ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО
ROTATIONAL DRILLING BIT

Область техники
Изобретение относится к землепроходческому вращательному буровому долоту и каналам для протока воздуха и/или текучей среды через конструкцию долота.
Предпосылки создания изобретения
Вращательные шарошечные буровые долота в основном используются при открытых горных работах и, как правило, заканчиваются в конструкции, включающей в себя три опоры. Шарошечное буровое долото включает в себя множество режущих элементов, расположенных на каждой опоре. Три шарошки расположены так, что они наклонены в сторону центральной точки. При забуривании долота в материал для удаления материала из пробуренной скважины используется буровой раствор. Буровой раствор также охлаждает и очищает конструкции подшипника, описанные ниже. При бурении с вращательным шарошечным долотом, долото может часто перемещаться. В качестве бурового раствора обычно используется воздух, чтобы увеличить мобильность бурового устройства.
На фиг.1 показан пример типового вращательного долота в вертикальном положении. Конструкция включает в себя центральный вал 1. Вал заканчивается тремя опорами 3, 5, 7. На каждой опоре установлена шарошка 9, 11, 13. На фиг. 2 проиллюстрирована конструкция, показанная на фиг.1, из которой видно, что центральная ось одной из шарошки является горизонтальной. На фиг. 3 показан вид со стороны направления А-А, проиллюстрированного на фиг. 2. На фиг.4 проиллюстрирован вид, показанный на фиг. 3 только с одной показанной опорой.
На фиг. 6 проиллюстрирована одна из опор с удаленной шарошкой. Чтобы обеспечить вращение шарошки вокруг опоры, каждая опора включает в себя множество подшипников и роликов. Опора и шарошка включают в себя множество колец, по которым катятся подшипники и ролики. Этот пример опоры и компонентов подшипника включает в себя множество небольших роликов 17, 19, множество шариковых подшипников и множество больших роликов 21.
На фиг. 7 показан внутренний вид шарошки. Шарошка включает в себя кольцо, по которому катятся подшипники и ролики при эксплуатации долота. Этот пример шарошки включает в себя малое роликовое кольцо 23, кольцо 25 шарикового подшипника и большое роликовое кольцо 27. Малые ролики и малое роликовое кольцо могут именоваться внутренним подшипником. Большие ролики и большое роликовое кольцо могут именоваться наружным подшипником.
На фиг. 8 проиллюстрирована опора с удаленной шарошкой. Как видно из фиг. 8, опора включает в себя малое роликовое кольцо 29, кольцо 31 шарикового подшипника и большое роликовое кольцо 33. Ролики и подшипники на месте в кольцах показаны на фиг. 6.
Роликовые кольца и кольца подшипников ограничены и частично образованы фланцами в опоре. По этим линиям малое роликовое кольцо 29 граничит с штифтовым фланцем 47 и упорным фланцем 49. Кольцо 31 подшипника образовано упорным фланцем 49 и фланцем 51 большого роликового кольца. Большое роликовое кольцо ограничено и образовано фланцем 51 большого роликового кольца и фланцем 53 основания. Диаметр, толщина и контур фланцев могут меняться в зависимости от области применения используемых роликов и подшипников.
Для охлаждения и облегчения удаления пробуренного материала из полости подшипника, опора включает в себя множество проходящих через него сквозных каналов. Каналы направляют текучую среду, обычно воздух, из центрального канала 15 в валу в зазор между опорой и шарошкой, а также из конца шарошки.
На фиг. 9 показано поперечное сечение опоры с прикрепленной шарошкой. Согласно этому примеру, опора включает в себя продолговатое воздушное отверстие, который подает текучую среду от вала в другие каналы в опоре и шарошке. Продолговатое воздушное отверстие 35 питает множество дополнительных каналов 57 и 39, ответвляющихся от продолговатого воздушного отверстия. Текучая среда, например, воздух, выходит из продолговатого воздушного отверстия и/или каналов с помощью различных отверстий, как описано ниже.
На фиг. 9 также показаны небольшие ролики 17 и кольца 23, 29, шариковые подшипники 19 и кольца 25, 31, а также большие ролики 21 и кольца 27 и 33. Опора и шарошка образованы таким образом, что зазоры между шарошкой и опорой позволяют текучей среде пройти между опорой и шарошкой. Такие каналы могут включать в себя вторичную выпускную прорезь 67. Зазор между  шарошкой и опорой по периметру может создать «воздушную завесу», которая помогает предотвратить попадание бурильной грязи в зазор между шарошкой и опорой.
Как показано также на фиг. 9, в проточном канале 37 может быть расположен шаровой палец 43. Шаровой палец удерживает шариковые подшипники после их ввода в узел долота. В этой связи шариковые подшипники помогают удерживать шарошку на опоре. Шарошка, как правило, собрана с роликами уже на опоре. При этом шариковые подшипники могут быть загружены через проточный канал 37, и из отверстия 63 для загрузки шариков в зазор между опорой и шарошкой, где они катятся по шариковому кольцу. Шариковые подшипники запирают шарошку на опоре. После вставки шариковых подшипников, шаровой палец 43 вставляют в отверстие 37 для загрузки шариков и приваривают на месте, чтобы удерживать шариковые подшипники в шариковом кольце и шарошке на опоре.
Кроме того, упорный диск может быть установлен или сварной шов добавлен к опоре и шарошке, и размещен в конце проточного канала 39. Упорные диски или сварные фланцы в опоре и шарошке образуют один из двух осевых подшипников в конце проточного канала 39. Другой и основной осевой подшипник представляет собой упорные фланцы 49 для опоры и 24 для шарошки.
Текучая среда, протекающая через различные проточные каналы, может выйти из опоры из различных мест в опоре. Например, на фиг. 8 проиллюстрированы различные отверстия, через которые может пройти текучая среда. Отверстия могут включать в себя осевое отверстие 45 для воздуха в конце проточного канала 39. Текучая среда, протекающая через осевое отверстие 45 для воздуха, может пройти через отверстие в упорном диске опоры, а также может быть направлена через прорези 55 в штифтовом фланце 47.
Текучая среда может выйти из опоры через воздушные отверстия 57 упорного фланца в поверхности фланца, обращенной к малым роликам. Упорный фланец может включать в себя область 59 уменьшенной толщины, или профрезерованные прорези упорного фланца (TFMS), в непосредственной близости от воздушных отверстий упорного фланец 15 для содействия прохождения потоку воздуха из воздушных отверстий упорного фланца. Для дополнительного направления потока текучей среды из воздушных отверстий упорного фланца, область увеличенной глубины фланцевого выреза может быть ограничена краями 61 прорези на поверхности упорного фланца. Текучая среда может выходить из проточного канала 37, показанного на фиг. 9, из отверстия 63 для загрузки шариков, показанного на фиг. 8.
Текучая среда может также проходить через первичную выпускную прорезь 65 и вторичную выпускную прорезь 67, расположенные на опоре в непосредственной близости от основания шарошки. Воздух может проходить через первичную выпускную прорезь и вторичную выпускную прорезь.
Во время бурения узел бурового долота, показанный на фиг. 1-5, вращается в направлении по часовой стрелке, если смотреть в отверстие. Самые низкие части шарошек, показанные на фиг. 1 и 5, образуют поверхности подшипника долота, с нижним передним краем 69 долота, показанным на фиг. 1, 2 и 5.
