RU2291270C1

RU2291270C1 - Rolling cutter drilling bit

Info

Publication number: RU2291270C1
Application number: RU2005117052/03A
Authority: RU
Inventors: Николай Митрофанович Панин (RU); Николай Митрофанович Панин; Виталий Игоревич Кремлев (RU); Виталий Игоревич Кремлев; Игорь В чеславович Смирнов (RU); Игорь Вячеславович Смирнов; В чеслав Геннадьевич Смирнов (RU); Вячеслав Геннадьевич Смирнов
Original assignee: Николай Митрофанович Панин
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2007-01-10
Also published as: RU2005117052A

Abstract

FIELD: rock-destroying instruments, namely, rolling cutter drilling bits.

SUBSTANCE: bit contains body with washing system and inclined pivot bolts, on each of which by means of bearings and locking bushing a rolling cutter is mounted with rock-destroying elements. Bushing is made in form of floating slide bearing with circular recess on external surface for interaction with stopping element mounted in the body of rolling cutter. Bushing may be made in form of circular segments, and stopping element - in form of pin, rigidly held in the body of rolling cutter or in form of split-type spring ring, mounted in combined circular grooves of rolling cutter body and locking bushing.

EFFECT: increased efficiency of bit operation and simplified construction of same.

7 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам.The invention relates to a rock cutting tool, and in particular to cone drill bits.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее корпус с лапами, на цапфах которых посредством подшипников скольжения и качения, один из которых - замковый, установлены шарошки с рабочими элементами (см. справочник «Буровые долота». Палий П.А. и Корнеев К.Е., Москва, Недра, 1971 г., с.175, рис.V1.30).Known boring cone bit containing a body with paws, on the trunnions of which by means of sliding and rolling bearings, one of which is locking, cones with working elements are installed (see the reference book “Drill bits”. P. Paliy and K. Korneev. , Moscow, Nedra, 1971, p. 175, fig. V1.30).

К недостаткам данного долота следует отнести значительное ослабление цапфы в зоне расположения замкового подшипника, связанное с использованием замкового пальца большого диаметра. Особо это сильно сказывается при использовании долот малого диаметра.The disadvantages of this bit include a significant weakening of the trunnion in the area of the location of the lock bearing associated with the use of a lock finger of large diameter. This is especially true when using small diameter bits.

Наличие сварного шва на спинке лапы, которая соприкасается со стенками скважины, ведет к быстрому износу выходного торца пальца и к выходу из строя всей опоры. При наличии же герметизирующего элемента в опоре долота, устанавливаемого, как правило, у основания цапфы, при проведении сварочных работ наблюдаются случаи быстрого выхода их из строя из-за значительного влияния высокой температуры. Все это снижает эффективность работы долота в целом.The presence of a weld on the back of the paw, which is in contact with the walls of the well, leads to rapid wear of the output end of the finger and to the failure of the entire support. If there is a sealing element in the support of the bit, which is installed, as a rule, at the base of the pin, during welding, there are cases of their quick failure due to the significant influence of high temperature. All this reduces the overall performance of the bit.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, содержащее корпус с промывочной системой и наклонными цапфами, на каждой из которых посредством подшипников и запорной втулки установлена шарошка с породоразрушающими элементами (см. авт. св. СССР №1588857, кл. Е 21 В 10/ 22, 1990 г.).The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a roller cone bit containing a body with a flushing system and inclined pins, on each of which a cone with rock cutting elements is installed using bearings and a locking sleeve (see ed. St. USSR No. 1588857, class E 21 B 10/22, 1990).

В данном долоте, благодаря исключению канала под замковый палец, значительно повышается прочность цапфы, а также исключаются все негативные явления, связанные с креплением замкового пальца сваркой.In this bit, due to the exclusion of the channel under the locking finger, the trunnion strength is significantly increased, and all the negative phenomena associated with the fastening of the locking finger by welding are eliminated.

Недостатками его являются сложность конструкции и, как следствие, малая надежность в работе, а также трудоемкость монтажа и демонтажа. Все это усугубляется наличием пружинного элемента, который в скважинных условиях быстро выйдет из строя и может стать причиной заклинивания шарошки на цапфе.Its disadvantages are the complexity of the design and, as a consequence, the low reliability in operation, as well as the complexity of installation and dismantling. All this is exacerbated by the presence of a spring element, which in the well conditions will quickly fail and can cause jamming of the cone on the trunnion.

В соответствии с изложенным технической задачей изобретения является улучшение эффективности работы долота путем повышения стойкости его опоры и упрощения конструкции.In accordance with the stated technical objective of the invention is to improve the efficiency of the bit by increasing the stability of its support and simplifying the design.

