Разборное буровое шарошечное долото с опорами шарошек на подшипниках качения с сепараторами и с укороченными съемными секциями лап грибенников-малинкин

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям шарошечного долота. Техническим результатом является снижение затрат и упрощение технологии изготовления долота, повышение ресурса работоспособности опор шарошек и повышение производительности буровых работ за счет увеличения скорости и величины проходки долота. Буровое шарошечное долото состоит из отдельных самостоятельных частей: ниппеля, корпуса с центральным отверстием для присоединения ниппеля, лап, механизма фиксации в виде разъемного фланца с крепежными винтами, вынесенными за пределы рабочей зоны цапфы, размещенного в полости каждой шарошки упорного подшипника. При этом корпус долота выполнен в виде диска с тремя укороченными лапами, который имеет три отверстия сложной формы для сборки укороченных секций лап. Наружная поверхность корпуса имеет три выборки для очистки забоя скважины. Лапы включают в себя цапфу с посадочными местами под подшипники с механизмом фиксации, хвостовиком лапы и резьбовым штырем для навинчивания гайки. В полости шарошки на цапфе установлены два серийных шариковых радиальных подшипника качения с сепараторами, а посадочные размеры под упомянутые подшипники на цапфе выполнены согласно соотношению: , где d - диаметр сечения цапфы, в месте посадки подшипника качения, мм, D - диаметр долота, мм, упорный подшипник выполнен в виде серийного радиально-упорного подшипника. Размеры полости шарошки обеспечивают равнопрочность ее стенок во всех сечениях. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

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) согласно ГОСТу 20692-2003. Современные долота (ГОСТ 20692-2003) состоят из секций лап, на которых смонтированы шарошки (условно узлы в сборе). Секции лап в собранном виде образуют жесткую неразборную конструкцию. Верхняя часть секций лап в собранном виде затем растачиваются с последующей нарезкой на ней конусной замковой резьбы, образуя ниппель. Во всех известных девяти схемах исполнения опоры шарошек имеется шарикоподшипник и определенное количество беговых дорожек для монтажа в них тел качения. Тела качения свободно размещаются на беговых дорожках, образованных шарошкой и цапфой без какой-либо их фиксации, то есть без сепараторов. В технике такие конструкции называются насыпными подшипниками.

В зависимости от конструкции корпуса шарошечные долота независимо от назначения разделяются на две группы А и Б.

Группа А (секционные долота) - корпус сваривается из отдельных секций (лап), на которых монтируются шарошки.

Группа Б (цельнокорпусные) - корпус цельный, литой, к которому привариваются лапы с укрепленными на них шарошками.

К группе А относятся долота диаметром от 76 до 393,7 мм, а к группе Б - от 349,2 по 508 мм.

Общим для обеих групп является наличие секций лап, на которые монтируются шарошки с замковым шарикоподшипником.

Недостатками таких конструкций ГОСТ 20692-2003 являются энергоемкая выштамповка секций лап, недостаточно надежной сварное соединение, особенно в секционных долотах, неразборность и ремонтонепригодность конструкций, ненадежная и недолговечная опора шарошек с замковым шарикоподшипником, специфичность поизводства, трудоемкая утилизация, невозможная поузловая и подетальная кооперация и отсутствие конструктивного и технологического ресурса для дальнейшего совершенствования долот. Подтверждением перечисленных недостатков является ГОСТ 20692-2003, где шарошечные долота не наделены потребительскими свойствами, не имеют гарантированного ресурса работоспособности и не позволяют потребителю провести сравнительный анализ с зарубежными аналогами и долотами отечественного производства, то есть правильно подобрать долото для производства работ.

Близким по техническому решению (по опоре) является конструкция, заявленная в патенте №2067150 6, Е21В 10/22 от 27.09.96 года, где путем перестановок насыпных подшипников качения получен прирост долговечности и обеспечен принцип их равной долговечности.

Недостатком таких конструкций является ограниченная область их применения (лишь для опор ролик - шарик - ролик); неразборность и ремонтонепригодность и множество других. Перемещение в нижнее положение замкового шарикоподшипника в указанном патенте №2067150 снижается его ресурс работоспособности за счет уменьшения размеров его тел качения и не исключает всех недостатков, присущих насыпным подшипникам качения (набегание, завихрение, заклинивание тел качения). В опорах ролик - шарик - ролик перераспределение нагрузки и увеличения долговечности будет зависеть не от большого подшипника, а от быстрого изнашивания замкового шарикоподшипника, который увеличивает вероятность выпадения шарошки в забой. Не менее проблематичен и способ монтажа тел качения в нижнее положение, где потребуется повреждение вооружения (фрезерного или с твердосплавными зубками), связанное с дополнительными трудозатратами.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является разборное долото патент №2215112 от 21.08.2001 года - прототип, состоящее из отдельных самостоятельных частей (ниппеля, корпуса и узла в сборе).

