RU2082868C1

RU2082868C1 - Cone drill bit

Info

Publication number: RU2082868C1
Authority: RU
Inventors: Марина Федоровна Воскресенская; Федор Федорович Воскресенский
Original assignee: Марина Федоровна Воскресенская; Федор Федорович Воскресенский
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1997-06-27

Abstract

FIELD: equipment for well drilling, particular, core drill bits. SUBSTANCE: cone drill bit has roller bearings made in form of compact small-size roller bearings of individual manufacture. End bearing is made in form of ball. Ball is located in spherical sockets of cone and pin. Lock is made in form of ball. Nipple is installed in pin channel. Cavities between cone and pin and annular sealing member are filled with lubricant. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, конкретно к шарошечному буровому долоту, и позволяет повысить надежную работоспособность опор вращения шарошки при пребывании долота в среде абразивной жидкости, а также улучшить и упростить конструкцию узла шарошки и лапы долота, обеспечить экономическую целесообразность применения предлагаемого долота по сравнению с существующими. The invention relates to drilling equipment, specifically to a cone drill bit, and allows to increase the reliable performance of the supports of rotation of the cone when the bit is in the environment of abrasive fluid, as well as to improve and simplify the design of the assembly of the cone and the paw of the bit, to ensure the economic feasibility of using the proposed bit compared to existing .

Известны шарошечные долота [1] для бурения в различных конструктивных вариантах. Несмотря на широкое их применение и работоспособность, ограничиваемую во времени в широком диапазоне, применяемые долота имеют значительные недостатки конструктивные, технологические, экономические и т.д. Существующее более полувека конструктивное решение опор вращения шарошки (подшипников), где предусмотрена комплектация такого подшипника за счет использования материала шарошки и цапфы для непосредственного выполнения в них при обработке беговых дорожек подшипника качения является совершенно не рациональным со многих точек зрения, несмотря на кажущуюся простоту такого решения. Подобная простота является причиной серьезных недостатков:
сложность изготовления беговых дорожек на шарошке и цапфе против обычных комплектных подшипников отдельного изготовления, вне долота;
сложность химико-термического упрочнения беговых дорожек в шарошке и цапфе;
несравнимо низкое качество такого подшипника против нормального, обычного.Known cone bits [1] for drilling in various design options. Despite their widespread use and performance, limited in time over a wide range, the bits used have significant design, technological, economic, etc. For more than half a century, a constructive solution for cones of rotation of the cone (bearings), where such a bearing is provided for by using the cone and axle material to directly execute the rolling bearing in processing treadmills, is completely unreasonable from many points of view, despite the apparent simplicity of such a solution . This simplicity is the cause of serious flaws:
the difficulty of manufacturing treadmills with roller cones and trunnions against conventional complete bearings of a separate manufacture, outside the bit;
the complexity of the chemical-thermal hardening of the treadmills in the cone and trunnion;
incomparably low quality of such a bearing against normal, ordinary.

Меньшая несущая способность по сравнению с обычным подшипником в сравниваемых размерах диаметра посадки на вал, однако обычный подшипник в этом случае неприменим. Его габариты не позволяют разместить его в размерах шарошки. Отсутствие достаточно основательных работ в области подшипников для долота явились причиной того, что многие десятилетия изготавливаются долота по сути с "самодельным, кустарным" подшипником. Это в значительной степени является следствием бытующего мнения, что раз долото работает в среде абразивной жидкости и опоры вращения шарошки также находятся в этой среде, нет смысла делать какой-либо иной опорный подшипник для шарошки, все равно он также выйдет из строя из-за абразивного износа. Это правда, если долота не герметизировать. Такой факт стал особенно важным при появлении штыревых долот. В этом случае возник парадокс: долото выходило из строя по опорам вращения шарошки ранее износа породоразрушающих элементов, которые могли еще работать в три и более раз дольше по времени. Однако консервативность в области конструкции долот тормозит создание долот нового типа с герметизацией. Нужны герметизированные долота с использованием новых подшипников качения, изготовляемых раздельно от долота, и такие условия есть. Уже многие годы в промышленности /авиационной, станкостроении и др./ конструкторы создали компактные малогабаритные подшипники с высокими эксплуатационными качествами. Это стало возможным в связи с появлением новых, высококачественных марок сталей, более совершенной технологии и высокого качества с использованием поверхностного и объемного упрочнения новыми методами. Такие подшипники пригодны для долота, особенно в разновидности так называемых, "игольчатых подшипников" с увеличенным по диаметру элементом качения с уменьшенной его длиной, обладающих значительно большей несущей работоспособностью против обычных типоразмеров подшипников. Но для них нужна герметизация полости их расположения. Без этого эффекта не получить. Таким образом, в существующих типах долот широкого применения основные недостатки выражаются в следующем. Lower bearing capacity compared to a conventional bearing in comparable sizes of the diameter of the fit on the shaft, however, a conventional bearing is not applicable in this case. Its dimensions do not allow placing it in the size of a cone. The lack of sufficiently thorough work in the field of bearings for the chisels has led to the fact that for many decades chisels have been manufactured in essence with a "home-made, artisanal" bearing. This is largely a consequence of the prevailing opinion that since the bit works in an abrasive fluid environment and the cones of rotation of the cone are also in this environment, it makes no sense to make any other support bearing for cone, it will also fail due to the abrasive wear. It is true if the bits are not sealed. This fact has become especially important with the advent of pin bits. In this case, a paradox arose: the bit failed according to the supports of rotation of the cutter before the wear of the rock-cutting elements, which could still work three or more times longer. However, conservatism in the field of bit design inhibits the creation of a new type of bit with sealing. Sealed bits are needed using new rolling bearings manufactured separately from the bit, and there are such conditions. For many years in the industry / aviation, machine tool industry, etc. / designers have created compact small-sized bearings with high performance. This became possible due to the emergence of new, high-quality steel grades, more advanced technology and high quality using surface and volume hardening by new methods. Such bearings are suitable for chisels, especially in the version of the so-called "needle bearings" with an enlarged rolling element with a reduced length, which have significantly greater bearing capacity against conventional bearing sizes. But they need a sealing cavity of their location. You can’t get without this effect. Thus, in the existing types of bits of widespread use, the main disadvantages are expressed in the following.

