Буровой инструмент вращательного действия

Для проходки шпуров и скважин вращательным способом применяют сверла, станки с шарошками и станки колонкового бурения.

Вращательное бурение сверлами осуществляется с помощью пневматического или электрического двигателя, который передает через штанги крутящий момент резцу, армированному пластинками твердого сплава. Порода разрушается резцом. Бурение сверлами проводят в мягких и ниже средней крепости породах, по углю, сланцам и т. д.

Вращательное бурение станками с шарошками осуществляется в мягких и средних, а в последнее время и в крепких породах. Порода разрушается вследствие вращения и перемещения шарошек по забою скважины. Шарошки получают вращение через колонну буровых труб от электродвигателя. Осевое давление достигает 20—40 Т.

При колонковом бурении порода разрушается по кольцу, внутри остается столб породы, который называется керном. Его периодически извлекают из скважины кернорвателем, либо заклинивая керн в колонковом снаряде камнем или стеклом. Колонковое бурение проводят коронками, армированными твердым сплавом или алмазами. Вращение по колонковой трубе от двигателя станка передается коронке, при этом создается значительная осевая нагрузка.



При вращательном бурении электрическими или пневматическими сверлами порода разрушается резцом, укрепленным на буровой штанге.

Резцы для вращательного бурения готовят из углеродистой стали. В корпус резца впаивают пластинки твердого сплава, обычно марки ВК8 или ВК6В. Резцы — съемные, свободно снимаются со штанги. Различают угольные и породные резцы, т. е. резцы для бурения по углю и по породе. Угольный резец, который работает в более мягкой породе, имеет меньшую площадь резания, а породный — наоборот.

Резцы (рис. 87) обычно имеют два пера, между которыми делают рассечку, угол раствора w, ширину рассечки d1, выбирают в зависимости от крепости пород.

Режущие кромки у резцов образуются пересечением передней и задней граней; каждое перо имеет по две режущие кромки главную и вспомогательную (или кромка рассечки).

Передняя грань представляет собой площадку, которая в процессе бурения снимает стружку породы.

Геометрия резца характеризуется углом заострения (заточки) у, задним углом а, передним углом р, углом резания b, углом раствора w, углом конусности резца о; концевым углом ф, углом при передней вершине ф1, углом при боковой вершине ф2.

Угол заточки у образуется передней и задней граня ми пера. Задним углом а называется угол между задней гранью пера и плоскостью резания. Обычно угол а<20°.

Передним углом р называется угол между передней гранью резца и плоскостью А, перпендикулярной плоскости резания. Передний угол в может быть положительным, когда угол резания меньше 90°, и отрицательным, когда угол резания б больше 90°.

Углом резания b называется угол между передней гранью пера резца и плоскостного резания. Концевой угол ф образуется продолжением главных режущих кромок перьев. Угол при передней вершине перьев ф1 образуется сопряжением главной режущей кромки с вспомогательной режущей кромкой.

Угол при боковой вершине пера ф2 образуется сопряжением главной кромки и образующей линии тела бура. Угол рассечки w образуется при пересечении вспомогательных режущих кромок. Угол конусности тела резца а необходим для уменьшения трения тела резца о стенки шпура



При отбойке угля используют различного типа врубовые машины и комбайны.

Рабочая цепь врубовых машин и комбайнов имеет зубки, которые в определенном интервале устанавливаются по цени При движении цепи зубки внедряются в мягкую породу и уголь и подрубают их.

Зубок состоит из корпуса 1, в котором впаяны пластинки твердого сплава 2 (рис. 88).



Шарошечное долото (рис. 89) состоит из корпуса и шарошек, которые укреплены на корпусе при помощи опоры с многорядным подшипником. Верхняя часть корпуса долота имеет резьбовой ниппель, соединяющийся с бурильными трубами. Вращение бурильной трубы передается корпусу долота и шарошкам. Корпус долота состоит из отдельных лап, сваренных между собой.

Шарошки изготовляют в виде конусов; наружную поверхность их армируют зубьями. При вращении шарошек их зубья накатываются на забой и разрушают породу.

Для изготовления шарошек используют легированные малоуглеродистые, цементируемые конструкционные стали, подвергающиеся в дальнейшем цементации на глубину 1,5—2,0 мм и закалке. Твердость шарошек должна быть 57—62 HRC.

Для изготовления лап применяются низколегированные, хромоникельмолибденовые стали. Поверхность лап цементируют на глубину 1,5—2,2 мм и закаливают до твердости 58—60 HRC.

Ролики и шарики подшипников изготавливают из стали марок 55СМА и 50ХН. После закалки твердость роликов и шариков должна быть 53—60 HRC.

Для армирования шарошек применяют твердый сплав марок ВК.8В и ВК6В. Промышленностью выпускаются различные типы шарошечных долот в зависимости от назначения.

По характеру разрушения породы в забое скважины долота подразделяются для бурения сплошным забоем (проходка эксплуатационных скважин) и долота для бурения кольцевым забоем — колонковые (проходка разведочных скважин с отбором керна).

По числу шарошек долота бывают одно-, трех- и четырехшарошечные.

Одношарошечные долота не имеют широкого применения ввиду недостаточной устойчивости при бурении и отклонения скважины. Диаметр одношарошечных долот обычно мал.

Двухшарошечные долота отличаются более прочной опорой для шарошек и значительно большим диаметром.

Наиболее распространены трехшарошечные долота с хорошей устойчивостью и механической прочностью опор.

