Бурове долото

Бурове долото, що містить корпус та породоруйнівні органи з озброєнням, котрі за допомогою підшипникових опор змонтовані на корпусі один всередині іншого, внутрішній з яких встановлений з кутовим нахилом щодо осі долота, а зовнішній - з кутовим нахилом у протилежний бік щодо осі долота, яке відрізняється тим, що озброєння породоруйнівних органів виготовлене у вигляді знімних кінцевих насадок (матриць) із зносостійкого матеріалу, армованих вставками (зубками) із твердого матеріалу, при цьому підшипникова опора кожного породоруйнівного органа оснащена пристроєм для регулювання величини осьової гри (або попереднього натягу). Винахід належить до породоруйнівного інструмента, а саме - до бурових шарошкових доліт з продувкою. Може бути використаний при бурінні свердловин відкритим способом в твердих та дуже твердих породах при проведенні буропідривних робіт в гірничій та гірничорудній галузях промисловості. Відоме бурове шарошкове долото, яке містить шарошки, змонтовані на цапфах лап за допомогою замкового шарикопідшипника та двох роликових підшипників, причому обидва роликових підшипники виготовлені конічними, а замковий шарикопідшипник розташований між ними [Авторське свідо4 цтво СРСР № 1229297, МПК Е 21 В 10/22, опубл. 07.05.1986 р. Бюл. № 17]. Таке долото має наступні суттєві недоліки: 1. Загальновідомим недоліком сучасних бурових доліт з конічними шарошками, а особливо тих, що призначені для буріння свердловин в твердих гірських породах, є явно недостатня вантажопідйомність опор шарошок. Підшипникова опора однієї секції (лапи) традиційного тришарошкового долота, як відомо, виготовляється за схемою "ролик-кулька-ролик" або "ролик-кулька-ковзання". При цьому навіть фірми, що є світовими лідерами долотобудування, виготовляють такі долота, у яких допустиме навантаження на опори шарошок становить лише 60-70 % від величини, котра є оптимальною для ефективного буріння твердих гірських порід. Як відомо, основна причина відмови бурових доліт - це поломка або заклинювання опори однієї із шарошок долота (понад 80 % відмов). Так, наприклад, при бурінні свердловин у кар'єрах Криворізького залізорудного басейну середня проходка на долото у 2007 році становила 166 метрів (пласти твердістю f=16-19 за шкалою М.М. Протодяконова). При цьому довговічність твердосплавного озброєння бурових доліт у декілька разів перевищує довговічність опор шарошок. 2. Підшипникова опора однієї секції (лапи) тришарошкового долота з конічними шарошками сприймає приблизно 1/3 частину навантаження на долото. Оскільки цапфа кожної лапи виготовлена з кутовим нахилом приблизно 37-39° до горизонталі, то сумарне навантаження, що припадає на одну лапу, розкладається на радіальну та осьову складові. Радіальна складова навантаження на опору, в свою чергу, сприймається тільки кінцевим та периферійним роликопідшипниками і розподіляється між ними у співвідношенні 35 та 65 % відповідно [Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота. Справочник. Изд. 3. М.: Недра, 1971. –С.446]. (19) UA (11) 94503 (13) C2 (21) a200909105 (22) 04.09.2009 (24) 10.05.2011 (46) 10.05.2011, Бюл.№ 9, 2011 р. (72) ДОБРОЛЮБОВА ІРИНА ГРИГОРІВНА, ДОБРОЛЮБОВ ЛЕОНІД БОРИСОВИЧ, СНЄГОВОЙ ВЯЧЕСЛАВ ВІКТОРОВИЧ, СТЕПАНЮК АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, СТЕПАНЮК ЮРІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ (73) ДОБРОЛЮБОВА ІРИНА ГРИГОРІВНА, ДОБРОЛЮБОВ ЛЕОНІД БОРИСОВИЧ, СНЄГОВОЙ ВЯЧЕСЛАВ ВІКТОРОВИЧ, СТЕПАНЮК АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, СТЕПАНЮК ЮРІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ (56) SU 1229297 A1, 07.05.1986. Бюл.№17 WO 2005/021923 A1, 10.03.2005 SU 512282, 30.04.1976. Бюл.№16 US 3771611, 13.11.1973 RU 2228423 С2, 10.05.2004 US 4328873, 11.05.1982 SU 1665012 A1, 23.07.1991. Бюл.