Породоразрушающий инструмент – это категория бурового оборудования, которая используется для разрушения не только горной породы, но также цемента и технологической оснастки в скважине.
Существует достаточно широкое многообразие породоразрушающих инструментов, которые отличаются областью применения, конструкцией и принципом работы.
В общем виде можно выделить следующий категории породоразрушающего инструмента: буровые долота, бурильные головки, калибраторы, расширители, фрезеры.
Важно отметить, что бурильные головки также относятся к категории керноотборного инструмента, фрезеры – к категории аварийного инструмента, а калибраторы – опорно-центрирующего инструмента.
Буровые долота используются непосредственно для разрушения горной породы, а также для нормализации забоя после цементировочных работ, то есть для разбуривания технологической оснастки.
Бурильные головки используются также для разрушения горной породы на забое, но с тем отличием, что они имеют в центральной части отверстие, куда происходит отбор столбика керна.
Расширители – необходимы для увеличения диаметра скважины поступательно за долотом меньшего диаметра или локально в определенном интервале.
Калибраторы используются для выравнивания стенок скважины, поддержания номинального диаметра скважины, а также для удаления со стенок скважины неустойчивых элементов, формирующих зону предразрушения.
Фрезеры необходимы для разрушения на забое твердых элементов (преимущественно металлических и твердосплавных), оставленных на забое при инцидентах и авариях. Также они могут использоваться для нормализации забоя и разбуривания ненормативных цементных стаканов.
(Сообщение последний раз редактировалось: 08-08-2025, 09:01 AM EpikhinAV.)
Буровые долота можно классифицировать по следующим критериям: по механизму разрушения горной породы и по типу долота. Естественно, что в данном контексте мы рассматриваем инструмент для вращательного механического бурения.
По механизму разрушения горной породы выделяют:
- Дробящего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие перекатывания вооружения по забою и создания ударов по нему, приводящих к хрупкому разрушению породы (дроблению). Такой механизм разрушения характерен для шарошечных долот, работающих с твердыми и крепкими горными породами. Результатом разрушения является лунка в месте контакта единицы вооружения и забоя концентрической формы, а шлам представлен кусочками шлама более или менее одинаковой формы и схожими линейными размерами по всем сторонам.
- Дробяще-скалывающего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие перекатывания вооружения по забою. Но в отличие от дробящих инструментов – они вдавливают вооружение в горную породу и затем выкалывают его за счет крутящего момента. Естественно, что момент вдавливания сопровождается и дроблением горной породы под пятном контакта. Такой механизм разрушения характерен для шарошечных долот. Результатом разрушения является выкол в месте контакта единицы вооружения и забоя (лунка может быть концентрической, а может быть вытянутой в виде борозды) , а шлам представлен кусочками шлама более или менее одинаковой формы и схожими линейными размерами по всем сторонам.
- Режущего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие линейного движения вооружения по забою. Для того, чтобы шло разрушение необходимо обеспечить внедрение вооружения в забой на какую-либо глубину. Результат разрушения является борозда, а шлам представляет собой длинную линейную «стружку». Такой механизм разрушения характерен для лопастных долот, работающих по мягким и пластичным горным породам.
- Режуще-скалывающего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие линейного движения вооружения по забою, но в отличие от долот режущего действия – стружка является более хрупкой и часто отламывается, что провоцирует образование частиц шлама с размерами, близкими во всех сечениях. Для того, чтобы шло разрушение необходимо обеспечить внедрение вооружения в забой на какую-либо глубину. Результат разрушения является борозда, а шлам представляет собой короткие обломки «стружки». Такой механизм разрушения характерен для лопастных долот.
- Истирающего действия – это долота, которые разрушают горную породу вследствие линейного движения вооружения по забою и истирания ее мелким высокоабразивным вооружением. Для того, чтобы шло разрушение необходимо обеспечить внедрение вооружения в забой на небольшую глубину и интенсивное вращение. Результат разрушения являются мелкие борозды или царапины на забое, а шлам представляет собой мелкофракционные частицы породы – другими словами «пыль». Такой механизм разрушения характерен для алмазных долот.
(Сообщение последний раз редактировалось: 08-08-2025, 09:00 AM EpikhinAV.)
Буровые долота – это тип породоразрушающего инструмента, который используется для сооружения скважины сплошным забоем, то есть скважина выглядит условно в виде цилиндра.
Буровые долота в общем виде могут классифицироваться на следующие типы:
- Лопастные – долота, которые разрушают горную породу режущим или режуще-скалывающим способом;
- Шарошечные – долота, которые разрушают горную породу дробящим или дробяще-скалывающим способом;
- Алмазные – долота, которые разрушают горную породу истирающим или истирающе-режущим способом;
- Комбинированные – долота, которые объединяют в себе несколько типов единовременно.