1/ В подавляющем большинстве выпускаемых долот отсутствует защита опор вращения шарошки от абразивного износа, от попадания в полость расположения опор вращения абразивной жидкости из скважины. Как известно, более 80% долот выходит из строя по причине разрушения опор вращения шарошки. Особенно это досадно для штыревых долот, когда породоразрушающие элементы шарошки из ВК могли бы работать в три и более раз более по времени, но из-за разрушения опор вращения долото приходится менять. Нужна герметизация долота. 1 / In the vast majority of produced bits there is no protection of the cones of rotation of the cone from abrasive wear, from getting into the cavity of the location of the supports of rotation of abrasive fluid from the well. As you know, more than 80% of the bits fail due to the destruction of the supports of rotation of the cone. This is especially annoying for the pin bits, when the rock cutting elements of the cone from VK could work three or more times more in time, but due to the destruction of the supports of rotation, the bit has to be changed. Need to seal the bit.

2/ Указанное в п. 1 при его разрешении позволит изменить более целесообразно техническое решение опор вращения шарошки, исключив для штыревых долот применение высококачественных сталей, в основном для обеспечения образования беговых дорожек для опор вращения шарошек на самой шарошке и на цапфе при трудоемком их изготовлении и химико-термической их обработке. Нужно заменить изготовление таких опор вращения прекрасно освоенными нормальными компактными, малогабаритными подшипниками промышленного изготовления вне зависимости от долотного производства. Лучшая технология, лучшее качество, проще изготовление. 2 / The resolution indicated in clause 1, when resolving it, will make it possible to change the technical solution of the cones of rotation of the cone more excluding the use of high-grade steels for pin bits, mainly to ensure the formation of treadmills for the cones of rotation of the cones on the cone and on the trunnion during labor-intensive manufacturing and their chemical-thermal processing. It is necessary to replace the manufacture of such rotation bearings with perfectly mastered normal compact, small-sized bearings of industrial production, regardless of bit production. Better technology, better quality, easier to manufacture.

3/ Неоправданное применение мощного шарикового замка в расчете его работы не только на осевую нагрузку, но и на радиальную. Однако применение "экспромтом" опорных пят и подшипников скольжения из металлокерамики не изменили конструкцию замкового узла из шариков. Основная осевая нагрузка вдоль цапфы направлена к лапе и воспринимается пятой скольжения из ВК, а замки из шариков в этом случае нужны только для того, чтобы шарошка не соскочила с цапфы лапы долота, и делаются они десятки лет по-старому. Все это не экономично, поэтому возможно упрощение ликвидация замкового пальца в цапфе лапы долота. 3 / Unjustified use of a powerful ball lock in calculating its operation not only on axial load, but also on radial. However, the use of "impromptu" support heels and plain bearings made of cermet did not change the design of the castle assembly of balls. The main axial load along the axle is directed to the paw and is perceived as the fifth slip from the VK, and the ball locks in this case are needed only so that the roller cutter does not come off the chisel paw and they are made for decades in the old way. All this is not economical, therefore, it is possible to simplify the elimination of the locking finger in the trunnion of the paw of the bit.

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков и создание долота более дешевого по материалам, более простой технологии изготовления, более длительно работоспособного, экономически целесообразного в бурении. The aim of the invention is the elimination of these shortcomings and the creation of a bit cheaper in materials, simpler manufacturing technology, more durable, economically feasible in drilling.