При использовании воздуха в качестве буровой текучей среды, давление воздуха может изменяться в зависимости от применения. Согласно одному примеру, используется минимальное давление 45 фунтов на квадратный дюйм или 3,1 бара. Это может помочь обеспечить подачу достаточного количества воздуха на подшипники и ролики, чтобы сделать их функциональными. Давление может меняться в зависимости от используемых конкретной буровой установки и компрессора, рабочей высоты, а также других факторов. Размер проточных каналов, в том числе сопел, может варьироваться для получения нужного давления, в зависимости от переменных, влияющих на давление. Желательно, чтобы давление оставалось ниже уровня, при котором воздушные компрессоры, обеспечивающие подачу воздуха, могли снижать интенсивность, что может уменьшить общую выходную мощность.
Сущность изобретения
Конструкция проточных каналов для текучей среды и отверстий во вращательных шарошечных долотах в основном оставалась неизменной в течение десятилетий. Варианты осуществления изобретения направлены на оптимизацию потока текучей среды через буровое долото. Оптимизация охлаждающей текучей среды может улучшить охлаждение долота и работу долота.
Варианты осуществления изобретения включают в себя землепроходческое буровое долото с воздушным охлаждением, включающее в себя множество опор, каждая из которых имеет шарошку, расположенную над опорой, и конструкцию подшипника, включающую в себя множество роликовых подшипников и шариковых подшипников, обеспечивающих вращение шарошки относительно опоры. Каждая опора содержит штифтовой фланец на кончике опоры. Первое роликовое кольцо дистально к штифтовому фланцу. Множество первых роликов катятся по первому роликовому кольцу. Упорный фланец дистален к первому роликовому кольцу. Шариковое кольцо дистально к упорному фланцу. Множество шариковых подшипников катятся по роликовому кольцу. Фланец шарикового кольца дистален к шариковому кольцу. Второе роликовое кольцо дистально к фланцу шарикового кольца. Множество вторых роликов катятся по второму роликовому кольцу. Фланец второго роликового кольца дистален ко второму роликовому кольцу. Опора включает в себя, по меньшей мере, одну вентиляционную прорезь штифтового фланца, расположенную на поверхности штифтового фланца, противоположного первому роликовому кольцу и/или, по меньшей мере, одну вентиляционную прорезь упорного фланца, расположенную на поверхности упорного фланца, обращенной к первым роликам. По меньшей мере, одна вентиляционная прорезь штифтового фланца обращена в направлении стороны нагрузки подшипника. По меньшей мере, одна вентиляционная прорезь упорного фланца обращена в направлении стороны нагрузки подшипника. Множество проточных каналов расположено в опоре для подачи текучей среды, по меньшей мере, на одну вентиляционную прорезь штифтового фланца или, по меньшей мере, на одну вентиляционную прорезь упорного фланца.
Другие варианты осуществления изобретения обеспечивают создание землепроходческого бурового долота с воздушным охлаждением, включающего в себя множество опор, каждая из которых имеет шарошку, расположенную над опорой, и конструкцию подшипника, включающую в себя множество роликовых подшипников и шариковых подшипников, обеспечивающих вращение шарошки относительно опоры. Каждая опора содержит штифтовой фланец на кончике опоры. Первое роликовое кольцо дистально к штифтовому фланцу. Множество первых роликов катятся по первому роликовому кольцу. Упорный фланец дистален к первому роликовому кольцу. Шариковое кольцо дистально к упорному фланцу. Множество шариковых подшипников катятся по роликовому кольцу. Фланец шарикового кольца дистален к шариковому кольцу. Второе роликовое кольцо дистально к фланцу шарикового кольца. Множество вторых роликов катятся по второму роликовому кольцу. Фланец второго роликового кольца дистален ко второму роликовому кольцу.
Множество прорезей для выхода воздуха второго роликового кольца расположены дистально к фланцу второго роликового кольца. Прорези для выхода воздуха второго роликового кольца расположены так, чтобы создать воздушную завесу, по существу, полностью вокруг бурового долота. Множество проточных каналов в опоре подают текучую среду на множество прорезей для выхода воздуха второго роликового кольца.
Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения относится к способу конструирования землепроходческого бурового долота с воздушным охлаждением, включающего в себя множество опор, каждая из которых имеет шарошку, расположенную над опорой, и конструкцию подшипника, включающую в себя множество роликовых подшипников и шариковых подшипников, обеспечивающих вращение шарошки относительно опоры. Каждая опора содержит штифтовой фланец на кончике опоры. Первое роликовое кольцо дистально к штифтовому фланцу. Множество первых роликов катятся по первому роликовому кольцу. Упорный фланец дистален к первому роликовому кольцу. Шариковое кольцо дистально к упорному фланцу. Множество шариковых подшипников катятся по роликовому кольцу. Фланец шарикового кольца дистален к шариковому кольцу. Второе роликовое кольцо дистально к фланцу шарикового кольца. Множество вторых роликов катятся по второму роликовому кольцу. Фланец второго роликового кольца дистален ко второму роликовому кольцу. По меньшей мере, один проточный канал для текучей среды от внутреннего проточного канала для текучей среды в опоре до наружной поверхности опоры введен и/или толщина, по меньшей мере, участка, по меньшей мере, одного из фланцев опоры увеличена для обеспечения более глубокого TFMS с целью увеличения потока воздуха. Объем и скорость потока текучей среды анализируют; внедрение и анализ повторяют до достижения нужных объема и скорости потока.
При этом другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут легко понятны специалистам в данной области техники из последующего подробного описания, причем показаны и описаны только предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, просто путем иллюстрации наилучшего режима, предусмотренного осуществлением данного изобретения. Как будет понятно, изобретением допускаются другие, и отличные варианты осуществления, и некоторые его детали могут быть модифицированы в различных очевидных аспектах, в пределах сущности изобретения. Соответственно, чертежи и описание должны рассматриваться как имеющие иллюстративный, а не ограничительный характер.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые задачи и преимущества настоящего изобретения будут более понятны при рассмотрении в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг. 1 представляет собой вид известного вращательного долота в вертикальном положении бурения;
Фиг. 2 представляет собой вид конструкции, показанной на фиг. 1, повернутой так, что одна шарошка расположена горизонтально;
Фиг. 3 представляет собой вид с направления А-А, показанного на фиг. 2;
Фиг. 4 представляет собой вид конструкции, показанной на фиг. 1-3, иллюстрирующий только одну опору с удаленной шарошкой;
Фиг. 5 представляет собой вид крупным планом с фиг. 4;
Фиг. 6 представляет собой вид на одну из опор в конструкции, показанной на фиг. 1-5, с роликовыми подшипниками и шариковыми подшипниками на месте;
Фиг. 7 представляет собой вид шарошки для сборки на опоре, показанной на фиг. 6;
Фиг. 8 представляет собой вид опоры, показанной на фиг. 6, с удаленными опорными компонентами;
Фиг. 9 представляет собой вид в поперечном сечении опоры, показанной на фиг. 6;
Фиг. 10 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую средние скорости потока для двух различных размеров конструкции долота, показанных на фиг. 1-9;
Фиг. 11 представляет собой вариант опоры согласно изобретению;
Фиг. 12 и 13 представляют собой виды крупным планом варианта осуществления прорези штифтового фланца в соответствии с изобретением;
Фиг. 14 представляет собой вид крупным планом варианта осуществления вентиляционной прорези упорного фланца в соответствии с изобретением;
Фиг. 15 представляет собой вариант осуществления упорного фланца согласно изобретению;
Фиг. 16 представляет собой вид крупным планом бокового края варианта осуществления прорези упорного фланца в соответствии с изобретением;
Фиг. 17 представляет собой вид в поперечном сечении варианта осуществления участка цапфы в соответствии с изобретением;
Фиг. 18 представляет собой участок варианта осуществления опоры и шарошки согласно изобретению, и часть малых роликов, шариковых подшипников и больших роликов;
Фиг. 18а представляет собой вид крупным планом участка известной конструкции опоры и шарошки, включающей в себя часть крупных шариковых подшипников и больших роликов;
Фиг. 19 представляет собой вид в поперечном сечении варианта осуществления конструкции долота в соответствии с изобретением, показывающем внутренние пути потока в опоре;
Фиг. 20 представляет собой вид в поперечном сечении варианта осуществления конструкции долота в соответствии с изобретением, которая перпендикулярна к варианту осуществления, показанному на фиг. 19;
Фиг. 21 представляет собой вариант осуществления опоры в соответствии с изобретением с конструкцией подшипника, включающей в себя большие ролики, малые ролики и шариковые подшипники на месте, с иллюстрацией потока текучей среды;
Фиг. 22 представляет собой известную конструкцию опоры конструкции подшипника, включающей в себя большие ролики, малые ролики и шариковые подшипники на месте, с иллюстрацией потока текучей среды; и
Фиг. 23-35 представляют собой диаграммы, иллюстрирующие усовершенствования потока текучей среды через долото в соответствии с вариантами осуществления изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Конструкция вращательных шарошечных долот не слишком изменилась с течением времени, несмотря на известные отказы при бурении. Чтобы попытаться определить источники неисправностей буровых долот, были рассмотрены и проанализированы вышедшие из строя долота. Была проанализирована природа неисправностей. Был проведен компьютерный анализ конструкций долот как в новом, так и в изношенном состоянии. Путем анализа долот в нагруженном состоянии, допуски, требуемые для машинной обработки и точной сборки, могут быть объединены на ненагруженной стороне подшипников, тем самым освобождая сторону нагрузки подшипников.