Стоит отметить, что разрушение горной породы в реальных условиях обычно имеет сложную динамику и тесно связано с ее генезисом и физико-механическими характеристиками. Поэтому логично учесть, что, например, шарошечные долота в определенных условиях могут осуществлять небольшое режущее движение по забою, равно как и лопастные долота могут в дополнение к режущему воздействию – дополнительно истирать горную породу.
Стандартно конструкция долота может состоять из различных элементов:
- Корпус – это часть долота, на котором и внутри которого располагаются все остальные элементы конструкции;
- Вооружение – это часть долота, которая осуществляет непосредственный контакт с горной породой и производит ее разрушение;
- Система обеспечения разрушения – это часть долота, которая обеспечивает работу вооружения (у лопастных долот – это лопасти, у шарошечных – шарошки, вращающиеся на подшипниках);
- Система охлаждения и очистки – это часть долота, которая отвечает за циркуляцию промывочного агента вдоль корпуса и вооружения долота;
- Система смазки – это часть долота, которая отвечает за функционирование подшипников (если они имеются) долота и их смазку;
- Система крепления – это часть долота, которая позволяет закрепить его на конце бурильной колонны (муфтовая или ниппельная резьба).
(Сообщение последний раз редактировалось: 08-08-2025, 09:01 AM EpikhinAV.)
Шарошечное долото – это тип долота, который разрушает горную породу вращательным способом за счет перекатывания шарошек с вооружением по забою. Механизм разрушения шарошечного долота – дробяще-скалывающий (для всех пород кроме твердых, крепких и очень крепких) и дробящий (для твердых, крепких и очень крепких горных пород).
Шарошечное долото с правильным конусом было изобретено в США Хьюзом лишь в 1909 году.
Шарошечное долото состоит из нижеследующих элементов:
- корпус с присоединительной резьбой муфтового или ниппельного типа;
- лапы – это элементы продолжающие корпус, разветвляющие его для размещения шарошек;
- цапфы – посадочные узлы для подшипников, на которых размещаются шарошки; цапфы являются частью (продолжением лапы), то есть вытачиваются на них, а также они выполняют роль оси для вращения шарошки;
- шарошки – это вращающиеся на подшипниках элементы долота, которые имеют вооружение для разрушения горной породы, а во время работы долота – они перекатываются по забою, создавая дробяще-скалывающий или скалывающий эффект;
- подшипники – это узлы, которые размещаются на цапфах и на которые устанавливаются шарошки для вращения при работе по забою;
- вооружение – это элементы выфрезерованные в теле шарошки или впрессованные в него, которые непосредственно внедряются в массив горной породы;
- смазочная система и уплотнения – смазочная система необходима шарошечному долоту для обеспечения долговечности работы подшипников, а уплотнения ограничивают попадание скважинной среды (бурового раствора) в зону подшипников;
- промывочные отверстия и гидромониторные насадки – это специальные каналы в теле долота для обеспечения акцентированной промывки и охлаждения его при работе на забое; гидромониторные насадки обеспечивают необходимую скорость истечения раствора из тела долота для эффективной очистки забоя от шлама.
Последовательно, сверху вниз разберем конструкцию шарошечного долота.
Корпус – это основная часть шарошечного долота, которая определяет его внешний вид, возможность сопротивляться конструкционным нагрузкам и служит для размещения элементов соединения с бурильной колонной и породоразрушающих элементов.
Корпуса долот бывают двух видов: литой (цельнотельный) и сварной (состоящий из сегментов). Литой корпус изготавливается путем отливки в заранее подготовленную форму и последующей формовки и шлифовки. Сварной предполагает изготовление методом металлообработки отдельных частей корпус (чаще всего это комбинация лапы и соответствующего сектора корпуса, а затем его сварка). Отличить его можно по характерным сварным швам, но в современных долотах они нередко очень хорошо зашлифовываются.
Также имеет место понятие фрезерованный корпус – когда берется заранее подготовленная болванка и на станке с ЧПУ получает необходимую форму. В принципе в современных реалиях такой подход используется и при изготовлении элементов сварного корпуса.
Иногда в литературе можно встретить упоминания о кованных корпусах, но я думаю, что это скорее неверная трактовка понятия «литой».
Логично, что литой корпус является более прочным (если предположить отсутствие явных внутренних дефектов), но важно понимать, что процесс изготовления формы, отливки и дальнейшей обработки достаточно трудоемкий. Более экономически целесообразными выглядят фрезеровка и использование сварных конструкций.
