Инструмент буровых машин

1. Буровой инструмент машин вращательного бурения состоит из съемной коронки (у сверл — резцы) и буровой штанги. У сверл штанги цельные, у буровых станков составные.

Резцы изготовляются штамповкой и армируются пластинками металлокерамического сплава ВКВ или ВК-8В. Для бурения по углю, мягким породам и породам средней крепости резцы имеют различную форму. Некоторые типы породных резцов приведены на рис. 12. Резец (рис. 3.1, а) состоит из перьев 1, тела резца 2 и хвос­товика 3. Бурение этим резцом осуществляется без промывки шпура. Шлам при бурении удаляется из шпура витой (шнековой) штангой. При бурении с промывкой хвостовик резца выполняется цилиндри­ческим с продольным каналом. Для бурения пород средней и выше средней крепости разработаны резцы крупного скола РКП-1, РКП-3, РКП-Зк. Эти резцы имеют опережающие 1 и периферийные 2 лезвия, вмонтированные в корпус 3 (рис. 3.1, б). Плоскости А резцов армированы пластинками твердого сплава. Средняя скорость бурения этими резцами плотных известняков с f = 10-12 составляет 45—47 см/мин. Промышленностью разработаны также резцы торце­вого резания Д-2СУ и Д-4С, освоение которых позволит значительно расширить область применения вращательного бурения.

Рис. 3.1. Инструмент для вращательного бурения:

резец для мягкой породы и угля; б — резец для породы средней крепости и крепкой

Коронки буровых станков бывают двух- и трехперые (рис. 3.2, а). Последние распространения не получили из-за сложности их изго­товления. Коронка имеет хвостовик 1, которым она соединяется с буровой штангой. Изготовляются коронки литьем, ковкой или штам­повкой. Режущие кромки перьев 2 армируются твердым сплавом 3. В настоящее время разработаны коронки со съемными зубьями 1 (рис. 3.2, б), расположенными на конусной державке 2. Резцы, находящиеся ближе к оси вращения, идут впереди резцов, более удаленных от нее, и взаимного блокирования резцов при этом нет. Такая коронка лучше центрируется по оси скважины и износ коронки по всей режущей кромке одинаков. Коронки со съемными резцами наиболее широко применяются при шнеко-буровом способе добычи.

Рис. 3.2. Инструмент со съемными резцами для работы на станках вращательного бурения: а— литая коронка, армированная твер­дым сплавом (Карпинского завода); б — со съемным зубом КБП-1 (Куз­басского политехнического института).

Рис. 3.3. Штанга станка вращательного бурения а — для бурения по углю; С — для бурения по породе

Штанги ручных и колонковых сверл изготовляются из витой стали ромбического сечения. С одного конца штанга имеет хвостовик для крепления ее в патроне сверла, а с другого — гнездо для креп­ления на штанге резца.

Штанга бурового станка состоит из стальной трубы 1 (рис. 3.3, а), к которой приварена стальная спираль 2. Для увеличения стойкости спираль по краю наваривается твердым сплавом. К концам трубы приварены вставки 3, одна из которых имеет хвостовик, а другая — гнездо. Обе вставки имеют радиальное отверстие, в которое встав­ляется валик, соединяющий штанги. Валик шплинтуется проволо­кой. Крутящий момент от одной штанги к другой передается прямо­угольным хвостовиком. Рабочая длина штанги обычно около 2 м, внешний диаметр на 5—10 мм меньше диаметра скважины. Необхо­димость частого наращивания штанг (через каждые 1,3—2 м) и потери времени на шплинтовку валиков снижают производительность станка. Сокращение потерь времени может быть достигнуто увеличением длины штанги до 3—4 м и применением конусного резьбового соеди­нения штанг.

2. Инструмент ударного бурения.

Инструмент бурильных молотков. Бур состоит из тела бура, хвостовика и коронки. Различают буры сплошные и составные. У первых коронка (головка) откована заодно с телом бура, а у вто­рых коронки съемные; при глубоком бурении и тело бура делается составным.

Набор буров, необходимых для бурения шпуров определенной глубины, называется комплектом. В комплект входит забурник длиной 0,5—0,8 м, несколько штанг с увеличивающейся длиной каждой последующей на 0,6—1 м. Последняя штанга должна быть на 0,15—0,2 м больше конечной глубины шпура. Диаметр коронки самого длинного бура берется на 2—3 мм больше необходимого диаметра шпура, а диаметр коронки каждого предыдущего бура на 1—3 мм больше диаметра последующего.

