РАЗБОРНОЕ БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО СО СМЕННЫМИ ШАРОШКАМИ И ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ ОСЯМИ СЕКЦИЙ ЛАП
DEMOUNTABLE ROLLING DRILLING BIT WITH REPLACEABLE ROLLING CUTTERS AND VARYING AXES OF SUPPORT BRACKET SECTIONS

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям породоразрушающего инструмента - шарошечного долота, предназначенного для бурения скважин в нефтяной, газовой, геолого-разведочной, горно-рудной, угольной и других отраслях.
Известны конструкции буровых шарошечных долот, где опоры шарошек различаются между собой по видам (В, Н, А, ВУ, НУ, АУ) ГОСТ 20692-2003. Современные долота (ГОСТ 20692-2003) состоят из секций лап, на которых смонтированы шарошки (условно -узел в сборе).
В зависимости от конструкции корпуса шарошечные долота независимо от назначения делятся на две группы А и Б.
Группа А (секционные) - корпус сваривается из отдельных секций лап, на которых монтируются шарошки.
Группа Б (цельнокорпусные) - корпус цельный, литой, к которому привариваются секции лап с шарошками.
Общим для обеих групп является наличие секций лап, сварное соединение, ненадежная и недолговечная опора шарошек с замковым шарикоподшипником, специфичность производства (выштамповка секций лап), трудоемкая утилизация, отсутствие конструктивного ресурса для дальнейшего совершенствования шарошечных долот, отсутствие возможностей заменять шарошки, ремонтонепригодность, затратная (трудоемкая) разборка для проведения исследований процессов разрушения составных деталей долота.
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. Близким по техническому решению (по надежности и долговечности) является конструкция, заявленная в патенте №2347883 от 5 октября 2006 года, где вместо насыпных подшипников применены серийные стандартные подшипники качения с сепараторами, а вместо жесткой сварки использовано болтовое соединение секций лап с корпусом долота. Недостатком таких конструкций является уменьшение ресурса долговечности опоры шарошек за счет снижения несущей способности тел качения (уменьшены размеры тел качения).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является разборное долото, патент №2369717 от 7 июня 2007 года - прототип, состоящее из отдельных самостоятельных частей - ниппеля, совмещенного с корпусом, секций лап и узлов в сборе (условно: шарошка-цапфа), сборного подшипника и штифта, выполняющего роль механизма фиксации.
Недостатком такой конструкции является отсутствие надежного механизма фиксации, трудоемкая (затратная) расточка беговых дорожек под наклонный упорный подшипник качения, отсутствие возможности смещать оси секций лап и механически трудная замена шарошек, особенно в условиях буровой площадки.
Техническая задача заявленного изобретения заключается в создании разборной конструкции с прогнозируемым ресурсом работоспособности, ремонтопригодной, менее трудоемкой в изготовлении, не требующей громоздкого прессово-штамповочного оборудования, в использовании простой технологической оснастки и минимуме металлообрабатывающих станков и несложной метрологической подготовки производства, менее энергозатратной, более надежной и долговечной, удобной для исследований, с максимально унифицированными взаимозаменяемыми деталями и узлами, со сменными шарошками. За счет разборности и перемещения осей секций лап решен один из важных вопросов - сделать долото конструктивным, технологичным и перспективным для дальнейшего его совершенствования, а также конкурентоспособным на зарубежном рынке сбыта.
Техническая задача заявленного изобретения достигается новыми конструктивными решениями. В отличие от прототипа (патент №2369717 от 7 июля 2007 года) в прелагаемую конструкцию внесены следующие изменения:
- прямоугольные пазы в корпусе (планшайбе) расширены на величину X в сторону внешней кромки корпуса долота (Х- величина максимально возможного смещения оси секции лапы относительно оси долота);
- наклонный роликовый подшипник заменен на более мощный сферический подшипник скольжения;
- механизм фиксации состоит из разрезного фланца и неразрезной крышки с крепежными элементами вместо штифта;
- для фиксации перемещения секции лап по прямоугольным пазам используются мерные плоскопараллельные металлические пластины определенной толщины, рассчитанные на необходимое перемещение лапы по пазу.
Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «НОВИЗНА».
Предлагаемое техническое решение дает следующие возможности:
- снизить затраты на изготовление за счет технологичности;
- упростить технологию сборки и контроля;
- повысить долговечность опоры за счет увеличения размеров подшипников;
- отказаться от случайной формы и большого количества беговых дорожек на цапфе и на шарошке;
- отказаться от замкового шарикоподшипника;
- применять другие виды опор, кроме регламентированных ГОСТ 20692-2003;
- обеспечить равнонадежность опорных элементов и продлить жизненный цикл ниппеля, корпуса и секций лап за счет многократности использования и своевременной замены изношенных деталей;
- прогнозировать ресурс работоспособности долота и обеспечить равнопрочность опоры и вооружения;
- применять серийные стандартные металлообрабатывающие станки;
- уменьшить или сократить состав оборудования за счет отказа от энергозатратного прессово-штамповочного оборудования;
- выполнять сборку и разборку долот на заводах изготовителях и на местах эксплуатации;
- применять межпроизводственную кооперацию для изготовления отдельных деталей и узлов;
- сократить типоразмерный ряд долот за счет объединения долот близких по диаметру и по соотношению X/D=0.01-0.03 (D-диаметр долота, X - смещение оси цапфы относительно оси долота) в группы;
- обеспечить возможность смены шарошек по износу, по переводу на другой диаметр скважины и по назначению (с фрезерованного вооружения на твердосплавное);
- разработать методику проектирования долот с учетом их назначения;
- пользовать ниппель, корпус, секции лап, как многооборотные и много целевые детали;
- обеспечить ремонтопригодность долот;
- объединить в группы близкие друг к другу по размерам и нагрузкам долота, выделить из группы базовое долото и обеспечить его сменными шарошками для перехода с одного диаметра долота на другой, перекрывая весь ряд размеров долот входящих в данную группу;
- исследовать процессы изнашивания и отказов долот;
- разделить долота на низкооборотные и высокооборотные, на простые и сложные, по конструктивному исполнению (с масленкой и герметизированной опорой или более простые без масленок и герметизации), для горнодобывающей и других отраслей промышленности).
