Инструмент для буровых машин

Погружные пневмоударники.
В современной промышленности наиболее широкое применение получила технология ударно–вращательного бурения, к которой относится бурение с пневмоударником.
Буровое долото для ударно-вращательного бурения имеет ударный профиль выпуклой формы со штырями из твердого сплава, встроенными в переднюю часть инструмента.
Принцип работы пневмоударника основан на преобразовании энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию возвратно-поступательных движений поршня. Поршень ударника снабжен штоком с бойком, который воздействует непосредственно на породоразрушающий инструмент. Для предотвращения зашламления, современные пневмоударники имеют встроенные обратные клапаны.

Рисунок 3 – Погружной пневмоударник
1 Головная часть (2 3/8 API). 2. Кольцо 3. Клапан 4. Пружина 5. Кольцо 6. Газоразрядный механизм 7. Внутренний цилиндр 8. Поршень 9. Основная труба 10. Кольцо 11. Полукольца 12. Нижняя гайка 13. Буровая коронка
Через центральное отверстие бурового долота производится выхлоп отработанного воздуха, которым удаляется шлам, параллельно с разрушением породы.
Применение пневмоударника эффективно только при бурении скальных пород, на рыхлых и мягких грунтах мощная продувка провоцирует эрозию и создает опасность обрушения стенок скважины, а на глинистых породах инструмент быстро зашламляется.
Преимущества пневмоударного бурения:

1. 
   Скорость бурения в 3-5 раз выше за счет большой скорости движения воздушного потока, выносящего шлам.
   
2. 
   Автоматическая очистка скважины.
   
3. 
   Бурение выполняется насухую, то есть не требует подачи промывающей жидкости.
   
4. 
   Буровая коронка не заклинивается при работе с трещиноватыми породами.
   
5. 
   Быстрая и удобная смена бурового инструмента.
   

Инструмент для станков вращательного бурения шарошечными долотами.
Универсальным методом бурения является вращательное бурение, так как позволяет осуществлять проходку скважин диаметром от 127 мм и более (при соответствующем выборе инструмента и режимов бурения) в породах от слабых с f < 6…8 (долотами режущего и комбинированного типов) до весьма крепких f<18 (шарошечными долотами), а в отдельных случаях коэффициентом f>18.
Частота вращения бурового става при этом варьируется от 0,5 до 2,5 с-1, момент на вращателе — от 25 до 60 Нм на 1 кН осевого усилия подачи. Удельная осевая нагрузка на долото обычно не превышает 1,8 МН/м диаметра долота. Суммарное осевое усилие (от веса бурового става и осевого усилия подачи), развиваемое на буровом ставе, может достигать 50—70 % веса станка.
Комплект бурового инструмента станков вращательного бурения (рис. 4) с верхним вращателем состоит из упругой муфты, служащей для гашения вертикальных колебаний бурового става и устанавливаемой между шпинделем вращателя и сменным переходником (адаптором), удлинителя става, гладкой штанги соответствующего диаметра, стабилизатора и долота.

Рисунок 4 - Комплект бурового инструмента станков вращательного
бурения шарошечными долотами: 1— шпиндель вращателя; 2 — упругая муфта; 3 — переходник-адаптер; 4 — буровая штанга; 5 — удлинитель штанги; 6 — стабилизатор; 7- долото.
При вращательном бурении используют следующие виды долот: режущие, штыревые и комбинированные, двух и трехшарошечные.
Наиболее распространенные трехшарошечные долота используют для разработки пород от мягких до очень крепких с вооружением шарошки в виде фрезерованных на ней зубьев (рис. 5, а) различной длины и конфигурации или впрессованных в нее штырей из твердого сплава — карбида вольфрама (рис. 5, б).
Режущие долота предназначены для бурения мягких пород. Хотя абсолютные значения осевых усилий подачи, необходимых для внедрения режущего долота в породу при одинаковых диаметрах долота, меньше, чем шарошечных, потребный вращательный момент на режущем долоте, приходящийся на единицу осевого усилия подачи, должен быть больше, чем у шарошечного инструмента.
Это объясняется спецификой процесса взаимодействия инструмента с породой.
Комбинированный инструмент станков вращательного бурения объединяет в себе элементы режущего и шарошечного долот и эффективно используется при проходке скважин в породах с перемежающимися слоями твердых и мягких напластований.
Трехшарошечные долота (рис. 5), применяемые в горнорудной промышленности, состоят из трех сварных секций (лап), на которых монтируют шарошки 1.
Опоры шарошек в зависимости от размеров долот выполняют по различным схемам. В горной промышленности трехшарошечные долота применяют с опорами (Р-ШР), имеющими два силовых роликоподшипника 6 и 8 и одним шариковым (замковым) между ними.

Рисунок 5 – Конструктивные схемы трехшарошечных долот: а — зубчатого с фрезерованным вооружением шарошек и периферийной продувкой; б — штыревого с вооружением цилиндрическими элементами из твердого сплава и центральной продувкой; 1 — шарошка; 2 — лапа долота; 3 — присоединительный ниппель с резьбой; 4 — периферийный (а) и центральный (б) продувочные каналы; 5 — канал для подачи замкового ряда шарикового подшипника с фиксатором; б — роликовый подшипник опоры; 7 - замковый (шариковый) подшипник; 8 — роликовый подшипник опоры; 9 –элементы породоразрушающего фрезерованного (а) и твердосплавного (б) вооружения шарошки; 10 — корпус шарошки; 11 — опорная пята шарошки; 12— воздушный канал к подшипникам шарошки; 13—воздухо-направляющий винт.
На долотах малых диаметров нижний подшипник может быть шариковым (Р-Ш-Ш) или скользящего типа. Долота для тяжелых условий эксплуатации снабжают упорной пятой скольжения (УПС).
Шарошки и лапы долот в основном изготовляют из хромоникелевой малоуглеродистой (12ХН2), (20ХНЗЛ) и никель-молибденовой (17НЗМА) сталей и подвергают химико-термической обработке.
Тип шарошечного долота выбирают в зависимости от назначения, конструкции, формы шарошек, расположения последних относительно оси долота и забоя, числа и размера зубьев, абразивной стойкости зубьев и способа очистки от буровой мелочи (воздухом или водо-воздушной смесью).
Для гарантированного выноса буровой мелочи диаметр штанги для заданного диаметра скважины должен отвечать следующим условиям:

