БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROLLING DRILLING BIT

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкции шарошечного долота, предназначенного для бурения скважин любого направления в горно-рудной, нефтяной и газовой промышленности и в строительстве дорог, каналов и др.
Известны преимущественно применяемые двух- и трехшарошечные долота, содержащие сваренные между собой лапы (секции), шарошки с конусной поверхностью, смонтированные на наклонных к оси долота под большим углом (45-47 градусов) цапфах, обращенных к центру долота (Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. - 2-е издание. - М.: «Недра», 1990, с.99, рис.41). Основным недостатком таких долот является неудовлетворительная стойкость опор, из-за отказа (заклинивания) которых преждевременно выходят из строя 80-90% долот при работоспособном вооружении. Недостаточная надежность опор объясняется консольным расположением цапф, испытывающих большие изгибающие моменты из-за нулевых окружных скоростей зубьев шарошек в центре долота; недостаточной жесткостью базы опоры из-за ограниченной длины шарошек; форсированным износом малоразмерных козырьков лап.
Известно также шарошечное долото с конусными шарошками, в котором замковое устройство выполнено в виде разрезной крышки, крепящейся винтами к шарошке [Грибенников Н.В. Опора шарошечного долота и перспективы ее развития. Екатеринбург: УрО РАН, 2000, ISBN5-7691-1134-8. Стр. 95-96].
Конструкция шарошечных долот классической схемы не позволяет применять более прочную неразрезную крышку. Ее крепление к торцу конусной шарошки небольших размеров обуславливает размещение крепежных винтов по малой окружности, что ограничивает количество и диаметр винтов и не обеспечивает достаточной надежности опоры долота.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является принятое за прототип шарошечное долото, содержащее корпус с ниппелем и продувочными каналами, шарошки полусферической или усеченной сферической формы и их опоры с вертикальными цапфами, являющимися неотъемлемым продолжением разборного корпуса долота (патент РФ 2228423 С2, Е21В 10/20, 10/22. Буровое долото [текст] / Буткин В.Д., Гилев А.В., Реводько А.В., Чесноков В.Т. и др. Заявитель и патентообладатель: Красноярская государственная академия цветных металлов и золота. - Заявка №200211085/03, 16.04.2002; опубл. 10.05.2004).
Главным недостатком данного долота, является низкая надежность опоры, обусловленная ограниченными размерами шарошки, не позволяющими иметь достаточно жесткую базу опоры особенно для долот малых диаметров. Кроме того, цапфа построена только на подшипниках скольжения, в которых возникает большое трение и нагрев цапф и их повышенный износ. Последний трудно устранить вследствие совмещенности цапфы с деталью разборного корпуса.
Ни в прототипе, ни в аналогах валы цапф не являются вращающимися; они неподвижны и примыкают к лапам или к разборный детали корпуса. Эти особенности ограничивают возможности совершенствования рассмотренных конструкций долот.
Основной задачей заявленного изобретения является повышение ресурса и эффективности работы долота, а также снижение затрат на изготовление.
Достигается это тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с ниппелем и продувочными каналами, шарошки полусферической или усеченной сферической формы и их опоры с вертикальными цапфами, согласно изобретению, опора каждой шарошки долота выполнена в виде ступенчатого вала с возможностью вращения, один конец которого, обращенный к забою скважины, выполнен прямоугольного сечения и закреплен внутри съемной сплошной шарошки, а другой конец, имеющий форму цилиндра или усеченного конуса, установлен в отверстии корпуса и снабжен бескольцевым упорным шариковым подшипником, а в отверстии, на выходе из корпуса, ступенчатый вал снабжен уплотнительными элементами, зафиксированными неразрезной съемной крышкой, крепящейся к корпусу долота.
Для условий бурения горизонтальных скважин в горных породах малой и средней крепости ступенчатый вал выполнен под углом 5-15 градусов к оси долота, причем зубья периферийного венца шарошек имеют размеры в 1,2-1,3 раза больше, чем у последующего венца.
Указание направленности части опорного вала к забою скважины более точно определяет ориентацию цапф, поскольку ось долота и скважины при бурении может иметь не только вертикальное, но и горизонтальное и наклонное направление.
Между отличительными признаками изобретения и достигаемыми техническими и технологическими результатами существуют следующие причинно-следственные связи.
