БУРОВОЕ ДОЛОТО
ИЗОБРЕТЕНА КОНСТРУКЦИЯ ШАРОШЕЧНОГО БУРОВОГО ДОЛОТА, ПОЗВОЛЯЮЩАЯ
БУРИТЬ В 3-4 РАЗА БЫСТРЕЕ И ДЕШЕВЛЕ
ПРИМЕНИМОСТЬ К ЛЮБЫМ УСЛОВИЯМ И ТЕХНОЛОГИЯМ БУРЕНИЯ
ИДЕОЛОГИЯ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ИННОВАЦИОННОГО ДОЛОТА
Создание принципиально новой конструкции шарошечного бурового долота имеет целью радикальное повышение эффективности бурения и научно базируется на известных закономерностях процесса бурения:
Фёдоров В.С. Научные основы режимов бурения. М.-Л. Гостоптехиздат, 1951.
Качан В.Г., Купчинский И.А. Бурение шахтных стволов и скважин. – М. Недра 1984, 278 с.
Эффективность бурения шарошечным долотом в данных горнотехнических условиях определяется двумя основополагающими показателями: величиной механической скорости бурения, Vм, м/ч, и временем работы долота на забое до отказа, Тотк , ч, причём
Vм = anx1Qосy1, (1)
где а – постоянная величина, определяемая конструкцией данного долота, n – частота вращения долота, Qос – осевая нагрузка на долото, х1 и у1 – показатели, зависящие от вида разрушения породы (усталостное, объёмное), а также от степени уборки буровой мелочи с забоя, причём для наиболее эффективного и распространённого объёмного разрушения х1 = 0,45 … 0,7; у1= 2 (для крепких пород) … 3 (для глинистых пород). Отсюда видно, что эффективность бурения шарошечным долотом в преобладающей мере зависит от осевой нагрузки (Qос), которую способна обеспечить подшипниковая опора шарошки, и что при создании конструкции долота одной из главных задач является обеспечение максимально возможной нагрузочной способности опоры. Причём величина нагрузочной способности, в первом приближении, определяется произведением D x B, где D – диаметр опорной поверхности (в подшипнике качения – внутренней беговой дорожки), а B – ширина периферийного подшипника (который, по данным компании SANDVIK, несёт 85% радиальной нагрузки на шарошку).
Второй основополагающий показатель эффективности бурения – Тотк преимущественно определяется стойкостью подшипниковой опоры шарошки, причём износ подшипников главным образом является следствием проникновения в подшипниковую опору абразивных частиц бурового шлама. В современном бурении этому препятствуют: в некоторой мере такая технология, как продувка подшипниковой камеры воздухом (применительно к соответствующему способу бурения), и различные уплотнительные устройства. Однако существующие уплотнительные устройства содержат резиновые детали, работоспособность которых ограничена нагревом масла в подшипниковой камере, а также нагревом уплотнения за счёт трения его собственных подвижных частей о неподвижные его части. И поскольку нагрев масла прямо пропорционален нагрузке на подшипники и частоте вращения шарошки в существующих конструкциях для предохранения уплотнений от опасного нагрева требуется ограничение нагрузки и/или частоты вращения, значит – ограничивается эффективность бурения. А для уменьшения нагрева собственно в уплотнении приходится стремиться к уменьшению радиуса трения в нём, а значит – и к уменьшению диаметра цапфы опоры, что ограничивается необходимой прочностью цапфы.
Идея предлагаемой инновационной конструкции бурового долота заключается в радикальном увеличения нагрузочной способности подшипниковой опоры и в радикальном усовершенствовании изоляции опоры от внешней среды.
На этой основе возможно радикальное повышение экономической эффективности бурения, которая находит выражение в величине проходки скважины, приходящейся на бурение одним долотом до его отказа,
Ндол = Vм Тотк (2)
Увеличение Ндол означает уменьшение расхода долот, энергетических и трудовых затрат, продолжительности бурения скважины.
1. Конструкция применительно к технологии бурения с продувкой забоя
В простейшем виде, применительно к буровому долоту, работающему в условиях продувки забоя скважины воздухом, инновационная конструкция представлена на эскизном чертеже фиг.1а (показан фрагмент одной секции долота, в остальном конструкция долота аналогична существующим).
Радиальная подшипниковая опора образуется периферийным подшипником с роликами 1 и 3 и концевым подшипником с роликами 2. Осевая опора, воспринимающая нагрузки со стороны оси долота, образуется подпятником 4.
При сборке секции вначале на цапфу 5 свободно надевается замковая втулка 6 с закреплённым в ней резиновым воротником 7. Затем на цапфу до упора навинчивается подшипниковая обойма 8 и собираются комплекты роликов 1, 3 и 2. После этого шарошка 9 со вставленным и в неё подпятником 4 навинчивается до упора на замковую втулку 6. При этом в сопряжении внутреннего торца замковой втулки с торцом подшипниковой обоймы 8 и в сопряжении подпятника 4 с оппозитным торцом обоймы 8 за счёт обеспечения соответствующих осевых размеров образуются посадки скольжения, причём шарошка замыкается на цапфе через замковую втулку 6 и подшипниковую обойму 8.