Недостаток данной конструкции состоит в недоиспользованных технических возможностях опоры шарошек, конструкции корпуса долота и технологии сборки долота.

Техническая задача заявленного изобретения заключается в создании разборной конструкции из составных частей: ниппеля, корпуса и узла в сборе с опорой шарошек, отличной от базовой модели долота серийного производства с прогнозируемым ресурсом работоспособности, ремонтопригодной, менее трудоемкой в изготовлении, не требующей громоздкого прессово-штамповочного оборудования, менее энергозатратной, более надежной и долговечной и множеством других положительных факторов, а главное снижение затрат на спуско-подъемные операции при бурении глубоких скважин, за счет гарантированного ресурса работоспособности опоры шарошек. Разборная конструкция шарошечного долота с сепараторными подшипниками качения, кроме решения заявленных задач, позволит упростить парк станочного оборудования, унифицировать детали и узлы долота, а также сам процесс изготовления, решив тем самым один из важных вопросов сделать долото конструктивным, технологичным и перспективным для дальнейшего совершенствования.

Разборная конструкция шарошечного долота с опорой шарошек, выполненная по соотношению d/D=0.20 (d - диаметр сечения цапфы наиболее нагруженного подшипника, мм; D - диаметр долота, мм) позволяет варьировать в широком диапазоне размеры тел качения, их геометрические формы, а также схемы размещения различных подшипников (стандартных, насыпных, скольжения и их комбинациями).

Поставленная задача достигается тем, что замковый шарикоподшипник упразднен и вместо него применен механизм фиксации, который вынесен за пределы рабочей зоны цапфы;

- внутренний объем полости шарошек изменен с целью рационального уменьшения диаметра сечения цапфы под наиболее нагруженным подшипником на величину d/D=0.20;

- конструкция корпуса в виде диска имеет три сквозных отверстия и три выборки для очистки забоя, а также имеется отверстие для соединения с ниппелем;

- конструкция секции лапы значительно отличается от конструкции серийных лап своей разборностью.

По форме и размерам вместо круглых пазов для монтажа узла в сборе (секций лап) предусмотрены пазы сложной формы.

В отличие от конструкции патент №2215112 от 21.08.2001 - прототип секция лапы предлагаемого долота представляет собой укороченную секцию лапы, где цапфа имеет форму ступенчатых цилиндрических поверхностей, а сама лапа, выполненная в виде кронштейна с двумя обработанными концами, имеет сечение в форме «ласточкин хвост», выполненная под углом 50 градусов к оси долота с учетом изгибающего момента и момента сопротивления из расчета на допустимую осевую нагрузку на долото диаметром 215,9 мм 100 Н на одну секцию лапы. Для фиксации секции лапы относительно корпуса долота предусмотрен цилиндрический резьбовой штырь для крепления гайкой.

В измененный объем опоры шарошек вместо трех подшипников (насыпных) по схеме ролик - шарик - ролик монтируются только два радиальных шарикоподшипника серийного производства (с сепараторами). Замковый шарикоподшипник упразднен, а фиксация шарошки относительно цапфы осуществляется механизмом фиксации, который вынесен за пределы рабочей зоны цапфы в виде разрезного фланца с крепежными винтами.

Вместо пяты, выполняющей роль упорного подшипника скольжения, установлен радиально-упорный подшипник качения серийного производства. Размеры тел качения в двух серийных подшипниках качения с сепараторами соответствуют размерам тел качения в опорах долот (одного типоразмера). Это гарантирует равнопрочность и ресурс работоспособности в сравниваемых конструкциях. За счет сепараторов в серийных подшипниках качения нагрузка на тела качения перераспределится на дуге 180° диаметра цапфы, что позволит большему количеству тел качения одновременно принять на себя радиальную составляющую от осевой нагрузки.

В результате в трехшарошечном долоте одновременно будут задействованы все три опоры долота с большим количеством тел качения. Разборное долото с опорами шарошек на серийных подшипниках качения с фрезерованными или твердосплавными зубьями делает долото многофункциональным, а детали и его узлы многооборотными.

