Буровое долото на стандартных вставных подшипниках качения

Цели новации – снижение трудоемкости изготовления долота, радикальное повышение эффективности бурения.

Авторы представленной технологии, имея опыт проработки более 40 вариантов конструкций, предлагают свои инженерные услуги в создании буровых долот с новой подшипниковой опорой применительно к конкретным типоразмерам долот. В настоящее время возможно предоставление необходимой конструкторской документации для создания буровых долот на диаметры бурения 250мм, 295,3мм и 450,0мм.

На чертеже изображён фрагмент подшипниковой опоры в разрезе по лапе с цапфой (нижняя, по отношения к предполагаемому забою, половина цапфы с подшипниками и шарошкой).

Идея предлагаемой технологии заключается в повышении частоты вращения, и/или нагрузки на буровое долото и, соответственно, эффективности отработки долота, в частности - за счёт снижения генерации тепла в подшипниковой камере и обеспечения таким образом щадящего температурного режима для эластомерных уплотнений. Всё указанное может быть достигнуто путём применения вставных стандартных подшипников качения с относительно низким коэффициентом трения.

В простейшем виде, а именно с использованием стандартных подшипников в полностью стальном исполнении, предлагаемая технология может быть применена к тем типоразмерам долот, в которых в настоящее время используются подшипники качения. В этом случае повышение эффективности может быть достигнуто за счёт сепараторов в конструкции стандартных подшипников, чем обеспечивается относительно низкий коэффициент трения и, следовательно, снижение генерации тепла в подшипниковой камере.

Вместе с тем, предлагаемая технология открывает возможность использования  новейших достижений в области производства подшипников качения, в частности:

• использования технологии “No Wear” (компания SKF), обеспечивающей снижение коэффициента трения, по отношению к подшипникам в обычном исполнении, в 5…10 раз, за счёт чего проблема снижения генерации тепла в подшипниковой камере бурового долота решается радикально и обеспечиваются наиболее благоприятные условия работы уплотнений, герметизирующих камеру; к тому же эта технология позволяет многократно увеличить ресурс подшипников;
• использования так называемой гибридной технологии (SKF) - выполнения отдельных деталей или подшипника в целом из нитрида кремния, прочностные показатели которого в 1,5…3,5 раза превышают аналогичные показатели стали, за счёт чего возможно соответствующее повышение нагрузок на буровое долото и радикальное повышение износостойкости подшипниковой опоры; по эффективности бурения эта технология способна существенно превзойти эффективность современных технологий с использованием подшипников скольжения;
• использования роликовых тороидальных подшипников (см. прилагаемый чертеж) по технологии. CARB (SKF), которые обладают повышенной нагрузочной способностью и износостойкостью.

Применение стандартных вставных подшипников означает множество возможных вариантов для создания опор буровых долот различных типоразмеров и различного назначения.

Предлагаемая технология означает существенное упрощение  выполнения поверхностей на цапфе и внутри шарошки (цилиндрические поверхности, без термообработки, без шлифования), исключает операции по выполнению в цапфе канала для ввода тел качения и образования традиционного замкового подшипника. Для механической обработки поверхностей на цапфе и внутри шарошки может быть использовано как существующее традиционное для долотного производства станочное оборудование, так и ординарные токарные станки. В последнем случае возможна организация нового долотного производства с использованием некоторого существующего станочного парка – в относительно сжатые сроки и при относительно ограниченных инвестициях, в особенности – при кооперации с каким-либо действующим долотным производством в части поставки заготовок для  лап и шарошек.

Предлагаемая технология  благоприятна для создания разборных конструкций буровых долот в целях повторного использования лап, а применительно к буровым органам уступного действия – и шарошек (дисковых, самозатачивающихся).

Детальное описание

Изобретение относится к шарошечным долотам для бурения скважин, более конкретно к устройству подшипниковых опор, а также к устройству долот с разборными частями.

