Разборное буровое шарошечное долото с опорами шарошек на подшипниках качения с сепараторами

Изобретение относится к породоразрушающим инструментам, а именно к конструкции шарошечного долота, предназначенного для бурения скважин различного назначения. Техническим результатом является снижение трудоемкости в изготовлении, повышение работоспособности опоры долота и увеличение производительности бурения глубоких скважин. Долото состоит из трех отдельных самостоятельных частей: ниппеля, корпуса и узла в сборе. Ниппель имеет конусную замковую и метрическую резьбы для соединения с буровой колонной и долотом и лыски под гаечный ключ. Корпус долота имеет резьбовые отверстия для соединения с узлами в сборе и ниппелем. Узел в сборе включает цапфу, механизм 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 шарошки упорного подшипника. При этом корпус долота выполнен в виде сплошного кольца с тремя отверстиями для очистки забоя скважины и укороченными лапами, в которых выполнены резьбовые отверстия для соединения с узлами в сборе. 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, D - диаметр долота. Упорный подшипник выполнен в виде серийного радиально-упорного подшипника, а размеры полости шарошки обеспечивают равнопрочность ее стенок во всех сечениях. 4 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 условно 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.

Недостатком таких конструкций является: сложное изготовление; трудоемкая заточка режущей кромки резца; несоосность беговых дорожек цапфы и шарошек; сложная технология сборки и контроля; неравномерный износ разных по размерам тел качения; непрогнозируемый ресурс работоспособности из-за неравномерного нагружения тел качения; заклинивание от набегания друг на друга тел качения; непредвиденные отказы опоры шарошек; несоблюдение принципа равной долговечности подшипников качения; сложная, трудоемкая и энергоемкая выштамповка массивных секций лап; ремонтнонепригодность; малый ресурс работоспособности долот по вине опоры шарошек; большая вероятность отказов и большие затраты на спуско-подъемные операции и множество других отрицательных факторов, к которым следует отнести и требования, заложенные в ГОСТ 20692 - 2003.

По этим требованиям шарошечные долота не наделены эксплуатационными возможностями, не указан в них ресурс и долговечность, а под надежностью понимается срок сохранности долота не менее 18 месяцев. Таким образом, современные отечественные буровые шарошечные долота не наделены потребительскими свойствами, не имеют гарантированного ресурса работоспособности, технически ненадежны и недолговечны и не позволяют потребителю провести сравнительный анализ как по зарубежным, так и по отечественным долотам, то есть правильно подобрать долото.

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 ремонтно-непригодность 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 подшипником качения (набегание, завихрение, заклинивание и т.п.). В опорах ролик - шарик - ролик перераспределение нагрузки и увеличение 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, ремонтно-пригодной, 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.

Сегодня долотостроение - это закрытое кастовое сообщество с неконтролируемым производством и рынком сбыта (естественный монополит).

Поставленная задач достигается тем, что объем внутренней полости шарошек видоизменен за счет рационального уменьшения диаметра сечения на величину d=0,20D (где d - диаметр сечения цапфы в месте посадки подшипника качения, мм; D -диаметр долота, мм), заявка на патент №200512936/03 от 20.09.2005 года; в корпусе предусмотрены отверстия для очистки забоя скважины, укорочены лапы и уменьшена его высота, вместо П-обратных пазов выполнены резьбовые отверстия, а сборка узлов и монтажа долота осуществлены по новой технологии.

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 отверстия для очистки забоя скважины; укорочены секции лап; П-образные пазы заменены на резьбовые отверстия; технология сборки узла в сборе и долота также изменены;

- опора шарошек имеет два радиальных шариковых подшипника качения с сепараторами серийного производства;

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

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

- беговые дорожки и 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;

- соединение цапфы с корпусом осуществлено с помощью 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 ремонтно-пригодность долот;

- снизить затраты на спуско-подъемные операции;

- исследовать процессы изнашивания и отказов и квалифицировать 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 с 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 оно 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 котором 4 - вырез для очистки забоя в количестве 3 шт.; на фиг.2 - вид А на фиг.1.

