БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО С ГЕРМЕТИЗИРОВАННОЙ ОПОРОЙ
ROLLING BIT WITH SEALED SUPPORT

Изобретение относится к области буровой техники и используется при строительстве скважин в глубоком и сверхглубоком бурении.
Для надежной работы герметизированных опор шарошек в долотах для глубокого бурения в корпусах лап предусматриваются резервуары-гнезда для размещения смазочной системы, устройство которых обеспечивает подачу смазки в зону трения в опорах по мере ее расхода во время бурения.
Известна конструкция бурового шарошечного долота с герметизированной опорой [1], состоящая из следующих элементов. В полости гнезда для резервуара с помощью стопорного кольца установлена стальная крышка с системой отверстий в верхней выступающей части, соединяющей затрубное пространство долота с наружной поверхностью эластичной мембраны, закрепленной под крышкой. При колебаниях давления в скважине при работе насосов, мембрана в резервуаре периодически расправляется и выталкивает из него часть смазки вначале в систему подводящих каналов, а через них в зоны трения подшипников скольжения, качения или их комбинации в опорах. Герметизация смазочной системы в шарошках осуществляется эластичными кольцами, а со стороны ниппеля долота - заваренной пробкой. От разрыва эластичной мембраны при ее максимальном развороте предусмотрен стальной стакан, внутренние границы которого являются расчетными максимальными габаритами для раздувающейся мембраны. С той же целью - предотвращения разрыва при подходе к отверстию в стакане на вершине мембраны предусмотрен металлический обрезиненный «пятачок», препятствующий порыву вершинной части. Кольцевой обрезиненный буртик эластичной мембраны, установленной на уступе гнезда, является герметизирующим элементом и для мембраны, и для крышки. Заполнение смазкой производят после вакуумирования внутренней полости мембраны и подводящих каналов системы.
Сбоку длинного подводного канала в лапе предусмотрена установка дыхательного канала, сбрасывающего избыток давления в смазочной системе при работе долота. Недостатком этой конструкции резервуара, принятого в качестве аналога, является малый объем для резервируемой смазки, а также вялая работа мембраны при засорении шламом отверстий в крышке и ослаблении колебаний давления в затрубном пространстве.
Известен другой вариант конструкции бурового шарошечного долота с герметизированной опорой, принятый за второй аналог [2]. В этом варианте несколько увеличен объем гнезда для смазки, а также изменена схема воздействия промывочной жидкости на мембрану и смазку во время бурения. Отверстие в корпусе лапы, соединяющее мембрану с затрубным пространством, перенесено с наружной поверхности корпуса на внутреннюю, надшарошечную поверхность. Это позволило увеличить не только объем смазки, но и разницу давления над и под мембраной, поскольку отверстие приближено к выходу промывочного сопла, где давление жидкости несколько больше, чем в первом аналоге. Также изменена форма габаритного стакана, крышки и схема герметизации мембраны и крышки в гнезде. Схема подвода смазки от резервуара до рабочих зон подшипников в опоре, а также стравливания излишнего давления с помощью бокового клапана сбоку лапы, остались прежними. Основной недостаток этого второго аналога состоит в том, что он, как и первый аналог, не в состоянии регулировать величину избыточного давления в опоре.
Известно другое буровое шарошечное долото с герметизированной опорой, принятое за прототип [3].
В отличие от обоих аналогов в конструкции резервуара с герметизированной опорой применена стальная тарельчатая пружина, обеспечивающая при внутреннем избыточном давлении в опоре уравновешивание его с давлением промывочной жидкости в той же области, что и во втором аналоге - в надшарошечном пространстве секций. Как только внутреннее давление в смазочной системе превышает усилие поджима пружины, происходит ее отжим вместе с мембраной и центрирующей шайбой от плоского упорного торца внутри резервуара, открывая плоский зазор по упомянутому упорному торцу и радиальный зазор между внутренней стенкой и радиальными частями мембраны и центрирующей шайбы, в свою очередь связанными с помощью зазоров и каналов с надшарошечным пространством долота. Происходит сброс избыточного давления вместе с частью смазки. При уравновешивании давления усилие пружины закрывает зазор до следующего цикла ее сжатия.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности регулировать, а также устанавливать нужную величину сбрасываемого из резервуара и опоры давления на различных глубинах бурения, поскольку положение разжимного стопорного кольца, устанавливаемое на выходном торце резервуара, замыкает и фиксирует только одно положение вставленного резервуара и сжатой тарельчатой тарельчатой пружины, а значит способен срабатывать только при одной величине давления в опоре, при которой возможно наступление срабатывания.