Предшествующий уровень техники

Известны подшипниковые опоры шарошечных буровых долот, в которых шарошки установлены на цапфах лап посредством подшипников качения: радиально-упорного шарикового (замкового, исключающего непроизвольный съём шарошки с цапфы и противостоящего осевым нагрузкам со стороны оси бурового долота) и двух цилиндрических - периферийного и концевого, причём  шарики вводятся в замковый подшипник через боковое отверстие в цапфе, которое затем закрывается специальным пальцем; все три подшипника не имеют сепараторов, а их беговые дорожки выполняются в телах цапфы и шарошки (см., например, Масленников И.К. Буровой инструмент. Справочник.-М.: Недра, с.34-36).

К основным недостаткам конструкции таких опор относятся:

а) Невозможность установки в подшипниках сепараторов (тела качения поодиночке вставляются в беговые дорожки при сборке опоры), вследствие чего, во-первых, невозможна достаточно строгая и независимая от радиальных люфтов в подшипниках ориентация осей вращения роликов относительно беговых дорожек, во-вторых, возможен контакт торцов роликов с боковыми поверхностями беговых дорожек с возникновением усилий поворота продольной оси ролика и соответствующим отклонением её от проектного положения, в-третьих, соседние тела качения по причине встречного направления их движения на контакте между собой испытывают трение скольжения и взаимно истираются;

б) Возможность заклинивания тел качения между цапфой и шарошкой вследствие большего теплового расширения цапфы по отношению к тепловому расширению шарошки при работе долота (по причине более интенсивного охлаждения шарошки, вращающейся в буровом растворе). Во избежание такого заклинивания приходится предусматривать радиальные зазоры между телами качения и беговыми дорожками подшипников, то есть предусматривать изначальные люфты в опоре, что исключает возможность обеспечения монтажного натяга в подшипниках, усугубляет возможность вышеуказанного поворота осей роликов, снижает грузоподъёмность и ресурс подшипников;

в) Невозможность автоматического регулирования люфтов (обеспечения натягов в подшипниках) при работе долота.

Следствиями указанных недостатков являются превращение контакта роликов с беговыми дорожками из линейного в точечный - с резким ростом контактных давлений, интенсивным износом опорных поверхностей, всё увеличивающимися люфтами, потерей проектной геометрической формы тел качения, перегревом подшипниковой опоры, что в конечном счёте приводит к отказу опоры и, следовательно, долота в целом (в большинстве случаев при сохранении ещё работоспособности вооружения шарошек). Кроме того, следствием указанного поворота осей роликов и утери линейного их контакта с беговыми дорожками является снижение нагрузочной способности подшипников, так что на практике приходится ограничивать осевую нагрузку на долото, ограничивая тем самым эффективность бурения.

К недостаткам подобных подшипниковых опор буровых долот относятся также:

г) Технологическая сложность выполнения беговых дорожек в телах цапфы и, в особенности, шарошки (расточка, затем термохимическая обработка, затем внутреннее шлифование)  и монтажа тел качения в замковом подшипнике;

д) Износ практически всех деталей с невозможностью повторного их использования;

Известными существенными признаками представленного аналога подшипниковой опоры по отношению к предлагаемому изобретению являются одна, по меньшей мере, лапа с цапфой, шарошка и подшипники качения, в том числе радиально - упорный подшипник, запирающий лапу на цапфе, и радиальный концевой.

Известной разновидностью указанного аналога является подшипниковая опора бурового долота, включающая периферийный цилиндрический роликовый подшипник и замковый шариковый подшипник, в которой вместо концевого цилиндрического роликоподшипника применён радиальный подшипник скольжения (см. вышеуказанную книгу, сс. 35-36).

Этой разновидности свойственны те же недостатки, что и предыдущему аналогу. К тому же применение подшипников скольжения означает повышенное тепловыделение в опоре за счёт значительного превышения коэффициента трения скольжения над коэффициентом трения качения.

Известными существенными признаками этого аналога по отношению к предлагаемому изобретению являются одна, по меньшей мере, лапа с цапфой, шарошка и радиально- упорный замковый подшипник качения.