В инновационной конструкции периферийный подшипник располагается на большем диаметре (D) и имеет большую ширину (В) в сравнении с существующими конструкциями. Это удаётся осуществить за счёт ликвидации традиционного замкового шарикового подшипника и образования замка шарошки на цапфе посредством замковой втулки 6. В результате радикально возрастает нагрузочная способность долота.
Воротник 7 упруго прилегает к торцовой поверхности лапы 10, изолируя подшипниковую камеру от окружающей среды при нерабочем состоянии долота. При бурении скважины: под давлением воздуха (поступающего в подшипниковую опору, как обычно, через канал 11) края воротника отгибаются от торцовой поверхности лапы, и воздух непрерывно выходит в образующийся кольцевой зазор, препятствуя проходу в подшипниковую камеру буровой мелочи, причём воротник в своём вращении вместе с замковой втулкой не касается торца лапы и практически не испытывает износа.
Применительно к технологии бурения с продувкой забоя и использованием долот с твердосплавным вооружением (то есть с относительно короткими зубками) повышенная осевая нагрузка может привести к такому разрушению породного забоя, когда глубина внедрения зубков в породу достигает своего предела и шарошка ложится на забой своим корпусом. Как следствие, непродуктивно возрастает нагрузка на подшипниковую опору, что может вызвать разрушающие контактные напряжения в металле подшипников и ускоренный износ опоры, а значит – уменьшение Тотк. Так что в данных условиях повышение нагрузки не целесообразно. Однако, собственно усиление опоры, т.е. увеличение произведения DxB, и в данных условиях является эффективным, так как при этом снижаются указанные контактные напряжения в подшипниках и, таким образом, увеличивается долговечность опоры, увеличивается Тотк .
В рассматриваемом варианте инновационная конструкция позволяет увеличить произведение DxВ, в сравнении с традиционной конструкцией, в 1,5 раза. Во столько же будет возможно повышение Qос, А соответственно формуле (1), при бурении в крепких породах (у1 = 2) скорость бурения возрастает в 2,25 раза (теоретически, абстрагируясь от процесса очистки забоя от бурового шлама в условиях возрастающей производительности разрушения породы и от процесса износа вооружения шарошек при повышенной на них нагрузке).
В связи с усовершенствованием изоляции подшипниковой опоры от попадания в неё абразивного бурового шлама (за счёт действия воротника 7) возможно также существенное увеличение стойкости подшипниковой опоры, т.е. времени работы долота на забое до отказа, Тотк. В целом же, согласно формуле (2), то есть с учётом обоих рассмотренных усовершенствований конструкции, возможно повышение экономической эффективности бурения приблизительно в 3 раза.
2. Конструкция применительно к маслонаполненной опоре качения
Более эффективна инновационная конструкция долота применительно к герметизированным маслонаполненным опорам качения, представленная на эскизном чертеже фиг.2а. В части устройства замка, радиальных и осевых подшипников, а также защитного воротника, эта конструкция аналогична предыдущей.
Рассматриваемая конструкция, как и предыдущая, позволяет увеличить нагрузку на подшипники, однако при этом увеличиваются генерация тепла и температура в подшипниковой камере, что, как это было рассмотрено выше, в существующих конструкциях недопустимо.
Главной, принципиальной особенностью рассматриваемой инновационной конструкции является новое устройство металлического торцового уплотнения. Здесь оно состоит из неподвижного торцового кольца 12, вставленного в торец лапы (нумерация позиций – последовательная к предыдущему чертежу), вращающегося торцового кольца 13 и оригинального радиального амортизатора в виде металлической мембраны 14, которая соединена с вращающимся кольцом 13 и упруго прилегает к торцовой плоскости резинового (вообще - эластомерного) кольца 15, противоположная торцовая поверхность которого прилегает к наружной плоской поверхности замковой втулки (6). При осевых колебаниях величины зазора между шарошкой и лапой (в том числе перекосов) во время работы долота мембрана 14 совместно с кольцом 15 за счёт упругости обеих этих деталей поддерживают в заданных пределах давление в торцовой паре 12-13. Как видно, теплоуязвимый эластомерный элемент уплотнительного аппарата - кольцо 15 радикально дистанцирован от торцовой пары, как очага дополнительного нагрева от трения, и, следовательно, не испытывает опасного перегрева, свойственного известным применяемым в буровых долотах конструкциям торцовых уплотнений.
Ещё одной особенностью аппарата уплотнения в рассматриваемой конструкции является подвод в кольцевую полость между торцом лапы и мембраной 14 бурового агента (воды, раствора) посредством дополнительного канала 16 в лапе, соединённого с камерой поступления в долото бурового агента (камера на чертеже не показана, как общеизвестный элемент современных долот). При этом воротник функционирует анало-гично варианту с продувкой забоя (поз.7 на фиг.1), препятствуя контакту торцовых колец и других элементов герметизации с буровым шламом. К тому же протекающий в указанном кольцевом пространстве буровой агент способствует охлаждению эластомерного кольца 15 и торцовой пары.