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

- корпус уменьшен по высоте и в нем предусмотрены скосы для очистки забоя скважины; укорочены секции лап; П-образные пазы заменены на пазы типа «ласточкин хвост»; технология сборки узла в сборе и долота также изменены;

- опора шарошек может иметь два радиальных шариковых подшипника качения с сепараторами серийного производства и множество других комбинаций схем монтажа подшипников различных типов;

- вместо упорного подшипника скольжения (пяты) установлен радиально-упорный подшипник серийного производства;

- диаметр сечения цапфы в месте установки подшипников, воспринимающих наибольшее усилие, уменьшен на величину d=0,20D (где d - диаметр сечения цапфы, в месте посадки подшипника качения, мм; D -диаметр долота, мм);

- беговые дорожки под замковый шарикоподшипник в шарошках и цапфе упразднены;

- механизм фиксации шарошки относительно цапфы вынесен за пределы рабочей зоны цапфы;

- совмещены большой и малый шарикоподшипники;

- толщина стенок шарошек выполнена с учетом обеспечения равнопрочности во всех сечениях;

- секция лапы в опасном сечении на срез и изгиб имеет площадь сечения с учетом действия осевого усилия и реакции забоя;

- соединение секции лапы с корпусом осуществлено с помощью сечения типа «ласточкин хвост», резьбового соединения и сварки;

- радиальная составляющая от осевой нагрузки перераспределена равномерно по дуге обхвата 180° на тела качения подшипников;

- каталожный ресурс работоспособности в примененных серийных подшипниках качения с сепаратором позволяет установить фактическую стойкость опор (и долот в целом) с учетом специфики эксплуатации (частоты вращения, скорости бурения, физико-механических свойств породы и т.д.).

Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «Новизна».

Предлагаемое техническое решение дает возможность:

- снизить затраты на изготовление;

- упростить технологию контроля и снизить затраты на технологическую оснастку;

- сократить парк измерительных средств за счет сокращения измерительных баз;

- сократить расходы на упрочнение беговых дорожек (упразднить химико-термическую обработку беговых дорожек и цапф);

- обеспечить радиальную и осевую соосность цапфы относительно шарошки;

- применять серийные стандартные металлообрабатывающие станки;

- уменьшить или сократить состав оборудования за счет отказа от энергозатратного прессово-штамповочного оборудования;

- сократить энергозатраты на выштамповку массивных секций лап;

- выполнять сборку и разборку на заводах - производителях и на местах эксплуатации;

- применять межпроизводственную кооперацию при изготовлении деталей и узлов;

- составить или разработать типоразмерный ряд деталей и узлов на основе 100% унификации и стандартизации всех деталей и узлов шарошечных долот;

- разработать методику расчета и выбора основных конструктивных параметров долота с учетом их равнопрочности, равнодолговечности и системной надежности (привод - буровой став - породоразрушающий инструмент);

- перераспределить радиальную составляющую от осевой нагрузки равномерно на дугу оборота 180°, снизив тем самым контактные напряжения на тела качения;

- снизить вероятность заклинивания шарошки относительно цапфы;

- увеличить ресурс работоспособности опоры шарошек;

- увеличить скорость проходки;

- снизить вероятность выпадения шарошек в забой скважины;

- обеспечить лучшую очистку забоя скважины за счет правильной геометрической формы нового долота;

- обеспечить ремонтопригодность долот;

- снизить затраты на спуско-подъемные операции;

- исследовать процессы изнашивания и отказов и классифицировать их в соответствии с принятой производителями долот всего мира системой классификации, особенно по отказам опоры шарошек;

- разделить долота на простые и сложные, низкооборотные и высокооборотные, глубинные и поверхностные, дорогие и дешевые, применяемые для бурения на карьерах или глубоких газовых и нефтяных скважин;

- разгрузить долотные заводы за счет организации выпуска новых более простых шарошечных долот для горнодобывающей, строительной, геологоразведочной и других отраслей, не требующих сложных долот с герметизированными опорами и масленками;

- решить проблему разборности долот, многофункциональности и многоразового их использования;

- снизить общие затраты на буровые работы.

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, которое состоит из 1 - ниппеля, 2 - корпуса, 3 - узла в сборе (секция лапы). На фиг.2 показан ниппель.

На фиг.3 и фиг.4 показан корпус.

На фигуре 5 показан узел в сборе, который содержит цапфу 5, фланец разъемный 6, винты крепежные 7, уплотнение (антифрикционная прокладка) 8, шарошку 9, радиальный подшипник (большой) 10, радиальный подшипник (малый) 11, радиально-упорный подшипник) 12.

На фиг.6 - вид А на фиг.5.

Сборка долота начинается со сборки узла в сборе. Сначала устанавливается уплотнение 8, затем большой подшипник 10, за ним малый 11 и радиально-упорный 12. Затем монтируется шарошка 9, фланец 6 и производится крепление фланца 6 винтами 7. После проверки правильности сборки (путем прокручивания усилием руки в любую сторону по оси вращения) винты фиксируются сваркой. После чего фланец 6 приваривается к шарошке 9.

