I - насадка; 2 - штырь; 3 - корпус; 4 - кольцо уплотнительное; 5 - болт; 6 - шайба; 7 - шайба байонетная; 8 - укороченная лопасть; 9 - лопасть

Алмазные долота. Общий вид алмазных долот представлен на рис. 3.4. Матрацы таких долот изготавливаются из композиционного материала, основным износостойким компонентом которого являются зерна карбида вольфрама. На рабочей и калибрующей поверхности долота по определенной схеме размещены и закреплены алмазы. Ал­мазы устанавливаются и закрепляются в процессе изготовления мат­рицы методом порошковой металлургии (совместное формирование, прессование и спекание в графитовой форме композиции матрицы и алмазов). После изготовления долота вылет алмазов над рабочей по­верхностью матрицы составляет 0,1 - 0,25 их диаметра.

Рис. 3.4. Разновидности алмазных долот: а - однослойное радиальное биконическое долото (М 311) и отдельные алмазы, используемые для его армирования; б - ступенчатое; в - спиральное ТВ 573; г - импрегнированное ТВ 54

Профиль рабочей поверхности секторов матрицы может быть выпук­ло-вогнутым, двоякоконусным, ступенчатоконусным. (рис. 3.5, рис. 3.6).

Общим для всех названных форм является наличие в центральной части долота прямого конуса, который совместно с калибрующей по­верхностью стабилизирует работу долота и траекторию ствола сква­жины. Алмазы на рабочей и калибрующей поверхностях располагают­ся в шахматном, радиальном и спиральном порядках. Обязательное условие для всех схем - полное перекрытие плоскости забоя.

Алмазное долото радиально-спиральной формы с однослойным размещением довольно крупных алмазов 0,05-0,4 карат (1 карат-0,2г)

Рис. 3.6. Алмазное ступенчатое долото Рис. 3.5. Алмазное радиальное долото

Алмазные долота выпускались диаметрами 104,6 - 295,3 мм Мос­ковским комбинатом твердых сплавов (МКТС), который изготавливал также бурильные головки с однослойным размещением алмазов и им- прегнированные. В настоящее время эти долота изготавливает ВНИБТ.

Из условия вписываемости и проходимости по стволу диаметра алмазных долот несколько меньше (на 1 - 2 мм) диаметра соответст­вующих им по конструкции скважины шарошечных долот.

В состав композиции матрицы входят порошкообразный и зерни­стый карбид вольфрама, медно-никелевый сплав и др. Твердость мат­рицы составляет HRC 25 - 50.

Низкая ударная вязкость алмаза и интенсивный износ матрицы в абразивных породах ограничивают область применения алмазных до­лот. Их используют при бурении нетрещиноватых, не содержащих окремнений, малоабразивных пород различной твердости.

Наиболее характерен локальный, кольцевой износ алмазных долот.

Перед спуском долота в скважину она очищается от металла с помощью металлошламоулавливателей и прорабатывается.

В нашей стране на алмазные долота приходится 4 % общей про­ходки нефтяных и газовых скважин, причем этот показатель за по­следние годы стабилизировался. Механическая скорость составляет в настоящее время в среднем 1,5-3 м/ч, поэтому основной задачей яв­ляется совершенствование долот и режима их отработки в направле­нии повышения механической скорости.

1 - вставка с круглой рабочей головкой; 2 - вставка с клиновидной рабочей голов­кой; 3 - твердосплавные штыри или вставки со славутичем; 4 - широкий проём; 5 - гидромониторы» насадок; 6 - узкие промывочные пазы

Рис. 3.7. Истирающие долота (долота ИСМ). а - форма выполнения рабочих органов - радиальная; б – секторная

Разновидностью алмазных долот является долото Института сверхтвердых материалов (ИСМ). Основное исполнение - секторное. Изготавливаются и лопастные, в том числе и с гидромониторной промывкой. Долота арми­руются сверхтвердым композиционным мате­риалом «Славутич». Вылет вставок над рабо­чей поверхностью корпуса составляет 3-5 мм. На калибрующей поверхности вставки утопле­ны (рис. 3.7). Выпускаются диаметрами от 91,4 до 391,3 мм с обычной и гидромониторной промывкой.

Для оснащения долот применяются ци­линдрические вставки диаметром 8 - 12 мм с плоскими, полусферическими и клиновыми рабочими торцами и припаиваются в гнездах.

В состав «Славутича» входят синтетические и природные алмаз­ные кристаллы зернистостью 0,1 - 0,8 мм в связке с карбидом вольф­рама. Вставки изготавливаются методом порошковой металлургии. В твердых породах и породах средней твердости работают алмазы, а в мягких вставки работают как резцы, осуществляя резание и скалыва­ние. В настоящее время разработаны долота АТН (алмазно- твердосплавные пластины) типа «Стратопакс».

