БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО ГРИБЕННИКОВ-МАЛИНКИН-УШАКОВА Российский патент 2008 года по МПК E21B10/22 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям породоразрушающего инструмента - шарошечного долота, предназначенного для бурения скважин различного назначения в горнорудной, нефтяной, геологоразведочной и других отраслях промышленности.

Известны конструкции буровых шарошечных долот, где опоры шарошек различаются между собой по видам (В, Н, НУ, АУ) ГОСТ 20692-2003.

Базовая модель по ГОСТу 20692-2003 долота состоит из трех секций, жестко сваренных между собой, образуя ниппель, лапу и цапфу с шарошкой. Шарошка насажена на цапфу, на которой расточены беговые дорожки (как и на внутренней полости шарошки) между ними расположены тела качения, обеспечивающие вращение шарошки относительно цапфы. Известны примерно девять схем исполнения опор шарошек, в основе которых вертикальная ось с последовательно размещенными на ней подшипниками с различными размерами и ресурсом работоспособности. Количество подшипников зависит от типоразмера долота.

Недостатком таких конструкций является:

- не соблюдение принципа равной долговечности;

- неразборность долот и ремонтно-непригодность;

- энергозатратная выштамповка секций лап, трудоемкость в изготовлении;

- большая вероятность отказов (заклинивание опоры и разрушение тел качения);

- большие затраты на смену долота, влекущие значительные затраты на спуско-подъемные операции и множество других недостатков.

Близкими по техническому решению (по опоре) являются конструкции опор шарошек, заявленные в патентах №1229297 А1 от 7 мая 1986 года и №2067150 С от 27 сентября 1996 года, где путем изменения геометрической формы тел качения и перестановки подшипников получен прирост долговечности и решен вопрос об обеспечении принципа равной долговечности. Недостатком таких конструкций является неразборность долот и их ремонтно-непригодность, энергоемкая выштамповка секций лап и специфическая (узкая) специализация, создающая предпосылки для монополизации производства долот и не обоснованно завышение цен и множество других технических недостатков.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является разборное долото (патент №2215112 от 21 августа 2001 года), состоящее из отдельных самостоятельных частей (ниппеля, корпуса и узла в сборе) - прототип. Недостаток данной конструкции состоит в недоиспользованных технических возможностях опоры шарошек.

Техническая задача заявленного изобретения заключается в создании разборной конструкции из составных ее частей: ниппеля, корпуса и узла в сборе; с опорой шарошек, отличной от базовой стандартной, более надежной и долговечной, менее трудоемкой, ремонтно-пригодной, с повышенным коэффициентом работоспособности подшипников качения, удобной для утилизации и возможностью использования серийных стандартных металлообрабатывающих станков; отказ от мощного прессового оборудования; высокая степень унификации и стандартизации; применение ограниченного состава оборудования с невысокой культурой производства, не требующего высокой квалификации специалистов; нормирование допустимых осевых нагрузок и режимов бурения; гарантированный ресурс работоспособности и снижение вероятности отказов; гарантируется системная надежность долот в работе; возможность повышения скорости бурения и снижения затрат на спуско-подъемные операции и множество других преимуществ.

Разборная конструкция долота с измененной опорой шарошек позволит значительно повысить надежность опорных подшипников и получить стойкость опоры шарошек выше стойкости вооружения.

Поставленная задача достигается тем, что объем полости шарошки видоизменен за счет рационального увеличения размеров тел качения, уменьшения диаметра сечения цапфы в местах посадки тел качения на основании соотношения d/D=0,20 (заявка №2005129367/03 от 20 сентября 2005 года), где d - диаметр сечения цапфы, мм; D - диаметр долота, мм, и изменения геометрии внутренней полости шарошек за счет сокращения количества беговых дорожек. Вместо множества беговых дорожек нарезается (вытачивается) одна для размещения в ней значительно большего по размерам роликового подшипника. Известно, что работоспособность и долговечность подшипников качения зависит в большей степени от размеров тел качения.

Так для долота диаметром 215,9 мм с опорой шарошек ролик-шарик-ролик с размерами роликов 8·16 и 10·20 сумма двух коэффициентов работоспособности меньше, чем у одного роликового, размерами 18·30 мм. Упрощение опоры шарошек позволяет обеспечить соосность в осевом направлении и значительно уменьшить вероятность отказов от смещения, перекосов и заеданий тел качения в процессе монтажа и эксплуатации долот. При этом прочность стенок шарошек во всех сечениях обеспечивается правильным выбором и размещением внутри шарошки тел качения и других деталей.

Использование подобной опоры в разборных долотах, где замковый механизм фиксации вынесен за пределы рабочей зоны цапфы, позволяет использовать узел в сборе как самостоятельный породоразрушающий инструмент многоразового и целевого применения.

Смена узла в сборе в зависимости от горно-геологических условий делает разборное долото более универсальным.

