Инструмент шарошечного бурения разделяется:
— по области применения (для бурения в породах различных крепости и абразивности);
— по типу рабочих элементов (фрезерованные и вставные зубья);
— по числу шарошек (одно-, двух- и трехшарошечные);
— по расположению и конструкции промывочных или продувочных (рис. 2.3.7) каналов [с центральной промывкой (Ц), с боковой гидромониторной промывкой (Г), с центральной продувкой (П), с боковой продувкой (ПГ)];
— по конструкции опоры шарошек [на подшипниках с телами качения (В); на одном радиальном подшипнике скольжения и остальными подшипниками с телами качения (Н); на одном радиальном подшипнике скольжения с герметизацией маслонаполненной
опоры (НУ); на двух и более подшипниках скольжения (А); на двух и более подшипниках скольжения с герметизированными маслонаполненными опорами (АУ)].
В табл. 2.3.1 приведены основные типы инструмента шарошечного бурения (долот) [16].
Приведем пример условного обозначения долота: 111-215,9-СЗ-ГНУ ГОСТ 20692-2003. Оно расшифровывается так:
III — долото трехшарошечное;
215,9 — диаметр долота, мм;
СЗ — тип долота (для бурения абразивных пород средней твердости);
Г — обозначение вида промывки (боковая гидромониторная);
НУ — обозначение вида опоры (герметизированная маслонаполненная на одном радиальном подшипнике скольжения и остальных — подшипниках с телами качения).
В горной промышленности применяются в основном трехшарошечные долота (рис. 2.3.8) с опорами Р-Ш-Р, имеющими два силовых роликоподшипника и между ними замковый шариковый подшипник.
В табл. 2.3.2 приведены технические характеристики шарошечных долот.
При бурении мягких пород для увеличения скалывающего воздействия на породу оси шарошек смещены в горизонтальной плоскости относительно оси долота (рис. 2.3.9).
При бурении крепких вязких пород с целью улучшения выноса из забоя выбуренных частиц применяются самоочищающиеся долота, выполненные с межзубковыми фрезерованными пазами. При бурении зубчатый венец одной шарошки входит в проточку между венцами другой, благодаря чему улучшается очистка зубьев от породы.
При бурении глубоких скважин целесообразно применять сферические долота, характеризующиеся высокой стойкостью опор и в целом долота (рис. 2.3.10).
Дополнительные устройства для шарошечных долот. Шарошечные долота с целью повышения эффективности процесса бурения оснащают следующими устройствами: лубрикаторами, маслоотделительными втулками, шламозащитными клапанами, амортизаторами, стабилизаторами и др.
Смазку опор долота осуществляют с помощью масляно-воздушного лубрикатора (рис. 2.3.11), устанавливаемого над долотом.
Масло находится в кольцевой полости, образованной корпусом / и трубой 2. Давление сжатого воздуха, поступающего от компрессора, передается на масло через напорную трубку 3. Для предотвращения утечек масла через центральное отверстие в долоте между лубрикатором и долотом 4 предусмотрена прижимная втулка 5. Смесительная камера, где расположена турбинка 6, сообщается через каналы во втулке 7 и каналы в долоте с опорами подшипников. Расход масла регулируют дросселем 8. Масло в корпус заливают перед бурением через отверстие, закрываемое пробкой 9.
Под действием давления сжатого воздуха, а также собственной силы тяжести масло при открытом дросселе 8 попадает в смесительную камеру на турбинку 6, вращающуюся под действием струи продувочного сжатого воздуха, перемешивается с ним, дробясь на капельки. Далее масляно-воздушная смесь через каналы во втулке 7 поступает к подшипникам шарошек, смазывая их, а воздух выходит через зазор между шарошкой и опорой, предупреждая попадание буровой мелочи в опоры подшипников шарошек.
Во ВНИИ буровой техники (г. Пермь) разработан достаточно простой способ подачи смазки к опорам шарошек: с отделением масла из воздушного потока в ниппельной полости долота и направлением его в подшипники долота с помощью специальной маслоотражательной втулки (рис. 2.3.12).
