ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО С ГЕРМЕТИЗИРОВАННОЙ ОПОРОЙ
ROLLING DRILLING BIT WITH SEALED BEARING

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровым долотам, и может использоваться при бурении скважин любого назначения.
Известно буровое долото [1], содержащее корпус из трех сваренных лап с коническим резьбовым хвостовиком для присоединения к колонне бурильных труб, принятое за аналог. В каждой лапе долота имеется резервуар для смазки с герметизированной крышкой, стопорное разжимное кольцо для нее, компенсационная эластичная мембрана для передачи колебаний давления в затрубном пространстве на смазку, система каналов для передачи давления и подвода смазки в зоны трения, цапфа с различной схемой подшипников качения и (или) скольжения для подвижного закрепления шарошки с породоразрушающими элементами. Полость опоры герметизирована в районе торца шарошки с помощью эластичного кольца круглого сечения. Эластичное кольцо предназначено для предотвращения попадания частиц выбуренной породы в полость опоры. Преимуществом этого долота является простота исполнения. Недостатком рассматриваемого герметизирующего уплотнения является то, что компенсация его износа по диаметру обеспечивается только за счет эластичных свойств кольца. При достаточно длительной работе долота на забое промывочная жидкость с абразивными частицами выбуренной породы попадает вначале в зазор между буртом лапы и торцом шарошки, а по мере износа кольца - в полость опоры, вызывая ее быстрый, а иногда и катастрофический износ.
Известно буровое долото [2], также содержащее корпус из трех лап с подвижно закрепленными на их цапфах шарошками, имеющими герметизированные маслонаполненные опоры. Как и в первом аналоге, корпус долота снабжен резервуаром для смазки с герметизированной крышкой и стопорным кольцом, а также с системой каналов, подводящих в зоны трения опоры смазку.
Полость опоры герметизмрована в районе торца шарошки с помощью эластичного кольца, в сечении которого сопряжены прямоугольник в середине, выпуклая закругленная часть с внешней стороны и треугольная часть с закруглением вершины с внутренней стороны. Замена формы круглого сечения на вытянутое по радиусу сечение вызвано тем, что при сохранении дефицитного размера уплотнения вдоль оси цапфы в паз под уплотнение помещается тело с большой массой, позволяющей за счет увеличенного по радиусу уплотнения повысить компенсирующие свойства эластичного материала по мере его износа в контактной зоне. Это основное преимущество уплотнения такой формы, позволяющее увеличить срок работы узла герметизации опоры долота. Недостатком этого аналога является то, что уплотнение испытывает одновременное знакопеременное нагружение от давления со стороны промывочной жидкости, проникающей в зазор между торцом шарошки и торцом бурта цапфы с одной стороны и давлением смазки внутри полости опоры с другой стороны. В моменты, когда внутри полости опоры возникает возгонка смазки и давление значительно возрастает, совместное суммированное давление с наружным давлением в затрубном пространстве стремится отжать эластичный контакт уплотнения от поверхности цапфы лапы. Промывочная жидкость с частицами выбуренной породы попадает в образовавшийся зазор, чем резко сокращается стойкость опоры.
Известно шарошечное буровое долото [3], принятое за прототип. В опоре этого долота применено двойное уплотнение - одно со стороны зазора между торцом шарошки и лапой, а другое - со стороны подшипников опоры. Преимуществом прототипа является то, что разделено давление со стороны торца шарошки и давление изнутри, а также то, что любое из этих давлений всегда меньше суммы давлений, характерных аналогам. Недостатком прототипа является конструкция уплотнения со стороны торца шарошки, представленного в сечении в виде треугольника с закругленной вершиной со стороны углубления в шарошке и образующей цилиндрической поверхности со стороны цапфы лапы. Цилиндрическая поверхность и части боковых поверхностей имеют армирование материалом более твердым, чем эластичное тело уплотнения. Недостатком такого уплотнения является то, что контакт по цапфе обеспечивается по схеме «цилиндр по цилиндру», которые имеют разные диаметры, а поэтому контакт этих цилиндров по всей поверхности соприкосновения может осуществляться априори в виде отдельных пятен, с зонами меньшего или большего усилия прижима. Неизбежные при работе долот циклические перекосы шарошек, а также постепенный износ отдельных пятен контакта способствуют возникновению отдельных неплотностей на поле контакта, ведущих к проникновению в них промывочной жидкости и абразивных частиц породы, способствуя возникновению недостатка второго аналога. Кроме того, эластичные свойства тела уплотнения могут компенсировать только его радиальный износ и не могут компенсировать торцового износа.
