Классификация инструментов ударного бурения
Инструменты, применяемые для ударного бурения, классифицируются по нескольким ключевым признакам. Основное деление происходит по типу рабочих элементов, которые непосредственно контактируют с породой. Выделяют два основных класса: лезвийные и штыревые инструменты. Кроме того, важным критерием является расположение этих рабочих элементов, что позволяет выделить одно-, двух- (включая модели с опережающим лезвием) и многоступенчатые конструкции.
Рис. 2.3.15. Коронка долотчатая пластинчатая:
На схеме обозначены основные геометрические параметры: D — диаметр коронки; b — ширина резца; D₁ — диаметр хвостовика; d — внутренний диаметр хвостовика; h — высота хвостовика; Н — высота коронки; R — радиус закругления долота; ρ — угол заточки.
Лезвийные долота: от простых к сложным
Наиболее простыми в изготовлении и обслуживании являются долота с одним лезвием (см. рис. 2.3.15). Их главное преимущество — высокая концентрация энергии удара на единицу длины лезвия, что обеспечивает значительную скорость проходки на начальном этапе. Однако у этой конструкции есть существенные недостатки: при работе, особенно по абразивным породам, происходит интенсивный износ, диаметр долота уменьшается, формируется обратный конус, что часто приводит к заклиниванию инструмента в скважине. Эта проблема также характерна для бурения трещиноватых пород.
Для повышения надежности и стойкости были разработаны многолезвийные долота с тремя или четырьмя лезвиями (крестовые), показанные на рисунке 2.3.17. Они отличаются повышенной износоустойчивостью, хорошо калибруют стенки скважины и практически не склонны к заклиниванию в сложных геологических условиях. Однако и у них есть свои минусы: такие долота сложнее затачивать, а скорость бурения может быть ниже из-за распределения энергии удара на несколько лезвий. Кроме того, при больших диаметрах (свыше 100 мм) наблюдается интенсивный диаметральный износ, из-за чего сечение скважины может приобретать форму многоугольника, что осложняет последующие технологические операции, например, заряжание взрывчатых веществ.
Промежуточным решением стали Х-образные коронки (рис. 2.3.18). Их форма, приближенная к долотчатой, позволяет сочетать относительно высокую скорость бурения с получением скважины более правильного круглого сечения.
Конструктивные улучшения: долота с опережающим лезвием
Особого внимания заслуживают долота с опережающим лезвием (рис. 2.3.19). Центральное лезвие, выступающее вперед, обеспечивает отличное центрирование инструмента, что облегчает начальное забуривание. Оно создает так называемый опережающий вруб, формируя дополнительную свободную поверхность, которая облегчает работу боковых лезвий. Это приводит не только к повышению эффективности разрушения, но и к образованию более крупных частиц породы, что снижает уровень пылеобразования во время работы.
Штыревые коронки: принцип работы и преимущества
Альтернативой лезвийным инструментам являются штыревые коронки (рис. 2.3.20). Их рабочий торец армирован не лезвиями, а цилиндрическими штырями, часто со сферической рабочей поверхностью. Принцип их действия основан на более равномерном распределении ударной нагрузки по площади забоя, что увеличивает площадь контакта и способствует откалыванию более крупных кусков породы. В итоге это снижает общую энергоемкость процесса разрушения.
Современные штыревые коронки часто выполняются по принципу самозатачивания: корпус коронки изнашивается быстрее, чем твердосплавные вставки-штыри, которые постоянно остаются в рабочем состоянии. Штыри требуют лишь периодической правки для восстановления закругленной формы и удаления усталостных микротрещин.
Ключевые преимущества штыревых коронок:
- Повышенная скорость бурения в породах средней и высокой крепости.
- Высокая стойкость между перезаточками благодаря эффекту самозатачивания.
- Снижение вибрации бурового става, что повышает общую надежность оборудования.
- Экономия твердого сплава.
- Улучшенное центрирование и снижение риска заклинивания.
- Упрощение логистики и обслуживания за счет сокращения номенклатуры сменных пластин.
Важно отметить, что применение штыревых коронок не всегда целесообразно. В вязких или малопрочных породах их эффективность падает, и скорость бурения может оказаться ниже, чем у лезвийных аналогов.
Специализированный инструмент для сложных условий
Для работы в особо сложных условиях, например, в сильнотрещиноватых или склонных к обрушению породах, используются специальные коронки. Их конструкция часто включает дополнительные режущие кромки в торцевой части. Эти кромки выполняют две функции: предотвращают заклинивание инструмента, измельчая крупные обломки, попадающие в забой, и помогают сохранять прямолинейность оси скважины, что критически важно для точности буровых работ.
Для подбора оптимального инструмента под конкретные задачи все технические характеристики буровых коронок для ударно-вращательного бурения систематизированы в специальных таблицах (например, табл. 2.3.3).