Дело в том, что в прототипе не учитывается влияние на работу резервуара для смазочной системы бурового долота изменения глубины интервалов бурения. Чем больше глубина, тем менее эластичным становится материал мембраны. Он охрупчивается и значительно быстрее подвергается износу при циклическом нагружении.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы резервуара, а также возможность регулировать порог срабатывания сброса избыточного давления применительно к глубине предполагаемого интервала бурения.
Указанный технический результат достигается применением в буровом шарошечном долоте с герметизированной опорой резервуара для смазочной системы, содержащего корпус, герметично устанавливаемый и жестко закрепляемый в отверстии лапы, эластичную мембрану с радиальным и торцевым металлическим каркасом, торцевую кольцевую центрирующую шайбу с центральным отверстием, торцевой поджимающий элемент для обеспечения поджима мембраны, коническую резьбовую пробку для введения смазки, боковую проточку на стенке со сквозными отверстиями для выхода смазки из полости резервуара в смазочную систему, а также систему каналов и отверстий, подводящих внутрь эластичной мембраны буровой раствор. На входе в стенке установочного гнезда для резервуара смазочной системы выполнена мелкая самотормозящая резьба, в которую последовательно завернуты две гайки - регулировочная и контргайка с отверстиями на торцах для торцевого ключа. В качестве поджимающего элемента может использоваться, например, тарельчатая стальная пружина или эластичное кольцо различной формы сечения, например круглого, способных сжиматься под нагрузкой и возвращаться к исходной форме, когда нагрузка снимается. Кольцевой плоский эластичный бурт мембраны на ее торце является одновременно установочным и поджимным герметизирующим элементом, прижимаемым к ответному торцевому непрерывному кольцевому выступу на резервуаре с помощью кольцевого поджимающего элемента. Отверстие в центре пружины и система зазоров по ее бокам служат для свободного прохода промывочной жидкости под внутреннюю поверхность эластичной мембраны. На боковой поверхности резервуара предусмотрены каналы в виде проточки и отверстий для прохода смазки под избыточным давлением через систему подводящих каналов в зоны трения подшипников в опорах.
При возникновении предела избыточного давления, возникающего в смазочной системе, тарельчатая пружина отжимается.
По каналам между ребрами жесткости мембраны, затем по кольцевому зазору, открывающемуся при избыточном давлении внутри смазочной системы за счет сжатия эластичного бурта мембраны и тарельчатой пружины под выступающим кольцевым буртом корпуса резервуара и далее по системе отверстий и зазоров, предусмотренной между резервуаром и кольцевым буртом мембраны, буртом центрирующей шайбы, по зазорам вокруг тарельчатой пружины, а также сквозь отверстие в надшарошечном пространстве в корпусе лапы, избыточная смазка удаляется из смазочной системы, стравливая давление внутри нее. Как только давление в смазочной системе и давление промывочной жидкости выравниваются, зазор по эластичной поверхности кольцевого бурта мембраны закрывается за счет возвратного прижатия поджимающего элемента тарельчатой пружины или эластичного кольца. При этом цикл компенсации расхода смазки в опоре возобновляется снова.
Перечень чертежей
На фигуре 1 представлен фрагмент лапы и место размещения резервуара.
На фигуре 2 представлено сечение резервуара, установленного в гнезде лапы.
На фигурах 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 представлена деталировка элементов резервуара.
На фигуре 1 позициями обозначены: 1 - лапа долота, 2 - место расположения гнезда для размещения резервуара для смазочной системы, 3 - спинка лапы, 4 - направление смазочного канала в лапе от выхода до резервуара.
