Буровое шарошечное долото
Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам. Позволяет повысить эффективность работы долота и упростить его конструкцию. Долото содержит корпус с промывочной системой и наклонными цапфами, на каждой из которых посредством подшипников и запорной втулки установлена шарошка с породоразрушающими элементами. Втулка выполнена в виде плавающего подшипника скольжения с кольцевой проточкой на наружной поверхности для взаимодействия со стопорным элементом, установленным в корпусе шарошки. Втулка может быть выполнена в виде кольцевых сегментов, а стопорный элемент - в виде штифта, жестко закрепленного в корпусе шарошки, или в виде разрезного пружинного кольца, установленного в совмещенных кольцевых канавках корпуса шарошки и запорной втулки. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам.
Известно буровое шарошечное долото, содержащее корпус с лапами, на цапфах которых посредством подшипников скольжения и качения, один из которых - замковый, установлены шарошки с рабочими элементами (см. справочник «Буровые долота». Палий П.А. и Корнеев К.Е., Москва, Недра, 1971 г., с.175, рис.V1.30).
К недостаткам данного долота следует отнести значительное ослабление цапфы в зоне расположения замкового подшипника, связанное с использованием замкового пальца большого диаметра. Особо это сильно сказывается при использовании долот малого диаметра.
Наличие сварного шва на спинке лапы, которая соприкасается со стенками скважины, ведет к быстрому износу выходного торца пальца и к выходу из строя всей опоры. При наличии же герметизирующего элемента в опоре долота, устанавливаемого, как правило, у основания цапфы, при проведении сварочных работ наблюдаются случаи быстрого выхода их из строя из-за значительного влияния высокой температуры. Все это снижает эффективность работы долота в целом.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, содержащее корпус с промывочной системой и наклонными цапфами, на каждой из которых посредством подшипников и запорной втулки установлена шарошка с породоразрушающими элементами (см. авт. св. СССР №1588857, кл. Е 21 В 10/ 22, 1990 г.).
В данном долоте, благодаря исключению канала под замковый палец, значительно повышается прочность цапфы, а также исключаются все негативные явления, связанные с креплением замкового пальца сваркой.
Недостатками его являются сложность конструкции и, как следствие, малая надежность в работе, а также трудоемкость монтажа и демонтажа. Все это усугубляется наличием пружинного элемента, который в скважинных условиях быстро выйдет из строя и может стать причиной заклинивания шарошки на цапфе.
В соответствии с изложенным технической задачей изобретения является улучшение эффективности работы долота путем повышения стойкости его опоры и упрощения конструкции.
Поставленная техническая задача решается тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с промывочной системой и наклонными цапфами, на каждой из которых посредством подшипников и запорной втулки установлена шарошка с породоразрушающими элементами, согласно изобретению запорная втулка выполнена в виде плавающего подшипника скольжения с кольцевой проточкой на наружной поверхности для взаимодействия со стопорным элементом, установленным в корпусе шарошки.
Другим отличительным признаком изобретения является то, что:
- плавающая втулка выполнена в виде нескольких кольцевых сегментов;
- стопорный элемент выполнен в виде штифта, жестко закрепленного в корпусе шарошки;
- стопорный элемент выполнен в виде разрезного пружинного кольца, установленного в совмещенных кольцевых канавках корпуса шарошки и запорной втулки;
- долото снабжено уплотнительным кольцом, установленным между торцом шарошки и корпусом;
- уплотнительное кольцо армировано металлическим пружинящим элементом;
- ширина кольцевой проточки на запорной втулке больше диаметра штифта стопорного элемента.
Выполнение запорной втулки в виде плавающего подшипника значительно снижает трение между втулкой с одной стороны и цапфой и шарошкой - с другой стороны. При этом увеличивается опорная поверхность шарошки и соответственно уменьшается удельная нагрузка, благодаря чему значительно увеличивается работоспособность как опоры, так и долота в целом. Выполнение плавающей втулки в виде нескольких кольцевых сегментов позволяет упростить монтаж опоры, так как не требует осевого перемещения втулки для установки шарового подшипника. Использование уплотнительного кольца с металлическим армирующим элементом целесообразно в случае применения плавающего подшипника в виде единой неразрезной втулки. В этом случае для обеспечения осевого перемещения втулки следует кольцевую проточку на ее наружной поверхности выполнять с шириной, большей, чем ширина стопорного элемента (штифтов или разрезного пружинного кольца). Выбор типа стопорного элемента определяется конструктивным выполнением плавающей втулки. При выполнении плавающей втулки в виде нескольких кольцевых сегментов целесообразно использовать разрезное кольцо, а при выполнении втулки в виде единого элемента - штифты. Использование уплотнительного кольца преследует двойную цель: обеспечение герметизации опоры и обеспечение осевого перемещения запорной втулки для установки шарового подшипника. Достижению второй цели служит также армировка уплотнительного кольца пружинным элементом. Выполнение кольцевой проточки на втулке больше ширины стопорного элемента позволяет упростить монтаж шарошки при установке стопорного элемента.