• 
  для крепких пород, у которых обычно образуются мелкие частицы, штанга должна быть на 38 мм меньше диаметра долота, что позволяет пропускать частицы размером до 15 мм.
  
• 
  для пород средней крепости штанга должна быть на 50 мм меньше, чем долото (минимальная скорость выноса 1525 м/мин.), чего достаточно для прохода частиц до 25 мм;
  
• 
  для мягких пород штанга должна быть на 75 мм меньше диаметра долота (при выносной скорости частиц не менее 1220 м/мин), что позволяет транспортировать частицы размером до 50 мм и более в зазоре между скважиной и штангой без повторного дробления частиц и его заштыбовки;
  

Для бурения шарошечными станками (с продувкой воздухом) типов СБШК СБШК-200, СБШ-200 и СБШ-250 слабых и средней крепости пород (f<7) используют режущие буровые долота (рис 6). Долота, имеющие диаметры 215,9; 244,5 и 269,9 мм оснащены восьмью-десятью сменными резцами, армированными пластинками твердых сплавов.
Сжатый воздух к забою подается через наклонные каналы и отверстия, расположенные между резцами.

Рисунок 6 - Режущие долота для бурения с продувкой: а — ЗРД215,9; б — 1РД244,5; в —1РД269,9 1 — хвостовик; 2 — съемный корпус. 3 — сменный зубок: 4 — замковый палец; 5 — корпус долота.
Режущие долота с воздушной продувкой предназначены для бурения многолетнемерзлых пород повышенной влажности с гравийно-галечными включениями и могут использоваться для бурения пород с обычным температурным режимом.
Комплект бурового инструмента состоит из режущих долот и шнековых штанг.

Рисунок 7 – Режущие долота для бурения со шнековой очисткой скважин: а — РК4М; б — 8РД160Ш; в — 10РД160ШП; 1 — хвостовик; 2 — съемный корпус; 3 — соединительный палец; 4, 5— укороченные резцы типа ШБМ2С; 6 — литой корпус.
Шнековый способ очистки скважин от шлама является пассивным, поскольку не обеспечивает принудительного удаления продуктов разрушения из призабойной зоны.
Поступление буровой мелочи на первый виток шнека, который отстоит от забоя на высоту долота, происходит за счет вытеснения ее буровым инструментом. Шнековый способ очистки скважины применяется только в сочетании с режущим буровым инструментом.

Рисунок 8 – Секции шнековых буровых штанг для очистки скважин со спиралью: а — сплошной; б — полой коробчатой; в — полой уступчатой; г — ленточной; д — с радиальными отверстиями в трубе; е — секционной.
Режущий инструмент классифицируется:

• 
  по числу режущих лучей (перьев). Выделяют двухлучевые (двухперые); трехлучевые, четырехлучевые; с круговым расположением резцов. Двухлучевые долота чаще имеют сплошное армирование режущей кромки и при шнековой очистке обеспечивают наименьший коэффициент перекрытия скважины. В трещиноватых породах целесообразно применение трехлучевых долот. Четырехлучевые долота и долота с круговым расположением резцов имеют большой коэффициент перекрытия скважины и рекомендуются для бурения с продувкой;
  
• 
  по форме режущей кромки и расположению резцов по высоте. Выделяют инструменты со сплошной режущей кромкой (бесступенчатая форма забоя); с прерывистой режущей кромкой (ступенчатая форма забоя); с превышением резцов в каждой последующей линии над предыдущими (ступенчатая форма забоя);
  
• 
  по способу армирования твердым сплавом. Выделяют инструменты со вставками по торцу или по передней грани; с несъемными резцами; со сменными резцами. Армирование производится пластинами твердого сплава типа ВК или трубчато-зернообразным твердым сплавом типа ТЗ. Инструмент со сменными резцами является перспективным на породах повышенной крепости.
  

Шнековый буровой став (рис. 8) служит для передачи крутящего момента долоту, а также очистки скважины. Он состоит из секций, каждая из которых, в свою очередь, складывается из трубы 1 диаметром D, приваренной к ней спирали 2 , шага 5 из полосовой стали и хвостовиков 3 и 4. Не имеющие продувки секции между собой соединяются с помощью продеваемых сквозь отверстия хвостовиков валиков. Аналогичным образом верхний шнек става соединяется с переходником шпинделя, а к нижней штанге присоединяется долото. Штанги для шнекопневматической очистки имеют резьбовое соединение, различную форму спирали и сквозное внутреннее отверстие. Для станков шнекового бурения применяют три типа штанг диаметром по спирали 107 - 155 мм, длиной 1800 - 8190 мм и массой 20 - 270 кг. В зависимости от абразивности и крепости породы долговечность штанги до разрушения составляет от 3 до 44 тыс м. Наружный диаметр шнека D для уменьшения трения о стенки скважины должен быть на 10 % меньше диаметра долота.