СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА
METHOD OF PRODUCING ROLLER DRILL BIT

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам и, в частности, к технологии их изготовления.
Шарошечное долото состоит из секций, включающих лапы с подвижно закрепленными на их подшипниковых цапфах шарошками. Секции свариваются в корпус, на хвостовике которого нарезается коническая присоединительная резьба для крепления долота к бурильной колонне. Породоразрушающие зубья на поверхностях шарошек во время вращения долота разрушают породу на забое и образуют цилиндрические скважины.
Показатели работы шарошечных долот в большой степени зависят от точности сборки секций и нарезки присоединительной резьбы. Исследования, проведенные отечественными и зарубежными авторами, свидетельствуют о значительном снижении проходки при радиальном биении долота, обусловленным несовпадением геометрической оси корпуса, образованного секциями, с осью присоединительной резьбы на хвостовике долота. Даже небольшое несоответствие, исчисляемое долями миллиметра, приводит к тому, что одна шарошка, наиболее отстоящая от оси резьбы, начинает первой, в одиночку, калибровать стенку скважины, воспринимая при этом максимальную радиальную нагрузку, по сравнению с остальными шарошками, а поэтому и значительно быстрее изнашивается, выводя все долото из строя.
Аналогичная картина происходит при торцевом биении секций, когда одна шарошка оказывается при сборке ниже остальных по оси долота, как бы обгоняя их при контакте с забоем и воспринимая наибольшую осевую нагрузку. По этой причине она также быстрее, чем остальные шарошки, выходит из строя, досрочно выводя из строя долото.
Еще один важный фактор при работе шарошечных долот - постоянство его диаметра. Разница собираемых долот по диаметру, даже в пределах величины долей миллиметра по международному стандарту, приводит к довольно значительному снижению проходки, когда при смене долот в скважину, разрез которой сложен твердыми и крепкими породами, спускают долото с наибольшим допуском на диаметр.
Если долото выполнено с наибольшим, даже допустимым чертежным допуском на диаметр (+0,8 мм), при его продвижении внутри установленных обсадных труб возможны значительные затруднения.
Известен наиболее распространенный способ сборки секций перед их сваркой [1], принятый за аналог, обеспечивающий требования стандартов на величины радиального, торцевого биения и диаметра долота, долгое время включал обязательную установку ограничительных сборочных штифтов на боковых поверхностях двухгранного угла и операцию установки плоских металлических прокладок между контактными плоскостями двухгранных углов секций при сварке.
С помощью установки этих прокладок сборщики секций могли методом подбора толщины и места установки прокладок регулировать величину диаметра собираемого долота до сварки секций. Проверка диаметра после любой установки прокладок производилась калибром-кольцом. Операция сварки секций предусматривала наличие по краям стыковочных поверхностей сварочных канавок, заливаемых при сварке расплавленным металлом. При этом долото разогревалось до высокой температуры, вредно влияющей на неметаллические элементы, уплотняющие промывочные насадки, полости опор, резервуары для смазки и саму смазку. При нарезке резьбы из-за смещения секций относительно оси неизбежно возникали радиальное и торцевое биение и нестабильность диаметра.
Известен способ сборки и сварки секций, также принятый за аналог [2]. Этот способ предусматривал сборку и сварку секций без сборочных штифтов и прокладок по всей поверхности их контакта друг с другом, исключив наличие сварочных канавок по краям стыков и необходимость их заливки расплавленным металлом, приводящей к вредному перегреву уплотняющих элементов и смазки в смазочных системах. При этом сварка секций осуществлялась поочередно энергетическим электронным лучом с поворотом сборочного приспособления долота на угол 120° до окончания сварки швов. Сварка энергетическим лучом позволяла значительно снизить тепловую нагрузку на эластичные элементы и смазку за счет уменьшения объема нагреваемого материала по границам контакта, а также за счет увеличения скорости воздействия сварочного луча.