Были выявлены два основных источника отказов. Одним из источников была неисправность внутреннего подшипника. Вторым источником было растрескивание на наружном подшипнике из-за загрязнений, создающих неправильную загрузку опорных поверхностей.
После анализа отказов, конструкция долот была проанализирована для определения пути для увеличения скорости воздушного потока и моделей лучшего охлаждения и очистки. Такие анализы выявили элементы конструкции опоры, имеющие значительные негативные воздействия на поток текучей среды. Результаты анализа конструкций подшипников/роликов и поверхностей подшипника не изменили конструкцию коренным образом, тем самым оставив основную конструкцию подшипника и геометрию нетронутыми.
Изменения были сделаны в основной геометрии, что привело к резкому улучшению эксплуатационных характеристик. В результате, варианты осуществления изобретения могут быть реализованы без необходимости менять процессы производства долот. Однако геометрия потока текучей среды была оптимизирована различными способами для лучшего охлаждения и прочистки полостей подшипников.
Задачи модификаций могут включать в себя увеличение потока текучей среды через подшипник при заданном давлении, увеличение воздушного потока на внутренний подшипник, который является преобладающим источником ранних отказов из-за отсутствия воздушного охлаждения, и/или перераспределение увеличенного потока таким образом, чтобы максимизировать поток через подшипник и среднее давление всех несущих квадрантов. Увеличение потока увеличивает охлаждение несущей конструкции, включая подшипники и ролики. Увеличение количества воздуха на стороне нагрузки долота приведет, в частности, к более чистой, более чистой и более длительной работе подшипников. Снижение загрязнений на стороне нагрузки конструкции подшипника, в частности, приведет к уменьшению износа из-за растрескивания, разъедания и коррозии.
При анализе существующих конструкций было установлено, что воздушный поток на внутренний подшипник был минимальным. В этой связи, воздушный поток составлял порядка 6% от потока в подшипник. Поток снизился от этих минимальных уровней при возникновении износа, упав приблизительно до 3%.
Изменения в конструкции долота включили в себя отдельные изменения геометрии, сочетания геометрических изменений, симметричные геометрические изменения и детализацию геометрии текучей среды. В этой связи, были определены отдельные геометрические изменения, каждое из которых улучшает поток текучей среды. При этом были сделаны различные индивидуальные изменения для дополнительного улучшения потока текучей среды. Также найдены преимущества в симметричной организации отдельных геометрических изменений или сочетаний отдельных геометрических изменений. Кроме того, анализ геометрии текучей среды привел к открытию, что зоны рециркуляции, существовавшие в конструкции потока и изменениях в конструкции подшипника, могут включать в себя модификации, уменьшающие или устраняющие зоны рециркуляции. Любое одно или несколько из отдельных геометрических изменений, сочетаний отдельных геометрических изменений, симметрично расположенных геометрических изменений, и/или изменений геометрии потока текучей среды могут быть использованы для усиления потока текучей среды, и, следовательно, срока службы подшипника.
Как описано выше и показано на фиг. 9, воздух, вытекающий между шарошкой и опорой по периметру шарошки, помогает предотвратить попадание загрязнений в зазор между шарошкой и опорой и, следовательно, попадание в кольца подшипников. В дополнение к обнаружению низких скоростей потока в новых и изношенных долотах, анализ показал, что в изношенном, нагруженном состоянии, массовый расход через сторону нагрузки главного роликового кольца и скорость выхода воздуха на стороне нагрузки главного роликового кольца уменьшается при износе подшипника во время эксплуатации. При уменьшении воздушного потока из-за отсутствия охлаждения повышается износ. С уменьшением потока воздуха загрязнения будут проникать в пространство между шарошкой и опорой по нижнему зазору 42 по периметру, показанному на фиг. 9.
Характеристики потока долота сильно варьируются, в зависимости от того, находится ли долото в нагруженном или ненагруженном состоянии. В ненагруженном состоянии, все компоненты собраны равномерно по окружности вокруг оси подшипников, как предусмотрено конструкцией. С другой стороны, в нагруженном состоянии, долота анализируют в условиях, испытываемых в ходе эксплуатации, при приложении давления к узлу долота в пробуриваемом материале со всеми компонентами, контактирующими на стороне 2 нагрузки, показанной на фиг. 5. В нагруженном состоянии зазор, необходимый для изготовления и сборки долота, выталкивается к стороне долота, противоположной стороне нагрузки. Незагруженная сторона 4 находится в верхней части подшипника, как показано на фиг. 5. Больший зазор на незагруженной стороне долота снижает воздушный поток на стороне нагрузки подшипника, который имеет пониженный зазор. Воздух, естественно, идет по пути наименьшего сопротивления и/или кратчайшего пути через конструкцию долота, где меньше загрязнений, а зазор по периметру самый большой на ненагруженной стороне подшипника.
Существующие решения нацелены только на поток в новом, ненагруженном состоянии, что неточно отражает условия во время эксплуатации и после возникновения износа. Фиг. 10 представляет собой диаграмму, показывающую средние значения расхода воздуха, значения скорости и давления в новом и изношенном состоянии для двух анализируемых размеров долота. В частности, долота имели диаметр приблизительно 11 дюймов или около 25,12 дюйма. Считается, что износ составлял 0,050 дюйма осевых и радиальных подшипников, которые, как правило, имеют износ приблизительно от половины до двух третей по ходу срока службы долота. Как может быть видно из фиг. 10, на скорость потока такая малая степень износа оказывает значительное влияние.