Долото выполнено с центральным продувочным отверстием и каналами в лапах для подачи в опоры воздуха и смазки. В центральный канал устанавливают втулку с боковыми отверстиями для подачи воздуха на забой. В верхней части втулка снабжена отражателем, обеспечивающим выделение имеющегося в воздушном потоке масла и скапливание его в кольцевой камере, откуда оно вместе с воздухом поступает в продувочные каналы в лапах. Ниже предусмотрен дополнительный отражатель, препятствующий разбрызгиванию масла воздушным потоком и попаданию его в центральный продувочный канал. Маслоотражательную втулку устанавливают в ниппельной полости долота и крепят к центральному соплу. Долота с маслоотражательными втулками имеют более равномерный износ вооружения.
При бурении обводненных скважин целесообразно применять обратные клапаны, предохраняющие важнейшие элементы долота и полости бурильных штанг от шлама (рис. 2.3.13).
Во время бурения продувочный агент поступает в каналы лап, предотвращая зашламо-вывание опор шарошек, одновременно охлаждая их и смазывая. В случае прекращения подачи продувочного агента тарелка клапана с помощью пружины прижимается к крышке и во внутренних полостях центрального сопла и ниппеля долота образуется воздушная подушка.
Для гашения низкочастотных колебаний бурового става, возникающих при интенсификации режимов бурения (повышения частоты вращения долота и силы подачи), и уменьшения передачи вибраций на конструкции станка применяют амортизаторы, которые размещают в различных местах бурового снаряда (рис. 2.3.14). Во время осевых перемещений трубы / под действием внешних сил происходит упругая деформация резиновых колец 2. Одновременно идет перетекание амортизационной жидкости через зазоры, образованные жиклерами 4 и втулками 3, и превращение механической энергии в тепловую.
Основной объем производства шарошечных долот за рубежом для горнорудной промышленности приходится на фирмы США. Несколько фирм фактически являются монополистами: это компании Yuth, Smith, Securite, Chicago Pneuvmatic, Reed, Oil manufacture, Sandvik и др.
Этими фирмами была разработана и широко используется конструкция комбинированной опоры шарошек, состоящей из большого роликового подшипника, располагаемого у основания цапфы: замкового шарикового подшипника, размещаемого в средней части цапфы; концевого подшипника скольжения и торцовой опорной пяты.
Для уменьшения трения в подшипнике скольжения и торцевой пяте конец цапфы наплавляют твердым сплавом и шлифуют, а в шарошку запрессовывают втулку из антифрикционного материала и опорную пяту. Пята и втулка перед запрессовкой охлаждаются до температуры -100 °С.
Чтобы обеспечить проход сжатого воздуха к поверхностям трения в долотах с продувкой опор, на цапфе подшипника скольжения предусматривают продольные пазы.
Торцовая опорная пята надежно воспринимает тангенциальную составляющую нагрузки на долото, позволяя разгрузить замковый шариковый подшипник и торцы роликов от восприятия тангенциальной составляющей, а это резко уменьшает износ шариков, исключает перекос и заклинивание роликов в процессе работы и тем самым увеличивает срок службы опор.
Сложность изготовления такой опоры состоит в необходимости выплавки цапфы из твердого сплава с последующей шлифовкой, изготовлением и запрессовкой опорной пяты и втулки из антифрикционного материала, прецизионной точности изготовления и сборки опоры.
Кроме того, за рубежом шарошечные долота изготавливают из высоколегированных сталей, обеспечивающих повышенные прочность и износостойкость материала шарошек и лап долота. Благодаря выполнению подшипникового узла с более высокой точностю уменьшается люфт шарошек на цапфах и увеличивается срок службы долот. Применение герметизированных опор шарошек препятствует попаданию продуктов разрушения в опорные подшипники и этим существенно снижает их износ. Изготовление долот с устройствами для консистентной смазки опор из масленок, смонтированных в лапах долот, позволяет улучшить условия работы опор и увеличить ресурс подшипников и долот в целом.
Использование шарошечных долот с боковой продувкой улучшает аэродинамическую характеристику и повышает стойкость долот.
Применяются специальные формы рабочих поверхностей твердосплавных штырей шарошек: коническая, клиновая с овальным притуплением и др.
Конструктивные и технические особенности зарубежных шарошечных долот способствуют значительному увеличению эффективности разрушения породы на забое и их работоспособности. Однако до сих пор ни одной из зарубежных фирм не освоено серийное изготовление комбинированных режуще-шарошечных долот, разборных (со съемными лапами) долот и долот для бурения скважин некруглой формы, разработанных в России.