Однако трудности сборки секций с обеспечением точного размера долота по диаметру, радиального и торцевого биения секций практически не были устранены. Секции устанавливались в сборочное приспособление на торцы, а затем поворотами трех рукояток на стойках постепенно индивидуально вручную передвигались по плоскостям двухгранников друг относительно друга до положения, фиксируемого перемещающимся вверх-вниз проходным и непроходным калибром-кольцом. Затем поворотом основания сборочного приспособления все три секции передвигались в положение, когда направление теплового луча встречалось с линией будущего сварного шва, после чего при относительном перемещении между лучом пушки и линии разъема секций проводилась их сварка тепловым электронным лучом по всем граничащим поверхностям контакта. При этом добиться равномерности прилегания плоскостей по всей их длине и совпадения линии луча и плоскости соприкосновения было очень сложно.
Отклонения от идеального положения контакта, неизбежно возникавшие при суммировании длинных размерных цепей сложных для обработки поверхностей контакта лап, ручная проверка диаметра кольцом-шаблоном при ручном сдвигании секций друг к другу в приспособлении, необходимость тщательной проверки совпадения траектории луча с поверхностями контакта секций по каждому шву, корректировка установки углового и линейного размеров перемещением долота после такой проверки, возможность получения некачественных швов в случае отклонения луча в стороны от плоскости контакта после неточной установки, когда луч врезался в тело одной из секций, не задевая другую, сильно усложнили и замедлили сборку. После окончания сварки первого шва вновь повторялись вышеуказанные трудности установки приспособления с секциями для сварки остальных двух швов. Большие трудности возникали при настройке и работе электронных приборов пушки. При этом способе сборки и сварки секций не были решены и другие злободневные вопросы, касающиеся обеспечения минимальных радиального и торцевого биения секций после нарезки резьбы.
Известен другой способ сборки и сварки секций шарошечных долот [3], также принятый за аналог. Он в большой мере похож на предыдущий аналог. В этом способе секции долота, как и в предыдущем втором аналоге, устанавливаются на торцы в приспособление с вращающимся основанием. Затем поворотами трех рукояток на стойках вручную секции вводились в контакт друг с другом с перемещением по плоскостям двухгранных углов друг относительно друга и сваривались по всей их поверхности тепловым электронным лучом поочередно, с поворотом основания на 120°. При этом способе, как и аналоге [2], сварка производится лучом по всей поверхности контакта секций, вместо заливки металлом внешней разделки по наружному контуру контакта. Улучшены прочностные свойства соединения. Как и в аналоге [2], сборка и сварка ведется без штифтов и прокладок.
Однако и в этом аналоге осуществлялась ручная регулировка сближения секций рукояткой с винтом, ручная проверка диаметра перемещением калибра-кольца по мере сближения секций, при котором неизбежны перекосы и заедание его на отдельных зубках шарошек, сложность наведения и совмещения плоскостей контакта секций с траекторией перемещения теплового луча, делали способ трудоемким и сложным. Недостатки этого аналога такие же, как и у предыдущего аналога.
Известен другой способ сборки и сварки секций шарошечного долота [4], также принятый за аналог. При этом способе, как в аналогах [2] и [3], обеспечивается установка секций в положение окончательной сборки, фиксация их в этом положении, установка стыков двухгранных углов напротив энергетического луча, испускаемого сварочной электронно-лучевой пушкой. При этом калибрующие поверхности шарошек находятся в положении, обеспечивающем получение точного диаметра долота. Относительное перемещение секций и луча заставляет последний сваривать секции по стыкам.
Как в аналогах [2] и [3], в аналоге [4] сборка и сварка секций ведутся без сборочных штифтов и плоских прокладок.
На зажимном приспособлении в виде трехкулачкового патрона со спиральной резьбой и боковым приводом, установлены и сдвигаются секции со смонтированными на них шарошками. На торцах хвостовиков всех трех секций выполнены пазы прямоугольного сечения, которыми они установлены на ответные прямолинейные направляющие. По этим направляющим секции с помощью кулачков-толкателей, установленных в прорезях трехкулачкового патрона, сдвигаются до тех пор, пока калибрующие зубки на шарошках не войдут в соприкосновение с калибром-кольцом, внутренний диаметр которого равен размеру собираемого долота. Луч электронной пушки при поворотах на угол 120°, последовательно сваривает все три шва внутри вакуумной сварочной камеры, куда предварительно помещают целиком все приспособление с секциям. Повороты и угловую корректировку швов относительно луча осуществляет специальное устройство.