Варианты осуществления изобретения нацелены на устранение недостатков известных конструкций долота с целью перераспределения потока воздуха через конструкцию подшипника, устранения загрязнений из подшипника и защиты стороны износа подшипника по мере усиления износа по ходу эксплуатации. Варианты осуществления изобретения могут включать в себя один или несколько из числа изменений в различные конструкции долота, чтобы увеличить поток воздуха и уменьшить износ. Усовершенствования потока воздуха могут включать в себя более равномерный поток воздуха через конструкцию подшипника и поддержание потока на протяжении службы подшипника. Усовершенствования могут снизить износ от нового состояния до изношенного состояния. Некоторые из наиболее значимых усовершенствований относятся к прохождению потока воздуха через подшипник в изношенном состоянии. Путем увеличения потока воздуха, варианты осуществления изобретения снижают показатели износа подшипников и показатели интенсивности отказов.
Делая поток воздуха через подшипник более равномерным, или симметричным относительно конструкции подшипника, можно уменьшить расстояние, которое протекает воздух через подшипник от входных до выходных отверстий. Симметрия может быть относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей. Выходной поток может быть симметричным относительно вертикальной плоскости. Однако выходной поток может не быть симметричным по отношению к горизонтальной плоскости. Поскольку прорезь для выхода воздуха на нижнем передний краю подшипника может быть заполнена грязью и/или создавать грязевую дорожку в месте, где такая грязь может привести к наибольшему ущербу. Поток текучей среды может быть симметричным относительно плоскости, повернутой приблизительно на 20° от нижней мертвой точки. Это связано с движением силы нижней мертвой точки в результате вращения долота во время эксплуатации. Поток текучей среды может быть симметричным относительно плоскости или вокруг плоскости.
Изменения конструкции опоры включают в себя изменения в пути прохождения потока внутри опоры, вентиляционные отверстия, позволяющие воздуху выходить из опоры, пазы и/или прорези во фланцах опоры, контуры канавок потока воздуха и/или прорезей и/или угловых контуров. Некоторые изменения помогли устранить мертвые зоны с небольшим потоком или без потока воздуха. Изменения могут быть использованы в любом сочетании или все вместе до достижения различных степеней улучшения воздушного потока.
На фиг. 11 проиллюстрирован вариант осуществления опоры в соответствии с изобретением. Вариант осуществления, показанный на фиг. 11, включает в себя прорезь 71 в штифтовом фланце 47. В этом варианте осуществления прорезь 71 штифтового фланца является одиночной стратегически ориентированной профрезерованной прорезью в штифтовом фланце. Это изменение известной конструкции, показанной на фиг. 8, с несколькими мелкими прорезями различных ориентаций.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 11, прорезь штифтового фланца расположена на нижнем краю штифтового фланца. Прорезь штифтового фланца может пролегать через штифтовой фланец под углом к нижней мертвой точке опоры для учета сдвига в нагрузке на подшипник от нижней мертвой точки опоры во время эксплуатации. Прорезь штифтового фланца может иметь глубину приблизительно от 50% до приблизительно 75% от толщины штифтового фланца.
Как правило, штифтовой фланец включает в себя одну прорезь, как показано на фиг. 11. Тем не менее улучшенного воздушного потока также можно достичь с более чем одной прорезью, с одной прорезью, расположенной иначе, чем показанная или описанная здесь, и имеющей другие размеры, чем те, что здесь описаны.
В варианте осуществления прорези штифтового фланца, показанном на фиг.11, боковые стороны не параллельны друг другу, при этом прорезь штифтового фланца имеет расширяющуюся ширину к наружному краю штифтового фланца, как показано на фиг. 12. В этой связи, прорезь штифтового фланца может иметь расходящийся угол между 10° и 150°. Тем не менее штифтовой фланец может раскрываться с любой расходящейся геометрией. Расходящаяся геометрия может способствовать распространению воздуха, поступающего через упорный диск на конце опоры.
Чтобы увеличить поток текучей среды через прорези, например, прорезь штифтового фланца или любую из других описанных здесь прорезей, толщина фланца, в котором образована (образованы) прорезь(и), может быть увеличена по сравнению с известными конструкциями. Это может увеличить глубину прорези(ей) и, таким образом, увеличить поток текучей среды через прорезь(и). В результате фланцы могут иметь увеличенную толщину по сравнению с общей длиной подшипника. В некоторых случаях это может привести к уменьшенному размеру подшипника, например, роликам с уменьшенными длинами и/или шариковым подшипникам с уменьшенными диаметрами по сравнению с известными конструкциями.
Для дальнейшего улучшения воздушного потока, края прорези штифтового фланца, а также другие прорези и канавки в опоре могут быть изменены по сравнению с известными конструкциями. В этой связи, края внутренних и внешних отверстий прорези штифтового фланца может включать в себя фаску и границу между стороной 73 и нижней поверхностью 75 прорези штифтового фланца, а внутренние и наружные поверхности штифтового фланца могут быть округлены. Согласно одному варианту осуществления, показанному на фиг. 13, фаска находится под углом около 60° по отношению к боковой и нижней поверхностям прорези штифтового фланца. Кроме того, граница 77 между фаской и нижней поверхностью 75 может быть округлена, как показано на фиг. 13. И угол фаски, и округлые границы могут помочь уменьшить зоны рециркуляции, существующие внутри и по краям прорези штифтового фланца.
Угол фаски может варьироваться между приблизительно 35° и приблизительно 75°. Как правило, округлые границы представляют собой дуги окружности, однако могут иметь другую кривизну. Боковая сторона 73 и нижние поверхности прорези штифтового фланца могут быть плоскими. Тем не менее боковые и/или нижние поверхности могут иметь другие контуры. Как и граница между прорезью штифтового фланца и внутренними и наружными боковыми поверхностями штифтового фланца, граница между боковой и нижней поверхностями прорези штифтового фланца может включать в себя изогнутое пересечение. Кроме того, боковая и нижняя поверхности могли бы встречаться под прямым углом или иметь фаску.
Упорный фланец 49 также может включать в себя вентиляционную прорезь 81, расположенную в целом в ряд с вентиляционной прорезью штифтового фланца. Размещение вентиляционной прорези 81 в упорном фланце в этой области может привести к образованию пути потока по опоре, что увеличивает поток к критически важной поверхности нагрузки узла долота, как показано стрелкой 83 на фиг. 21. Этот путь потока может рассматриваться как «моечная машина». Эта моечная машина добавляет высокопоточные области, где в идеале должна быть выходная прорезь. Выходная прорезь в этом положении будет аккумулировать загрязнения из-за ее расположения по отношению к стороне нагрузки долота. Моечная машина может создать «виртуальную» выходную прорезь. Сама эта функция может обеспечить значительное уменьшение износа и увеличение срока службы подшипников с помощью охлаждения и снижения загрязнений.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 11, вентиляционная прорезь 81 упорного фланца выровнена с прорезью штифтового фланца в ориентации, показанной на фиг. 11. В этом положении вентиляционная прорезь упорного фланца может проходить через упорный фланец под углом к нижней мертвой точке опоры для учета сдвига нагрузки от нижней мертвой точки во время эксплуатации. Вентиляционная прорезь упорного фланца может иметь глубину приблизительно 40% до приблизительно 75% от толщины упорного фланца.