Корпус долота с одной конца заканчивается резьбовым соединением. Чаще всего используется резьба ниппельного типа, но встречаются (обычно в бурильных головках шарошечного типа) и резьбы муфтового типа.
Противоположный конец корпуса венчается разветвлением из лап, на которых размещаются цапфы и вращающиеся на них шарошки. Количество лап определяется количеством шарошек долота.
Также в корпусе высверливаются отверстия (обычно 3) для промывки (в случае, если рассматривается боковая или обратная) или формируется при сборке одно центральное отверстие (в случае, если разговор идет о центральной промывке). В редких случаях (при изготовлении долот больших диаметров) сегменты корпуса с промывочным отверстием изготавливается отдельно, а потом собираются вместе с лапами и свариваются.
В долотах с герметизированной системой смазки в корпусе (на каждой лапе) формируется углубление, куда эта система смазки (резервуар, уплотнения и т.п.) устанавливается при сборке.
Верхняя часть шарошечного долота разделяется на лапы. Лапа представляет собой часть корпуса, на которой устанавливается вращающийся элемент долота – шарошка.
Шарошка, как и любой вращающийся элемент, должна иметь ось вращения. Для этих целей используется цапфа – выфрезерованный в теле лапы посадочный узел, на котором размещаются шарошки и подшипники для их вращения.
Совокупность подшипников называется опорным узлом шарошечного долота. Выделают три комбинации подшипников шарошечного долота:
- Для быстроходных долот – используются все подшипники качения (шарико- или роликоподшипники);
- Для среднеходных долот – используется один подшипник скольжения, а остальные – качения;
- Для тихоходных долот – используется два подшипника скольжения (один типа «втулка-втулка», второй - торцевой) и остальные (обычно один – замковый) качения.
Основная разница между опорными узлами заключается в том, что быстроходные долота могут вращаться с высокими частотами вращения, но не предназначены для использования под высокими осевыми нагрузками. В свою очередь, тихоходные долота можно «нагружать», но использовать их можно при умеренных скоростях частот вращения.
Формально считается, что предельная рабочая частота вращения для долот тихоходного типа составляет 100 об/мин при допустимых нагрузках до 30 тонн, в то время как быстроходные долота могут вращаться с частотами до 300 об/мин, но осевая нагрузка обычно не превышает 10-12 тонн.
Это обусловлено принципом восприятия нагрузки со стороны опорного узла. Если мы говорим о шарикоподшипнике, то нагрузка передается через пятно контакта на шарике – «точка», если роликоподшипник, то нагрузка передается через «линию», а если подшипник скольжения, то нагрузка распределяется по всей контактной площади. Чем больше контактная площадь, тем меньшее давление приходится на опорный узел при вращении.
Продолжая разговор о опорном узле шарошечного долота, стоит упомянуть о замковом подшипнике, который помимо своих основных функций выполняет еще и функцию удержания шарошки на долота. Замковыйподшипник всегда представляет собой шарикоподшипник, который запрессовывается в полость шарошки в свои посадочные борозды на цапфе через специально проточенное отверстие в лапе. После запрессовки последнего шарика данное отверстие закрывается замковым пальцем и заваривается.
Шарошка и подшипники размещаются на цапфе, которая выполняет роль оси вращения для шарошки. На цапфе сделаны специальные борозды и посадочные седла под подшипники. Цапфа вытачивается на лапе с помощью высокоточных токарных станков.
Шарошка является подвижным элементом шарошечного долота. Она вращается вокруг своей оси симметрии и размешается она на цапфе. Она может иметь различную форму – цилиндрическую, конусную, шаровидную или чечевицеобразную. Шаровидные шарошки преимущественно встречаются у одношарошечных долот (используются для локального расширения ствола скважины), чечевицеобразные и цилиндрические – у бурильных головок (используются для отбора керна), конусообразные являются наиболее распространенными для долот при сплошном бурении.
Долота также классифицируются по количеству шарошек. Но наиболее распространенной конструкцией для сплошного бурения является именно трехшарошечное долото. Если мы будем говорить о бурильных головках, которые применяются для отбора керна, то тут количество шарошек увеличивается пропорционально уменьшению их диаметра – это делается с той целью, чтобы повысить стабильность работы инструмента (снизить вибрации и биения).
Размер шарошки зависит от ее формы и их количества. Например, у трехшарошечных долот диаметр шарошки составляет порядка 60-65% от диаметра долота. Размер шарошки определяется тем условием, чтобы при совместной работе по забою достигалось полное его перекрытие всеми шарошками для обеспечения строительства скважины номинального диаметра.