Известно также буровое долото с опорой качения, в которой замок образован традиционно шарикоподшипником, а периферийный и концевой подшипники выполнены в виде радиально-упорных конических - без сепараторов, с беговыми дорожками в телах цапфы и шарошки, причём геометрические оси роликов как периферийного, так и концевого подшипников пересекаются с геометрической осью цапфы на стороне, противоположной её основанию (см., например, авторское свидетельство СССР 1229297 А1, МПК4 Е21В 10/22).

Этому аналогу свойственны те же недостатки, что и первому из упомянутых выше аналогов. Кроме того, выполнение с достаточной точностью трёх пар взаимосвязанных конических и тороидальных беговых дорожек  на цапфе и внутри шарошки в условиях долотного производства является весьма сложной технологической задачей.

Известными существенными признаками этого аналога по отношению к предлагаемому изобретению являются одна, по меньшей мере, лапа с цапфой, шарошка, радиально-упорный  подшипник качения, запирающий шарошку на цапфе, и концевой подшипник качения.

По технической сути, достигаемому техническому эффекту и совокупности существенных признаков наиболее близким к предлагаемому устройству аналогом является подшипниковая опора бурового долота, содержащая, по меньшей мере, одну лапу с цапфой, шарошку,  радиально-упорный конический подшипник  качения, противостоящий осевым нагрузкам на шарошку со стороны, противоположной основанию цапфы, и запирающий шарошку на цапфе посредством  детали, вставленной  и закреплённой в шарошке со стороны основания цапфы, и концевой радиальный подшипник скольжения, причём наружная и внутренняя беговые дорожки радиально-упорного конического подшипника выполнены в телах соответственно шарошки и цапфы, а торцовые поверхности роликов этого подшипника  одной стороной контактируют непосредственно с цапфой, а противоположной стороной - с деталью, вставленной и закреплённой в шарошке со стороны  основания цапфы (см.,  например, патент США. 4 172 502; МПК2 Е21В 9/10; Е21С 13/02, приоритет Голландии от 23 августа 1976г) – прототип.

Примечание. В описании прототипа содержится утверждение о том, что периферийный замковый подшипник снабжён сепаратором. Однако это утверждение является голословным, ибо монтаж сепаратора, завершающий установку роликов на отдельном внутреннем кольце обычного подшипника, является  сложным технологическим процессом и практически не осуществим применительно к монтажу сепаратора на цапфе бурового долота, о чём свидетельствует вся мировая практика производства буровых долот, в подшипниковых опорах которых сепараторы отсутствуют. По этой же причине, очевидно, признак наличия сепаратора не указан автором в формуле изобретения- прототипа. .В связи с этим наличие сепаратора в числе вышеуказанных существенных признаков прототипа заявителями данного изобретения не учтено.

К недостаткам прототипа относятся:

• ориентация осей  роликов радиально-упорного конического подшипника с пересечением этих осей на стороне, противоположной основанию цапфы,  что исключает возможность передачи осевой нагрузки со стороны стенки буримой скважины на цапфу через конические поверхности подшипника и обусловливает  передачу такой нагрузки через противоположные торцы роликов - с соответствующим трением скольжения, истиранием контактирующих поверхностей, дополнительным тепловыделением в подшипниковой камере, появлением момента поворота роликов относительно беговых дорожек, превращением контакта роликов с беговыми дорожками из линейного в точечный, резким повышением контактных давлений и экстенсивным износом подшипника;
• невозможность автоматического регулирования люфтов (регулирования натягов) в подшипниковой опоре при работе долота (с последствиями, рассмотренными выше);
• возможность заклинивания подшипниковой опоры вследствие перегрева цапфы относительно шарошки;
• относительное ограничение подшипниковой базы в связи с последовательным расположением подшипника и  детали, вставленной и соединённой с шарошкой со стороны основания цапфы, вследствие чего снижается нагрузочная способность подшипниковой опоры, т.е. снижается один из главных режимных показателей эффективности бурения;
• невозможность повторного использования лапы и шарошки вследствие выполнения беговых дорожек радиально-упорного подшипника непосредственно в телах цапфы и шарошки, износа и потери проектных размеров беговых дорожек при отработке долота;
• сложность выполнения конических и тороидальных беговых дорожек в телах шарошки и цапфы (отмеченная выше).