Сравнение заявленного решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:

- опора шарошек имеет один роликовый подшипник;

- количество беговых дорожек на шарошке и цапфе сокращено;

- коэффициент работоспособности одного роликового и его долговечность больше, чем сумма этих же характеристик в двух роликовых;

- обработка одной дорожки менее трудоемка и не требует специальной технологической оснастки и сложных измерительных средств контроля;

- поверхностное упрочнение одной беговой дорожки не требует сложной технологии;

- внутренняя полость стенок шарошек по толщине стенок выполнена с учетом обеспечения равнопрочности во всех ее сечениях;

- сечение цапфы в местах монтажа тел качения подобрано согласно соотношению d/D=0,20 с пятикратным запасом прочности на изгиб по пределу текучести для стали, марки 20ХН3А;

- соединение цапфы с корпусом осуществлено с помощью резьбового соединения;

- упразднение шарикового замкового и двух неравнозначных роликовых подшипников и замена их на один большой роликовый позволяет сосредоточить радиальную нагрузку на большой роликовый подшипник, что исключает принцип неравной долговечности подшипников качения, размещенных в одной опоре.

Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «Новизна».

Предлагаемое техническое решение дает возможность:

- снизить трудозатраты на механическую обработку;

- снизить затраты на изготовление специальной технологической оснастки;

- сократить парк измерительных средств за счет упрощения конструкции опоры и уменьшения измерительных баз;

- сократить расходы на упрочнение беговых дорожек, шарошек и цапф;

- обеспечить соосность и упростить сборку опоры шарошек и долота в целом;

- применять стандартные серийные металлообрабатывающие станки с ограниченным составом оборудования и невысокой культурой производства:

- отказаться от энергозатратного, дорогостоящего специального прессово-штамповочного оборудования;

- выполнять сборку и разборку на заводах-изготовителях или на местах эксплуатации с учетом конкретных горно-геологических условий;

- увеличить долговечность за счет увеличения размеров тел качения в подшипниках качения;

- уменьшить контактные напряжения за счет большей поверхности соприкосания роликов с беговыми дорожками;

- перераспределить радиальную нагрузку и обеспечить принцип равной долговечности для тел качения большого роликового подшипника;

- снизить вероятность заклинивания тел качения в процессе изнашивания за счет увеличенных размеров тел качения;

- широко использовать унификацию и стандартизацию при изготовлении составных деталей и узлов долота, используя межпроизводственную кооперацию;

- заменять и ремонтировать отдельные детали и узлы долота и удешевить транспортировку или доставку долот в отдаленные места;

- исследовать процессы изнашивания и классифицировать отказы в процессе эксплуатации:

- значительно снизить затраты на спуско-подъемные операции;

- увеличить стойкость опоры шарошек по сравнению с вооружением долота;

- применять различные прочные и антифрикционные материалы для изготовления тел качения;

- снизить вероятность выпадения шарошек в забой скважины, повысить эксплуатационный ресурс работы долота и улучшить очистку забоя за счет правильной геометрической формы разборного долота и сходящих и выходящих гидродинамических потоков;

- сократить количество деталей в опоре шарошек с целью повышения системной надежности конструкции шарошечного долота;

- предложенные соотношения d/D=0,20 и l/d=1,7 могут быть использованы при разработке методики по выбору и расчету основных параметров на стадии проектирования шарошечных долот.

При проведении анализа патентной и научно-технической литературы не была выявлена совокупность признаков, которые определили новые свойства заявленного долота. Поэтому она соответствует критерию «Изобретательский уровень». Заявленное изобретение может быть воплощено на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применяемость».

На фиг.1 показано буровое шарошечное долото в сборе. На фиг.2 показаны составные части трехшарошечного долота: 1 - ниппель; 2 - корпус и 3 - комплект шарошек. На фиг.3 показан узел в сборе (шарошка с цапфой с комплектующими деталями). Узел в сборе (фиг.3) содержит цапфу 1, уплотнение 2 (антифрикционная прокладка), фланец разъемный 3, винты крепежные 4, тела качения - цилиндрические ролики 5, шарошку 6, шайбу 7, радиально-упорный серийный подшипник 8. Сборка долота начинается с ниппеля 1 (фиг.1), который навинчивается в корпус 2, затем в собранном виде шарошка ставится на торцевую поверхность ниппеля 1 на корпус 2 и монтируются узлы в сборе 3. Сборка узла в сборе 3 (фиг.3) производится в следующей последовательности. В шарошку 6 монтируется радиально-упорный подшипник 8, затем устанавливается шайба 7, на шайбу 7 монтируются цилиндрические ролики 5, после чего ввинчивается цапфа, в заключение вставляются две разрезные части фланца 3 и закрепляются винтами 4, которые затем фиксируются сваркой. После проверки правильности сборки и прокручивания узла в сборе 3 относительно цапфы 1 провариваются места стыков, указанные стрелками А, а также сваривается контур стыка цапфы 1 с корпусом 2 (фиг.1), обозначенный буквой А. После остывания проваривается контур, соединяющий ниппель 1 с корпусом 2 (фиг.1), указанный стрелкой А.