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг.1 изображает общий вид долота; фиг.2-3 - варианты выполнения узла герметизации опоры долота: на фиг.4 - вариант выполнения опоры с плавающим подшипником в виде кольцевых сегментов: фиг.5 - сечение А-А на фиг.4.
Буровое шарошечное долото включает корпус 1 с присоединительной резьбой 1, промывочной системой и наклонными цапфами 3 с установленными на них шарошками 4, вооруженными породоразрушающими элементами 5. Каждая шарошка 4 устанавливается на цапфе 3 посредством запорной втулки 6 и шарикового подшипника 7, образующих совместно замковый узел для шарошки 4. При этом запорная втулка 6 выполнена с кольцевой проточкой 8 на наружной поверхности, куда входит стопорный элемент, выполняемый в виде штифтов 9 или разрезного пружинного кольца 10. При выполнении стопорного элемента в виде штифтов 9, последние жестко крепятся в корпусе шарошки 4. В случае же выполнения стопорного элемента в виде разрезного пружинного кольца 10 для фиксации последнего относительно шарошки 4 на внутренней ее поверхности выполняется ответная кольцевая расточка 15. Ширина проточек 8 в обоих вариантах должна быть больше ширины стопорного элемента (диаметра штифтов 9 или ширины разрезного пружинного кольца 10), ограничивающего осевое перемещение запорной втулки 6 относительно шарошки 4. Опора шарошки, кроме замкового подшипника, может включать ряд дополнительных подшипников 11, количество и тип которых выбирается в зависимости от типоразмера применяемого шарошечного долота. Запорная втулка 6, играющая роль плавающего подшипника, может выполняться как в виде единого элемента, так и в виде нескольких кольцевых сегментов 12 (фиг.2), суммарная длина внутренних дуг которых соответствует примерно наружному диаметру цапфы 3 в зоне их контакта, а сумма наружных дуг кольцевых сегментов 12 - внутреннему диаметру шарошки 4.
Применение запорной втулки 6 в виде единого элемента позволяет упростить конструкцию замкового узла шарошки и тем самым уменьшить стоимость долота в целом. Использование же запорной втулки 6 в виде нескольких кольцевых сегментов 12 упрощает технологию монтажа шарошек и увеличивает контактную поверхность опоры долота, повышая тем самым работоспособность опоры. Втулка 6 в виде единого элемента может быть использована как совместно с упругим кольцом 13, предпочтительно армированным пружиной 14, так и без упругого кольца 13 (фиг.3). В первом случае запорная втулка 6 выполняется с кольцевой проточкой под шаровой подшипник 7 с длиной дуги, примерно, в четверть окружности. Во втором случае запорная втулка 6 имеет большую длину на диаметр упругого элемента, однако, контактная поверхность ее с шаровым подшипником 7 в этом случае имеет весьма малую величину. В случае применения кольцевых сегментов 12 опора долота может выполняться как с упругим элементом 13, так и без него. При этом нет необходимости осевого перемещения втулки относительно цапфы 3, так как запорная втулка 6 устанавливается на подшипник сверху отдельными сегментами 12 и при любой форме выполнения замкового подшипника обеспечивается практически круговой обхват шаров 7, что повышает несущую способность шарового подшипника.
