Обеспечение дробящей и скалывающей способности шарошек

Дробящая способность шарошек обеспечивается перекатыванием венцов с зуба на зуб. При этом возникает динамическая нагрузка на долото, которая характеризуется коэффициентом динамичности k_д:

k_д = , (3.10)

где G – статическая нагрузка, задаваемая бурильщиком; G_д – динамическая нагрузка, равная амплитуде колебаний нагрузки при перекатывании долота по забою. Динамическая нагрузка зависит от шага зубьев в венцах шарошек, интенсивности разрушения горной породы и жесткости как породы, так и бурильной колонны. В конструкции долота изменять динамическую нагрузку можно, изменяя шаг зубьев s в венцах (рис. 3.7). Но даже при самых маленьких шагах, заложенных в конструкции долота, коэффициент динамичности получается слишком большим. Поэтому используется размещение зубьев одних венцов в свету других. В этом случае перекатывание шарошки происходит с зуба одного венца на ближайший зуб другого венца с шагом s_c (см. рис. 3.7). Из рис. 3.7 видно, что шаг в свету существенно меньше шага в венце, а поэтому соответственно уменьшается амплитуда колебаний нагрузки и инструмента и увеличивается частота колебаний.

У современных долот коэффициент динамичности должен быть в пределах 1,1…1,3. Если коэффициент динамичности выходит за эти пределы, то может возникнуть аварийная ситуация. В этом случае желательно применение амортизаторов или демпферов колебаний.

Скалывающая способность шарошек задаетсяих геометрическими параметрами, формой и смещением осей шарошек в пла­не. На рис. 3.8, а показана шарошка "чистого" качения. Вершина этой шарошки лежит на оси 1 долота, а ось шарошки 2 пересекается с осью долота. Такая ша­рошка не может создать существенного для разрушения горных пород скалы­вающего эффекта. Конус 3 называется основным, а конус 4 обратным. На ко­нусе 4 размещено вооружение, калибрующее стенку скважины. Тем не менее, такая шарошка называется одноконусной, т.е. обратный конус в расчет не при­нимается.

Для обеспечения скалывающего эффекта используются три технических приема. Первый - вынос вершины за ось долота на величину f, как показано на рис.3.6 и рис. 3.8, б.

Рис. 3.8. Формы шарошек

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, как показано на рис. 3.8, б. 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 создаст существенный скалывающий эффект.

Второй прием - выполнение шарошек многоконусными. На рис. 3.8, в по­казана трехконусная шарошка. Конус 5 называется первым дополнительным, а конус 6 - вторым дополнительным. 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.

Третий прием - смещение осей шарошек в плане на величину k в направ­лении вращения долота, как показано на рис. 3.5 и рис. 3.9, из которых видно, что оси долота и шарошки не пересекаются. Следовательно, третий прием позволяет исключить нескользящие относительно забоя точки на образующей шарошки, контакти­рующей с забоем.

Шарошечные долота по скалывающей способности делятся на три подгруппы: с низкой, средней и высокой скалывающей способностью (табл.3.4).

Таблица 3.4

Характеристики скалывающей способности шарошечных долот

В качестве классификационного признака принято относительное смещение k₀ оси шарошки в плане:

k₀ = k/R_д,

где k – смещение оси шарошки; R_д – радиус долота (см. рис.3.9).