Поставленная техническая задача решается тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с промывочной системой и наклонными цапфами, на каждой из которых посредством подшипников и запорной втулки установлена шарошка с породоразрушающими элементами, согласно изобретению запорная втулка выполнена в виде плавающего подшипника скольжения с кольцевой проточкой на наружной поверхности для взаимодействия со стопорным элементом, установленным в корпусе шарошки.The stated technical problem is solved in that in the cone drill bit containing a housing with a flushing system and inclined pins, on each of which a roller cone with rock cutting elements is installed by means of bearings and a locking sleeve, according to the invention the locking sleeve is made in the form of a floating sliding bearing with an annular groove on outer surface for interaction with a locking element mounted in the cone body.

Другим отличительным признаком изобретения является то, что:Another hallmark of the invention is that:

- плавающая втулка выполнена в виде нескольких кольцевых сегментов;- the floating sleeve is made in the form of several annular segments;

- стопорный элемент выполнен в виде штифта, жестко закрепленного в корпусе шарошки;- the locking element is made in the form of a pin rigidly fixed in the cone;

- стопорный элемент выполнен в виде разрезного пружинного кольца, установленного в совмещенных кольцевых канавках корпуса шарошки и запорной втулки;- the locking element is made in the form of a split spring ring installed in the combined annular grooves of the cone body and locking sleeve;

- долото снабжено уплотнительным кольцом, установленным между торцом шарошки и корпусом;- the bit is equipped with a sealing ring installed between the end of the cone and the housing;

- уплотнительное кольцо армировано металлическим пружинящим элементом;- the sealing ring is reinforced with a metal spring element;

- ширина кольцевой проточки на запорной втулке больше диаметра штифта стопорного элемента.- the width of the annular grooves on the locking sleeve is larger than the diameter of the pin of the locking element.

Выполнение запорной втулки в виде плавающего подшипника значительно снижает трение между втулкой с одной стороны и цапфой и шарошкой - с другой стороны. При этом увеличивается опорная поверхность шарошки и соответственно уменьшается удельная нагрузка, благодаря чему значительно увеличивается работоспособность как опоры, так и долота в целом. Выполнение плавающей втулки в виде нескольких кольцевых сегментов позволяет упростить монтаж опоры, так как не требует осевого перемещения втулки для установки шарового подшипника. Использование уплотнительного кольца с металлическим армирующим элементом целесообразно в случае применения плавающего подшипника в виде единой неразрезной втулки. В этом случае для обеспечения осевого перемещения втулки следует кольцевую проточку на ее наружной поверхности выполнять с шириной, большей, чем ширина стопорного элемента (штифтов или разрезного пружинного кольца). Выбор типа стопорного элемента определяется конструктивным выполнением плавающей втулки. При выполнении плавающей втулки в виде нескольких кольцевых сегментов целесообразно использовать разрезное кольцо, а при выполнении втулки в виде единого элемента - штифты. Использование уплотнительного кольца преследует двойную цель: обеспечение герметизации опоры и обеспечение осевого перемещения запорной втулки для установки шарового подшипника. Достижению второй цели служит также армировка уплотнительного кольца пружинным элементом. Выполнение кольцевой проточки на втулке больше ширины стопорного элемента позволяет упростить монтаж шарошки при установке стопорного элемента.The execution of the locking sleeve in the form of a floating bearing significantly reduces friction between the sleeve on the one hand and the trunnion and roller cone on the other hand. At the same time, the supporting surface of the cone increases and the specific load decreases accordingly, due to which the working capacity of both the support and the bit as a whole increases significantly. The execution of the floating sleeve in the form of several annular segments makes it possible to simplify the mounting of the support, since it does not require axial movement of the sleeve to install a ball bearing. The use of a sealing ring with a metal reinforcing element is advisable in the case of a floating bearing in the form of a single continuous sleeve. In this case, to ensure axial movement of the sleeve, an annular groove on its outer surface should be made with a width greater than the width of the locking element (pins or split spring ring). The choice of the type of locking element is determined by the design of the floating sleeve. When performing a floating sleeve in the form of several ring segments, it is advisable to use a split ring, and when performing a sleeve in the form of a single element, pins. The use of the o-ring has a dual purpose: to ensure sealing of the support and to provide axial movement of the locking sleeve for installing the ball bearing. The second goal is also achieved by reinforcing the sealing ring with a spring element. The implementation of the annular grooves on the sleeve more than the width of the locking element allows you to simplify the installation of the cone when installing the locking element.

Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг.1 изображает общий вид долота; фиг.2-3 - варианты выполнения узла герметизации опоры долота: на фиг.4 - вариант выполнения опоры с плавающим подшипником в виде кольцевых сегментов: фиг.5 - сечение А-А на фиг.4.The invention is illustrated by drawings, in which figure 1 depicts a General view of the bit; figure 2-3 - embodiments of the site of sealing the support of the bit: figure 4 is an embodiment of the support with a floating bearing in the form of ring segments: figure 5 is a section aa in figure 4.

Буровое шарошечное долото включает корпус 1 с присоединительной резьбой 1, промывочной системой и наклонными цапфами 3 с установленными на них шарошками 4, вооруженными породоразрушающими элементами 5. Каждая шарошка 4 устанавливается на цапфе 3 посредством запорной втулки 6 и шарикового подшипника 7, образующих совместно замковый узел для шарошки 4. При этом запорная втулка 6 выполнена с кольцевой проточкой 8 на наружной поверхности, куда входит стопорный элемент, выполняемый в виде штифтов 9 или разрезного пружинного кольца 10. При выполнении стопорного элемента в виде штифтов 9, последние жестко крепятся в корпусе шарошки 4. В случае же выполнения стопорного элемента в виде разрезного пружинного кольца 10 для фиксации последнего относительно шарошки 4 на внутренней ее поверхности выполняется ответная кольцевая расточка 15. Ширина проточек 8 в обоих вариантах должна быть больше ширины стопорного элемента (диаметра штифтов 9 или ширины разрезного пружинного кольца 10), ограничивающего осевое перемещение запорной втулки 6 относительно шарошки 4. Опора шарошки, кроме замкового подшипника, может включать ряд дополнительных подшипников 11, количество и тип которых выбирается в зависимости от типоразмера применяемого шарошечного долота. Запорная втулка 6, играющая роль плавающего подшипника, может выполняться как в виде единого элемента, так и в виде нескольких кольцевых сегментов 12 (фиг.2), суммарная длина внутренних дуг которых соответствует примерно наружному диаметру цапфы 3 в зоне их контакта, а сумма наружных дуг кольцевых сегментов 12 - внутреннему диаметру шарошки 4.The cone drill bit includes a housing 1 with a connecting thread 1, a flushing system and inclined pins 3 with cones 4 mounted on them, armed with rock cutting elements 5. Each cone 4 is mounted on the axle 3 by means of a locking sleeve 6 and ball bearing 7, which together form a lock assembly for cones 4. In this case, the locking sleeve 6 is made with an annular groove 8 on the outer surface, which includes the locking element, made in the form of pins 9 or a split spring ring 10. When performing a locking element in the form of pins 9, the latter are rigidly attached to the cone 4. In the case of a locking element in the form of a split spring ring 10, a counter ring bore 15 is made on the inner surface of the cone 4 on its inner surface. The width of the grooves 8 in both cases should be larger than the width of the locking element (the diameter of the pins 9 or the width of the split spring ring 10), limiting the axial movement of the locking sleeve 6 relative to the cone 4. Support cone, except for the lock pnika may include a number of additional bearing 11, the number and type of which is selected depending on the size used rock bit. The locking sleeve 6, which plays the role of a floating bearing, can be performed both as a single element and in the form of several annular segments 12 (Fig. 2), the total length of the internal arcs of which corresponds approximately to the outer diameter of the pin 3 in the contact zone, and the sum of the outer the arc of the annular segments 12 - the inner diameter of the cone 4.