№27 3 94503 4 Кожний підшипник опори, зокрема його доріжДопустима величина осьового навантаження у ка кочення на цапфі, працює з навантаженням на підшипників типу 7000 не може перевищувати 70 межі витривалості металу цапфи, роликів та ша% не використаного допустимого радіального нарошки. вантаження. Як зазначено вище, кінцевий ролико3. Конструктивні відмінності лап, підшипникопідшипник традиційного тришарошкового долота вих вузлів та шарошок у доліт, котрі призначені сприймає приблизно 35 % радіального навантадля буріння свердловин у м'яких, середніх або ження на опору. Ця величина балансує на межі твердих породах, настільки значні, що виключають витривалості матеріалу доріжок кочення та роликів можливість уніфікації складових частин навіть для цього підшипника. Додаткове осьове навантажендоліт одного розміру. Саме цей фактор визначає ня, величина якого у 2-2,5 рази перевищує допусвисоку ціну бурового шарошкового інструмента. тиму радіальну складову навантаження кінцевого 4. Осьова складова навантаження на підшиппідшипника, може стати причиною катастрофічноникову опору - величина знакозмiнна, шкідлива і го руйнування кінцевого підшипника та заклинюжодним чином не впливає на породоруйнівні харавання опори шарошки. ктеристики долота. Вона спрямована уздовж осі 2. У долота-аналога внутрішнє кільце кінцевоцапфи і становить понад 60 % від величини загаго підшипника змонтоване на цапфі з можливістю льного навантаження на одну опору. Осьове навадовільного (спонтанного) переміщення уздовж осі нтаження в традиційній опорі "ролик-кулька-ролик" цапфи, котра має циліндричний уступ з боку песприймає замковий шарикопідшипник двосторонриферійного підшипника. Між уступом і внутрішнім ньої дії. Він замикає на себе осьові навантаження, кільцем кінцевого підшипника розташована тарілщо спрямовані як у напрямку кінцевого підшипничаста пружина, котра теоретично забезпечує пока, так і в зворотному напрямку: у напрямку основи передній осьовий натяг та силове замикання елецапфи. Двосторонні навантаження призводять до ментів обох роликопідшипників, що виключає швидкого зношування елементів замкового шариможливість осьової гри (люфту) в опорі. копідшипника та утворення великого осьового Але аналіз основних моментів взаємодії елелюфту. Відомо, що при величині 3-5 мм люфту в ментів опори долота-аналога методами кінетостаопорі має місце перекіс циліндричних роликів щотики показує наступне: до доріжок кочення та заклинювання опор, а у коа) при умовно нерухомому корпусі шарошки нічних роликопідшипників катастрофічно зменшу(тіло шарошки опирається на абсолютно жорстку ється кут зони навантаження. поверхню) радіальна складова навантаження на Відома відкрита підшипникова опора бурового цапфу (лапу) розподіляється між двома роликодолота, яка містить лапу з цапфою, шарошку, пепідшипниками (фіг. 1 заявки РСТ). Осьове наванриферійний замковий радіально-упорний конічний таження, через циліндричний уступ на цапфі, у роликопідшипник, змонтований біля основи цапповному обсязі передається на тарілчасту пружифи, та кінцевий радіально-упорний конічний ролину і пружно деформує її. Оскільки всі елементи копідшипник, на яких змонтована шарошка. При кінцевого роликопідшипника вже замкнуті між соцьому периферійний підшипник зафіксований на бою і корпусом шарошки, то єдино можливим нацапфі і в корпусі шарошки за допомогою пружинпрямком для переміщень в опорі є поздовжнє пених кілець. Кінцевий підшипник змонтований на реміщення цапфи через отвір внутрішнього кільця цапфі з можливістю вільного осьового (поздовжкінцевого підшипника у напрямку вершини шарошнього) переміщення і упирається в уступ цапфи ки. через тарілчасту пружину. При цьому внутрішнє кільце периферійного Варіант цієї опори містить радіально-упорний конічного роликопідшипника разом з конічними конічний, радіальний циліндричний та упорний роликами і сепаратором перемістяться