Четырехшарошечные долота имеют наибольшую устойчивость на забое, позволяют разместить наибольшее число зубьев, выдерживают большие осевые усилия; их используют при проходке скважины в крепких породах.

В зависимости от условий эксплуатации изготавливают зубчатые, зубчато-штыревые, штыревые долота.

Зубчатые долота имеют стальные зубья, которые вы-фрезеровываются в теле шарошек. Эти долота используют для проходки скважин в мягких, средних породах.

Штыревые долота имеют в качестве зубьев шарошек цилиндрические вставки (штыри), изготовленные из твердого сплава марок ВК8В и ВК6В, запрессованные в тело шарошки. Долота с твердосплавными вставками применяют для проходки скважин в средних и крепких породах.

У зубчато-штыревых долот имеются стальные и твердосплавные зубья.

В зависимости от крепости пород промышленность выпускает восемь типов шарошечных долот;

М; MC — проходки скважин в пластичных, вязких, мягких, средних породах;

С; CT — для проходки скважины в хрупко-пластичных породах средней твердости;

Т; TK — для проходки скважины в хрупко-пластичных твердых и абразивных породах;

К — для проходки скважины в хрупких, крепких абразивных породах;

OK — для проходки скважины в хрупких, крепких и весьма крепких абразивных породах.

Шарошечные долота выпускают различных размеров, которые определены специальной нормалью. Наружный диаметр их колеблется в пределах 76—640 мм, высота 150—550 мм.



Буровой инструмент вращательного колонкового бурения состоит из буровой коронки, армированной пластинками твердого сплава или алмазами, колонковой трубы, переходника с колонковой трубы на штанги, буровых штанг.

Буровая коронка (рис. 90) представляет собой короночное кольцо 1 с толщиной стенок 6,5—8 мм, рабочий торец которого армирован твердыми сплавами 2 или алмазами. В нижней части коронка имеет резьбу 3, которой она соединяется с колонковой трубой, а последняя — с переходником колонковой трубы на штанги.

Для армирования буровых коронок применяют пластинки твердого сплава различной формы в зависимости от крепости бурильных пород.

При бурении крепких пород используют восьмигранные стержни диаметром 5 мм, длиной 10 мм. Допускаемые отклонения размеров: по длине ±0,5 мм, по диаметру ±0,3 мм. Масса стержня около 3 г. При бурении пород средней и выше средней крепости применяют прямоугольные пластинки длиной 10 мм, шириной 7,5 мм, толщиной 3 мм, массой около 3. Допускается отклонение по длине ±0,5 мм, ширине ±0,4 мм, толщине ±0,3 мм.

При бурении пород средней крепости и мягких пород используются косоугольные пластинки твердого сплава массой 3,3 а; для бурения мягких пород, кроме того, применяют пластинки твердого сплава, выполненные в форме ромба, длина одной стороны которого равна 8,5±0,5 мм, а другой 3±0,3 мм.

Восьмигранные твердосплавные стержни закрепляют в короночном кольце с поперечным выступом за наружную и внутреннюю боковые поверхности на 0,75—1,0 мм и с возвышением над торцом 1,5—2,5 мм. Для закрепления в короночном кольце восьмигранные стержни зачеканивают, а пластинки других форм припаивают. Пластинки твердого сплава после изготовления коронки затачивают под углом 40-85°.

Буровая коронка колонкового бурения, кроме армирования пластинками твердого сплава, может быть оснащена и алмазами. Для этого используют мелочь размером 120—200 шт. из 1 карата.

Мелкоалмазные буровые коронки колонкового бурения в зависимости от способа их изготовления называются литыми или насыщенными.

При изготовлении литых коронок мелкие алмазы укладывают в угольную или слюдяную форму и заливают металлическим сплавом, который закрепляет алмазы, причем алмазы укладывают с соблюдением определенного направления режущих граней зерен. Обычно выбирают сплав с низкой температурой плавления: сплавы меди, алюминия, никеля, кобальта, чтобы избежать графитизации алмазов. После спекания получают короночное режущее кольцо, которое припаивают к торцу короночного кольца. Литые коронки обычно делают из более крупных алмазов и применяют для бурения менее крепких пород.

Насыщенные алмазные коронки производят следующим образом: мелкие алмазы с тонким порошком твердых сплавов спекают под большим давлением. В период подготовки к спеканию алмазы могут быть либо уложены на дне прессформы, либо перемешаны с порошком твердого сплава; в первом случае алмазы будут расположены только на торце режущего кольца, во втором распределены по всей массе кольца. В качестве твердого сплава применяют порошкообразные смеси вольфрама, кобальта, меди, никеля, феррохрома, молибдена в различных пропорциях и комбинациях. Режущее кольцо, которое получается после спекания, припаивают к короночному кольцу с помощью сплава меди с цинком, в отдельных случаях режущее кольцо соединяют с короночным кольцом при помощи механического крепления (например, шплинтов).

Насыщенные коронки обладают более высокой вязкостью, чем литые, что повышает их износостойкость.

Мелкоалмазные коронки могут быть следующих типов:

а) керновые (кольцевые) коронки со сплошным режущим кольцом и секторные;

б) бескерновые коронки: сплошные (вогнутые, прямые, выпуклые), ступенчатые.

Керновые коронки обычно применяют для бурения скважин в крепких и весьма крепких породах. Проходка на одну мелкоалмазную коронку до полного износа зависит от крепости и абразивности пород и составляет от 5—6 до 90—120 м, а в мягких известняках — до несколько тысяч метров.