Что такое шарошечное долото с твердосплавным вооружением
Шарошечное долото разрушает породу сочетанием вращения и осевой нагрузки. На корпусе обычно размещены 3 шарошки, которые перекатываются по забою и дробят массив точечными ударами. В твердосплавном исполнении рабочие элементы выполнены из карбида вольфрама и запрессованы в металлическую основу шарошки. По сравнению с зубчатым вооружением такие вставки меньше деформируются в абразивной среде, а разрушение породы идет через сосредоточенный контакт, а не через срезание сформированных зубьев. Подробнее о таких моделях можно узнать в разделе https://drillsvg.ru/product-category/tverdosplavnye-dolota/.
Эффект бурения определяется не только формой вставки, но и тем, как она входит в контакт с породой.
Устройство корпуса, шарошек и опор
Корпус воспринимает нагрузку от бурильной колонны и передает ее на шарошки. Каждая шарошка вращается вокруг своей оси и одновременно перекатывается по поверхности забоя. Опора шарошки воспринимает радиальные и осевые нагрузки, поэтому в узле применяются подшипники качения, скольжения или комбинированные схемы. Состояние опоры часто определяет ресурс долота раньше, чем износ самих вставок.
Принцип разрушения породы при вращении
При вращении долота вставки входят в породу с ударно-скалывающим действием. Точечный контакт создает высокое удельное давление, после чего в массиве образуются микротрещины и отколы. Чем выше трещиноватость породы, тем легче развивается разрушение; чем выше абразивность, тем быстрее изнашиваются кромки и поверхности контакта. При недостаточной очистке забоя шлам повторно измельчается и повышает тепловую нагрузку.
Конструкция и материалы рабочих элементов
Твердосплавные вставки: форма, расположение, стойкость
Вставки могут иметь коническую, сферическую или клиновидную форму. Их размещают с разным шагом по венцам шарошки: на периферии ставят элементы, которые удерживают диаметр ствола, а в центральной зоне — вставки, отвечающие за разрушение уплотненного участка забоя. Форма влияет на характер контакта, высота — на проникновение в породу, а шаг — на частоту ударов. Зубчатое вооружение сильнее опирается на деформацию металла зуба, тогда как твердосплавные вставки дольше сохраняют геометрию в твердых и абразивных породах.
| Признак | Твердосплавное вооружение | Зубчатое вооружение |
|---|---|---|
| Рабочий элемент | Отдельные вставки из твердого сплава | Зубья, сформированные в теле шарошки |
| Работа в абразивной породе | Износ идет медленнее | Кромки стачиваются быстрее |
| Характер разрушения | Ударно-скалывающий контакт | Срезание и дробление выступами |
| Ограничения | Риск сколов при перегрузке | Более ранняя потеря формы зубьев |
Подшипники, смазка и промывочные каналы
Подшипниковый узел работает в зоне высоких давлений и нагрева. Смазка уменьшает трение, отводит часть тепла и защищает поверхности от задиров. Промывочная система через каналы подает поток к забою, выносит шлам и охлаждает вооружение. Если каналы забиваются, возрастает повторное измельчение породы, а температура в зоне контакта растет быстрее. Недостаточная промывка часто приводит к тому, что долото теряет работоспособность до полного разрушения вставок.
Подбор долота под свойства породы
Твёрдость, абразивность и трещиноватость массива
Для твердых и абразивных пород подходят шарошечные долота с твердосплавными вставками, так как они лучше сохраняют форму рабочих элементов. В мягких и средней твердости породах тоже применяются такие долота, если массив содержит прослои с повышенной прочностью или абразивными включениями. Трещиноватая порода разрушаетcя легче, но при этом возрастает риск неравномерной нагрузки на отдельные вставки. В плотном массиве требуется устойчивое проникновение, а в абразивном — запас по износостойкости вооружения и опор.
- Твердость повышает требуемую осевую нагрузку.
- Абразивность ускоряет стачивание и сколы вставок.
- Трещиноватость облегчает разрушение, но усиливает неравномерный износ.
Осевая нагрузка, обороты и очистка забоя
Режим работы задают осевая нагрузка и частота вращения. При недостаточной нагрузке вставки лишь скользят по породе и не углубляются в нее. При избыточной нагрузке растет риск сколов, перегрева и выработки опор. Частота вращения определяет число контактов вставок с породой за единицу времени: при высоких оборотах выше тепловая нагрузка и требования к очистке.
- Сначала оценивают твердость и абразивность породы.
- Потом подбирают нагрузку, при которой вставки врезаются без проскальзывания.
- После этого проверяют, достаточно ли промывки для выноса шлама.
Износ и признаки снижения работоспособности
Типовые повреждения вооружения и опор
К типовым повреждениям относят сколы твердосплавных вставок, округление их вершин, выкрашивание по краям, задиры на опорах и перегрев подшипников. При абразивном износе вставка теряет высоту, контактная площадь растет, а давление на породу падает. При перегрузке появляются трещины в твердом сплаве и следы ударного разрушения. Когда износ идет неравномерно, отдельные шарошки начинают работать с разной глубиной внедрения.
Как по картине износа оценивают режим бурения
Если больше страдают периферийные вставки, это указывает на длительную работу по стенке забоя или на повышенную частоту вращения. Сильный износ центральной зоны чаще связан с недостаточной очисткой и накоплением шлама. Повреждение опор без выраженного разрушения вооружения говорит о перегрузке или о плохом смазывании. По картине износа можно понять, что снижало скорость бурения: нехватка осевой нагрузки, избыток оборотов, слабая промывка или несоответствие долота свойствам породы.