При проведении анализа патентной и научно-технической литературы была выявлена совокупность признаков, которые определили новые свойства заявленного долота. Поэтому оно соответствует критерию «ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ». Заявленная конструкция может быть выполнена на стандартном оборудовании с использованием известных технологических процессов и поэтому она соответствует критерию «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНЯЕМОСТЬ».
На фиг.1 показано буровое шарошечное долото в сборе, которое состоит из:
ниппеля 1;
корпуса (планшайбы) 2;
гайки 3;
пружинной шайбы 4;
прямоугольной шайбы 5;
секции лапы 6 с переменным сечением и резьбовым хвостовиком для удержания секции лап в корпусе 2;
разрезного фланца 7;
крышки 8;
пружинной шайбы 9;
винтов 10;
шарошки 11;
цилиндрических роликов 12;
вкладыша 13 подшипника скольжения;
мерных пластин 14;
шплинтов 15.
На фиг.2 показан корпус 2.
На фиг.3 показана секция лапы 6.
Сборка долота осуществляется в следующей последовательности:
1) крышка 8 перемещается по цапфе в верхнее положение;
2) следом на цапфу вставляется разрезной фланец 7;
3) в шарошку 11 вставляется вкладыш 13;
4) затем на вкладыш 13 монтируются ролики 12;
5) шарошка в собранном виде вставляется в цапфу движением снизу вверх до соприкосновения с плоскостью разрезного фланца 7;
6) крышка 8 прижимается к шарошке 11;
7) через специальное технологическое отверстие в секции лапы поочередно вставляются и последовательно закрепляются винты 10 с пружинной шайбой 9;
8) собранная секция лапы 6 с шарошкой 11 вставляется в прямоугольный паз в корпусе (планшайбе). В зависимости от необходимого диаметра скважины в свободное пространство паза ставится плоскопараллельная металлическая мерная пластина 14;
9) затем устанавливается прямоугольная шайба 5, пружинная шайба 4 и с помощью гайки 3 закрепляется секция лапы в сборе с шарошкой на корпусе 2 и фиксируется шплинтом 15.
Величина X для каждой группы долот определяется конструктивно. Так для группы долот диаметром 93,0; 95,3; 98,4 (мм) максимальное значение X (смещение) между наибольшими и наименьшим диаметром составляет Х=(98,4-93,0)/2-2,7 мм. Величина смещения для рядом стоящих долот в этой группе составит Х1=(95,3-93,0)/2=1,15 мм и Х2=(98,4-95,3)/2=1,55 мм.
Для группы 114,3; 117,5; 120,6 мм смещения составят Х=(120,6-114,3)/2=3,15 мм, Х1=(117,5-114,3)/2=1,6 мм, Х2=(120,6-117,5)/2=1,55 мм.
Отношение максимального смещения X к диаметру долота D в двух этих группах составляет:
1) X/D=2.7/98,4=0.027, X1/D1=1.15/95.3=0.012, X2/D2=l,55/98,4=0,016 и
2) X/D=3,15/120,6=0,026, X1/D1=1.6/117,5=0.014, X2/D2=l,55/120,6=0,013.
Подобная закономерность прослеживается и в других группах долот, близких по диаметру. Смещение осей секций лап в пределах этого соотношения позволяет конструктору совмещать в базовом долоте две или три модели долот, близких по диаметру. Соотношение X/D=0,01-0,03 показывает прочностные возможности крепления корпуса.
В межгосударственном стандарте (ГОСТ 20692-2003, пункт 3.5 (табл.1)) предусмотрены 42 типоразмера. Согласно пункту 3.2 ГОСТ 20692-2003 долота следует изготавливать 13 типов. Для каждой твердости породы необходимо иметь набор долот по диаметру от 76,0 мм до 508 мм и выше до 700 мм. Следовательно, завод-изготовитель должен (обязан) иметь необходимое оборудование и технологическую оснастку для изготовления всех типов долот модельного ряда по размерам, что составляет 42×13=546 долот различного назначения. Применение разборных долот со смещенными осями и сменными шарошками позволит сократить модельный ряд до 26 типоразмеров, что составит 26×13=338 штук. Таким образом, может быть укорочен модельный ряд долот на 208 штук (546-338=208).
К этому следует добавить экономию от расхода электроэнергии, материалов и высвободившегося оборудования для перехода на другую продукцию.