Буры изготовляются из стали У7 и У8 шестигранного и круглого сечения диаметром 22, 25,4 и 32 мм. Повышение срока службы их достигается дробеструйной обработкой и закалкой ТВЧ. Шестигран­ные буры применяются на ручных и телескопных молотках, круг­лые — на колонковых. Бур по оси имеет канал диаметром 6 мм, слу­жащий для продувки или промывки шпура.

Долотчатая форма лезвий обеспечивает более высокие скорости бурения по сравнению с крестовой, что объясняется меньшей длиной лезвий и лучшими режимами разрушения породы на забое.

Коронки закрепляются на штанге бура при помощи резьбового или конусного соединения. Последнее имеет большое распростра­нение, так как оно просто в изготовлении, надежно и удобно в эксплу­атации.

Конусное соединение состоит из конусного гнезда в коронке и конусного окончания штанги. Угол конусности обычно прини­мается 3,5°. Коронка держится на штанге силами трения. Менаду дном коронки и концом штанги и между торцом коронки и заточкой штанги должен быть зазор, для того чтобы соединение было надеж­ным и при некотором износе конусных поверхностей.

В резьбовом соединении, наоборот, штанга должна упираться в дно коронки или в ее торец, чтобы резьба не воспринимала ударов.

При правильной эксплуатации коронка до полного износа выдер­живает 10—15 переточек.

Буровой инструмент погружных перфораторов и пневмоударников состоит из коронки (долота) и буровых штанг.

Применяются коронки однодолотчатые и крестовые. У однодолотчатых коронок быстро тупятся края лезвий, и коронку прихо­дится перетачивать.

Крестовые коронки (долота) имеют большую стойкость, но ско­рость бурения ими ниже, так как энергия удара распределяется на вдвое большую длину лезвий.

Хорошие результаты дают однодолотчатые коронки (рис. 3.4.) с добавочными лезвиями по краям, что увеличивает их стойкость. Такие коронки применяются для бурения по крепким и весьма креп­ким породам.

Рис. 3.4. Долота с добавочными лезвиями

Трехперые коронки с опережающим лезвием имеют высокую стойкость и обеспечивают большую скорость бурения, но более сложны в изготовлении. Лезвия коронок армируются сплавом ВК-15. Диа­метр коронки должен быть на 10—20 мм больше диаметра пневмоударника.

3. Буровой инструмент станков ударно-канатного бурения.

Буровой инструмент делится на рабочий (буровой) и ловильный.

Рабочий инструмент применяется при бурении скважин, а ло­вильный — при извлечении из скважины бурового инструмента в случае аварий.

Буровой инструмент, в свою очередь, делится на основной и вспо­могательный. К основному относятся долото, штанга и канатный замок. Соединенные вместе они образуют буровой снаряд. Вес буро­вых снарядов составляет от 1000 до 3000 кг в зависимости от диа­метра буримой скважины (в скважине большего диаметра можно применять и штанги большего диаметра) и от длины штанг. Весснаряда уменьшают при бурении слабых пород, так как очень тяже­лый буровой снаряд может заклиниться в скважине.

Вспомогательный буровой снаряд состоит из желонки для извле­чения шлама из скважины, специальных долот для исправления скважин, буровых ножниц, ключа для свинчивания и развинчива­ния бурового снаряда.

Рис. 3.5. Долота для канатно-ударного бурения:

а — зубильное; б — крестовое; в — крестово-зубильное с опережающим лезвием; г — копытообразное; д — крестовое двутаврообразное

Долото имеет обычно длину от 800 до 1800 мм и вес от 50 до 400 кг. Наиболее удобны долота весом до 150 кг, так как при боль­шем весе затрудняется их замена.

Долото состоит из головки, тела и хвостовика. По форме головки различают долота трех основных форм — зубильные, крестовые и копытообразные (рис. 3.5).