Применение запорной втулки 6 в виде единого элемента позволяет упростить конструкцию замкового узла шарошки и тем самым уменьшить стоимость долота в целом. Использование же запорной втулки 6 в виде нескольких кольцевых сегментов 12 упрощает технологию монтажа шарошек и увеличивает контактную поверхность опоры долота, повышая тем самым работоспособность опоры. Втулка 6 в виде единого элемента может быть использована как совместно с упругим кольцом 13, предпочтительно армированным пружиной 14, так и без упругого кольца 13 (фиг.3). В первом случае запорная втулка 6 выполняется с кольцевой проточкой под шаровой подшипник 7 с длиной дуги, примерно, в четверть окружности. Во втором случае запорная втулка 6 имеет большую длину на диаметр упругого элемента, однако, контактная поверхность ее с шаровым подшипником 7 в этом случае имеет весьма малую величину. В случае применения кольцевых сегментов 12 опора долота может выполняться как с упругим элементом 13, так и без него. При этом нет необходимости осевого перемещения втулки относительно цапфы 3, так как запорная втулка 6 устанавливается на подшипник сверху отдельными сегментами 12 и при любой форме выполнения замкового подшипника обеспечивается практически круговой обхват шаров 7, что повышает несущую способность шарового подшипника.The use of the locking sleeve 6 in the form of a single element allows to simplify the design of the castle node of the cone and thereby reduce the cost of the bit as a whole. The use of the locking sleeve 6 in the form of several annular segments 12 simplifies the technology of installation of cones and increases the contact surface of the support of the bit, thereby increasing the efficiency of the support. The sleeve 6 in the form of a single element can be used both in conjunction with an elastic ring 13, preferably reinforced by a spring 14, and without an elastic ring 13 (figure 3). In the first case, the locking sleeve 6 is performed with an annular groove under the ball bearing 7 with an arc length of approximately a quarter of a circle. In the second case, the locking sleeve 6 has a large length by the diameter of the elastic element, however, its contact surface with ball bearing 7 in this case is very small. In the case of the use of the annular segments 12, the support of the bit can be performed with or without the elastic element 13. In this case, there is no need for axial movement of the sleeve relative to the pin 3, since the locking sleeve 6 is mounted on the bearing by separate segments 12 and with any form of execution of the lock bearing, an almost circular girth of the balls 7 is ensured, which increases the bearing capacity of the ball bearing.

Монтаж опоры долота осуществляется следующим образом. При использовании сплошной втулки 6 совместно с упругим кольцом 13 вначале устанавливают на цапфе втулку 6 и отжимают к основанию цапфы 3 таким образом, чтобы можно было свободно разместить шары 7 подшипника в беговую дорожку. После сборки шарового подшипника 7 втулку 6 освобождают и она запирает шары, образуя замковый узел. После этого надевают шарошку 3 и фиксируют запорную втулку штифтами 9 через специальные отверстия в корпусе шарошки 3. В случае применения разрезного пружинного кольца 10 последнее устанавливают в кольцевой расточке 15 шарошки 4 или кольцевой проточке 8 запорной втулки 6. После совмещения кольцевых проточек 6 с кольцевыми расточками 15 пружинное кольцо 10 фиксирует шарошку 4 относительно цапфы 3. При использовании запорной втулки 6 без упругого кольца 13 шары устанавливают в беговой канавке, образованной цапфой и 3 торцевой поверхностью втулки 6. Окончательную сборку опоры посредством штифтов 9 или разрезного пружинного кольца 10 осуществляют аналогично первому варианту.The installation of the support of the bit is as follows. When using a solid sleeve 6 together with an elastic ring 13, a sleeve 6 is first mounted on the trunnion and pressed to the base of the trunnion 3 so that it is possible to freely place the balls 7 of the bearing on the treadmill. After assembling the ball bearing 7, the sleeve 6 is released and it locks the balls, forming a locking assembly. After that, put on the cone 3 and fix the locking sleeve with pins 9 through special holes in the cone 3. In case of using a split spring ring 10, the latter is installed in the ring bore 15 of the cone 4 or ring groove 8 of the locking sleeve 6. After combining the ring grooves 6 with the ring bores 15, the spring ring 10 fixes the roller cone 4 relative to the pin 3. When using the locking sleeve 6 without an elastic ring 13, the balls are installed in the running groove formed by the pin and 3 with the end surface of the sleeve 6. konchatelnuyu assembly support by means of pins 9 or the split spring ring 10 is carried out similarly to the first embodiment.