Дополнительной особенностью рассматриваемой конструкции является соединение наружной полости смазкоподающего лубрикатора с камерой поступления в долото бурового агента, за счёт чего уравниваются давления снаружи и изнутри торцовой пары и, следовательно, оптимизируется работа торцового уплотнения лубрикатор и каналы его соединения с буровым агентом и смазочной жидкостью на чертеже не показаны, как устройства, достаточно известные, например, из патента США 3,303,898).
Таким образом, в этой инновационной конструкции обеспечивается практическая независимость от нагрузок и частоты вращения (n), то есть обеспечивается реализация рассмотренных преимуществ инновации в части усиления опоры, а также возможность дополнительного повышения эффективности за счёт практически не ограниченного повышения частоты вращения.
Ориентировочно: в варианте инновации с герметизированной опорой качения произведение DxB и, следовательно, нагрузочная способность долота могут быть повышены в 1,5 раза. Отсюда - повышение Vм при бурении в крепких породах в 2,25 раза. А с учётом возможности повышения также n и Tотк (повышение ресурса уплотнительного аппарата) - повышение эффективности бурения, в выражении через величину проходки на долото (2), приблизительно в 3 раза.
3. Конструкция применительно к опоре скольжения
Наиболее эффективной, притом простой в производстве, представляется инновационная маслонаполненная конструкция опоры на подшипниках скольжения (фиг.3а). По общей идеологии и по устройству уплотнительного аппарата она аналогична рассмотренной маслонаполненной конструкции на подшипниках качения. Дополнительная эффективность определяется в этой конструкции тем, что произведение DxB может достигать здесь максимума по отношению к конструкциям на подшипниках качения. Следовательно, обеспечивается возможность достижения максимальной эффективности бурения.
Радиальные поверхности скольжения со стороны цапфы образуются здесь посредством втулок 17 и 18. Последняя навинчивается на цапфу и в упор запирает на цапфе первую. Радиальные и осевые подшипники образуются посредством кольцевых гильз 19 и 20 и подпятника 21, выполненных из традиционных или новейших антифрикционных высокопрочных материалов (например, РTFE Composite).
В современном производстве буровых долот вообще преобладает ориентация на опоры скольжения, как обеспечивающие большие нагрузки на долото в сравнении с опорами качения. Однако, в связи с существенно большим коэффициентом трения скольжения по отношению к трению качения (и, соответственно, большей генерацией тепла), частота вращения при этом ограничивается со стороны указанной выше теплоуязвимости эластомеров в уплотнениях, так что, в частности, существующие долота с опорами скольжения не пригодны для бурения с высокочастотным забойным приводом.
Инновационная же конструкция, наряду с возможностью весьма существенного увеличения нагрузок, снимает ограничения на скорость вращения и поэтому применима также при забойном приводе, тем самым значительно расширяя область современного применения долот на опорах скольжения.
Таким образом, инновационная конструкция на подшипниках скольжения содержит в себе перспективу стать не только максимально эффективной, но и универсальной - применимой практически ко всем типоразмерам буровых долот и ко всем условиям и технологиям бурения.
Примечание
В представленных конструкциях общим принципиально новым и в некоторой мере спорным является устройство запирания шарошки на цапфе - посредством замковой втулки, соединённой с шарошкой. Такое устройство, предназначенное, как обычно в буровых долотах, для противостояния усилиям, действующим на шарошку со стороны стенки буримой скважины, предложено взамен шарикового замка, изобретенного Шодроном полтора века назад и неизменно успешно применяемого в настоящее время практически во всех конструкциях буровых долот (так что не было бы смысла в замене этого доброго старого на нечто новое, если бы это новое не содержало бы в себе возможности многократного повышения технико-экономической эффективности бурения).
Естественно, что инновация, не нашедшая проверки и применения на практике и не имеющая мировых аналогов в части устройства замыкания шарошки на цапфе, явилась предметом критики со стороны некоторых профессионалов - конструкторов, привыкших к благополучной, не рискованной работе с шариковой опорой. Эта критика выразилась в сомнении относительно прочности предложенной конструкции замка с выводом отсюда о нецелесообразности замены традиционного шарикового замка. Однако, эти сомнения пока имеют чисто субъективный характер, то есть представляют собой мнения, не подтверждаемые какими-либо расчётами или научными обоснованиями.
Заключение
Принципиальные отличия представленных конструкций заявлены в качестве изобретения в двух основных заявках на международном уровне РСТ (№PCT/UA2010/000003 и №PCT/UA2010/000011).
В связи с отмеченной выше универсальностью инновационной конструкции, её применимостью, в соответствующих разновидностях, практически ко всем типоразмерам шарошечных долот, условиям и технологиям бурения автор берёт на себя смелость предположить, что эта конструкция найдёт самое широкое применение и спрос на мировом долотном рынке в течение достаточно большого периода времени.
Автор предлагает уступку прав заявителя (в дальнейшем патентовладельца) указанных изобретений любым юридическим или физическим лицам.
Автор предлагает также свои инженерные услуги и ноу-хау при разработке конструкций опытных образцов представленных инновационных долот.
На печать