На чертеже показано предлагаемое долото. The drawing shows the proposed bit.

Долото включает лапу 1 с цапфой, шарошку 2 надетую на опорах вращения 3 на цапфу лапы долота. Шариковый стопор 4 выполняет только роль препятствия соскакивания шарошки с цапфы и не несет роли подшипника, как в обычном долоте, поэтому он выполняется минимального размера и не имеет замкового пальца в лапе долота. Таким образом, замковый подшипник отсутствует. Осевую нагрузку вдоль цапфы лапы долота воспринимает шаровая опора 5, находящаяся между шарошкой и цапфой в сферических лунках последних. Вся внутренняя пустая полость между шарошкой и цапфой заполнена смазкой (гидропластом или консистентной смазкой, лучше с графитовым наполнителем) 6. Пробка 7, находящаяся в канале цапфы, разделяет внутреннюю полость между шарошкой и цапфой и внешним пространством. Ниппель 8 служит для предохранения пробки 7, имеет отверстие d₃, через которое передается давление внешней среды на смазку 6, а через нее и на шарошку изнутри, уравновешивая их. Кольцевой герметизатор установлен между шарошкой и цапфой, состоит из колец 9 и 10, в зазорах между которыми как радиальными, так и осевыми, находится гидропласт. Кольцо 11 из пористого материала также пропитано в расплавленном гидропласте. Позицией 13 обозначено вестовое отверстие при заполнении сборки смазкой, 12 стопорное кольцо, 14 заглушка отверстия для заполнения шарикового стопора шариками.The bit includes a paw 1 with a pin, a roller cutter 2 worn on the rotation supports 3 on the pin pivot pin. The ball stopper 4 performs only the role of an obstacle for jumping off the roller cone from the pin and does not bear the role of a bearing, as in a conventional chisel, therefore it is of a minimum size and does not have a locking finger in the chisel paw. Thus, the lock bearing is missing. The axial load along the spigot of the paw of the bit is perceived by the spherical support 5 located between the cone and the spigot in the spherical holes of the latter. The entire internal empty cavity between the cutter and the pin is filled with grease (hydroplastic or grease, preferably with graphite filler) 6. A plug 7, located in the channel of the pin, separates the internal cavity between the cutter and the pin and the outer space. The nipple 8 serves to protect the plug 7, has a hole d ₃ through which the pressure of the external medium is transmitted to the lubricant 6, and through it to the cone from the inside, balancing them. An annular sealant is installed between the roller cone and the trunnion, consists of rings 9 and 10, in the gaps between which are both radial and axial, there is a hydroplast. Ring 11 of porous material is also impregnated in a molten hydroplast. Position 13 indicates the hole for filling the assembly with grease, 12 retaining ring, 14 plug holes for filling the ball stop with balls.

Таким образом предлагается долото, в котором как в шарошке, так и на цапфе отсутствуют беговые дорожки для образования опор вращения непосредственно в теле шарошки и цапфы. Отсутствует и шариковый радиально-упорный подшипник, также с беговыми дорожками для него в шарошке и цапфе. Нет замкового пальца в цапфе. Нет радиального и торцевого подшипников скольжения из металлокерамики ВК как в шарошке, так и на торце цапфы. Применена шаровая пята более несущеспособная, чем замковый подшипник. Эта опорная пята располагается в сферических лунках в шарошке и цапфе. Все пустоты в сборе шарошки и цапфы заполнены смазкой, защищаемой металлогидропластовым кольцевым герметизатором между шарошкой и цапфой и пробкой в канале цапфы от проникновения абразивной жидкости из внешней среды. Это позволяет создать равновесное давление внутри шарошки и тем обеспечить герметизацию и безрасходность смазки из-за отсутствия вытекания ее при равновесном давлении вне и внутри шарошки. Этим достигается надежная работоспособность долота и его опор вращения шарошек, представляющих компактный малогабаритный подшипник отдельного от долота изготовления, типа игольчатого, с увеличенными элементами качения при уменьшенной их длине. Для компенсации возможного недозаполнения полости между шарошкой и цапфой смазкой имеется резервная емкость в цапфе в виде канала d₂ и d₁, заполняемая смазкой. При повышении давления вне шарошки пробка в канале цапфы под воздействием давления дозаполнит, если окажутся воздушные пузыри. Следует указать, что шаровая пята, имея значительно большую поверхность контакта, чем линейный контакт в традиционном замковом подшипнике долот, улучшит работу в предлагаемом устройстве всех опор вращения шарошки.Thus, a bit is proposed in which there are no treadmills in both the cutter and the trunnion to form rotation supports directly in the body of the cutter and trunnion. There is also no angular contact ball bearing, also with treadmills for it in roller cone and trunnion. There is no lock finger in the trunnion. There are no radial and end bearings of VK metal-ceramics both in the cutter and on the end of the pin. The ball heel is used more insolvent than the castle bearing. This support heel is located in spherical holes in the cone and trunnion. All voids in the assembly of the cone and trunnion are filled with grease, protected by a metal-hydro-plastic ring sealant between the cone and the trunnion and the plug in the trunnion channel from the penetration of abrasive fluid from the external environment. This allows you to create an equilibrium pressure inside the cone and thereby ensure sealing and lossless lubrication due to the lack of leakage at equilibrium pressure outside and inside the cone. This ensures reliable performance of the bit and its bearings for rotating cones, representing a compact small-sized bearing separate from the production bit, such as a needle, with increased rolling elements with a reduced length. To compensate for the possible underfilling of the cavity between the cutter and the pin with grease, there is a reserve tank in the pin in the form of a channel d ₂ and d ₁ filled with grease. With increasing pressure outside the cone, the plug in the trunnion channel under the influence of pressure will fill up if there are air bubbles. It should be noted that the ball heel, having a significantly larger contact surface than the linear contact in the traditional lock bearing of the bits, will improve the work in the proposed device of all the supports of rotation of the cone.