В варианте осуществления вентиляционной прорези упорного фланца, показанном на фиг. 11, она имеет боковые стороны, которые пролегают, по существу, параллельно друг другу таким образом, что вентиляционная прорезь упорного фланца имеет постоянную ширину. В этой связи, вентиляционная прорезь штифтового фланца может иметь ширину приблизительно от 50% до приблизительно 250% от ширины прорези упорного фланца.
Поверхность вентиляционной прорези упорного фланца может включать в себя плоские и/или изогнутые поверхности. Вариант осуществления, показанный на фиг. 14, включает в себя как плоскую боковую поверхность 79, так и нижнюю поверхность 81 и изогнутую область 83 между двумя плоскими поверхностями. Боковые и нижние поверхности могут также встретиться под прямым углом, могут иметь фаску или меньший изогнутый участок. Вся поверхность вентиляционной прорези упорного фланца также может быть изогнутой.
Как и с прорезью штифтового фланца, для дальнейшего улучшения воздушного потока края вентиляционной прорези упорного фланца также могут быть изменены по сравнению с известными конструкциями. В этой связи, внутренние и наружные отверстия вентиляционной прорези упорного фланца могут включать в себя фаску 85 и границу между боковой поверхностью 79, нижней поверхностью 75 и изогнутой границей 83 вентиляционной прорези упорного фланца, а внутренние и наружные поверхности упорного фланца могут быть округлены. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 14, фаска расположена под углом приблизительно в 60° по отношению к боковой и нижней поверхностям прорези штифтового фланца. Кроме того, граница 87 между фаской 85 и боковой поверхностью 79, изогнутой нижней поверхностью 75 и изогнутой границей 83 также может быть округлена, как показано на фиг. 14. Угол фаски может варьироваться приблизительно от 35° и приблизительно до 75°. Как правило, округлые границы представляют собой дуги окружности, однако могут иметь другую кривизну. Как угол фаски, так и округленные границы могут помочь уменьшить зоны рециркуляции, существующие внутри и по краям вентиляционной прорези упорного фланца. Переход между фаской и другой поверхностью можно рассматривать как смешанные края. На фиг. 14 также показан рельефный вырез 103 шарикового кольца. Такие смешанные края не включают в себя углы, встречающиеся под углом 90°.
Еще одно усовершенствование в конструкции долота, которое может быть включено в варианты осуществления настоящего изобретения, представляет собой одно или несколько вентиляционных отверстий в малом роликовом кольце. Вариант осуществления, показанный на фиг. 11, включает в себя два вентиляционных отверстия 89 малого роликового кольца. Местоположение вентиляционных отверстий малого роликового кольца может меняться. Как правило, отверстия находятся на ненагруженной стороне опоры. Отверстие(я) могут быть расположены симметрично по отношению к центру нагрузки или нижней мертвой точки опоры.
Размер вентиляционного отверстия(ий) малого роликового кольца может варьироваться. Размер не должен быть настолько большим, чтобы отверстие(ия) мешало работе малых роликов. Как правило, вентиляционные отверстия малого роликового кольца имеют диаметр приблизительно от 20% до приблизительно 50% от длины кольца, в котором они размещены.
Подобно пересечениям других поверхностей в конструкции, края вентиляционных отверстий малого кольца на малом роликовом кольце могут иметь контур, отличный от 90° угла. Устранение острого 90° края путем введения промежутка в конструкцию может помочь прохождению потока через подшипник путем сокращения и/или устранения турбулентного потока и/или мертвых зон в потоке.
Упорный фланец может включать в себя другие проточные каналы в дополнение к вентиляционной прорези упорного фланца. В этой связи, по меньшей мере, одна профрезерованная прорезь 91 упорного фланца может быть расположена в поверхности 25 упорного фланца, обращенного к малому роликовому кольцу.
Ориентация и размещение профрезерованной прорези(ей) упорного фланца могут варьироваться. Вариант осуществления, показанный на фиг. 15, включает в себя две профрезерованных прорези 91 упорного фланца. Профрезерованная прорезь(и) упорного фланца может иметь глубину приблизительно от 40% до приблизительно 75% от толщины упорного фланца. Профрезерованная прорезь(и) упорного фланца обычно может увеличиваться в ширине от внутренней части упорного фланца к наружной стороне фланца. Значительная часть нижней поверхности профрезерованной прорези упорного фланца может быть, по существу, плоской.
Тем не менее боковые поверхности могут быть изогнуты так, чтобы устранить или уменьшить зоны рециркуляции. Анализ выявил боковые поверхности 95 профрезерованной прорези упорного фланца в качестве областей, где возникают зоны рециркуляции. Искривление этой поверхности может уменьшить или устранить зоны рециркуляции. На фиг. 16 показан пример кривизны, которую может иметь профрезерованная прорезь упорного фланца. Сложное искривление показано на фиг. 16. В этой связи, вариант осуществления, показанный на фиг. 16, также включает в себя множество изогнутых и плоских участков. Боковые поверхности профрезерованной прорези упорного фланца могут иметь другую кривизну, и выполнены из других сочетаний изогнутых и плоских поверхностей, которые уменьшают или устраняют рециркуляцию в этой области.
В дополнение к имеющейся изогнутой поверхности, граница между боковыми поверхностями 95 и нижней поверхностью 93 профрезерованной прорези упорного фланца может включать в себя фаску и/или изогнутые участки, как описано выше в связи с прорезью штифтового фланца и вентиляционной прорезью упорного фланца. Аналогичным образом, граница между нижней поверхностью 93 боковой поверхности упорного фланца может включать в себя фаску и/или изогнутые поверхности, подобно прорези штифтового фланца и вентиляционной прорези упорного фланца.
Воздушное отверстие 57 упорного фланца может выходить, по меньшей мере, частично, в профрезерованную прорезь упорного фланца, как в варианте осуществления, показанном на фиг. 15. Как показано на фиг. 15, пересечение воздушного отверстия упорного фланца и нижней поверхности профрезерованной прорези упорного фланца может включать в себя фаску и/или изогнутую поверхность.
Как показано также на фиг. 15, упорный фланец может включать в себя воздушную канавку 101 малого роликового кольца. Воздушная канавка малого роликового кольца может полностью пролегать вокруг упорного фланца. Такой вариант осуществления воздушной канавки малого роликового кольца создает путь потока, соединяющий вентиляционную прорезь упорного фланца, профрезерованные прорези упорного фланца и воздушное отверстие упорного фланца, который может, по меньшей мере, частично, выходить в воздушную канавку малого роликового кольца. В некоторых вариантах осуществления воздушная канавка малого роликового кольца не может полностью пролегать вокруг упорного фланца.
Воздушная канавка малого роликового кольца может входить в поверхность упорного фланца на глубину, подобную глубине вентиляционной прорези упорного фланца, профрезерованных прорезей упорного фланца и воздушного отверстия упорного фланца. Это может создать более равномерную геометрию для текучей среды через воздушную канавку малого роликового кольца, вентиляционную прорезь упорного фланца, профрезерованные прорези упорного фланца и воздушное отверстие упорного фланца. Если вентиляционная прорезь упорного фланца и/или профрезерованная прорезь(и) упорного фланца находятся не в одной плоскости с воздушной канавкой малого роликового кольца, то, как правило, они составляют приблизительно от 10% до приблизительно 25% от их глубины. Если вентиляционная прорезь упорного фланца и/или профрезерованная прорезь(и) упорного фланца находятся не в одной плоскости с воздушной канавкой малого роликового кольца, то, как правило, пересечение вентиляционной прорези упорного фланца и/или профрезерованной прорези(и) упорного фланца с воздушной канавкой малого роликового кольца округлено и/или включает в себя фаску. Это может помочь уменьшить зоны рециркуляции и увеличить объем потока.