В аналоге [4] схематично показана схема приспособления для сборки и сварки, а также детали индексирующего механизма, корректирующего пространственное положение швов при сварке. Индексация положения шва осуществляется через вал, шлиц гребневого диска на гребневый диск, обеспечивая необходимое угловое и линейное отклонение всего сборочного устройства при лучевой сварке.
Преимущества у аналога [4] следующие. Как и в аналогах [2] и [3], сборка ведется без ограничительных сборочных штифтов и плоских прокладок. Ширина зоны воздействия кратно меньше, чем разделка швов под ручную сварку в аналоге [1]. Отдача энергии происходит быстро, исключается перегрев и отпуск беговых дорожек подшипников, поводки и коробление долот, уменьшается опасность нагрева и повреждения резиновых деталей и смазки. Отпала необходимость выполнения надшарошечных швов на корпусе, поскольку и они свариваются лучами.
Однако, наряду с преимуществами, у аналога [4] имеется и ряд недостатков. Перемещение секций при сборке осуществляется вручную. Также вручную применяется при замерах диаметра калибр-кольцо, подводимое сверху, методом проб и ошибок, до положения, когда обеспечится момент контакта всех трех секций с его внутренней поверхностью. При ручном применении калибра-кольца неизбежны перекосы. В таких случаях размер свариваемого долота становится недостаточно точным.
Очень сложен конструктивно в изготовлении и требует постоянной и сложной подналадки механизм индексации и корректировки ориентирования пространственного положения корпуса при сварке швов.
Еще одним недостатком аналога [4] является нерешаемая проблема необходимости снижения радиального и торцевого биения, возникающего из-за несовпадения геометрической оси корпуса собираемого долота с осью нарезаемой после сварки секций присоединительной резьбы.
Кроме того, в аналоге [4] предусмотрено наличие только одной электронной пушки для сварки трех швов. Необходимость поворотов корпуса для сварки каждого из швов требует переналадки и увеличения времени для проведения операции сварки.
Известен способ сборки и нарезки резьбы бурового шарошечного долота [5], принятый за прототип. Применение этого способа включает механическую, химико-термическую обработку и сборку лап и шарошек в секции, установку, ориентирование, фиксацию положения секций при их контакте с диаметральным калибром-кольцом, жесткое соединение секций в корпус, отжиг хвостовика и нарезку резьбы.
При его применении обеспечивают перед сборкой гарантированный зазор по двухгранникам соседних лап, выполняют базовые установочные отверстия на торцах секций с осями, расположенными в плоскостях, проходящих через оси двухгранников под одинаковыми острыми углами со стороны набегающих граней, с одинаковыми размерами от их дна до точки пересечения оси цапфы с осью шариковой беговой дорожки, подвижно закрепляют шарошки на лапах, фиксируют замковые пальцы, секции устанавливают базовыми отверстиями на ответные им по размерам и форме базовые штифты устройства для сборки, с помощью кулачков и толкателей секции разворачивают вокруг осей базовых штифтов до осуществления контакта обратных конусов шарошек с внутренней поверхностью установленного на жестких стойках калибра-кольца, секции сваривают в корпус, на спинках лап корпуса выполняют симметричные базовые отверстия с одинаковым расстоянием их дна до оси устройства для сборки, вынимают сваренный корпус из сборочного устройства и устанавливают в приспособление с базовыми кулачками, ответными по форме и размерам базовым отверстиям в лапах, жестко фиксируют ими корпус, а затем производят нарезку на ниппеле присоединительной конической резьбы.
В прототипе имеется целый ряд достоинств. Сборка также производится без сборочных штифтов на двухгранниках и без плоских компенсаторов между ними.
