3.2.2 Шарошкові долота

Основний обсяг буріння нафтових і газових свердловин виконується шарошковими долотами. Шарошкові долота мають такі переваги порівняно з лопатевими:

а) площа контакту шарошкових доліт з вибоєм набагато менша, але довжина їх робочих елементів більша, що значно підвищує ефективність руйнування гірських порід;

б) шарошки долота перекочуються по вибою на відміну від лез лопатевого долота, ковзаючих по ньому, внаслідок чого інтенсивність зносу зубців шарошок менша;

в) крутний момент, необхідний для обертання шарошкового долота, порівняно невеликий, а тому зводиться до мінімуму небезпека заклинювання долота.

До недоліків шарошкових доліт слід віднести низький ресурс служби опор долота і низьку стійкість зубців шарошки.

У практиці буріння свердловин використовують одно-, дво-, три-, чотири- і шестишарошкові долота. Однак найбільше розповсюдження одержали тришарошкові долота.

Стандартом передбачено випуск шарошкових доліт діаметром від 46 мм до 508 мм. Випускають 13 типів шарошкових доліт, які рекомендується використовувати в різних за твердістю та абразивністю породах (таблиця 3.1).

Таблиця 3.1 – Область застосування тришарошкових доліт

Тип долота	Гірська порода
М	М’яка
МЗ	М’яка абразивна
МС	М’яка з пропластками середньої твердості
МСЗ	М’яка абразивна з пропластками середньої твердості
С	Середної твердості
СЗ	Абразивна середньої твердості
СТ	Середної твердості з пропластками твердої
Т	Тверда
ТЗ	Тверда абразивна
ТК	Тверда з пропластками міцної
ТКЗ	Тверда абразивна з пропластками міцної
К	Міцна
ОК	Дуже міцна

Тришарошкові долота. Сучасні конструкції тришарошкових доліт виготовляють зварюванням між собою трьох кованих секцій (лап) (рисунок 3.5). На цапфах долота на підшип­никах обертаються шарошки. Шарошки мають породоруйнуючі елементи, конструкція яких визначається механічними та абразивними властивостями порід. Для пропуску промивальної рідини долото має промивальні отвори. Приєднання долота до бурильної колони здійснюється з допомогою подовженої замкової різьби.

а - гідромоніторне з відкритою опорою; б - гідромоніторне з

герметизованою опорою;

А-А – промивальний отвір із соплом (насадкою).

Рисунок 3.5 — Тришарошкове долото

Підшипники шарошок ряду моделей доліт змащуються промивальною рідиною, яка проникає до тіл кочення і тертя по зазору між основою шарошки і упорною поверхнею цапфи. В останні роки все більше застосовують долота з герметизованою опорою, у яких спеціальне мастило надходить до тіл кочення і тертя із еластичного балону по наявному в лапі і цапфі каналу. Проникненню промивальної рідини в порожнину такої опори перешкоджає жорстка ущільнююча манжета.

При обертанні долота за годинниковою стрілкою шарошки, які перекочуються по вибою проти годинникової стрілки, здійснюють складний обертовий рух. У результаті цього породоруйнуючі елементи шарошок наносять удари по породі, дроблячи і сколюючи її. Сколююча дія породоруйнуючих елементів шарошок на породу залежить від форми шарошок, їх розміщення в корпусі долота і стану поверхні вибою свердловини.

Долота типів СТ, Т, ТЗ, ТК, ТКЗ, К, ОК належать до доліт дроблячого класу, а долота типів М, МЗ, МС, МСЗ, С і СЗ належать до доліт дробляче-сколюючого класу.

Форми і розміщення породоруйнуючих елементів на шарошках. У залежності від того, для буріння в яких породах призначено долото, шарошки мають різні породоруйнуючі елемен­ти - зубці, які виготовляються або разом з тілом шарошки фрезеруванням, чи накаткою, або окремо із спеціальних твердих сплавів. Останні мають клиновидну або сферичну контактну поверхню і запресовуються в гнізда, що просвердлені у тілі шарошки. Шарошки з фрезерованими або накатаними зубцями використовують у долотах, призначених для руйнування неабразивних порід. Шарошки із зубцями з твердих сплавів призначені для розбурювання абразивних порід, а також порід з дуже високою твердістю. На всіх шарошках породоруйнуючі елементи розміщують, як правило, концентричними вінцями.

