CC BY
36БУРЕНИЕ
в.д. Буткин, д.т.н, А.в. Гилев, д.т.н,
А.в. минеев, д.т.н, с.н. вершинский, аспирант, Сибирский Федеральный Университет
разборные шарошечные долота с вертикальными опорами
В серийных шарошечных долотах консольное размещение цапф опор под углом к плоскости забоя и оси долота осложняет разборку опорных подшипников.
При этом шарошки с конусной рабочей поверхностью работают таким образом, что окружные скорости зубьев уменьшаются к центру долота до нулевых значений. Это обусловливает необходимость высоких осевых нагрузок. Калибрующие (крайние к стенкам скважины) венцы шарошек серийных долот могут выступать относительно козырьков лап на ограниченную величину, что создает малый кольцевой зазор между корпусом и стенками скважины и, как следствие неудовлетворительную очистку забоя от шлама и форсированный износ козырьков лап до обнажения тел качения опор. В свое время в работе [1] было предложено долото с цилиндрическими шарошками, оси которых параллельны оси долота. Это долото имеет ряд недостатков:
1. Оси цапф имеют малое смещение относительно оси вращения долота, и кольцевой зазор между корпусом и стенками скважины остается ограниченным, что ухудшает очистку скважины.
2. Цилиндрическая форма шарошек обусловливает большую неизменную по высоте шарошки площадь контакта со стенками скважины и, следовательно, высокую моментоем-кость и повышенный износ одновременно всей боковой поверхности.
3. Наличие только периферийных продувочных каналов исключает нормальную работу долота при проходке обводненных глинистых прослоев.
4. Долото выполнено неразборным,
цапфы являются неотъемлемой частью корпуса и при выходе из строя любой из шарошек (заклинивание опор и др.) долото становится непригодным. 5. Вооружение шарошек имеет режущее исполнение рабочей поверхности и, следовательно, предназначено для бурения некрепких горных пород. В СИБФУ разработана конструкция долота (рис.1), которая содержит ряд новых технических решений [2]. Отличительные особенности долота заключаются в применении сменных секций с эксцентричным расположением вертикальных конических или цилиндрических хвостовиков, вставленных в отвесные отверстия корпуса со смещением осей цапф в сторону внешней части корпуса. При этом каждая опора шарошек изготовлена с запрессованным в торец цапфы твердосплавным штырем со сферической головкой, контактирующей с ответной выемкой твердосплавной круглой пластины. Причем корпус выполнен с центральным продувочным каналом, а каждая секция имеет канал-резервуар для подачи смазки в опору шарошек под давлением, периодически создаваемым болтом, крепящим хвостовик. Кроме того, изменены форма и вооружение шарошки: одна ее часть имеет цилиндрическую форму, а другая- шаровую форму с рассечкой. При этом шарошки имеют фрезерованные зубья или твердосплавные штыри с переменным вылетом при проходке крепких пород, которые установлены с шагом, обеспе-
чивающим возможность ударного воздействия на породу при перекатывании, или армированы резцами при проходке слабых и средней крепости пород. Долото состоит (рис.1) из корпуса 1, выполненного в виде сплошной несварной конструкции внешней цилиндрической формы, который содержит ниппель, два периферийных 2 и центральный продувочный канал 3, отверстия 4 под крепежные болты 5, отверстия 6 под хвостовики 8. Долото снабжено сменными эксцентричными секциями 7, имеющими цилиндрические или конические хвостовики 8, вертикальные цапфы 9. Вставной хвостовик 8 закрепляется с торца болтом 6, имеет канал - резервуар 10 для смазки опоры. Канал может периодически наполняться маслом и подаваться в опору под давлением наконечника 11 крепежного болта 5, ввертываемого в резьбовое отверстие торца хвостовика.
Опоры шарошек оборудованы подшипниками скольжения с фланцевым герметизирующим замковым соединением, состоящим из неразрезного фланца 12, прикрываемого шайбой 13. Шарошки 14 имеют в одной части цилиндрическую 15, а в другой части 16 шаровую форму с нижней рассечкой 17. В отличие от известного долота [52] вооружение шарошек при проходке крепких пород выполнено с твердосплавными штырями с плавно заостренными головками, располагаемыми с шагом, обеспечивающим ударные воздействия на породу при перекатывании. При бурении слабых и средней крепости пород шарошки могут арми-
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 12 \\ декбрь \ 2007
нец крепится к торцу шарошки известными способами, например, винтами или вальцовкой. Шарошка с цапфой дополнительно соединена с помощью замкового шарикового подшипника 19.
В торец цапфы по центру запрессован твердосплавный штырь 20 со сферической головкой, которая контактирует с ответной выемкой в запрессованной внутри шарошки круглой твердосплавной пластины 21. Подобное исполнение подпятника подшипника опоры является новым.
