БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1997 года по МПК E21B10/22 

Изобретение относится к буровой технике, конкретно к шарошечному буровому долоту, и позволяет повысить надежную работоспособность опор вращения шарошки при пребывании долота в среде абразивной жидкости, а также улучшить и упростить конструкцию узла шарошки и лапы долота, обеспечить экономическую целесообразность применения предлагаемого долота по сравнению с существующими.

Известны шарошечные долота [1] для бурения в различных конструктивных вариантах. Несмотря на широкое их применение и работоспособность, ограничиваемую во времени в широком диапазоне, применяемые долота имеют значительные недостатки конструктивные, технологические, экономические и т.д. Существующее более полувека конструктивное решение опор вращения шарошки (подшипников), где предусмотрена комплектация такого подшипника за счет использования материала шарошки и цапфы для непосредственного выполнения в них при обработке беговых дорожек подшипника качения является совершенно не рациональным со многих точек зрения, несмотря на кажущуюся простоту такого решения. Подобная простота является причиной серьезных недостатков:
сложность изготовления беговых дорожек на шарошке и цапфе против обычных комплектных подшипников отдельного изготовления, вне долота;
сложность химико-термического упрочнения беговых дорожек в шарошке и цапфе;
несравнимо низкое качество такого подшипника против нормального, обычного.

Меньшая несущая способность по сравнению с обычным подшипником в сравниваемых размерах диаметра посадки на вал, однако обычный подшипник в этом случае неприменим. Его габариты не позволяют разместить его в размерах шарошки. Отсутствие достаточно основательных работ в области подшипников для долота явились причиной того, что многие десятилетия изготавливаются долота по сути с "самодельным, кустарным" подшипником. Это в значительной степени является следствием бытующего мнения, что раз долото работает в среде абразивной жидкости и опоры вращения шарошки также находятся в этой среде, нет смысла делать какой-либо иной опорный подшипник для шарошки, все равно он также выйдет из строя из-за абразивного износа. Это правда, если долота не герметизировать. Такой факт стал особенно важным при появлении штыревых долот. В этом случае возник парадокс: долото выходило из строя по опорам вращения шарошки ранее износа породоразрушающих элементов, которые могли еще работать в три и более раз дольше по времени. Однако консервативность в области конструкции долот тормозит создание долот нового типа с герметизацией. Нужны герметизированные долота с использованием новых подшипников качения, изготовляемых раздельно от долота, и такие условия есть. Уже многие годы в промышленности /авиационной, станкостроении и др./ конструкторы создали компактные малогабаритные подшипники с высокими эксплуатационными качествами. Это стало возможным в связи с появлением новых, высококачественных марок сталей, более совершенной технологии и высокого качества с использованием поверхностного и объемного упрочнения новыми методами. Такие подшипники пригодны для долота, особенно в разновидности так называемых, "игольчатых подшипников" с увеличенным по диаметру элементом качения с уменьшенной его длиной, обладающих значительно большей несущей работоспособностью против обычных типоразмеров подшипников. Но для них нужна герметизация полости их расположения. Без этого эффекта не получить. Таким образом, в существующих типах долот широкого применения основные недостатки выражаются в следующем.

1/ В подавляющем большинстве выпускаемых долот отсутствует защита опор вращения шарошки от абразивного износа, от попадания в полость расположения опор вращения абразивной жидкости из скважины. Как известно, более 80% долот выходит из строя по причине разрушения опор вращения шарошки. Особенно это досадно для штыревых долот, когда породоразрушающие элементы шарошки из ВК могли бы работать в три и более раз более по времени, но из-за разрушения опор вращения долото приходится менять. Нужна герметизация долота.

2/ Указанное в п. 1 при его разрешении позволит изменить более целесообразно техническое решение опор вращения шарошки, исключив для штыревых долот применение высококачественных сталей, в основном для обеспечения образования беговых дорожек для опор вращения шарошек на самой шарошке и на цапфе при трудоемком их изготовлении и химико-термической их обработке. Нужно заменить изготовление таких опор вращения прекрасно освоенными нормальными компактными, малогабаритными подшипниками промышленного изготовления вне зависимости от долотного производства. Лучшая технология, лучшее качество, проще изготовление.

3/ Неоправданное применение мощного шарикового замка в расчете его работы не только на осевую нагрузку, но и на радиальную. Однако применение "экспромтом" опорных пят и подшипников скольжения из металлокерамики не изменили конструкцию замкового узла из шариков. Основная осевая нагрузка вдоль цапфы направлена к лапе и воспринимается пятой скольжения из ВК, а замки из шариков в этом случае нужны только для того, чтобы шарошка не соскочила с цапфы лапы долота, и делаются они десятки лет по-старому. Все это не экономично, поэтому возможно упрощение ликвидация замкового пальца в цапфе лапы долота.

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков и создание долота более дешевого по материалам, более простой технологии изготовления, более длительно работоспособного, экономически целесообразного в бурении.

На чертеже показано предлагаемое долото.