Экономическая целесообразность применения предлагаемого долота в производстве и особенно в бурении выражается в следующем. The economic feasibility of using the proposed bit in production and especially in drilling is expressed in the following.

При стоимости долот N8 и 9 /в ценах 1986 года/ в среднем по 600 руб за долото, цена долота в производстве может быть снижена за счет ликвидации изготовления беговых дорожек в шарошке и цапфе для опор вращения шарошки, ликвидации опор скольжения из металлокерамики ВК, вследствие этого применение в штыревых долотах более дешевых сталей для шарошки и лапы долота с уменьшением стоимости химико-термической обработки опор вращения шарошки. Это позволяет снизить себестоимость долота на 100 105 руб. Таким образом, завод изготовитель сэкономит за год на изготовлении 100000 шт. долот 10000000 руб. With the cost of bits N8 and 9 / in 1986 prices / an average of 600 rubles per bit, the price of the bit in production can be reduced by eliminating the manufacture of treadmills in the roller cutter and trunnion for bearings for rotation of the roller cutter, eliminating slip supports from cermet VK, due to this is the use in the pin bits of cheaper steels for roller cutter and paw bits with a decrease in the cost of chemical-thermal treatment of bearings for rotation of the roller cutter. This allows you to reduce the cost of the bit by 100 105 rubles. Thus, the manufacturer will save over 100,000 units per year. bits 10000000 rub.

Применение предлагаемых долот с герметизацией и более рациональной конструкцией опор вращения шарошки позволит увеличить по сравнению с серийными долотами проходку на долото и поднять рейсовую скорость бурения, а следовательно, и ввести в эксплуатацию скважины быстрее. Известно из мировой практики использования долот в бурении, что более 80% случаев смены долота и проведение спуско-подъемных непроизводительных операций при смене долота происходит из-за выхода опор вращения шарошки из работоспособного состояния, вследствие абразивного износа. Таким образом герметизация долота является основой повышения работоспособности долота при замене комплектации опор вращения шарошки из материала шарошки и цапфы. Вместо этого предлагается применение компактных малогабаритных подшипников, изготовляемых вне долота. Даже герметизация существующих долот серийного производства дает увеличение времени пребывания долота на забое в три и более раз. Таким образом одно долото с герметизацией экономит при бурении два серийных долота и две спуско-подъемные операции на смену долота. The use of the proposed bits with sealing and a more rational design of the cone rotation support will increase the penetration of the bit compared to the serial bits and increase the operating drilling speed, and therefore, commission the wells faster. It is known from the world practice of using bits in drilling that more than 80% of cases of changing a bit and carrying out hoisting and non-productive operations when changing a bit occur due to the exit of the cones of rotation of the cone from a working state, due to abrasive wear. Thus, the sealing of the bit is the basis for increasing the performance of the bit when replacing the complete set of supports for the rotation of the cone from the material of the cone and the journal. Instead, it is proposed to use compact small-sized bearings manufactured outside the bit. Even the sealing of existing serial production bits provides an increase in the residence time of the bit at the bottom by three or more times. Thus, one bit with sealing saves two serial bits and two tripping operations for changing the bit when drilling.

Claims

A cone drill bit containing paws with cavities and channels filled with grease, trunnions connected to them by means of cone rotation supports, an end spherical heel, a sealant in the form of a set of rings located at the interface of each cone with a paw, and stoppers, characterized in that it is equipped with dividing elements to compensate through them the backpressure of the external environment, rings of porous material located in the sealants, which are filled with hydroplast, and the rotation bearings are made in the form of small-compact supports rotation of an independent manufacturing and stops ball.