Гарантированный зазор между двухгранниками секций в прототипе обеспечивает возможность беспрепятственного поворота секций вокруг торцовых базовых штифтов с помощью толкателей до установления плотного контакта обратных конусов шарошек с внутренним диаметром калибра-кольца.
Такой плотный контакт обеспечивает один и тот же постоянный и точный размер диаметра корпуса долота, так необходимый для проводки скважин. Все другие известные способы сборки, в том числе и все упомянутые в заявке аналоги, не в состоянии обеспечить такого постоянства диаметра долота.
Одинаковый размер от дна базовых отверстий на торцах секций до точки пересечения оси цапфы с осью шариковой беговой дорожки позволяет значительно повысить точность установки секций и сварки корпуса за счет уменьшения возможности торцевого биения секций.
Выполнение базовых, симметричных оси корпуса, отверстий на спинках лап для установки и фиксации корпуса в патрон с базовыми кулачками при нарезке конической присоединительной резьбы позволяет уменьшить разбег между геометрической осью корпуса и осью нарезаемой резьбы на хвостовике долота и кардинально уменьшить торцевое и радиальное биение шарошек готового долота, тем самым повысить его точность и технический уровень.
Однако и в способе по прототипу имеются недостатки. Один из них заключается в неудобстве размещения оборудования и оснастки для выполнения с одной установки операций сварки и сверления базовых отверстий на наружных поверхностях спинок лап для базирования и закрепления корпуса во время нарезания резьбы на хвостовике.
Эти отверстия по прототипу сверлятся после сборки и сварки секций. Но при окончании этой предыдущей операции значительная кольцевая часть поверхности лап закрыта стойками приспособления для жесткой установки калибра-кольца, стойками для толкателей секций до прижима их к кольцу и оснасткой для сварки секций. Разместить оборудование и оснастку для сверления рядом с приспособлением или разместить само приспособление для сборки и сварки на сверлильном агрегате технологически затруднительно, особенно после сборки и сварки секций долот большого диаметра.
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность обеспечения высокого качества сварных швов, более высокой точности выполнения выходных параметров долота - радиального, торцевого биения, а также получения точного и постоянного размера долота по диаметру с применением высокопроизводительной электронно-лучевой сварочной установки.
-3
2
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления шарошечного долота, включающем механическую обработку до и после химико-термической обработки, армирование твердым сплавом лап и шарошек, сборку их в секции, сборку, ориентирование при установке, фиксацию положения секций относительно диаметрального калибра-кольца, жесткое соединение их в корпус, отжиг хвостовика и нарезку присоединительной резьбы, дополнительно после финишной обработки лап, на их торцах параллельно осям двухгранных углов выполняют базовые установочные и направляющие отверстия с одинаковыми расстояниями от осей и углами относительно набегающих плоскостей, одинаковыми размерами от их дна до точки пересечения оси цапфы с осью шариковой беговой дорожки, затем на спинках лап выполняют базовые установочные отверстия с предпочтительно сферическим дном одинаковой глубины от дна до осей двухгранных углов, на одинаковом расстоянии от их осей также до точки пересечения оси цапфы с осью шариковой беговой дорожки, подвижно закрепляют на цапфах лап шарошки, заваривают замковые пальцы, собранные секции помещают на ответные базовые штифты с осями, расположенными перпендикулярно плоскому основанию сборочного приспособления, разворачивают секции с помощью подпружиненных толкателей, установленных на стойках приспособления, до контакта обратных конусов всех трех секций с внутренней поверхностью закрепленного на стойках приспособления калибра-кольца, после чего приспособление с секциями помещается в нижнюю часть сварочной камеры электронно-лучевой установки, после закрытия двери, ее герметизации и создания вакуума порядка 5·10 Торр (1 Торр=1,33322·10 Па), с помощью сканера и механизма поворота основания приспособления фиксируется точка встречи плоскостей контакта секций с направлениями трех лучей, приспособление с секциями с помощью приводного механизма поднимается в верхнюю камеру, где производится сварка секций, при этом совпадение направлений лучей и их совпадение с плоскостями контакта секций обеспечивается направлением и положением осей базовых штифтов; затем после окончания сварки и достижения границы швов приспособление с секциями возвращают в нижнюю камеру, производят развакуумирование, открывают дверь, выдвигают приспособление, вынимают из него сваренный корпус, который после охлаждения устанавливают и зажимают в токарный патрон, кулачки которого оснащены выступами, по форме, размерам и расположению ответными отверстиям на спинках лап, затем в хвостовике ниппеля корпуса долота выполняется коническая поверхность, соосная осям корпуса и патрона, в нее вводится ответный конус задней бабки станка, также соосный корпусу и патрону, для исключения возможности отжима оси нарезаемой затем замковой резьбы от теоретической геометрической оси собранного долота.