Рис. 3.7, в. Долото стратoпакс

фир­мы «Кристенсен» (ФРГ)

Матричного типа

Шарошечные долота. Общий вид шарошечного долота представ­лен на рис. 3.8.

Шарошечное долото впервые было применено в США в 1909 г, разработанное инженером Говардом Юзом.

Рис. 3.8. Устройство трехшарошечный долот: I - система компенсации смазочного материала; 2 - лапа; 3 - периферийный роли­ковый радиальный подшипник качения; 4 - концевой радиальный подшипник скольжения; 5 - концевой упорный подшипник скольжения; 6 - герметизирующий злемент; 7 - средний шариковый радиально-упорный подшипник качения; 8 - фрезерованный зуб периферийного венца; 9 - фрезерованный зуб среднего вен­ца; 10 - фрезерованный зуб вершины шарошки; 11 - наплавка зерновым твердым сплавом; 12 - шарошка; 13 - твердосплавный зубок, запрессованный в тыльный корпус шарошки; 14 - твердосплавный зубок периферийного венца шарошки; 15 - твердосплавный зубок среднего венна шарошки; 16 - концевой роликовый радиальный подшипник качения; 17 - твердосплавный зубок вершины шарошки; 18 - твердосплавный зубок, запрессованный в козырек лапы; 19 - козырек лапы; 20 - замковый палец; 21 - цапфа лапы; 22 - спинка лапы; 23 - корпус долота; 24 - резервуар для размещения смазки; 25 - упорный уступ долота; 26 - внутренняя полость присоединительного ниппеля; 27 - присоединительный ниппель с замко­вой резьбой; 28 - торец присоединительного ниппеля

За долгую историю развития конструкций шарошечных долот в практике бурения применяли долота с одной, двумя, тремя, четырьмя и шестью шарошками. Однако самыми распространенными остались трехшарошечные долота. В зависимости от конструкций шарошек, формы и размещения породоразрушающих элементов в них, схемы расположения осей шарошек по отношению к оси долота, конструкции и расположения промывочных отверстий создано много типов долот для эффективного разрушения пород самых разнообразных механиче­ских свойств. У нас в стране применяются также одно-, двух- и четырехшарошечные долота.

Более 90 % всего объема глубокого эксплуатационного и разве­дочного бурения ведется с использованием трехшарошечных долот.

Долота изготавливались корпусными и секционными. Первые уже сняты с производства. Секционные долота представляют собой сварную конструкцию из трех отдельных лап, сваренных вместе. На верхнем конце долота нарезана замковая резьба. Каждая лапа внизу завершается цапфой, на которой проточены беговые дорожки под ша­рики и ролики. На цапфе через систему шариковых и роликовых под­шипников устанавливается шарошка с беговыми дорожками. Цапфа - это опора шарошки. Полость опоры заполняют консистентной смаз­кой. Тело шарошки оснащено фрезерованными стальными зубьями, размещенными по венцам. На торце со стороны присоединительной резьбы выбивается шифр долота, его порядковый номер и год изготов­ления. Долота изготавливаются как с центральной, так и с боковой системой промывки под набегающие шарошки.

Гидромониторные шарошечные долота обеспечивают при скоро­сти истечения струи 80 - 100 м/с и выше лучшую очистку забоя и ме­ханически воздействуют на породу, а мягкие породы разрушаются непосредственно гидромониторными струями без участия шарошек.

Если перепад давления в долотах с центральной промывкой со­ставляет 0,5 - 1,5 МПа (5-15 атм), то в долотах с гидромониторами перепад увеличивается на порядок и равен 5-15 МПа (50 - 150 атм). Поэтому при использовании гидромониторных долот возрастают тре­бования к прочности и герметичности всех элементов циркуляционной системы.

Опора шарошки (цапфа) воспринимает радиальные (наибольшие) и осевые нагрузки (рис. 3.9). В зависимости от типоразмера долота опора конструируется из различных сочетаний шариковых (ИГ), роли­ковых (Р) подшипников качения и подшипников скольжения (С). Ша­риковый подшипник фиксирует шарошку на цапфе и воспринимает сложные нагрузки, испытывая большие контактные напряжения. Ро­ликовый подшипник воспринимает, в основном, лишь радиальные на­грузки, но менее надежен при высокооборотном бурении. Подшипник скольжения еще менее надежен, но при небольших значениях окруж­ной скорости его устанавливают, как правило, на концах цапфы, а также в долотах с герметизированной маслонаполненной опорой при низкооборотном бурении. Долота с герметизированной опорой рабо­тают на порядок дольше, чем обычные.

Для бурения в очень абразивных породах используются для ар­мирования вставные твердосплавные зубья (штыри). Эти штыревые долота. Зубья закрепляются в теле шарошки методом прессования.

В твердых породах, перемежающихся с очень твердыми (крепки­ми), бурят долотами с комбинированным вооружением из фрезерован­ных стальных и вставных твердосплавных зубьев.