Края боковых поверхностей воздушной канавки малого роликового кольца могут включать в себя фаску и/или кривые, где они встречаются с краями боковых поверхностей профрезерованной прорези упорного фланца, боковыми поверхностями вентиляционной прорези упорного фланца, поверхностью упорного фланца и/или боковой стороной воздушного отверстия упорного фланца. Пересечение отверстия 63 загрузки шариков и шарикового кольца 31 может также включать в себя фаску и/или кривые. Как правило, если какое-либо из пересечений различных поверхностей, описанных здесь, включает в себя фаску, пересечение фаски и поверхности(ей) является смешанным, например, наличием изогнутых или округленных краев, а не встречей под дискретным углом. Округлые или смешанные края могут помочь уменьшить зоны рециркуляции, турбулентный поток, а также мертвые зоны, и увеличить объем потока.
Для дополнительного усиления воздушного потока фланец 51 между шариковым кольцом и большим роликовым кольцом и/или упорным фланцем может включать в себя, по меньшей мере, один рельефный вырез 103 шарикового кольца. Если опора включает в себя рельефный вырез шарикового кольца, число вырезов может варьироваться. Вариант осуществления, показанный на фиг. 11, включает в себя шесть рельефных вырезов шарикового кольца на каждом фланце 51 и упорном фланце. Вырезы могут быть симметрично расположены относительно фланца 51 и упорного фланца. Альтернативно или дополнительно, рельефные вырезы шарикового кольца могут быть расположены в соответствии с одним или несколькими другими элементами, такими как вентиляционная прорезь упорного фланца, профрезерованная прорезь упорного фланца, помимо прочих. Рельефные вырезы шарикового кольца на фланце 51 и упорный фланец могут быть выровнены. В этой связи, рельефные вырезы шарикового кольца могут быть разнесены приблизительно на 120° друг от друга, согласно одному варианту осуществления. Рельефные вырезы шарикового кольца могут быть разнесены приблизительно от 20° до приблизительно 180° друг от друга. Расстояние может зависеть от количества вырезов, помимо прочих факторов.
Рельефный вырез(ы) шарикового кольца может пролегать полностью через толщину фланца 51 и/или упорного фланца. Боковые стороны 105 рельефных вырезов шарикового кольца могут быть изогнуты, как в варианте осуществления, показанном на фиг. 11. Кроме того, боковые стороны рельефных вырезов шарикового кольца могут быть плоскими и встречаться с нижней поверхностью 107 рельефных вырезов шарикового кольца под прямым углом. Граница между боковыми поверхностями рельефных вырезов шарикового кольца и нижней поверхностью рельефных вырезов шарикового кольца и/или боковой поверхностью фланца 51 и/или упорного фланца может включать в себя фаску и/или изогнутые поверхности, как описано выше. Как и с любой из скошенных / изогнутых поверхностей, могут быть использованы вышеописанные углы.
Дополнительные усовершенствованные варианты осуществления конструкции долота согласно изобретению могут включать в себя одну или несколько выходных воздушных прорезей, расположенных на основании цапфы после прохождения потока над/через большое роликовое кольцо. Отверстие выходной прорези(ей) может быть обращено наружу для направления воздуха перпендикулярно по отношению к центральной оси цапфы. Цапфа является участком несущего вала, который выступает от конца опоры. Обычно, как показано на фиг. 8, цапфа 141 проходит под углом от опоры или оси долота. Размер цапфы вписывается в конус и составляет, как правило, около одной трети корпуса долота сверху вниз, при этом ось опоры такая же, что и ось долота.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 11, включает в себя три выходных воздушных прорези 109, 110. Прорези разнесены приблизительно от 30° до приблизительно 110° друг от друга, с двумя противоположными сторонами опоры и одной наверху, как показано на фиг. 11. Вид, показанный на фиг. 11, не иллюстрирует прорезь на противоположной стороне опоры от прорези 110. Прорезь 109 в верхней части опоры на виде на фиг. 11 является противоположной стороне нагрузки опоры. При таком расположении прорезь 109 может образовывать смещение от «моечной машины», образованной прорезью штифтового фланца и вентиляционной прорезью упорного фланца.
Опора может включать в себя 110 прорезь и прорезь на противоположной стороне. Опора 25 может фактически включать в себя несколько прорезей опоры, при этом поток, вытекающий из прорезей опоры, будет проходить по плоскости, рассекающей или почти рассекающей плоскость, включающую в себя или почти включающую в себя прорезь 109 и/или другие элементы по отношению к вертикали или близко к вертикальной плоскости, проходящей по центру областей загрузки/незагруженных областей подшипника. Это может означать, что одинаковое количество прорезей расположено с каждой стороны плоскости, либо может быть предусмотрено неравное количество прорезей. Расположение прорезей может быть симметричным относительно одной из вышеупомянутых плоскостей или почти симметричным. С другой стороны, прорези могут быть не расположены симметрично по отношению к одной из вышеупомянутых плоскостей, если поток, полученный с помощью прорезей, является симметричным.
Преимущество выходной прорези(ей) 110, которая может быть включена в варианты осуществления изобретения, по сравнению с известными конструкциями заключается в том, что можно манипулировать количеством, размерами и расположением выходных прорезей 110, чтобы достигнуть нужного распределения воздушного потока и/или установить эффективную воздушную завесу. Известные выпускные прорези позволяют большей части воздуха выйти через верх подшипника без создания воздушной завесы для удаления загрязнений.
Фланец 53, образующий большое роликовое кольцо, может включать в себя воздушную канавку 108, проходящую полностью или частично вокруг своей окружности. Воздушная канавка 108 большого роликового кольца может помочь в распространении по окружности потока текучей среды по всей опоре и шарошке. При необходимости, канавка может выборочно непрерывно или с интервалами проходить по окружности для манипулирования потоком между квадрантами подшипника. На фиг. 11a показан вариант осуществления воздушной канавки большого роликового кольца в поперечном сечении.
Другие усовершенствования потока текучей среды, которые могут быть включены в варианты осуществления изобретения, могут включать в себя поверхности фланцев, выполненные так, чтобы достичь расходящейся геометрии 25. На фиг. 16 показан вариант осуществления участка опоры и шарошки. На фиг. 18 проиллюстрирован участок малых роликов 23, воздушная канавка 25 малого роликового кольца, упорный фланец 49, кольцо 31 и 25 подшипника, подшипник 19, большой ролик 21, и большой роликовое кольцо 33 и 27. Как показано на фиг. 18, концевые поверхности фланцев 49 и 51 и дополнительные поверхности на шарошке могут иметь контуры, которые создают пространства для потока текучей среды и производить поток текучей среды с расходящейся геометрией. Например, края фланцев могут быть округлены, как показано на фиг. 18, а не включать в себя фаски, как в известных конструкциях. Изменения фланцевых поверхностей на цапфе и соответствующей шарошке могут положительно повлиять на поток текучей среды в направлении наружу, который удален от кончика цапфы на нижнем конце опоры. Например, устранение фасок может устранить острые края, которые могут нарушить конструкции потока. В отличие от этого, в соответствии с известными конструкциями, объем текучей среды между фланцами имеет сходящуюся, или, в лучшем случае, параллельную геометрию, что отрицательно повлияло на поток в направлении наружу, как показано на фиг. 18а.
