Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкциям шарошечных долот, предназначенных для бурения скважин в горнорудной, нефтяной и газовой промышленности и в строительстве дорог, каналов, трубопроводов и др.

Известны широко применяемые трехшарошечные долота, содержащие сварные секции с шарошками конусной формы, смонтированные на консольно расположенных цапфах [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 недостаточная стойкость опор, в частности, износ и заклинивание замкового подшипника. Заклинивание является причиной преждевременного отказа 80-90% долот.

Известно также шарошечное долото с конусными шарошками, в котором замковое устройство выполнено в виде разрезной крышки, крепящейся к шарошке винтами [Грибенников Н.В. Опора шарошечного долота и перспективы ее развития. Екатеринбург: УРО РАН. - 2000, ISBN - 7691-1138-8. - Стр. 95-96]. Крепление крышки к торцу конусной шарошки, которая всегда имеет ограниченные размеры, не обеспечивает достаточной надежности. Применение более прочной неразрезной крышки здесь невозможно.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является принятое за прототип шарошечное долото, содержащие корпус с ниппелем и продувочными каналами, шарошки усеченной сферической формы и их вертикальные или субвертикальные опоры, выполненные в виде ступенчатого опорного вала, внутрикорпусная часть которого имеет форму усеченного конуса, при этом уплотнение опорного вала фиксируется с помощью неразрезной съемной крышки (рездельно для каждой шарошки) [Патент РФ 2451151 Е21В 10/20, Е21В 10/22. Буровое шарошечное долото / Буткин В.Д., Гилев А.В., Догадин Д.С., Чесноков В.Т. 3 №2010150029/03; заявл. 06.12.2010; опубл. 20.05.2012 - Бюл. №14]. Главный недостаток данного долота обусловлен применением замкового шарикоподшипника для удержания цапфы опоры в корпусе. В связи с тем, что опорные цапфы располагаются вдоль направления осевой нагрузки, тела качения и сделанные для них кольцевые рабочие поверхности подвергаются высоким сдвиговым контактным нагрузкам и поэтому быстрее изнашиваются при бурении крепких горных пород. Кроме того, замковый подшипник сложно монтировать и демонтировать. Опорный вал практически неизменяем. Раздельные для каждой шарошки крышки, фиксирующие уплотнения, не обеспечивают достаточной надежности.

Основной задачей заявленного изобретения является повышение эффективности работы и ресурса долота.

Достигается это тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с ниппелем и продувочными каналами, шарошки усеченной сферической формы и их вертикальные опоры, выполненные в виде ступенчатого опорного вала с возможностью вращения, один конец которого, обращенный к забою скважины, выполнен прямоугольного сечения, а другой конец, имеющий форму усеченного конуса, установлен в отверстии корпуса и снабжен упорным шариковым подшипником, а в отверстии на выходе из корпуса ступенчатый вал снабжен уплотнительными элементами, зафиксированными неразрезной съемной крышкой, крепящейся к корпусу долота, согласно изобретению, основание ступенчатого опорного вала снабжено дополнительным упорным шариковым подшипником, имеющим кольца, причем верхнее кольцо соединено с нижним основанием усеченного конуса ступенчатого опорного вала, а нижнее кольцо соединено с корпусом долота, при этом уплотнительные элементы зафиксированы общей для всех шарошек неразрезной съемной крышкой.

Указанные в устройстве соединения выполняются известными методами, например соединениями шпоночного типа, винтами и др.

Между отличительными особенностями изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Предложенное встраивание в опору кольцевого упорного шарикоподшипника (УПШ) путем соединения верхнего кольца УПШ с нижним основанием усеченного конуса опорного вала, а нижнего кольца с корпусом, устраняет необходимость замкового шарикоподшипника, что облегчает монтаж и демонтаж долота, увеличивает долговечность уплотнительных элементов и, как следствие, исключает основную причину преждевременного отказа опор долота, а также позволяет увеличить осевое усилие на шарошки, что повышает скорость бурения скважины.

Предложенное фиксирование связанных с упорным подшипником и опорным валом уплотнительных элементов крышкой, общей для всех шарошек долота, а не раздельно для каждой шарошки, обеспечивает, как следствие, высокое качество уплотнения и надежную работу опоры долота.

Таким образом, совокупность предложенных решений принципиально изменяет конструкцию опор долота, является новой и обеспечивает достижение поставленных задач изобретения.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: на Фиг. 1 - схема общего вида бурового шарошечного долота; на Фиг. 2 - схема расположения крышки, общей для всех шарошек долота.

Заявленное буровое шарошечное долото (фиг. 1, фиг. 2) содержит однодетальный (на основе литья или штамповки) корпус 1 с ниппелем 2 и продувочными каналами 3. В корпусе размещен опорный вал 4. Пята 5 опорного вала представлена бескольцевым упорным подшипником 6, твердосплавной пластиной 7 и передаточной шайбой 8.

Часть ступенчатого опорного вала 4, представленная в форме усеченного конуса, имеет выточки 9 для смазки. Нижнее основание усеченного конуса 10 и примыкающая к нему часть опорного вала 11 соединены с верхним кольцом 13 упорного подшипника 12. Нижнее кольцо 14 упорного подшипника закреплено в корпусе. Уплотнительные элементы 15 упорного подшипника и вала выполнены совместно и фиксируются неразъемной съемной крышкой 16, общей для всех шарошек долота. Крышка крепится снизу корпуса. Шарошки 17 имеют усеченную сферическую форму и могут армироваться твердосплавными штырями 18 или фрезерованными зубками. Конец опорного вала 19, входящий в тело шарошки, имеет прямоугольную форму и фиксируется в шарошке стопорным стержнем 20. Последний имеет сравнительно небольшой диаметр, так как крутящие моменты воспринимаются всем телом шарошки.

Эксплуатацию шарошечного 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 19, обращенного к забою, с шарошкой 17, используя стопорный стержень 20.

Для производительного бурения крепких пород назначаются большие осевые нагрузки на долото, возможные благодаря оснащению примыкающей части опорного вала 11 к нижнему основанию усеченного конуса 10 кольцевым упорным шарикоподшипником 12.

Работа бурового шарошечного долота заключается в следующем.

При бурении горной породы шарошка 17, вращаясь вокруг своей оси, передает вращающий момент опорному валу 4 с нижней частью этого опорного вала 11, на которую установлен упорный шарикоподшипник 12. Нижнее основание усеченного конуса 10 передает вращательный момент верхнему кольцу 13, вследствие чего упорный шарикоподшипник 12 приобретает вращательное движение. Нижнее кольцо 14 при этом остается неподвижным. Таким образом, упорный шаркоподшипник 12 обеспечивает вращение опорного вала 4 за счет верхнего кольца 13 и передачу осевого усилия на шарошку 17 за счет нижнего кольца 14.

Перечисленные особенности построения и работы предлагаемого долота решают проблему увеличения стойкости опор шарошечных долот.

В целом промышленное применение предложенного долота с новым устройством опор обеспечивает значительный экономический и технологический эффект, за счет применения дополнительного упорного кольцевого шарикоподшипника, обеспечивающего возможность увеличения осевого усилия на долото.