине основного конуса, и при этом венец поражает центральную часть забоя, присваивается первый номер. Шарошка, первый венец которой поражает следующую кольцевую часть забоя, является второй и т.д. У двух- и трехконусных шарошек первая имеет полный основной конус и наибольшую высоту Н_ш, а вторая и третья – усеченные основные конуса и меньшую высоту.

 

2.3.3. Стальное фрезерованное вооружение. На венцах шарошек фрезеруются или крепятся элементы вооружения, предназначенные для разрушения горной породы на забое. Фрезерованные элементы вооружения (зубья) на центральных венцах шарошек имеют форму притуплённых клиньев (рис.6, а), которые характеризуются следующим геометрическими параметрами: длиной по вершине L, разной ширине венца; начальной высотой h₀, измеряемой по внешнему сечению венца; на­чальным притуплением b₀ (площадка L х b₀ называется площадкой притупления зуба); углом заострения 2γ, углами наклона ψ₁ и ψ₂  торцовых граней зуба к нормали, проведенной к площадке притупления; шагом размещения зубьев в венце t, измеряемым по внешнему сечению венца.

С целью снижения потери диаметра долота в процессе бурения, вызванной износом обратного конуса, а также улучшения условии разрушения породы у стенки скважины, на периферийных венцах могут фрезероваться клиновидные зубья, имеющие по площадкам притупления Г (рис.6, б), I (рис. 6, в), II (рис, 6, г) – образную форму, при этом, «полочки» этих зубьев прилегают к обратному конусу шарошки, или по­перечные зубья (рис.6, д), площадки притупления которых повернуты на 90° относительно образующей шарошки.

 

Рис. 6. Фрезерованные зубья

 

 

Рис. 7. Твердосплавные зубки

 

 

Для обеспечения долговечности фрезерованного вооружения шарошки изготавливаются из малоуглеродистых легированных сталей (например, марок 17НЗМА, 18ХНЗМА, 20ХНЗА) с последующей их химико-термической обработкой, которая позволяет получить высокую-твердость поверхностного цементированного слоя глубиной 0,6 – 2,4 мм в зависимости от диаметра долота (с увеличением диаметра глубина цементации возрастает), необходимую прочность и ударную выносливость сердцевины. Боковые 1 и торцовые 2 грани зубьев, а также калибрующие поверхности, обратных конусов 3 шарошек наплавляются (армируются) твердым зерновым сплавом релит, представляющим собой измельченный литой карбид вольфрама. Наплавка осуществляется путем разогрева токами высокой частоты или ацетилено-кислородным пламенем армируемой поверхности до температуры плавления, погружения в расплавленную поверхность зернистого релита и охлаждения. Кроме этого, в некоторых конструкциях долот в обратные конуса шарошек запрессовываются цилиндрические твердосплавные (сплав-ВКIIВК) вставки 4 с последующей наплавкой. Для улучшения охлаждения наплавленных поверхностей обратных конусов на них выполняются канавки 5.

 

2.3.4. Твердосплавное вооружение. В ряде типов долот в качестве элементов вооружения на центральных и периферийных венцах используются твердосплавные зубки, изготовленные из вольфрамо-кобальтового сплава типа ВКIIВК. Зубок имеет форму цилиндра, один торец которого плоский, а другой является рабочей головкой зубка, непосредственно воздействующей на горную породу. По форме рабочей головки выпускаются зубки конусно-клиновые типов «М» и «С» (рис. 7, а), клиновые типа «Т» (рис. 6, б) и конусно-сферические типа «К» (рис. 7, в). Вариантом зубка «К» может быть конусно-сферический зубок с несколькими коническими поверхностями (рис. 7, г). Зубок типа «М» имеет по сравнению с зубком «С» большую высоту рабочей головки h и меньший угол при вершине клина γ = 60⁰ (у зубка «С» γ = 68⁰).

Можно встретить долота с твердосплавными зубками с рабочими головками по ГОСТ 880-75. Этим ГОСТом предусмотрен выпуск зубков двух форм Г-25 и Г-26. Зубки Г-25 имеют клиновую рабочую поверхность с углом при вершине 90°. Вершина клина скруглена радиусом     1 мм и имеет торовидную поверхность. Зубки Г-26 имеют сферическую рабочую головку с радиусом сферы несколько больше радиуса цилиндрического тела зубка.

Твердосплавные зубки I запрессовываютсяся в отверстия, выполненные в венцах 2 (рис.2, а). Для улучшения условий работы зубков в телекаждого венца могут фрезероваться по образующей шарошки канавки 3.

Твердосплавное вооружение долот принято характеризовать следующими конструктивными параметрами: диаметром зубка D; формой рабочей головки зубка; глубиной запрессовки зубка в тело шарошки h₃; вылетом зубка из тела шарошки h_δ; шагом размещения зубков в венце t.

У долот с твердосплавным вооружением для фрезерования стенки скважины обратным конусом и предотвращения его износа в последний запрессовываются цилиндрические твердосплавные зубки 4 с плоскими торцами (рис. 8, б).

 

Рис. 8. Крепление зубков

 

 

2.3.5. Перекрытие забоя. Важным геометрическим параметром, во­оружения шарошечного долота является коэффициент перекрытия забоя, который рассчитывается для долот с фрезерованными зубьями по формуле

,                                             (1)

где  – сумма длин зубьев по одному с каждого венца всех шаро­шек (i – шарошка, j – венец); R_d – радиус долота, а для долот с твердосплавными зубками

,

где  – сумма диаметров зубков по одному с каждого венца всех шарошек. Для расчета коэффициента перекрытия забоя конкретного долота необхо­димо на нем промерить штангенциркулем размеры и .

 

2.3.6. Расположение шарошек. Расположение шарошек относительно оси долота определяется следующими параметрами:

1) углом наклона оси шарошки к оси долота β (см. рис. 2);

2) выносом вершины шарошки за ось долота f;

3) величиной см