Зубильные долота применяют для бурения монолитных пород, крестообразные — для трещиноватых пород, копытообразные — для бурения монолитных и трещиноватых. Копытообразное долото в монолитных породах работает как зубильное, так как боковые лезвия находятся на 10—15 мм выше основного. Если основное лезвие попадает в трещину, то боковые лезвия начинают разрушать породу и препятствуют заклиниванию долота. Достоинством копыто­образных долот является большая боковая поверхность износа головки, вследствие чего такие долота имеют стойкость в два-три раза большую, чем зубильные.

Угол приострения долот колеблется от 70 до 140°. При бурении мягких пород он берется 70—90°, пород средней крепости — 90—120³ и крепких пород — 120—140°. Диаметр головки долота (калибр долота) определяет диаметр скважины и берется в пределах 150—400 мм. Долота изготовляют из стали марок У7А, У8А, С-63 и 6002. Стойкость долот может быть увеличена в два-три раза путем наплавки их рабочей части твердыми сплавами (релит), электродами Т-30 и др.

Рис. 3.6. Инструмент канатно-ударных станков:

а — самовращающийся канатный замок; б — желонка с полусферическим клапаном; в — желонка для густых шламов

Штангипредставляют собой массивные стальные стержни круг­лого поперечного сечения. Они служат для увеличения веса снаряда. Диаметр штанги должен составлять 75—85% диаметра долота. Длина и вес штанги определяются высотой мачты станка и макси­мальным допустимым весом снаряда. Штанги изготовляют из стали марок Ст. 6, Ст.5 и 40.

Канатный замоксоединяет штангу с канатом.

Самовращающийся замок (рис. 3.6, а) имеет цилиндрический корпус 1, в расточке которого находятся втулка 2. Во втулке заделанканат 3. С нижнего конца замка имеется нарезка. При подъеме бурового снаряда канат натягивается и несколько раскручивается, вращая втулку 2. При этом висящий на втулке буровой снаряд тоже начинает поворачиваться. Во время свободного падения снаряда канат ослабляется, закручивается вновь и поворачивает обратно втулку 2. Буровой снаряд в этом случае не поворачивается.

Желонка (рис. 3.6, б, в) состоит из корпуса (трубы), к которому сверху приварена скоба для крепления каната; снизу установлен клапан, имеющий хвостовик. Наиболее распространены желонки с полусферическими клапанами. При опускании желонки на грунт или забой скважины хвостовик поднимает клапан. Шлам при этом входит в желонку или вытекает из нее.

Диаметр желонки берется равным 80—90% диаметра долота, а длина ее должна быть не менее высоты столба шлама в скважине. Обычно она колеблется от 3 до 6 м.

Для чистки густого шлама применяют желонки, не имеющие клапана, врезающиеся в густой шлам своей трубой и поднимающие его за счет сцепления шлама со стенками трубы.

Канатына станках ударно-канатного бурения эксплуатируются в очень тяжелых и сложных условиях. На станке имеется три каната — рабочий, желоночный и подъема мачты.

Рабочий канат должен быть длиной на 30—40 м больше глубины скважины.

Желоночные канаты применяются диаметром 14—15,5 мм и дли­ной на 25—35 ж больше максимальной глубины скважины.

Ловильный инструмент состоит из набора приспособлений, позволяющих выбить заклинившийся буровой снаряд, поднять его из скважины при обрыве каната, развинчивании или поломке.

5. Инструмент шарошечного бурения

Для бурения скважин наибольшее распространение получили трехшарошечные долота.

Долота, независимо от их назначения, конструкции и типа, нор­мализованы по диаметру. В соответствии с диаметром в дюймах долоту присвоен условно номер.

Трехшарошечные долота (рис. 3.7), применяемые в горной промыш­ленности, свариваются из трех секций (лап) 1, на которых монти­руются шарошки 2.

Опоры шарошек в зависимости от размеров долот выполняются по различным схемам. В горной промышленности трехшарошечные долота применяются с опорами, имеющими два роликовых подшип­ника 3 и 4 и между ними один шариковый (замковый) 5.

При работе долото воспринимает большие статические и дина­мические нагрузки, а также подвергается интенсивному усталост­ному разрушению и абразивному износу. Поэтому к материалам, идущим на изготовление деталей долот, предъявляют очень высокие требования. Шарошки и лапы долот в основном изготавливаются из хромо-никелевой малоуглеродистой стали марок 12ХН2 и 12ХН2А и никель-молибденовой стали марки 17НЗМА для долот типа К и ОК.