Долото включает лапу 1 с цапфой, шарошку 2 надетую на опорах вращения 3 на цапфу лапы долота. Шариковый стопор 4 выполняет только роль препятствия соскакивания шарошки с цапфы и не несет роли подшипника, как в обычном долоте, поэтому он выполняется минимального размера и не имеет замкового пальца в лапе долота. Таким образом, замковый подшипник отсутствует. Осевую нагрузку вдоль цапфы лапы долота воспринимает шаровая опора 5, находящаяся между шарошкой и цапфой в сферических лунках последних. Вся внутренняя пустая полость между шарошкой и цапфой заполнена смазкой (гидропластом или консистентной смазкой, лучше с графитовым наполнителем) 6. Пробка 7, находящаяся в канале цапфы, разделяет внутреннюю полость между шарошкой и цапфой и внешним пространством. Ниппель 8 служит для предохранения пробки 7, имеет отверстие d₃, через которое передается давление внешней среды на смазку 6, а через нее и на шарошку изнутри, уравновешивая их. Кольцевой герметизатор установлен между шарошкой и цапфой, состоит из колец 9 и 10, в зазорах между которыми как радиальными, так и осевыми, находится гидропласт. Кольцо 11 из пористого материала также пропитано в расплавленном гидропласте. Позицией 13 обозначено вестовое отверстие при заполнении сборки смазкой, 12 стопорное кольцо, 14 заглушка отверстия для заполнения шарикового стопора шариками.

Таким образом предлагается долото, в котором как в шарошке, так и на цапфе отсутствуют беговые дорожки для образования опор вращения непосредственно в теле шарошки и цапфы. Отсутствует и шариковый радиально-упорный подшипник, также с беговыми дорожками для него в шарошке и цапфе. Нет замкового пальца в цапфе. Нет радиального и торцевого подшипников скольжения из металлокерамики ВК как в шарошке, так и на торце цапфы. Применена шаровая пята более несущеспособная, чем замковый подшипник. Эта опорная пята располагается в сферических лунках в шарошке и цапфе. Все пустоты в сборе шарошки и цапфы заполнены смазкой, защищаемой металлогидропластовым кольцевым герметизатором между шарошкой и цапфой и пробкой в канале цапфы от проникновения абразивной жидкости из внешней среды. Это позволяет создать равновесное давление внутри шарошки и тем обеспечить герметизацию и безрасходность смазки из-за отсутствия вытекания ее при равновесном давлении вне и внутри шарошки. Этим достигается надежная работоспособность долота и его опор вращения шарошек, представляющих компактный малогабаритный подшипник отдельного от долота изготовления, типа игольчатого, с увеличенными элементами качения при уменьшенной их длине. Для компенсации возможного недозаполнения полости между шарошкой и цапфой смазкой имеется резервная емкость в цапфе в виде канала d₂ и d₁, заполняемая смазкой. При повышении давления вне шарошки пробка в канале цапфы под воздействием давления дозаполнит, если окажутся воздушные пузыри. Следует указать, что шаровая пята, имея значительно большую поверхность контакта, чем линейный контакт в традиционном замковом подшипнике долот, улучшит работу в предлагаемом устройстве всех опор вращения шарошки.

Экономическая целесообразность применения предлагаемого долота в производстве и особенно в бурении выражается в следующем.

При стоимости долот N8 и 9 /в ценах 1986 года/ в среднем по 600 руб за долото, цена долота в производстве может быть снижена за счет ликвидации изготовления беговых дорожек в шарошке и цапфе для опор вращения шарошки, ликвидации опор скольжения из металлокерамики ВК, вследствие этого применение в штыревых долотах более дешевых сталей для шарошки и лапы долота с уменьшением стоимости химико-термической обработки опор вращения шарошки. Это позволяет снизить себестоимость долота на 100 105 руб. Таким образом, завод изготовитель сэкономит за год на изготовлении 100000 шт. долот 10000000 руб.

Применение предлагаемых долот с герметизацией и более рациональной конструкцией опор вращения шарошки позволит увеличить по сравнению с серийными долотами проходку на долото и поднять рейсовую скорость бурения, а следовательно, и ввести в эксплуатацию скважины быстрее. Известно из мировой практики использования долот в бурении, что более 80% случаев смены долота и проведение спуско-подъемных непроизводительных операций при смене долота происходит из-за выхода опор вращения шарошки из работоспособного состояния, вследствие абразивного износа. Таким образом герметизация долота является основой повышения работоспособности долота при замене комплектации опор вращения шарошки из материала шарошки и цапфы. Вместо этого предлагается применение компактных малогабаритных подшипников, изготовляемых вне долота. Даже герметизация существующих долот серийного производства дает увеличение времени пребывания долота на забое в три и более раз. Таким образом одно долото с герметизацией экономит при бурении два серийных долота и две спуско-подъемные операции на смену долота.

Использование: буровая техника, в частности шарошечные буровые долота. Сущность изобретения: в буровом шарошечном долоте опоры вращения выполнены в виде компактных малогабаритных опор вращения независимого изготовления. Торцевая опора выполнена в виде шара. Шар расположен в сферических лунках шарошки и цапфы. Стопор выполнен в виде шарикового стопора. В канале цапфы установлен ниппель. Полости между шарошкой и цапфой и кольцевой герметизатор заполнены смазкой. 1 ил.

Буровое шарошечное долото, содержащее лапы с полостями и каналами, заполненными смазкой, цапфы, соединенные с ними посредством опор вращения шарошки, торцевую сферическую пяту, герметизатор в виде комплекта колец, расположенных в месте сопряжения каждой шарошки с лапой, и стопоры, отличающееся тем, что оно снабжено разделительными элементами для компенсации через них противодавления внешней среды, кольцами из пористого материала, расположенными в герметизаторах, которые заполнены гидропластом, причем опоры вращения выполнены в виде компактных малогабаритных опор вращения независимого изготовления, а стопоры шариковыми.