разом із роликопідшипники [Міжнародна заявка РСТ № WO цапфою у напрямку вершини шарошки. Замковий 7 2005/021923 А1, МПК Е 21 В 10/22, дата міжнаропериферійний роликопідшипник при цьому розкридної публікації: 10 березня 2005 року]. ється, оскільки ролики, розташовані вище осі цапДолото-аналог має наступні суттєві недоліки: фи, втратять фізичний контакт із зовнішнім кіль1. Автори долота-аналога виключили із складу цем. При цьому радіальний люфт перевищить у конструкції своєї опори традиційний замковий шадекілька разів допустиму нормативну величину рикопідшипник двосторонньої дії і поклали функ[Довідник, -С.168, табл.14]. Внаслідок цього різко цію замкового підшипника на периферійний радіазменшиться кут зони навантаження підшипника льно-упорний конічний роликопідшипник, хоч такий (до величини 60-90º, замість оптимальної величипідшипник, як відомо, здатний сприймати тільки ни 170-180°), а контактні напруги в елементах підоднобічне осьове навантаження. Конструкція опошипника можуть перевищити гранично допустиму ри долота-аналога (фіг. 1, 2 графічних матеріалів, величину; доданих до заявки РСТ) містить зображення типоб) при умовно нерухомій цапфі осьова складових однорядних радіально-упорних конічних ролива навантаження на шарошку спрямована уздовж копідшипників типу 7000. Згідно з ГОСТ 333 - 71 осі цапфи у напрямку її основи. Осьове навантатип 7000 є основним [Бейзельман Р.Д., Цыпкин ження через корпус шарошки, зовнішнє кільце, Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочролики та внутрішнє кільце кінцевого підшипника ник. Изд. 6. М.: Машиностроение, 1975. - С.52-53. діє на тарілчасту пружину і пружно деформує її. Далі по тексту – Довідник]. Кут контакту у підшипПри цьому корпус шарошки, кінцевий підшипник, тарілчаста пружина і зовнішнє кільце замкового ників типу 7000 становить: =10-17°. периферійного конічного роликопідшипника переОднорядні конічні роликопідшипники здатні містяться у напрямку основи цапфи на величину сприймати тільки однобічне осьове навантаження. 5 94503 6 деформації тарілчастої пружини. Периферійний Зображені на фіг. 1 та 2 заявки РСТ опори не роликопідшипник знову розкриється, його радіальвідповідають вимогам конструювання опор буроний люфт різко збільшиться, а кут зони навантавих шарошкових доліт тому, що в них відсутні ження підшипника різко зменшиться. З огляду на конструктивні елементи для обмеження величини те, що робочі навантаження на опори шарошок осьового люфту. бурового долота і без того мають циклічний, ударНайближчим аналогом-прототипом - є бурове ний характер, додаткові осьові та радіальні биття в долото, що містить корпус та породоруйнівні оргаопорах вкрай негативно впливатимуть на довговіни з озброєнням, котрі за допомогою підшипникочність долота. Саме тому радіальний та осьовий вих опор змонтовані на корпусі один всередині люфт у будь-яких опорах кочення намагаються іншого, внутрішній з яких встановлений з кутовим забезпечувати мінімальними і жорстко обмеженинахилом щодо осі долота, а зовнішній - з кутовим ми. Головним недоліком конструкції опори долотанахилом у протилежний бік щодо осі долота [Ав2 аналога є те, що замковий периферійний радіальторське свідоцтво СРСР № 512282, МПК Е 21 В но-упорний конічний роликопідшипник насправді 9/08, опубл. 30.04.1976 р. Бюл. № 16]. не має жодного впливу на величину осьової гри в Долото-прототип має наступні недоліки: цій опорі. 