На фигуре 2 позициями обозначены: 5 - корпус резервуара, 6 - эластичная диафрагма, 7 - металлический каркас диафрагмы радиальный, 8 - металлический каркас торцевой, 9 - центрирующая шайба, 10 - тарельчатая пружина, 11 - регулировочная гайка, 12 - стопорная контргайка, 13 - резьба на обоих гайках и на стенке резервуара, 14 - первое уплотнительное кольцо, 15 - второе уплотнительное кольцо, 16 - отверстие в лапе, соединяющее гнездо для размещения резервуара с затрубным надшарошечным пространством, 17 - коническая затворная пробка, 18 - кольцевая проточка на наружной поверхности резервуара для прохода смазки, 19 - сквозные отверстия в корпусе, 20 - входное отверстие в лапе для транспортировки смазки из корпуса резервуара в зону нагрева подшипника, 21 - центральное отверстие в центрирующей шайбе, 22 - паз на торце шайбы, 23 - радиальный зазор между корпусом резервуара, диафрагмой и центрирующей шайбой, 24 - ребра жесткости на эластичной диафрагме 6, 25 - отверстия под зажимной торцевой ключ, 26 - отверстия под зажимной торцевой ключ в стопорной контргайке.
На фигурах 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 элементы на деталировке имеют то же обозначение, что и на фигуре 2.
Резервуар для смазочной системы бурового долота с герметизированной опорой собирается и монтируется на готовом долоте после нарезки резьбы. Для этого на кольцевой выступ в корпусе резервуара последовательно устанавливаются: эластичная диафрагма 6, выполненная обрезиненной с радиальным 7 и торцевым 8 металлическими каркасами. Следом за диафрагмой устанавливается центрирующая шайба 9, выполненная с пазом на дне и замком на боковой поверхности. Тарельчатая пружина 10 устанавливается на дне гнезда. В пазы на боковой стенке гнезда устанавливаются уплотнительные кольца и корпус 5 вместе с перечисленными деталями вставляется снизу вверх в гнездо 2 до контакта с дном. После переворота лапы поворотами торцевого ключа регулировочная гайка прижимает тарельчатую пружину 10, чем больше усилие зажима эластичного кольцевого бурта на диафрагме, создаваемое при помощи торцевого ключа, тем больше должно быть избыточное давление внутри смазочной системы, которое смогло бы открыть щель по эластичному кольцевому бурту для сброса избыточного давления.
Тарировка и настройка на давление, при котором резервуар для смазочной системы бурового долота с герметизированной опорой должен начать сбрасывать давление на той или иной глубине, производится после сборки, индивидуально. Для этого наконечник шланга с давлением жидкости (или воздуха) заворачивается вместо конической затворной пробки и имитирует давление внутри смазочной системы, постепенно его наращивая и, соответственно, заворачивают или разворачивают торцевым ключом вначале регулирующую гайку и тарельчатую пружину, имитируя условия срабатывания резервуара на той или иной глубине при бурении скважины. После установки давления на манометре до нужной величины, положение регулирующей гайки фиксируют контргайкой индивидуально для каждой секции.
Затем оттарированный резервуар, отрегулированный на срабатывание при установленном давлении для смазочной системы бурового долота с герметизированной опорой, монтируется в гнезде лапы и фиксируется стопорным стальным кольцом 20.
Потом вместо крышки 17 в отверстие на дне резервуара завинчивается патрубок вакуумирующей установки, через который удаляется воздух из смазочной системы, которая потом принудительно заполняется консистентной термостойкой смазкой. Крышка 17 возвращается на место во всех трех секциях долота. После покраски и клеймения долото готово к работе.
Испытание опытных образцов долот с предлагаемым резервуаром для смазочной системы бурового долота с герметизированной опорой показали высокую надежность его работы в бурении.
Источники информации
1-2. Композит - каталог ОАО «Волгабурмаш» за 2003 г., стр.13.
3. Композит - каталог фирмы «Смит» (США) за 2000 г., стр.14.