Известными существенными признаками прототипа по отношению к предлагаемому изобретению являются одна, по меньшей мере, лапа с цапфой, шарошка, радиально-упорный подшипник качения, запирающий шарошку на цапфе посредством распора в осевом промежутке между  цапфой и деталью, вставленной и закреплённ в шарошке со стороны основания цапфы, и концевой подшипник.

В основу изобретения поставлены задачи:

• повышения нагрузочной способности подшипниковой опоры;
• повышения ресурса подшипниковой опоры;
• уменьшения доли трения скольжения в подшипниковой опоре с  соответствующим уменьшением тепловыделения и износа контактирующих поверхностей;
• автоматического регулирования натяга в подшипниках при работе долота;
• исключения теплового заклинивания опоры;
• упрощения технологии выполнения внутренней поверхности шарошки;
• упрощения технологии изготовления лапы;
• обеспечения возможности повторного использования лапы и шарошки.
• Известными существенными признаками предлагаемой подшипниковой опоры бурового долота являются одна, по меньшей мере, лапа с цапфой, шарошка, радиально-упорный подшипник качения, запирающий шарошку на подшипниковой  опоре посредством распора в осевом промежутке между цапфой и деталью, вставленной  и закреплённой в шарошке со стороны основания цапфы, и концевой подшипник.

Независимым существенным отличительным признаком изобретения является выполнение радиально-упорного подшипника качения, запирающего шарошку на цапфе, в виде отдельных внутреннего и наружного колец с беговыми дорожками и соответствующих им тел качения.

Зависимыми существенными отличительными признакам изобретения являются:

• снабжение сепаратором радиально-упорного подшипника качения, запирающего шарошку на цапфе и выполненного в виде отдельных внутреннего и наружного колец;
• выполнение концевого  подшипника в виде отдельных внутреннего и наружного колец с беговыми дорожками и цилиндрических роликов;
• выполнение концевого подшипника в виде  радиально-упорного подшипника качения, состоящего из отдельных внутреннего и наружного колец с беговыми дорожками и соответствующих им тел качения, объединённых сепаратором;
• выполнение концевого подшипника в виде радиально-упорного конического подшипника качения, состоящего из отдельных внутреннего и наружного колец с беговыми дорожками и соответствующих им тел качения, объединённых сепаратором, причём внутреннее кольцо этого подшипника посажено с возможностью свободных перемещений вдоль цапфы в совокупности с выполнением на цапфе осевого упора, ограничивающего такие перемещения, и установкой пружины между этим упором и подшипником;
• снабжение подшипниковой опоры упорным подшипником, выполненным  в виде пары опорных колец, между которыми размещён сепаратор с телами качения, причём этот подшипник упирается в конец цапфы через пружину, например, тарельчатую;
• размещение ближайшего к основанию цапфы подшипника внутри  детали, вставленной и закреплённой в шарошке со стороны основания цапфы, причём указанная деталь ввинчена в шарошку со стороны основания цапфы до упора радиально-упорного подшипника в цапфу;
• выполнение детали, вставленной и закреплённой в шарошке со стороны основания цапфы, в виде  разрезного пружинного кольца.

Краткое описание фигур чертежей

На чертежах иллюстрированы отдельные примеры выполнения подшипниковой опоры бурового долота согласно изобретению:

фиг.1 - фрагмент лапы с подшипниковой опорой и шарошкой в меридиональном разрезе;

фиг.2 - то же в вариантах конструкции (шарошка здесь изображена фрагментарно);

фиг.3 - то же в варианте традиционного месторасположения замкового подшипника - между периферийным и концевым подшипниками.

Владелец патента предлагает заинтересованным юридическим и физическим лицам заключить лицензионное соглашение на использование запатентованного изобретения.