Оно эффективно тем, что окружная скорость на головке штыря 20 и площадь контакта с пластиной 21 являются минимальными, что обеспечивает высокую износостойкость подшипника скольжения. Оси хвостовиков смещены относительно вертикальных осей цапф в сторону внешней части корпуса на величину е, чтобы калибрующая часть шарошки имела вылет В за пределы корпуса. Величина В должна отвечать условию d > dk (где d - диаметр долота; dk - диаметр корпуса). При этом величина ^ - dK) / 2 определяется по условию эффективной очистки скважины в зависимости от свойств буримых пород и гранулометрического состава бурового шлака.
Предлагаемое буровое долото работает и эксплуатируется следующим образом. Из комплекта сменных секций, оснащенных шарошками с различным вооружением (штыревым, фрезерованным или резцовым), выбирают наиболее соответствующие условиям бурения, вставляют хвостовиками в отверстия 4 в корпусе и закрепляют болтами 5.
роваться пластинками -резцами.
Для отдельных условий (вязкие породы средней крепости) с целью интенсификации шарошки могут иметь форму усеченного эллиптического параболоида с переменной высотой вылета штырей, увеличивающегося относительно забоя скважин в нижней трети высоты шарошки.
Опора каждой шарошки имеет уплотнение 18, прижимаемое неразрезным накидным фланцем 12 для герметизации маслона-полненного подшипника скольжения опоры. Фла-
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ бурение \\ 23
БУРЕНИЕ
3 2 1 14
14
^ р
А\ ■' ' ■ > ■
// 1 .1 ■
1
12
18
Рис.1. Разборное буровое долото со сменными вертикальными опорами: а
- общий вид; б - вид снизу; в - шарошка с твердосплавными штырями; г
- шарошка с твердосплавными резцами; д - вид хвостовика; е - крепление шарошки на цапфе
Эксцентриситетное исполнение секций надежно противостоит крутящим моментам на долоте. При вращении долота шарошки вращаются вокруг своих осей за счет сил реакции калибрования стенок скважины. Шарошки вращаются также вокруг оси долота. При таком движении шарошек нулевые скорости на их рабочей поверхности отсутствуют. Благодаря эксцентриси-тетному исполнению секций обеспечивается увеличенный кольцевой зазор между внешней поверхностью корпуса и стенками скважины, что улучшает очистку скважины.
Штыревое или зубчатое вооружение шарошек частично выполняется с пе-
рекрытием межзубковых пространств (самоочищающееся вооружение), что в сочетании с ударным воздействием штырей на породу при принятой шаровой нижней рабочей поверхности шарошек обеспечивает разрушение породы и в самом центре скважины в крепких породах.
После отработки шарошек по вооружению или опоре секции снимаются с корпуса (отвинчиванием болта 5) для возможного восстановления. Затем устанавливаются новые секции, оснащенные шарошками. Перед монтажом очередной секции в нее через отверстия 4 заливается смазочная жидкость до расчетного уровня. Таким образам, пред-
лагаемое долото обладает следующими технологическими преимуществами. использование сменных секций с эксцентричным положением вертикальных осей хвостовиков и цапф позволяет обеспечить: разборность долота и многократное использование корпуса; применение на одном корпусе сменных секций с шарошками различного вооружения (штыревого, фрезерованного и с режущими пластинами); применение неразборного фланцевого замкового герметичного соединения цапф, шарошек и опор скольжения с оригинальным подпятником и с улучшенной системой смазки; возможность изменения на одном и том же корпусе величины эксцентриситета хвостовиков и цапф и, следовательно, возможность изменения диаметра шарошек с обеспечением оптимальной площади затрубного пространства и окружной скорости шарошек, уменьшения износа козырьков корпуса. Планетарный характер движения шарошек с цилиндрошаровой формой и нижней рассечкой создает благоприятную эпюру окружных усилий, когда нижние венцы создают условие пред-разрушения для верхних венцов. Рассечка армированная по периметру штырями в призабойной части шарошки, способствует более активному разрушению поверхности забоя скважины, включая центральную ее часть. При этом принятая форма шарошки в сочетании с дополнительным центральным продувочным ниппелем позволяет более успешно осуществлять проходку скважины в осложненных условиях, характеризующихся сочетанием карстовых зон, волунов и вязких обводненных глин.
литература
Дверский В.П. бурение скважин лопост-ными долотами М.: Недра, 1977, с 192. Пат. 2228423 Рф. МПК2 Е 21В 10/20, 10/22 буровые долота [текст] буткин В.Д, Гилев А.В, Реводько А.Г [и др] опубл 10.05.04. бюл №13-6с.
АВТОМАТИЗИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ, АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКЕ
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОНТРОЛЕРЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО МАЛЫХ
СОВРЕМЕННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С ПАРОГАЗОВЫМ ЦИКЛОМ
ООО Внедренческая фирма
"ЭЛНА"
123060, г. Москва, ул. Расплетина, д. 5, тел./факс: 198-7561, тел.: 198-9649
е-маи: eina@sniip.ru www.elnavf.ru