В основном тип шарошечных долот определяют конструкция, форма шарошек, расположение шарошек относительно оси долота и забоя, число и размер зубьев, абразивная стойкость зубьев и спо­соб очистки забоя от буровой мелочи (водой или воздухом).

Рис. 3.7. Трехшарошечное долото, ар­мированное штырями твердого сплава

В зависимости от крепости и абразивности горных пород долота изготовляют для бурения в породах средней крепости и для бурения в весьма крепких абразивных породах.

В первом случае изготавли­ваются зубчатые шарошечные долота.

Стальные зубья этих долот выфрезеровываются из корпуса шарошек. Зубья делаются раз­личной высоты и заостренности.

Конструкция зубчатых до­лот позволяет бурить скважины с нагрузкой 200—300 кг/смдиаметра долота.

Для бурения скважин в креп­ких и весьма крепких и абра­зивных породах применяются долота с закрепленными мето­дом холодной запрессовки шты­рями 6 из особо твердого сплава ВК-ЗВ.

Зубки-штыри сочетают в себе свойства прочности и антиабразивности, что крайне необходимо для бурения с большими осевыми нагрузками, достигающими 600—1500 кг/см диаметра долота.

Область применения долота обозначена последней буквой в его марке: С — для средних пород, Т — для твердых пород (по класси­фикации нефтяников). Штыревые шарошечные долота, применяемые для бурения наиболее крепких пород, имеют букву К или ОК.

Выпущены опытные партии комбинированных зубчато-штыре­вых долот, вооружение которых представлено чередующимися в венцах стальными зубками и штырями твердого сплава. Такие долота предназначены для бурения перемежающихся по крепости пород и выпускаются под индексом ТК.

Штыревые шарошечные долота с клиновыми зубками имеют индекс ТЗ.

По способу расположения зубьев шарошки долота могут быть с самоочищающимися и несамоочищающимися зубьями. У наиболее распространенных самоочищающихся долот зубчатый венец одной шарошки входит в проточку между венцами другой, за счет чего улучшается очистка зубьев от породы.

5. Инструмент огневого бурения

Буровой снаряд станка огневого бурения состоит из горелки 1, штанги 2 подводящего устройства.

Горелка (рис. 3.8) состоит из камеры сжигания горючего 3 и соп­лового аппарата 4. Подача горючего в камеру сгорания осущест­вляется через форсунку 5, а окислителя — через эжектор форсунки. В пространство 6 между корпусом горелки 1 подается охлаждающая жидкость (вода). Ограничители 7 предохраняют сопла 8 горелки от прижатия к поверхности скважины.

Рис. 3.8. Схема горелки для огневого бурения

Штанга состоит из внешней трубы и двух внутренних — для окислителя 9 и для горючего 10. Вода подается по внешней трубе.

Штанги делаются на всю глубину скважины, так как наращивать штанги практически нельзя.

При сгорании горючего в окислителе развиваются температуры до 3000—3500° С и давление 8—10 атм. Через сопла 8 газы вытекают из горелки со скоростью до 2000 м/сек.

Для получения скважины правильной формы горелку вращают со скоростью от 2 до 30 об/мин. Диаметр скважины при огневом бурении зависит от скорости подачи; чем она меньше, тем больше диаметр. Огневое бурение позволяет снижением скорости подачи в конце бурения расширять скважину в нижней части для разме­щения увеличенного заряда.

Давление кислорода и керосина в трубопроводах должно превы­шать давление газов в камере горелки. Обычно оно составляет 10—14 атм.

Подводящее устройство укреплено на верхнем конце штанги. Оно позволяет подавать из неподвижных шлангов во вращающиеся вместе со штангой трубки окислитель, горючее и воду.

Горючее и вода подаются в горелку насосами. Вода подводится под давлением 5—8 кг/см². Кислород подается из баллонов, где он находится под давлением 150 кг/см², а затем проходит через редукционные клапаны, снижающие его давление до 10—15 кг/см².

Расход кислорода при диаметре скважины 120—180 мм состав­ляет 100—300 кг/ч (в зависимости от диаметра скважины и свойств породы), керосина — 40—120 кг/ч, воды — 2,5—4 м³/ч.