Применение в долоте вращающегося ступенчатого вала существенно изменяет построение опоры с перемещением цапфы из тела шарошки ограниченных размеров в отверстия корпуса, где имеются благоприятные условия для размещения и стабильной работы цапф большей длины и увеличенного диаметра, что обеспечивает создание мощной опоры с высокой жесткостью ее базы. Как следствие, кардинально меняется конструкция внутреннего тела шарошек в сторону увеличения их прочности и возможности размещения на их поверхности эффективного вооружения. Эти особенности очень важны для повышения ресурса прочности шарошек и надежности опор шарошечных долот малого диаметра, востребованных шахтами.
Существенным признаком является ступенчатое исполнение вала, позволившее внести новое усовершенствование конструкции шарошки и построить пяту вала с упорным шарикоподшипником по совмещенной схеме (без колец), при которой укрупненные тела качения катятся непосредственно по валу и стенкам отверстия, а также по поверхностям твердосплавной упорной пластины и передаточной шайбы. Тем самым по сравнению с прототипом обеспечивается возможность передачи опорному валу больших осевых нагрузок с минимальными износом и нагревом узла пяты. В прототипе принят упорный подшипник скольжения, расположенный на дне шарошки и подверженный повышенному износу и энергопотреблению.
Прямоугольное сечение части ступенчатого вала, входящей в тело шарошки, обеспечивает эффективное противодействие значительным крутящим моментам и позволяет иметь небольшие размеры крепежного стержня, причем возможно шлицевое соединение этой части вала с шарошкой, которое является достаточно технологичным для изготовления. Съемность шарошки в предложенной конструкции опоры имеет особенность: замена шарошки осуществляется без разборки цапфы. В прототипе снятие шарошки возможно лишь при трудоемкой и длительной операции демонтажа замкового подшипника. Простота замены шарошки в сочетании с повышенной долговечностью цапф исключает целесообразность принятой в прототипе многодетальной разборной конструкции корпуса. Конструкция однодетального корпуса становится существенно проще и дешевле в изготовлении.
Применение в предложенном долоте для фиксации уплотнений цапфы неразрезной крышки с креплением ее к корпусу с увеличенным радиусом расположения крепежных элементов значительно повышает надежность опорного устройства.
Наклон осей шарошек на малый угол 5-15 градусов и увеличение размеров периферийного венца шарошки предусмотрены для случая бурения горизонтальных скважин в мягких и средней крепости горных породах, что характерно в нефтегазовом бурении, где создание высоких осевых нагрузок, как известно, встречает большое затруднение, которое возможно преодолеть на основе данного изобретения. Поскольку у предлагаемого долота отсутствует экранирующее действие лап, то при наклоне осей вращения шарошек на 5-15 градусов внутрь долота в процессе бурения горизонтальных скважин происходит винтовое смещение разрушенной на стенках скважины породы в осевом направлении за счет приложения увеличивающегося крутящего момента при пониженной осевой нагрузке. Тем самым значительно повышается эффективность проходки горизонтальных скважин.
Таким образом, совокупность предложенных решений принципиально изменяет конструкцию опор и долота в целом, является новой и обеспечивает достижение поставленных задач изобретения.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: на фиг.1 - двухшарошечное долото (схема общего вида); на фиг.2 - схема опорного вала; на фиг.3 - схема общего вида долота с наклонными осями вращения шарошек.
Заявленное буровое шарошечное долото (фиг.1, фиг.3) содержит однодетальный (на основе литья или штамповки) корпус 1 с ниппелем 2, продувочными каналами 3 и маслонаполненными отверстиями 4 для размещения цапф опоры, шарошки 5 полусферической или усеченной сферической формы с рассечкой 6 при вершине, армированные твердосплавными штырями 7 или фрезерованными зубьями; ступенчатый вал 8. Конец вала, направленный в сторону ниппеля, входит в отверстие 4 корпуса и удерживается в нем с помощью шарикового подшипника 9. Пята опорного вала имеет бескольцевой упорный шариковый подшипник 10, шарики которого катятся непосредственно по опорному валу, стенкам отверстия 4, а также по упорной поверхности твердосплавной пластины 11 и передаточной шайбы 12, которая опирается на выступ опорного вала. Цапфа опорного вала кроме замкового подшипника 9 имеет подшипники скольжения 13 и 14. Уплотнение опорного вала на выходе из отверстия в корпусе представлено упругим уплотнительным элементом 15 и резинометаллической прокладкой 16, удерживаемыми в корпусе неразрезной съемной крышкой 17, крепящейся к корпусу крепежными элементами, например винтами 18 и прикрытой шайбой 19. Конец опорного вала, входящий в тело шарошки, выполнен прямоугольным сечением (фиг.2) и крепится к шарошке стопорным стержнем 20 сравнительно небольшого диаметра, так как крутящие моменты воспринимаются всем телом шарошки благодаря прямоугольному сечению входящего в нее опорного вала.