Монтаж опоры долота осуществляется следующим образом. При использовании сплошной втулки 6 совместно с упругим кольцом 13 вначале устанавливают на цапфе втулку 6 и отжимают к основанию цапфы 3 таким образом, чтобы можно было свободно разместить шары 7 подшипника в беговую дорожку. После сборки шарового подшипника 7 втулку 6 освобождают и она запирает шары, образуя замковый узел. После этого надевают шарошку 3 и фиксируют запорную втулку штифтами 9 через специальные отверстия в корпусе шарошки 3. В случае применения разрезного пружинного кольца 10 последнее устанавливают в кольцевой расточке 15 шарошки 4 или кольцевой проточке 8 запорной втулки 6. После совмещения кольцевых проточек 6 с кольцевыми расточками 15 пружинное кольцо 10 фиксирует шарошку 4 относительно цапфы 3. При использовании запорной втулки 6 без упругого кольца 13 шары устанавливают в беговой канавке, образованной цапфой и 3 торцевой поверхностью втулки 6. Окончательную сборку опоры посредством штифтов 9 или разрезного пружинного кольца 10 осуществляют аналогично первому варианту.
При монтаже опоры с кольцевыми сегментами 12 вначале на беговой дорожке устанавливают шары, на которые накладывают кольцевые сегменты 12 и фиксируют на цапфе 3 любым известным способом, например путем намагничивания цапфы. После этого надевают шарошку 4 и фиксируют штифтами 9 относительно запорной втулки 6. При использовании кольцевого разрезного пружинного кольца 10 последнее размещают в кольцевой проточке 8 на наружной поверхности кольцевых сегментов 12. При этом пружинное кольцо 10 одновременно выполняет функцию фиксатора для кольцевых сегментов 12, удерживая их на цапфе 3. После этого устанавливают шарошку 4, которая благодаря расточке на торцевой поверхности сжимает пружинное разрезное кольцо 10, утапливая его в кольцевой проточке 8 втулки 6. При совмещении кольцевой расточки 15 на внутренней поверхности шарошки 4 с разрезным кольцом 10 происходит фиксация шарошки 4 на цапфе 3.
Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого с поверхности через колонну бурильных труб, породоразрушающие элементы 5 внедряются в породу и разрушают ее. Разрушенная порода удаляется с забоя скважины промывочной жидкостью, подаваемой через промывочную систему долота. В процессе бурения осевая нагрузка воспринимается опорными элементами долота. При этом благодаря выполнению запорной втулки 6 в виде плавающего подшипника обеспечивается значительное снижение трения между контактирующими поверхностями опоры и тем самым увеличивается работоспособность как всей опоры, так и долота в целом. Одновременно с этим исключаются все операции по сверлению канала для установки замкового шарикового подшипника и сварочные работы по креплению замкового пальца. Отсутствие канала в цапфе повышает ее прочность на изгиб и исключает появление в ней опасных сечений. Такое решение в первую очередь благоприятно скажется при создании и эксплуатации долот малого диаметра, хотя оно может быть с успехом использовано и в долотах для бурения скважин большого диаметра. Отсутствие сварочных работ также позволяет повысить надежность и работоспособность опоры благодаря сохранению твердости термообработанных поверхностей опоры и исключению влияния температурных факторов на герметизирующие элементы, расположенные у основания цапфы 3. Особое значение это имеет для долот с герметизированной опорой, которые в последнее время находят все более широкое применение в практике буровых работ. Все это позволяет повысить технико-экономические показатели буровых работ в первую очередь за счет применения форсированных режимов бурения, причем особенно в долотах типа «Т», «К» и «ОК», эффективность работы которых в значительной степени определяется величиной осевой нагрузки.
1. Буровое шарошечное долото, содержащее корпус с промывочной системой и наклонными цапфами, на каждой из которых посредством подшипников и запорной втулки установлена шарошка с породоразрушающими элементами, отличающееся тем, что запорная втулка выполнена в виде плавающего подшипника скольжения с кольцевой проточкой на наружной поверхности для взаимодействия со стопорным элементом, установленным в корпусе шарошки.
2. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что плавающая втулка выполнена в виде нескольких кольцевых сегментов.
3. Буровое шарошечное долото по п.1 или 2, отличающееся тем, что стопорный элемент выполнен в виде штифта, жестко закрепленного в корпусе шарошки.
4. Буровое шарошечное долото по п.1 или 2, отличающееся тем, что стопорный элемент выполнен в виде разрезного пружинного кольца, установленного в совмещенных кольцевых канавках корпуса шарошки и запорной втулки.
5. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что долото снабжено уплотнительным кольцом, установленным между торцом шарошки и корпуса.
6. Буровое шарошечное долото по п.5, отличающееся тем, что уплотнительное кольцо армировано металлическим пружинящим элементом.
7. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что ширина кольцевой проточки запорной втулки больше диаметра штифта стопорного элемента.