1. Підшипникові опори долота виготовлені не3. Варіант підшипникової опори долотароз'ємними і, по аналогії з тришарошковими долоаналога (фіг. 2 графічних матеріалів заявки РСТ), тами, оснащені замковими шарикопідшипниками, котра складається з одного однорядного радіалькотрі монтують в опорах за допомогою технологічно-упорного конічного роликопідшипника, одного них отворів та замкових пальців. Такі замкові підрадіального роликопідшипника, з циліндричними шипники не містять засобів для попереднього або роликами та одного упорного шарикопідшипника, поточного регулювання величини осьового люфту. не відповідає правилам застосування конічних та 2. Технологія виготовлення доріжок кочення на упорних підшипників, а саме: корпусі в порожнині шарошок надзвичайно склада) однорядні радіально-упорні конічні роликона та трудомістка, як і у три шарошкових бурових підшипники повинні становити в одній опорі, як доліт. мінімум, одну пару [Довідник, - С. 53, абз. 2; - С. 3. Долото-прототип, як і будь-які інші шарош169, мал. 3-б, 3-д]; кові долота, має великий розкид по довговічності б) упорні підшипники кочення мають певні основних складових елементів: корпусу, підшипниособливості щодо способів установлення їхніх кових опор та озброєння шарошок. Так, наприупорних кілець на валу і в корпусі. Так, наприклад, клад, у процесі випробування дослідних партій одне упорне кільце потрібно укріплювати на валу бурових доліт з'ясувалося, що у таких доліт довгожорстко, із стандартним натягом, а друге упорне вічність підшипникових опор, вперше у світовій кільце із стандартним зазором, величина якого практиці, перевищила у декілька разів довговічстановить 0,2-0,4 мм. Цей зазор забезпечується ність вольфрамо-кобальтового озброєння породотим, що внутрішній діаметр другого упорного кільруйнівних органів. Це стало можливо завдяки тоця на 0,2-0,4 міліметри більший, ніж діаметр вала. му, що кут зони навантаження підшипників в Діаметр проточки у корпусі для монтажу другого опорах долота-прототипу становить 360° а у трикільця має бути на 0,5-1 мм більшим, ніж зовнішній шарошкових доліт, безпосередньо після обкатки, діаметр упорного підшипника. Більше того, ГОСТ не більше 160-175°. У долота-прототипу з породомістить обов'язкові умови щодо мінімальної допусруйнівними органами, оснащеними твердосплавтимої ширини опорної поверхні окремо для пари ними зубками, при повному (100 %) зносі робочих "кільце - вал" та пари "кільце - корпус" [Довідник, поверхонь; зношеність корпусу долота не перевиС.520-523, табл.19]. щувала 25 %, а підшипникових опор - 35 %. Такі, У долоті-аналозі не враховані всі ці вимоги напівзношені, долота не підлягали ремонту, оскі(графічні матеріали заявки РСТ, фіг. 2). Одне упольки конструкція долота-прототипу не передбачарне кільце змонтоване на цапфі із радіальним зала можливості технологічних операцій по заміні зором (рухоме з'єднання), а друге упорне кільце та або відновленню складових частин. тіла кочення з сепаратором розташовані за межаВ основу винаходу поставлена задача суттєми цапфи. Не виконані вимоги щодо ширини упорвого підвищення довговічності, технологічності та них поверхонь для кілець упорних шарикопідшипуніфікації шарошкових бурових доліт. ників - торець тарілчастої пружини (лінійний Суть винаходу полягає в тому, що в буровому контакт) використаний як опорна поверхня для долоті, яке містить корпус та породоруйнівні оргаупорного кільця; ни з озброєнням, котрі за допомогою підшипников) умовно замковий периферійний радіальнових опор змонтовані на корпусі один всередині упорний конічний роликопідшипник укріплений у іншого, внутрішній з яких встановлений з кутовим корпусі шарошки за допомогою різьбової втулки, нахилом щодо осі долота, а зовнішній - з кутовим хоч різьбові з'єднання не призначені для сприйнахилом у протилежний бік щодо осі долота, згідно няття динамічних радіальних навантажень. Для з винаходом, озброєння породоруйнівних органів цього, у разі потреби, використовують циліндричні виготовлене у вигляді знімних кінцевих насадок гільзи, стакани тощо, котрі разом із підшипником (матриць) із зносостійкого матеріалу, армованих монтують у головному корпусі жорстко, з радіальвставками (зубками) із твердого матеріалу, при ним натягом циліндричних поверхонь сполучення цьому підшипникова опора кожного породоруйнів[Наприклад: Довідник, - С. 380, мал. 2 та - С.381, ного органа оснащена пристроєм для регулювання мал. 3]. величини осьової гри (або попереднього натягу). 