Усім вінцям шарошок присвоєні буквенні індекси у напрямку від вершини до основи: А, Б, В, Г. Вінець, розміщений в основі шарошки, називають периферійним.

Шарошки нумерують залежно від кількості зубців на вінці А. Перша шарошка на цьому вінці має найменшу, а третя - найбільшу кількість зубців.

Шарошки доліт типів М, МС, С, СТ і Т мають вифрезеровані або накатані зубці. Висота і крок зубців зменшуються, а кут при вершині зубця збільшується для доліт від типу М до доліт типу Т.

Шарошки доліт типу М мають найменшу кількість вінців, а доліт типу Т - найбільшу.

Оскільки периферійні вінці шарошок уражають одну і ту ж ділянку вибою, форма і розміщення зубців на них у кожної шарошки вибираються з врахуванням цієї особливості роботи долота. Оскільки грані зубців, що обернені до стінки свердловини, піддаються абразивному зносу, деякі долотні заводи зубці на периферійних вінцях виконують у вигляді Г-, Т- або П-подібної форми.

Шарошки доліт типу ТК на внутрішніх вінцях мають фрезеровані або накатані зубці призматичної форми, а на периферійних вінцях - вставні зубці з твердого сплаву із сферич­ною породоруйнуючою поверхнею.

Шарошки доліт типів К і ОК мають на всіх вінцях зубці із твердого сплаву із сферичною породоруйнуючою поверхнею.

Шарошки доліт типів МЗ, МСЗ, СЗ, ТЗ і ТКЗ, що призначені для буріння абразивних порід, оснащені запресованими в тіло шарошки твердосплавними зубцями, що мають клиновидну породоруйнуючу поверхню. Кількість вінців і клиновидних зубців у кожному вінці вибирають залежно від твердості породи, для якої призначене долото (у доліт типу МЗ – найменша, а у доліт типу ТКЗ – найбільша).

Опори долота повинні забезпечувати вільне обертання шарошок навколо їх цапф, передачу навантаження на вибій від бурильної колони через цапфи і тіла кочення або поверхні тертя породоруйнуючим елементам, що перебувають у контакті з породою.

Існує велика різноманітність опор шарошок, однак найбільше розповсюдження одержали такі типи опор:

В - всі підшипники кочення;

Н - один підшипник ковзання, а решта - кочення;

А - два і більше підшипники ковзання, а решта - кочення.

Випускають долота з відкритою опорою і з ущільнюючими кільцями і резервуаром для мастила. Долота з ущільнюючими кільцями і резервуаром для мастила у своєму позначенні (шифрі) мають літеру “У”. Застосування в роторному бурінні тришарошкових доліт з герметизованими мастило-наповненими опорами збільшує їх стійкість у середньому на 30 % порівняно з долотами аналогічних конструкцій без герметизації опор.

Промивальні отвори. Ефективність роботи доліт у сверд­ловині в значній мірі залежить від ступеня очищення вибою від розбуреної породи. Тому не можна допускати накопичення вибуреної породи під долотом і перемелювання її породоруйнуючими елементами. Необхідно, щоб зруйнована порода своєчасно видалялась з вибою свердловини, що досягається не тільки подачею до вибою достатньої кількості промивальної рідини, але і застосуванням раціональних конструкцій і схем розміщення промивальних отворів у долоті.

За розміщенням і конструкцією каналів шарошкові долота поділяються на:

а) з центральним промиванням - Ц;

б) з боковим гідромоніторним промиванням - Г;

в) з центральним продуванням - П;

г) з боковим продуванням - ПГ.

Деякі моделі тришарошкових доліт виготовляють з розміщенням промивальних отворів у центрі долота. Потік промивальної рідини у таких доліт спрямовується на шарошки, забезпечуючи охолодження та очищення їх від вибуреної породи.

Більшість моделей тришарошкових доліт виготовляють з боковим розміщенням промивальних отворів. Струмина рідини у таких доліт направляється між шарошками до вибою, забезпечуючи достатнє охолодження шарошок, добре очищення вибою від вибуреної породи і сприятливі умови для руйнування породи породоруйнуючими елементами долота. Для створення ефективного процесу руйнування гірської породи, як і у лопатевих доліт, у промивальні отвори вставляють насадки (сопла), що створюють швидкість витікання струмини рідини з них не менше, ніж 80 м/с. Шарошкові долота з такими насадками називають гідромоніторними.