В дополнение к изменению конструкции наружной поверхности опоры, изобретение может включать в себя усовершенствования путей потока внутри опоры. На фиг. 19 и 20 проиллюстрированы внутренние проточные каналы в опоре из двух поперечных сечений, расположенных перпендикулярно друг к другу. Как показано на фиг. 19, шаровой палец 113 в канале 125 загрузки шариков, который направляет текучую среду из длинного воздушного отверстия 111 на другие проточные каналы, например, проточный канал 119, внутри опоры, был изменен, чтобы уменьшить зоны рециркуляции. Например, направляющие поверхности 20 из 113 на шаровом пальце были изменены таким образом, что его край встречается с краями длинного воздушного отверстия, например, на пересечении 117 и с проточным каналом 119 на пересечении 121. Кроме того, контур боковых стенок проточных каналов может быть изменен, чтобы усовершенствовать поток текучей среды. Кроме того, диаметр проточных каналов может быть расширен, особенно между точками 117 и 121, в некоторых вариантах осуществления, для увеличения потока текучей среды вокруг центрального штока шарикового пальца 113 в той же области. Это может обеспечить увеличенный объем потока для запитывания дополнительных выходов потока, например, вентиляционного отверстия(ий) 89 малого роликового кольца, при это питающие каналы 123 могут быть добавлены в ответвлений проточного канала 119.
На виде в поперечном разрезе с фиг. 20 показано вентиляционное отверстие малого роликового кольца питающих каналов 123 и 130, подающих поток на малое роликовое кольцо из канала 119, который питает упорный диск. Как показано на фиг. 20, шток 113 шарового пальца и пересекающиеся отверстия могут быть расположены в разных плоскостях для содействия движению текучей среды вокруг штока 113 шарового пальца. В целом, отверстия, которые пересекаются с отверстием загрузки шариков, выполнены с возможностью уменьшения зон рециркуляции. Кроме того, шток шарового пальца может быть укорочен, а нижний корпус штока удлинен. Шток шарового пальца может иметь вогнутый нижний участок. Кроме того, диаметры всех отверстий могут быть максимизированы, и центральное отверстие может быть смещено по отношению к штифтовому фланцу. Все эти модификации шарового пальца и отверстий могут уменьшить рециркуляцию.
На фиг. 21 показан вид опоры с роликами и подшипниками в месте, показывающем воздушный поток в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления включает в себя все вышеописанные признаки, чтобы улучшить поток текучей среды в конструкции долота для иллюстрации потока, проходящего через долото. В этой связи, выравнивание прорези 71 штифтового фланца и вентиляционной прорези упорного фланца 81 помогает создать поток текучей среды за опорой и внутри шарошки, как показано стрелкой 125. При эксплуатации долота эта текучая среда протекает непосредственно в направлении нижней мертвой точки или в пределах приблизительно 35° с любой стороны от нижней мертвой точки. Это обеспечивает то, что текучая среда течет в критически важной области, склонной к накоплению грязи.
Другие признаки, которые помогают распространению текучей среды вокруг конструкции долота, включают в себя вентиляционное отверстие малого роликового кольца, которых два в варианте осуществления, показанном на фиг. 21. Эти вентиляционные отверстия производят поток, обозначенный стрелками 127. Этот поток далее направляется профрезерованными прорезями 91упорного фланца и рельефными вырезами 103 шарикового кольца.
Кроме того, текучая среда, протекающая через отверстия 59 упорного фланца, производит поток, обозначенный стрелками 129, а отверстие загрузки шариков производит поток, показанный стрелкой 131. Кроме того, выходные прорези 109 производят поток, обозначенный стрелками 133.
Распределение воздуха вокруг долота помогает создать воздушную завесу 125, которая окружает долото. Это может помочь более эффективно охлаждать конструкцию подшипника. Поток может также помочь предотвратить попадание загрязнений в зазор 42 по периметру между опорой и шарошкой. Кроме того, модификации в соответствии с изобретением могут увеличить скорость выхода текучей среды. Эффективность воздушной завесы может также увеличиться при увеличении массового расхода потока на стороне нагрузки и выходной скорости на стороне нагрузки. Эффективность воздушной завесы может также увеличиться при уменьшении вариаций давлений среди квадрантов. Наряду с этим, зоны низкого давления могут позволить большему количеству загрязнений попасть в подшипник.
Это происходит в противоположность потоку текучей среды в известной конструкции долота, как показано на фиг. 22. Как показано на фиг. 22, весь поток текучей среды направлен в верхнюю половину конструкции с ориентацией, показанной на фиг. 22. В этой связи, прорези 55 штифтового фланца и отверстия 57 упорного фланца направляют поток в поперечном направлении или вверх в сторону от геометрической нижней мертвой точки, как показано стрелками 135. Кроме того, отверстие загрузки шариков направляет воздух вверх, как показано стрелкой 137. Кроме того, первичные и вторичные выпускные прорези направляют текучую среду, как показано стрелками 139. В результате все эти элементы направляют текучую среду по участку окружности подшипника, что приводит к недостаточному охлаждению и проникновению загрязнений в конструкцию подшипника.
Усовершенствования потока текучей среды и срока службы долота подробно показаны на фиг. 23-32. В этой связи на фиг. 23 представлена диаграмма, иллюстрирующая улучшение ключевых измерений при двух размерах долота по сравнению с вариантом осуществления изобретения, показанном на фиг. 21 по отношению к известной конструкции, показанной на фиг. 8 между новым состоянием и изношенным состоянием. Измерения представляют собой среднее из двух проанализированных размеров, и включают в себя общий поток, среднее давление, скорость выхода на стороне нагрузки (EVLS), массовый расход на стороне нагрузки (MFRLS), а также поток текучей среды внутреннего подшипника. Как показано на фиг. 23, варианты осуществления изобретения могут обеспечить значительное улучшение этих измерений. Фиг. 23 основана на измерениях в новом состоянии и изношенном состоянии.
Фиг. 24 представляет собой диаграмму, которая иллюстрирует прогрессию значений, показанных на фиг. 23, на протяжении всего процесса анализа нового состояния. Фиг. 25 иллюстрирует ту же самую прогрессию, показанную на фиг. 24, но для изношенного состояния.
На фиг. 26-28 проиллюстрированы улучшения различных параметров в новом и изношенном состоянии конструкции долота, включая различные объекты вариантов осуществления изобретения, по сравнению с известной конструкцией долота, показанной на фиг. 8. Например, на фиг. 26 проиллюстрированы улучшения потока текучей среды на внутреннем подшипнике. Как показано на фиг. 26, каждый объект изобретения потока может улучшить поток подшипника в изношенном состоянии. Кроме того, каждый объект изобретения показывает улучшенный поток подшипника в новом состоянии, за исключением отдельных геометрических модификаций. На фиг. 27 проиллюстрированы улучшения массового расхода на стороне нагрузки, а на фиг. 28 проиллюстрированы улучшения в скорости выхода на стороне нагрузки.
Конструкция подшипника и соответствующий поток текучей среды течения текучей среды могут быть проанализированы по отношению к квадрантам. В этой связи, конструкцию, показанную на фиг. 21, можно разделить на различные квадранты. На фиг. 29-32 проиллюстрированы улучшения при анализе долота в разных квадрантах Q1, Q2, Q3, Q4. Квадранты сдвинуты от горизонтали и вертикали из-за смещения нагрузки при вращении долота. В действительности, нижняя мертвая точка нагрузки может быть смещена приблизительно от 5° до приблизительно 35° от нижней мертвой точки, в зависимости от того, как быстро вращается долото во время эксплуатации.