При монтаже опоры с кольцевыми сегментами 12 вначале на беговой дорожке устанавливают шары, на которые накладывают кольцевые сегменты 12 и фиксируют на цапфе 3 любым известным способом, например путем намагничивания цапфы. После этого надевают шарошку 4 и фиксируют штифтами 9 относительно запорной втулки 6. При использовании кольцевого разрезного пружинного кольца 10 последнее размещают в кольцевой проточке 8 на наружной поверхности кольцевых сегментов 12. При этом пружинное кольцо 10 одновременно выполняет функцию фиксатора для кольцевых сегментов 12, удерживая их на цапфе 3. После этого устанавливают шарошку 4, которая благодаря расточке на торцевой поверхности сжимает пружинное разрезное кольцо 10, утапливая его в кольцевой проточке 8 втулки 6. При совмещении кольцевой расточки 15 на внутренней поверхности шарошки 4 с разрезным кольцом 10 происходит фиксация шарошки 4 на цапфе 3.When mounting supports with annular segments 12, balls are first installed on the treadmill, onto which annular segments 12 are applied and fixed on the axle 3 by any known method, for example, by magnetizing the axle. After that, put on the cone 4 and fix it with pins 9 relative to the locking sleeve 6. When using an annular split spring ring 10, the latter is placed in the annular groove 8 on the outer surface of the annular segments 12. At the same time, the spring ring 10 simultaneously performs the function of a clamp for the annular segments 12, holding them on the trunnion 3. After that, the cone 4 is installed, which, thanks to the bore on the end surface, compresses the spring split ring 10, sinking it in the annular groove 8 of the sleeve 6. When combining rotating arm 15 on the inner bore surface of cutter 4 with split ring 10, the fixing roller cutter on the journal 4 3.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого с поверхности через колонну бурильных труб, породоразрушающие элементы 5 внедряются в породу и разрушают ее. Разрушенная порода удаляется с забоя скважины промывочной жидкостью, подаваемой через промывочную систему долота. В процессе бурения осевая нагрузка воспринимается опорными элементами долота. При этом благодаря выполнению запорной втулки 6 в виде плавающего подшипника обеспечивается значительное снижение трения между контактирующими поверхностями опоры и тем самым увеличивается работоспособность как всей опоры, так и долота в целом. Одновременно с этим исключаются все операции по сверлению канала для установки замкового шарикового подшипника и сварочные работы по креплению замкового пальца. Отсутствие канала в цапфе повышает ее прочность на изгиб и исключает появление в ней опасных сечений. Такое решение в первую очередь благоприятно скажется при создании и эксплуатации долот малого диаметра, хотя оно может быть с успехом использовано и в долотах для бурения скважин большого диаметра. Отсутствие сварочных работ также позволяет повысить надежность и работоспособность опоры благодаря сохранению твердости термообработанных поверхностей опоры и исключению влияния температурных факторов на герметизирующие элементы, расположенные у основания цапфы 3. Особое значение это имеет для долот с герметизированной опорой, которые в последнее время находят все более широкое применение в практике буровых работ. Все это позволяет повысить технико-экономические показатели буровых работ в первую очередь за счет применения форсированных режимов бурения, причем особенно в долотах типа «Т», «К» и «ОК», эффективность работы которых в значительной степени определяется величиной осевой нагрузки.The principle of operation of the bit is as follows. Under the action of axial load and torque transmitted from the surface through the drill pipe string, rock-destroying elements 5 are introduced into the rock and destroy it. The destroyed rock is removed from the bottom of the well by the flushing fluid supplied through the flushing system of the bit. During drilling, the axial load is perceived by the supporting elements of the bit. Moreover, due to the implementation of the locking sleeve 6 in the form of a floating bearing, a significant reduction in friction between the contacting surfaces of the support is provided, and thereby the working capacity of both the entire support and the bit as a whole is increased. At the same time, all operations for drilling a channel for installing a lock ball bearing and welding work for fastening a lock finger are excluded. The absence of a channel in the trunnion increases its bending strength and eliminates the appearance of dangerous sections in it. Such a solution will primarily be beneficial for the creation and operation of small-diameter bits, although it can also be successfully used in bits for drilling large-diameter wells. The absence of welding also improves the reliability and performance of the support by maintaining the hardness of the heat-treated surfaces of the support and eliminating the influence of temperature factors on the sealing elements located at the base of the trunnion 3. This is especially important for bits with a sealed support, which have recently become increasingly widely used. in drilling practice. All this allows us to increase the technical and economic performance of drilling operations primarily through the use of forced drilling modes, especially in bits of the type "T", "K" and "OK", the efficiency of which is largely determined by the value of the axial load.

Claims

1. Drill bit containing a housing with a flushing system and inclined pins, on each of which a roller cone with rock cutting elements is installed using bearings and a locking sleeve, characterized in that the locking sleeve is made in the form of a floating sliding bearing with an annular groove on the outer surface for interaction with a locking element mounted in the cone body.

2. Drill roller according to claim 1, characterized in that the floating sleeve is made in the form of several annular segments.

3. Drill bit according to claim 1 or 2, characterized in that the retaining element is made in the form of a pin, rigidly fixed in the roller cone body.

4. Drill bit according to claim 1 or 2, characterized in that the retaining element is made in the form of a split spring ring installed in the combined annular grooves of the roller cutter body and the locking sleeve.

5. Drill bit according to claim 1, characterized in that the bit is equipped with a sealing ring installed between the end of the roller cutter and the body.

6. Drill roller according to claim 5, characterized in that the sealing ring is reinforced with a metal spring element.

7. Drill bit according to claim 1, characterized in that the width of the annular groove of the locking sleeve is larger than the diameter of the pin of the locking element.