ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО С РАЗДЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ ЦАПФЫ И КОРПУСА

Полезная модель относится к буровому шарошечному инструменту, а именно к конструкции бурового одношарошечного долота и одношарошечного развальцевателя.
Известны конструкции трехшарошечных долот с разборными секциями, закрепляемыми на корпусе долота механическим соединением. Конструкции обеспечивают разборность долота и многократное использование корпуса.
Сборка и крепление секций осуществляется с помощью болта и дополнительного конусного фиксатора или стержнем с крепежной гайкой или с помощью ниппельной метрической резьбы на цапфе и последующей сваркой [1, 2, 3].
Недостатками этих конструкций являются:
1. Сохраняется сложная L-образная форма секции долот [1, 2], что затрудняет получение заготовки и механическую обработку.
2. Применение сварного соединения для фиксации элементов долота [3] в сборе затрудняет (вплоть до полной неспособности) проведение обслуживания и ремонта долота.
3. Значительное уменьшение диаметра цапфы снижают прочность конструкции долота [3] в опасном сечении сопряжения цапфы с корпусом долота [4].
4. Недостаточная надежность разборных соединений, обусловленная наличием зазоров в сопряжениях и дополнительных крепежных деталей, что усложняет конструкцию и снижает работоспособность долота за счет износа дополнительных деталей в процессе эксплуатации и невозможность обеспечения точного, жесткого соединения при повторной сборке.
Перечисленные недостатки вызваны сложностью реализации разборной конструкции в трехшарошечных долотах.
Известно так же одношарошечное долото [4, с.265], состоящее из корпуса с цапфой, сферической шарошки, установленную на цапфе при помощи замкового подшипника.
Недостатком данной конструкции долота является относительно низкая технологичность изготовления корпуса и, соответственно, высокая трудоемкость его изготовления. Причинами низкой технологичности являются:
- отсутствие удобных технологических баз;
- сложная L-образная форма детали, затрудняющая получение заготовки и механическую обработку, смещение центра массы относительно оси цапфы затрудняющее ее механическую обработку.
Кроме того, значительные напряжения в консольной цапфе и области ее крепления к лапе, требуют применения дорогих легированных сталей. При этом нерационально используется дорогостоящая сталь, необходимая для изготовления цапфы, составляющей 1/3 от массы лапы. Большая часть материала расходуется на образование корпуса, который может быть изготовлен из более дешевых марок стали.
Техническая задача заявленной полезной модели заключается в повышении технологичности долота путем разработки конструкции долота, состоящего из корпуса, цапфы, сферической шарошки, причем корпус и цапфа выполняются раздельно и надежно сопрягаются друг с другом с возможностью разборки.
Корпус и цапфа, имеющие форму тел вращения в таком случае становятся оптимальными для получения заготовок и механической обработки.
При раздельной конструкции корпуса и цапфы возможно применение различных материалов. В этом случае корпус изготавливается из конструкционной качественной низколегированной стали, цапфа из конструкционной высококачественной среднелегированной цементуемой стали.
Поставленная задача достигается тем, что цапфа закреплена на корпусе замковой конической резьбой, обладающей свойством самозатягивания.
Предлагаемая конструкция обеспечивает:
1. Высокую технологичность изготовления за счет:
- оптимальной по форме заготовки для корпуса и заготовки для цапфы, заготовки по форме хорошо вписываются в круглый прокат, таким образом исключается необходимость получения сложной по форме, трудоемкой и дорогостоящей штамповки;
- детали хорошо приспособлены для механической обработки, имеют удобные технологические базы, центры масс деталей максимально приближены к геометрической оси вращения цилиндрических поверхностей деталей.
2. Снижение стоимости долота за счет выполнения корпуса долота из более дешевой стали. Дорогостоящая сталь, необходимая для изготовления высоко нагруженной цапфы, не расходуется на образование корпуса, составляющего 2/3 от общей массы корпуса и цапфы.
3. Высокую ремонтопригодность за счет применения надежной замковой резьбы, обеспечивающей прочное соединение при низкой трудоемкости разборки.
4. Коническая форма сопряжения обеспечивает максимальную площадь соединения деталей в опасных сечениях.
На фиг. 1 показано буровое одношарошечное долото с раздельной конструкцией цапфы и корпуса.
Одношарошечное долото (одношарошечный развальцеватель), состоит из корпуса 1 с замковой резьбой для присоединения к колонне бурильных труб и цапфой 2, на цапфе установлена сферическая шарошка 3 при помощи замкового подшипника 4. При этом, цапфа 2 закреплена на корпусе 1 замковой резьбой, обладающей свойством самозатягивания. Для выполнения сборки и разборки цапфа выворачивается из корпуса долота вместе с шарошкой ключом, устанавливаемым на две лыски 5 (фиг. 2), выполненные на бурте цапфы.
С целью оценки влияния резьбового соединения цапфы с лапой на прочность долота разработана твердотельная 3D - модель долота по предлагаемой конструкции (фиг. 3). Расчет напряженно-деформированного состояния долота на базе 3D - модели произведен в программе инженерного анализа АРМ Structere 3D.
Для статического расчета выбрано одношарошечное долото ⌀139,7 мм. Осевая нагрузка 100 МН передается на долото, при неблагоприятных условиях контакта шарошки с забоем скважины, через вершинный венец шарошки.
Результат расчета в виде распределения напряжений в объеме долота приведен на фиг. 4. Из картины распределения видно, что резьбовое соединение находится вне зоны максимальных напряжений, и соответственно не повлияет на прочность конструкции долота.
Источники информации
1. Патент на изобретение №2191245 Е21В 10/22 Опорное устройство бурового шарошечного долота. Опубл. 20.10.2002
2. Патент на изобретение №2182213 Е21В 10/20, E21B 10/18 Буровое долото шарошечного типа. Опубл. 10.05.2002
3. Патент на изобретение №2325502 Е21В 10/22 Буровое шарошечное долото Малинкин-Грибенников. Опубл. 27.05.2008
4. Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота. Справочник. М.: Недра, 1971.446 с.