Перечень и описание фигур чертежей
1
Z1
Z2
X
2
X1
1
На фигурах 1, 2, 3 показана лапа после полной механической, химико-термической, армирования твердым сплавом и чистовой финишной обработки. Позициями обозначены: 1 - цапфа лапы, 2 и 3 - радиальные подшипники скольжения, 4 и 5 - торцевые подшипники скольжения, 6 - шариковый подшипник качения (замковый), 7 - ось цапфы, 8 и 9 - поверхность двухгранных углов, соответственно сбегающего и набегающего при вращении долота, 10 - ось двухгранного угла, 11 - след плоскости симметрии спинки лапы, 12 - базовое установочное отверстие на торце лапы, ось которого параллельна оси двухгранного угла, d - диаметр этого отверстия, l - расстояние от дна этого отверстия 12 до точки пересечения оси цапфы 7 с осевой плоскостью шариковой беговой дорожки 6; l - расстояние от дна этого отверстия 12 до торца лапы, 13 - дно базового отверстия, l - расстояние от оси базового отверстия 12 до оси двухгранного угла в плоскости, параллельной плоскости симметрии 11 спинки лапы, β - острый угол относительно набегающей грани двухгранника, 14 - базовое установочное отверстие на спинке лапы предпочтительно со сферическим дном, d - диаметр этого отверстия, l - расстояние от дна этого отверстия 14 до оси двухгранного угла, D - диаметр, на котором расположены центры базовых отверстий 12 по отношению к оси двухгранного угла 10.
1
1
На фигуре 3 схематично показано сдвинутое положение трех секций, где углом α обозначено угловое расстояние между базовыми отверстиями (360° деленное на количество секций) и угол β, определяющий положение на диаметре D центр отверстия 12 относительно набегающей стороны.
2
2
2
1
2
1
2
1
2
На фигурах 4 и 5 показана схема (вид сверху и вид сбоку) установочного приспособления для сборки секций. Позицией 15 обозначен поворотный стол с подвижными кулачками 16 (фиг.5), обеспечивающими равномерное схождение секций к оси устройства 17. На поворотном столе 15 размещена сменная, в зависимости от диаметра собираемого долота, установочная плита 18, на которой расположены установочные базовые штифты 19 с диаметром d по числу собираемых секций, ответные базовым отверстиям 12 в лапах с параметрами по форме расположения на диаметре D от оси и под углом αдруг к другу (d≅d; α≅α; D≅D).
Одинаковые по форме вершины штифтов, например сферической, расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси 17.
Z4
Z2
Чтобы секции всегда базировались на вершины штифтов 19, их высота должна соответствовать условию l>l.
Подвижные кулачки с подпружиненными толкателями 20, нивелирующими разницу наполнения поковок за счет сжатия пружин 21, перемещают секции 22 (фиг.6) и разворачивают их относительно осей штифтов 19. Позицией 23 обозначены жесткие стойки для стационарного размещения диаметрального кольца-калибра 24, которое в зависимости от диаметра собираемого долота может меняться. Позицией 26 обозначена поверхность контакта шарошки и кольца-калибра. Позицией 27 обозначена плита-основание.
В центре сборочного приспособления может устанавливаться, обычно медный, цилиндрический валик 25 в качестве предохранительного экрана от воздействия луча после прохождения плоскости стыка на противоположную секцию.