7 94503 8 При такому виконанні бурове долото має нашвидкозношувана частина кожного породоруйнівступні переваги: ного органа оснащена знімними кінцевими насад- фактор застосування знімних кінцевих насаками 7 та 8. Кінцеві насадки виготовлені із зносодок (матриць), як швидкозмінних швидкозношувастійкого матеріалу і армовані вставками (зубками) них складових частин бурового інструмента, до9, виготовленими із твердого матеріалу, напризволяє забезпечити ефективну роботу долота до клад твердого сплаву на вольфрамо-кобальтовій моменту повного зношування всіх його складових основі або з надтвердого композиційного матеріачастин: корпуса, шарошок, підшипникових опор; лу на основі штучних та природних алмазів. Кінце- фактор застосування знімних кінцевих насаві насадки зафіксовані на торцях породоруйнівних док, тобто змінного озброєння шарошок, яке, за органів відомими засобами, наприклад, за допомобажанням, може відрізнятися кількістю, розмірами гою гвинтів. та формою твердосплавних зубків, у тому числі і Верхній радіально-упорний шарикопідшипник таких, що мають алмазне покриття, дозволяє уніопори породоруйнівного органа 3 оснащений замфікувати бурові долота. При цьому бурові долота ковим кільцем 10 та пристроєм 11 для регулюванодного певного розміру, котрі призначені для буня величини осьової гри в опорі, виготовленим, ріння свердловин в м'яких, середніх, твердих або наприклад, у вигляді кінцевої шайби та болта. Шанадтвердих породах, можуть відрізнятися тільки рикопідшипникова опора 5 зовнішнього породоматеріалом та геометричною формою зубків руйнівного органа 4, в свою чергу, оснащена замозброєння знімних кінцевих насадок; ковим кільцем 12 та різьбовою кришкою 13 для - наявність змінних кінцевих насадок дозволяє регулювання величини осьової гри в опорі. При виготовляти корпус долота та корпусні частини цьому кришка оснащена ущільнювальним кільцем. породоруйнівних органів з більш дешевих матеріВаріант бурового долота (фіг. 2) містить коралів, а самі кінцеві насадки - з легованих сталей та пус із продувальними каналами 2, породоруйнівні сплавів з особливими властивостями щодо твероргани 3 та 4, котрі змонтовані на корпусі за доподості, абразивної стійкості тощо; могою підшипникових опор 14 та 15, котрі склада- наявність зносостійкого знімного озброєння ються з радіально-упорних конічних роликопідшипородоруйнівних органів долота, у поєднанні з пників, оснащених сепараторами. Підшипникові потужними підшипниковими опорами, котрі сприйопори 14, 15 оснащені пристроями 16 та 17 для мають тільки корисне однобічне осьове навантарегулювання величини осьової гри. Наявність приження і мають кут зони навантаження 360°, дозвостроїв 17 робить опори збірно-розбірними. ляє підвищити у 3-5 разів ресурс роботи долота, Варіант бурового долота (фіг. 3) містить корвитрачаючи при цьому кошти тільки на виготовпус 1 з продувальними каналами 2, породоруйнівні лення запасних блоків озброєння; органи 3 та 4, змонтовані на корпусі за допомогою - наявність пристроїв для регулювання велипідшипникових опор 18 та 19, котрі складаються з чини осьової гри чи попереднього натягу в опорах типових підшипників кочення: радіальних або рапородоруйнівних органів дозволяє відмовитися від діально-упорних шарикопідшипників, радіальнозагальноприйнятої світової практики селективного упорних конічних роликопідшипників тощо, котрі підбору тіл кочення відповідно до фактичних діаоснащені зовнішніми та внутрішніми кільцями, тіметрів доріжок кочення на цапфі та в порожнині лами кочення та сепараторами. Наприклад, шаришарошки, які індивідуальні для кожної секції долокопідшипники типу 0000 ГОСТ 8338-93; типів та; 60000 та 80000 ГОСТ 