На фиг. 29 и 30 проиллюстрированы улучшения в выходном потоке и среднем давлении между вариантом осуществления, показанном на фиг. 21, по отношению к известной конструкции, показанной на фиг. 8 в новом и изношенном состоянии. Единственным квадрантом, который не может показать улучшений, является квадрант Q2 в изношенном состоянии. Это происходит потому, что существующая конструкция уже направила большую часть потока в квадрант Q2. Как может быть видно из фиг. 29, все остальные квадранты получили улучшение, а квадранты Q3 и Q4 испытали значительное улучшение воздушного потока в новом и изношенном состояниях. Кроме того, как показано на фиг. 30, все квадранты продемонстрировали значительные улучшения по среднему давлению квадранта по сравнению с известными конструкциями, как в новом, так и в изношенном состоянии.
Симметричное расположение путей потока может помочь обеспечить отсутствие уязвимых областей около долота, там, где легче проникнуть загрязнениям. В некоторых случаях элементы могут быть размещены симметрично по отношению к правой и левой боковым сторонам на виде с фиг. 21, например, как вентиляционные отверстия малого роликового кольца. Тем не менее может оказаться невозможным расположить элементы симметрично по отношению к верхнему и нижнему квадрантам на виде, показанном на фиг. 21. Например, прорезь для выходной текучей среды могла бы не быть расположена в нижнем квадранте, потому что там находится нижний передний край. Такой выход будет быстро заблокирован загрязнениями или будет пропускать загрязнения в наихудшую возможную область по отношению к конструкции подшипника долота.
На фиг. 31 и 32 проиллюстрирован выходной поток в квадрантах Q1-Q4 в новом и изношенном состоянии, при сравнении различных условий модификации в соответствии с вариантами осуществления изобретения. На фиг. 33 представлена диаграмма, иллюстрирующая общий поток в процентах от базового потока через подшипник в новом и изношенном состоянии, и показывающая влияние различных отдельных геометрических модификаций, объединенных геометрических модификаций, симметричных геометрических модификаций, и детализации геометрии текучей среды. Фаза I и фаза III, указанные на фиг. 33, относятся к компьютерному анализу различных модификаций. Фаза II и Фазы IV относятся к лабораторной проверке компьютерных анализов.
На фиг. 34 представлена диаграмма, показывающая различия между разными параметрами потока для двух различных размеров бурового долота в новом состоянии и изношенном состоянии. На фиг. 35 представлена диаграмма, показывающая общий расход в процентах от общего потока для двух разных размеров бурового долота, имеющего новые и модифицированные конструкции в новом состоянии и изношенном состоянии.
Изобретение также относится к способу конструирования бурового долота. Способ может включать в себя анализ потока в конструкции подшипника долота. Одна или несколько модификаций, таких как те, что описаны выше, могут быть введены в конструкцию подшипника. Поток может быть проанализирован применительно к подшипнику, включающему в себя каждую из модификаций отдельно, а также сочетания двух или более модификаций. Характеристики модификации, такие как местоположение, размер, ориентация, положение по отношению к другим модификациям, могут меняться. Затем поток может быть проанализирован заново. Чтобы разработать конструкцию долота, могут быть осуществлены несколько итераций таких этапов. Взаимодействие потоков, созданных различными модификациями, может быть проанализировано для определения того, компенсируют ли потоки друг друга.
Обычно элементы конструкции модифицируют таким образом, чтобы они не исключали друг друга, а работали вместе, чтобы создать гармоничный поток. Может быть достигнут гармоничный поток от точки входа текучей среды до точки выхода текучей среды.
В целом, наличие гармоничного потока позволяет избежать отмены потоков. Например, потоки из входных отверстий не отменяют потоков из других входных отверстий или потоков из выходных отверстий и наоборот. Кроме того, гармоничный поток можно считать существующим, когда воздух проходит от штифтового фланца к выходным прорезям в целом по прямой. Кроме того, гармоничный поток можно считать существующим, когда текучая среда протекает в целом наружу по отношению к узлу подшипника. Если гармоничный поток существует, текучая среда обычно втекает и вытекает из подшипника равномерно. В этой связи, поток обычно равномерно распределен по квадрантам, и распределен как можно более равномерно, с тем исключением, что расход в нижней части подшипника, как правило, всегда будет ниже, чем в верхних областях подшипника из-за невозможности размещения выходных прорезей в нижней части подшипника, поскольку они быстро заполнились бы загрязнениями.
Было также проанализировано, улучшат ли поток симметрично расположенные элементы конструкции. В некоторых случаях частичная симметрия обеспечивает наилучшие улучшения. Частичная симметрия может включать в себя симметрию относительно только одной оси, например, вертикальной оси. Элементы конструкции можно также расположить таким образом, чтобы создавать модели потока в потоке, например, вихревые модели или вращательное движение при движении воздуха от входных отверстий к выходным отверстиям.
Преимущества вариантов осуществления изобретения могут включать в себя увеличение потока и срока службы подшипника. Поток может быть устойчивым в течение срока службы конструкции подшипника для лучшего охлаждения и очистки подшипников, что приводит к более длительной и устойчивой эксплуатации подшипника. Могут быть уменьшены зоны рециркуляции для снижения ограничений потока и потерь потока. Может быть создана «моечная машина» зоны потока, как описано выше. Зона рециркуляции существует там, где текучая среда не движется наружу. Моечная машина зоны потока может потенциально придать обратный наклон кривой скорости износа внутреннего подшипника и стороне нагрузки главного роликового кольца подшипника. Моечная машина зоны потока может удлинить полную осевую длину конструкции подшипника до «виртуального» выхода. Это может очистить буровой шлам, который может мигрировать к внутреннему подшипнику. Моечная машина зоны потока может превратить зону потока в области долота с наибольшей интенсивностью отказов в зону, имеющую некоторые из самых высоких показателей относительно скорости потока. Это может привести к увеличению скорости потока и величин давления, как описано выше. Вариантами осуществления изобретения также предусмотрено создание воздушной завесы, как описано выше. Воздушная завеса может оказаться важной для поддержания уровня устранения загрязнений на 100%, насколько это возможно. Отсутствие воздушной завесы в любой точке по периметру за исключением выходной прорези можно считать высокорисковой точкой проникновения загрязнений. На протяжении развития изобретения, компьютеризированные анализы были проверены и подтверждены лабораторными результатами с использованием высокоскоростных прототипных частей.
Вышеприведенное описание изобретения иллюстрирует и описывает настоящее изобретение. Кроме того, описание показывает и описывает только предпочтительные варианты осуществления изобретения, однако, как указано выше, понятно, что изобретение может быть использовано в различных других сочетаниях, модификациях и средах, и может быть изменено или модифицировано в пределах объема выраженной в настоящем описании концепции изобретения, соразмерной с вышеизложенной идеей изобретения и/или навыками или знаниями соответствующего уровня техники. Вышеописанные варианты осуществления дополнительно призваны пояснить известные лучшие способы практического осуществления изобретения и дать возможность другим специалистам в данной области техники использовать изобретение в таких, или других вариантах осуществления и с различными модификациями, вызываемыми особенностями областей применения или использования изобретения. Соответственно, описание не предназначено для ограничения изобретения раскрытой здесь формой. Кроме того, предполагается, что прилагаемая формула изобретения должна толковаться как включающая в себя альтернативные варианты осуществления.