Собранный узел в сборе вставляется в пазы корпуса и закрепляется гайкой 4 (фиг.1). При необходимости шплинтуется и сваривается.

Затем в корпус фиг.3 ввинчивается ниппель и приваривается по контуру к корпусу долота.

При работе долота осевая нагрузка перераспределяется (теоретически) на три равные части. На долю одной секции лапы или опоры шарошек приходится 0,25 Р от осевой допустимой нагрузки, ранее регламентированной ГОСТ 20692-75 (таблица 6).

Для трехшарошечных долот диаметром 215,9 мм с опорами вида В, Н, НУ, АУ нагрузка составляла соответственно 250, 380, 310, 280 кН. Следовательно на долю одной секции будет приходиться нагрузка в три раза меньше указанной для каждой опоры.

Исходя из указанных допустимых нагрузок были подобраны сечения секций лап по моменту сопротивления. В результате в предлагаемой конструкции долота за счет уменьшения сечения цапфы большого подшипника (наиболее нагруженного) удалось перераспределить осевую нагрузку на два подшипника путем спаривания двух подшипников качения серийного производства с сепараторами или за счет увеличения размеров тел качения в насыпных подшипниках без сепаратора при упразднении замкового шарикодшипника.

За счет изменения геометрической формы и целостности секции лап, а также увеличения сечения лапы в целом и посадочных мест в частности нагрузка от реакции забоя перераспределяется по контуру поверхности корпуса долота, образуя с ниппелем и узлом в сборе жесткую систему, предотвращая колебания цапфы (секции лап) относительно оси долота.

Примененные в заявленном патенте серийные подшипники качения с сепараторами гарантируют зону нагружения 180° и равномерное распределение радиальной нагрузки на тела качения, расположенные в этой зоне. При этом последовательно установленные большой и малый подшипники позволяют обеспечить принцип их равной долговечности и перераспределить реакцию забоя, которая в большей степени приходится на большой подшипник (при исполнении опоры по схеме ролик - шарик - ролик).

Современные долота (секционные), имеющие фиксацию сваркой верхней ниппельной части долота, имеют удлиненные секции лап, которые в процессе бурения под нагрузкой вибрируют (недостаточная жесткость) и колеблются относительно оси долота с определенной амплитудой.

Согласно классификации причин отказов, принятой международной ассоциацией производителей долот, вид поломки в виде раскола по сварным швам имеет свой шифр в указанном классификаторе.

В предлагаемой конструкции цельнолитое или цельноштампованное кольцо (корпус) делит долото на две равные части, что исключает поломку секции лап, а массивное их сечение и глухое защемление секции лап относительно корпуса исключает вибрацию в поперечном сечении скважины.

Предлагаемая схема долота и его сборки, и конструктивное исполнение отдельных его узлов открывает неограниченные возможности для совершенствования конструкции шарошечного долота.

1. Буровое шарошечное долото, состоящее из отдельных самостоятельных частей: ниппеля с конусной замковой и метрической резьбой и лысками под гаечный ключ для сборки и разборки, корпуса с центральным отверстием для присоединения ниппеля, лап, механизма фиксации в виде разъемного фланца с крепежными винтами, вынесенными за пределы рабочей зоны цапфы, размещенных и закрепленных на торцевой плоскости фланца шарошек и антифрикционных прокладок, размещенного в полости каждой шарошки упорного подшипника, отличающееся тем, что корпус долота выполнен в виде диска с тремя укороченными лапами, которые являются узлами в сборе и включают в себя цапфу с посадочными местами под подшипники с механизмом фиксации, хвостовик лапы и резьбовой штырь для навинчивания гайки, при этом в полости шарошки на цапфе установлены два серийных шариковых радиальных подшипника качения с сепараторами, а посадочные размеры под упомянутые подшипники на цапфе выполнены согласно соотношению

,

где d - диаметр сечения цапфы в месте посадки подшипника качения, мм;

D - диаметр долота, мм,

при этом упорный подшипник выполнен в виде серийного радиально-упорного подшипника, а размеры полости шарошки обеспечивают равнопрочность ее стенок во всех сечениях.

2. Долото по п.1, отличающееся тем, что укороченные лапы выполнены в виде кронштейнов с двумя обработанными концами.

3. Долото по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность корпуса имеет три выборки для очистки забоя скважины.

4. Долото по п.1, отличающееся тем, что корпус долота имеет три отверстия сложной формы для сборки укороченных секций лап с наклонной осью цапф для формирования угла наклона оси цапфы относительно оси долота.