При работе долота часть осевой нагрузки (допустимой по ГОСТу 20692-75 табл.6) будет восприниматься радиально-упорным подшипником 8 (фиг.3). Остальная (большая) часть от осевой допустимой нагрузки на долото будет перераспределена на тела качения по линии их касания с внутренней поверхностью шарошки. Зона нагружения составляет примерно половину диаметра (или дугу обхвата 180°) посадочного диаметра шарошки, в которой одновременно будет задействовано не менее 1/3 тел качения от общего количества в опоре шарошек.

Это позволяет значительно снизить контактные напряжения за счет увеличения площади соприкосновения тел качения с внутренней поверхностью шарошки, то есть значительно увеличены линейные контакты по сравнению с малыми размерами тел качения, заложенных в серийных конструкциях шарошечных долот с большим количеством беговых дорожек. В предлагаемой конструкции за счет упразднения большого количества беговых дорожек в рабочей зоне опоры шарошек обеспечена равная долговечность подшипника качения, которую обычно пытаются разрешить за счет перестановок подшипников качения (патент №2067150 от 27 сентября 1996 года).

Сплошное кольцо-корпус исключает вероятность разлома секций лап по стыкам сварных швов, которые происходят по вине изготовителя (непровар) и эксплуатационников при неправильном выборе режимов бурения (от ударов и вибраций).

Компактно подобранное по высоте кольцо-корпус долота позволяет уменьшить длину секций лап, уменьшить общий габарит долота по высоте и повысить жесткость долота, и за счет упразднения выпуклостей придать долоту правильную цилиндрическую форму, что значительно улучшает гидродинамику струйных потоков воздуха или жидкости и способствует более эффективной очистке забоя скважины, а точнее обеспечивает более высокую производительность бурения.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям породоразрушающего инструмента - шарошечного долота, предназначенного для бурения скважин различного назначения в горнорудной, нефтяной, геологоразведочной и других отраслях промышленности. Позволяет отказаться от многорядных схем размещения подшипников на вертикальной оси с различными размерами и неодинаковыми ресурсами работоспособности и долговечности. Долото состоит из отдельных самостоятельных частей: ниппеля с конусной замковой резьбой и метрической и шестигранными лысками под ключ для сборки разборки, корпуса в виде сплошного кольца с тремя отверстиями для очистки забоя скважины и резьбовыми отверстиями для соединения с ниппелем с узлами в сборе, состоящих из цапфы, шарошек, уплотнений, тел качения, шайбы, радиально-упорного подшипника качения и разъемного фланца с крепежными винтами, выполняющего роль замкового шарикоподшипника - механизма фиксации, вынесенного за пределы рабочей цапфы, и размещенного и закрепленного на торцевой плоскости шарошки. Количество беговых дорожек или подшипников качения сокращено до одного, а посадочный размер под подшипник качения - наружный - увеличен за счет уменьшения диаметра цапфы d в сечении монтажа тел качения на величину d/D=0,20, где d - диаметр сечения цапфы в месте сопряжения с телами качения и D - диаметр долота, мм. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Буровое шарошечное долото, состоящее из отдельных самостоятельных частей: ниппеля с конусной замковой резьбой и метрической и шестигранными лысками под ключ для сборки разборки, корпуса в виде сплошного кольца с тремя отверстиями для очистки забоя скважины и резьбовыми отверстиями для соединения с ниппелем с узлами в сборе, состоящими из цапфы, шарошек, уплотнений, тел качения, шайбы, радиально-упорного подшипника качения и разъемного фланца с крепежными винтами, выполняющего роль замкового шарикоподшипника - механизма фиксации, вынесенного за пределы рабочей цапфы, размещенного и закрепленного на торцевой плоскости шарошки, отличающееся тем, что количество беговых дорожек или подшипников качения сокращено до одного, а посадочный размер под подшипник качения - наружный - увеличен за счет уменьшения диаметра цапфы d в сечении монтажа тел качения на величину d/D=0,20, где d - диаметр сечения цапфы в месте сопряжения с телами качения и D - диаметр долота, мм.2. Долото по п.1, отличающееся тем, что коэффициент работоспособности, как и долговечность одного роликового подшипника больше, чем сумма этих же коэффициентов у двух роликовых с опорами ролик-шарик-ролик при выбранном соотношении L/d=30/18=1,7 вместо общепринятого L/d=2,0.3. Долото по п.1, отличающееся тем, что торцевой подшипник скольжения в виде пяты заменен на серийный радиально-упорный подшипник качения.