На фигуре 6 изображены секции долота 22, установленные торцевыми отверстиями на базовые штифты сборочного приспособления и развернутые до контакта 26 с внутренней поверхностью калибра-кольца 24, жестко установленного на стойках 23. Буквами Б-Б обозначено место сечения, характеризующего расположение секций 22, стоек 20, толкателей (не показано), штифтов 19 на фигуре 7.
На фигуре 8 изображена предлагаемая схема установки для электронно-лучевой сварки шарошечных буровых долот.Позициями обозначены: 27 - верхняя вакуумная камера, 28 - три тубуса с блоками электронно-лучевых пушек 29 с турбомолекулярными насосами 30; пушки предназначены для одновременной сварки всех трех сварных швов в собранных секциях долота; 31 - нижняя вакуумная камера, 32 - механизм перемещения свариваемого изделия. На планшайбе 33 установлено приспособление для сборки под сварку 15. Позицией 34 обозначен проем на лицевой стенке, через который производится загрузка собранных под сварку секций. Этот проем для обеспечения герметичности закрывается дверью (не показано). На противоположной стороне проема 34 расположены фланцы с герметическими разъемами соединительных электрокабелей системы управления механизмом перемещения свариваемого изделия 35, система охлаждения электродвигателя привода механизма перемещения 32, а также вакуумной системой для создания и поддержания необходимого рабочего вакуума в верхней 27 и нижней 31 камерах и электронно-лучевых пушках 29 (не показаны).
Позицией 36 обозначена пневмосистема, подключенная к пневмосети предприятия, для подвода сжатого воздуха к пневмоприводам механизма подвески двери, пневмоприводам вакуумных клапанов управления вакуумной системы, позицией 37 обозначены жесткие направляющие подъема для сборочного устройства 15, позицией 38 - диск для доворота устройства до встречи швов с электронным лучом по команде сканера и фиксации этого положения в период сварки. После проведения всех необходимых для начала сварки подготовительных действий, производится запуск установки и сварка долот.
После окончания сварки долото опускается в нижнюю камеру 31, производится девакуумирование, дверь нижней камеры сдвигается в сторону и сборочное приспособление выкатывается на стол с направляющими (не показано). Долото вынимается из приспособления и устанавливается в токарный патрон, как показано на фигуре 9, где жестко фиксируется кулачками 39 с базовыми выступами 40, ответными базовым отверстиям на спинках лап 14. Указанные базовые выступы и отверстия на спинках лап имеют оси, совпадающие с осью сваренного корпуса долота и патрона. Чтобы избежать возможности отжима корпуса резцами при нарезке резьбы, после фиксации корпуса патроном, резцом 42 обрабатывается коническая поверхность 41 в отверстии ниппеля, соосная оси корпуса долота и патрона. После этого в полученную коническую поверхность до жесткого касания вводится конический упорный центр 43 пинолью задней бабки токарного станка, в свою очередь, соосной оси патрона.
После этого производится нарезание конической присоединительной резьбы резцом 44 (фиг.10), теоретически соосной геометрической оси собранного долота.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления шарошечного долота обеспечивает получение теоретически постоянного размера по диаметру, а также минимальную величину торцевого и радиального биения - его основных точностных показателей.
Источники информации
1. Султанов С.Г., Халилов А.А. Расчет размерных цепей трехшарошечных долот, Баку: изд. «Азгосиздат», 1965, стр.40-45.
2. Патент США №3907191 от 23.09.1975 г., кл. B23K 15/00, «Метод сборки долота для роторного бурения».
3. Патент США №3987859 от 26.10.1976 г., кл. E21B 9/35, «Сборка роторного долота».
4. Патент США №4045646 от 30.08.1977 г., кл. B23K 15/30, «Позиционирующая оснастка для сварки долота».
5. Патент РФ №2324804 от 10.04.2006 г., кл. E21B 10/00, «Способ сборки секций и нарезки резьбы бурового шарошечного долота».