Доставка масла во внутрикорпусную цапфу осуществляется по каналу, свободно сообщающемуся с небольшим масляным резервуаром, размещенным в корпусе (не показано).
к
к
Важнейшим параметром шарошечных долот рассматриваемого типа является зазор В между поверхностью корпуса и рабочей поверхностью зубчатых венцов на большом диаметре шарошек усеченной сферической формы или на периферийном венце шарошек полусферической формы. Зазор В обязателен и всегда должен быть больше величины (D-d)/2, где D - диаметр долота; d - диаметр корпуса.
У долот с конусными шарошками призабойная зона весьма ограничена из-за наличия лап и малого зазора между периферийным венцом и козырьком лап. Поэтому вынос частиц разрушенных пород из-под долота и между стенками скважины и лапами затруднен. Имеет место вторичное дробление породы.
Совершенно иные условия работы предлагаемого долота. Оно, благодаря полностью наружному расположению вооружения, контактирующего не только с плоским забоем скважины, но и с ее стенками, обеспечивает более интенсивное удаление буровой мелочи из скважины. Это отличительное преимущество предлагаемого долота позволяет по сравнению с прототипом бурить породы в режиме, обеспечивающем большие размеры фракций разрушенной породы (с крупным сколом породы), и, следовательно, повысить энергоэффективность процесса бурения и снизить пылеобразование при работе станка.
Особенности аэродинамической характеристики заявляемого долота благоприятны для эффективного применения средств шнекопневматического и пневмоэжекционного способов очистки скважин (наддолотных шнеков, струйных интенсификаторов движения воздушно-смесевых потоков в затрубном пространстве).
В отличие от прототипа, в конструкции которого не предусмотрена возможность отделения шарошек от цапфы, в предложенном долоте в процессе эксплуатации изношенные шарошки легко и быстро заменяются без разборки цапф благодаря простому креплению к опорному валу. Возможностью подобной замены не обладают и применяемые в настоящее время шарошечные долота, являющиеся инструментом одноразового использования. Как правило, их отправляют в металлолом из-за отказа опор или вооружения при далеко не выработанном ресурсе конструктивных элементов. В предлагаемом долоте возможно многократное использование корпуса с шарошками различного вооружения, что расширяет область его эффективного применения.
Эксплуатацию долота начинают с операции оснащения его шарошками, тип вооружения которых соответствует физико-механическим свойствам горных пород карьера или шахты. Операция включает соединения конца опорного вала, обращенного к забою, с шарошкой, используя стопорный стержень 20. Как правило, в крепких породах используют шарошки, армированные твердосплавными зубками, а в породах малой и средней крепости - фрезерованное вооружение. В процессе эксплуатации изношенные шарошки быстро заменяются новыми без разборки цапф, поскольку последние имеют независимое от вида вооружения размещение в отверстиях 4 корпуса 1.
Для проходки горизонтальных скважин в относительно некрепких породах устанавливают шарошки с наклоном опорного вала под углом 5-15 градусов к оси долота и укрупненными в 1,2-1,3 раза зубьями периферийного венца. Такие параметры обеспечивают эффективный режим работы долота в горизонтальной скважине с пониженной осевой нагрузкой и повышенным крутящим моментом.
Для производительного бурения крепких пород назначаются большие осевые нагрузки на долото, возможные благодаря оснащению пяты опорного вала мощным бескольцевым упорным шарикоподшипником.
Существенное повышение эффективности работы долота предложенной конструкции обусловлено тем, что при внутрикорпусном размещении цапф действующие на них нагрузки распределяются на увеличенную поверхность, что значительно снижает удельные нагрузки и контактные напряжения в подшипниках опорного вала.
При эксплуатации долота в крепких породах пята опорного вала оснащается бескольцевым (совмещенным) шариковым подшипником. Это позволяет иметь крупные тела качения, которые способны выдерживать большие осевые нагрузки, воспринимаемые твердосплавными пластиной и защитной шайбой.
Длительности безотказной работы цапф способствует фиксация уплотнительных элементов 15 и 16 опорного вала неразрезной съемной крышкой 17, более прочной по сравнению с разрезной крышкой прототипа. Крепление крышки к корпусу, а не к шарошкам, как у прототипа, позволяет иметь увеличенный радиус расположения крепежных элементов, что удобнее при сборке и эксплуатации долота.
Перечисленные особенности построения и работы предлагаемого долота открывают возможность решения острой проблемы увеличений стойкости опор шарошечных долот.
В целом промышленное применение предложенного долота с новым устройством корпуса, опор и вооружения может дать значительный экономический и технологический эффект.