7242-85; типу 1000 ГОСТ - наявність таких пристроїв дозволяє уніфіку5720-75; типу 3000 ГОСТ 8545-78; типу 6000 ГОСТ вати виготовлення окремих частин бурового доло831-90; типу 7000 ГОСТ 333-94; типу 8000 ГОСТ та: лап, шарошок та підшипників або тіл кочення 6874-82 тощо. та сепараторів. Це суттєво спрощує та здешевлює Породоруйнівні органи бурового долота оснатехнологічні операції виготовлення та складання щені знімними кінцевими насадками, виготовлебурового долота. ними із зносостійкого матеріалу. Робочі поверхні На доданих кресленнях надані 3 можливих ванасадок армовані вставками (зубками) 9, виготовріанти виготовлення бурового долота, а саме: леними із твердого матеріалу, наприклад із тверфронтальний розріз бурового долота з розбірними дого сплаву на вольфрамо-кобальтовій основі або шарикопідшипниковими опорами - фіг. 1; фронтаз надтвердого композиційного матеріалу на основі льний розріз бурового долота, з розбірними ролиштучних та природних алмазів, При цьому вершикопідшипниковими опорами - фіг. 2; фронтальний ни зубків можуть мати алмазне покриття. розріз бурового долота з розбірними опорами, які Бурове долото працює наступним чином. Корскладаються з типових підшипників кочення, пус долота з'єднують з буровою трубою бурової оснащених зовнішніми та внутрішніми кільцями, машини. Бурове долото з обертанням та заданим тілами кочення та сепараторами - фіг. 3; фотограосьовим навантаженням подають на вибій свердфічне зображення дослідного зразка бурового доловини. Одночасно з цим через продувальні каналота, варіант з центральним соплом - фіг. 4. ли 2 під тиском подають повітря. У міру занурюБурове долото (фіг. 1) містить корпус 1 з провання зубків 9 в поверхню вибою свердловини, дувальними каналами 2 та породоруйнівні органи: породоруйнівні органи вступають у механічний внутрішній 3 та зовнішній 4, котрі виготовлені у контакт з породою і перекочуються по вибою за вигляді торцевих шарошок. Породоруйнівні органи рахунок обертання корпусу 1 долота. Зони контакзмонтовані на корпусі за допомогою розбірних піту породоруйнівних органів з породою розташовані дшипникових вузлів (опор) 5 та 6, які складаються по різні боки від осі свердловини, що виключає з радіально-упорних шарикопідшипників. Робоча можливість виникнення радіальних вібрацій доло 9 94503 10 та щодо осі свердловини. Траєкторія руху кожного - підвищення механічної швидкості буріння у 2із зубків 9 озброєння кінцевих насадок 7 та 8 має 2,5 разу за рахунок можливості збільшення веливигляд біжучої хвилі. При цьому зубки 9 послідовчини навантаження на долото; но діють на локальні ділянки поверхні вибою, руй- зменшення у 2-3 рази величини потрібного нують та подрібнюють певний шар породи. Потоки крутного моменту двигуна-обертача; стиснутого повітря здувають буровий шлам з по- підвищення довговічності підшипникових верхні вибою і виносять його через затрубний обопор долота у 10-45 разів за рахунок збільшення шир на поверхню. Конічна форма зовнішнього покута зони навантаження підшипників в опорах до родоруйнівного органа зводить до мінімуму 360º; можливість контакту його поверхні із стінками све- підвищення у 3-5 разів довговічності твердордловини. Цей фактор суттєво зменшує робочий сплавного озброєння породоруйнівних органів за крутний момент на валу двигуна-обертача та зворахунок зміни траєкторії руху та кутів занурення дить до мінімуму нагрів елементів долота. зубків в породу; загальне підвищення ресурсу роСтендові та натурні випробування дослідних боти долота у 4-5 разів за рахунок використання зразків бурових доліт (наприклад, фіг. 4) показали змінних комплектів озброєння. високу ефективність цих доліт, порівняно з традиційними тришарошковими долотами, а саме: 11 94503 12 13 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 94503 Підписне 14 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601