На фиг.3 показаны составные части трехшарошечного долота: 1 - ниппель, 2 - корпус, 3 - комплект узлов в сборе.

На фиг.4 показан узел в сборе, который содержит: цапфу 1, фланец разъемный 2, винты крепежные 3, уплотнение (антифрикционная прокладка) 4, шарошка 5, радиальный подшипник 6, радиальный подшипник 7, радиально-упорный подшипник 8.

Сборка долота начинается последовательно с установки в шарошку 5 радиально-упорного подшипника 8, затем подшипников 7 и 6 и прокладки 4.

В собранном виде узел в сборе прикладывается к внутренней поверхности укороченной лапы относительно резьбового отверстия и фиксируется. Затем цапфа 1 пропускается через резьбовое отверстие и ввинчивается с помощью торцевого ключа (место Б фиг.3). Затем две составные части фланца 2 поочередно фиксируются винтами 3. После проверки правильности сборки винты 3 фиксируются сваркой. При необходимости фланец 2 может быть приварен к шарошке 5. Затем ниппель 1 ввинчивается с помощью шестигранного ключа в корпус 2 и в местах стыка А (фиг.1) производится фиксация сваркой.

При работе долота осевая нагрузка перераспределяется (теоретически) на три равные части. На долю одной опоры шарошек приходится 0,25 (Р - осевая допустимая нагрузка ранее регламентировалась ГОСТом 20692-75 таблица 6). Так для трехшарошечного долота диаметром 215, 9 мм с опорой шарошек вида «В» общая нагрузка (допустимая) 250 кН. Следовательно на долю одной опоры будет приходиться нагрузка 0,25·250 кН или 62,5 кН (6,25 тн). Два спаренных шариковых радиальных однорядных подшипника с сепараторами серийного производства будут одновременно воспринимать нагрузку в 62,5 кН, которая перераспределится на тела качения, входящие в зону нагружения на дуге обхвата 180°. В этой зоне согласно каталожным данным будут находиться не менее 8 шариков диаметром 10 мм. В серийных трехшарошечных долотах диаметром 215,9 мм с опорами вида «В» (ролик-шарик-ролик) предусмотрено по 13 роликов в одном насыпном подшипнике размерами 10·20 (большой) и 8·16 (малый). Известно, что количество тел качения в меньшей степени влияет на работоспособность и долговечность подшипников качения, чем их размеры.

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 подшипник и 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).

В двадцатом столетии предпринимались неоднократные попытки установить сепараторы в опорах (а.с.1 №1677232 А1 от 15.09.91 г.) или заливать в них гудрон, или полимерные материалы с целью рассредоточить тела качения для обеспечения равномерного их нагружения, однако лишь с установлением зависимости между d=0,20D (где d - диаметр сечения цапфы в месте посадки подшипника качения, мм; D - диаметр долота, мм) представляется возможность широкой модификации опоры с обеспечением равнопрочности ее деталей и конструктивных элементов с сохранением габаритных размеров шарошек и долота в целом. Разборные долота с различным конструктивным исполнением опоры шарошек, выполненных с использованием соотношения d/D=0,20, и вынесенным механизмом фиксации за пределы рабочей зоны цапфы более компактны, прогнозируемы по ресурсу работоспособности, ремонтнопригодны и перспективны по увеличению частоты вращения породоразрушающего инструмента свыше 500 мин^-1, а следовательно, и скорости бурения.

Конструкторские разработки показывают, что разборное долото уже на стадии изыскания имеет множество конструктивных вариантов, позволяющих совершенствовать его подетально и в целом.

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 и тремя лапами для соединения с узлами в сборе, каждый из которых включает цапфу, механизм 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 шарошки упорного подшипника, отличающееся тем, что корпус долота выполнен в виде сплошного кольца с тремя отверстиями для очистки забоя скважины с укороченными лапами, в которых выполнены резьбовые отверстия для соединения с узлами в сборе, 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,

D - диаметр долота,

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