Целью данного изобретения является обеспечение надежной и эффективной системы уплотнения полости опоры шарошечных буровых долот.
Указанная цель достигается тем, что в шарошечном долоте с герметизированной опорой, содержащем корпус из трех лап, на цапфах которых подвижно закреплены шарошки с маслонаполненными опорами, полости опор защищены двумя эластичными уплотнениями, установленными друг за другом, при этом одно уплотнение, установленное неподвижно на цапфе лапы для герметизации зазора между основанием цапфы лапы и торцом шарошки, имеет U-образную форму с цилиндрическим основанием со стороны цапфы и с расходящимися от него крыльями, обращенными с одной стороны к основанию цапфы лапы, с другой стороны к торцу паза на шарошке, а второе уплотнение герметизирует радиальный зазор между цапфой лапы и шарошкой со стороны подшипников опоры. В уплотнении с U-образной формой наружные поверхности крыльев расходятся под острым углом в пределах α=8÷12°.
U-образное уплотнение армировано со стороны цапфы лапы и торца шарошки износостойким покрытием, имеющим гибкую клетчатую структуру для удержания смазки. В расходящуюся полость внутри U-образного уплотнения помещен стягивающий эластичный элемент круглого сечения.
В разжатом состоянии оба конца крыльев U-образного уплотнения составляют между собой острый угол в пределах 2α=16÷24°. При сборке уплотнения эти концы сдвигаются и тем самым обеспечивается их постоянный эластичный прижим к торцовой поверхности шарошки. Радиальный прижим к поверхности цапфы лапы обеспечивается за счет отрицательной разницы внутреннего диаметра уплотнения и наружного диаметра цапфы. Для обеспечения усиления радиального прижима в качестве варианта может быть применен стягивающий эластичный элемент, например резиновый или в виде кольцевой стальной пружины круглого сечения с габаритами, позволяющими установку внутри открытой полости U-образного уплотнения. При этом осуществляется постоянный поджим, сила которого практически не зависит от величины износа самого уплотнения на поверхности контакта. В радиальном направлении поджим уплотнения осуществляется за счет натягивания уплотнений на цапфу лапы, а также за счет стягивающих усилий (на фиг.3 стрелки черного цвета) от круглого кольцевого эластичного элемента 26. В осевом направлении поджим осуществляется за счет разжимающих усилий стянутых при сборке крыльев, а также от воздействия давления промывочной жидкости (на фиг.3 стрелки белого цвета). Для снижения темпа износа две стороны уплотнения - со стороны цапфы лапы и со стороны торца шарошки армированы износостойким материалом, имеющим гибкую клеточную структуру для удержания смазки. В качестве такого материала может применяться, например, кевлар, идущий на изготовление бронежилетов. Другое уплотнительное кольцо изнашивается меньше, чем U-образное, поскольку оно не работает в абразивной среде. Поэтому оно может иметь любую известную форму сечения, например традиционную O-образную. Предпочтительным является вариант с сечением в виде эллипса, овала или им подобной фигуры.
Перечень фигур чертежей.
На фиг.1 показан общий вид с продольным разрезом секции собранного шарошечного долота с герметизированной опорой. На фиг.2 показан вид корпуса предлагаемого уплотнения до установки его при монтаже опоры. На фиг.3 (увеличенный узел А с фиг.1) изображен вариант предлагаемого уплотнения с дополнительным эластичным кольцом внутри раскрытой полости. На фиг.4 (увеличенный узел Б с фиг.1) показан вариант предлагаемого уплотнения опоры шарошечного долота со сжимающей круглой пружиной внутри раскрытой полости опоры.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В каждой из секций шарошечного долота имеется лапа 1 (фиг.1), подвижно закрепленная на ней шарошка 2 с шариковыми подшипниками 3, подшипниками скольжения 4, 5, 6, с породоразрушающими зубками 7. В лапе размещаются резервуар 8 для смазки, а также каналы 9, 10, 11, 12, 13 для подвода смазки из резервуара 8 в зоны трения опоры. Резервуар 8 снабжен крышкой 14, герметизирующим ее кольцом 15, стопорным кольцом 16, эластичной мембраной 17, габаритным стаканом 18 для нее, предотвращающим возможность порыва мембраны 17 в случае возникновения чрезмерного давления в затрубном пространстве. В крышке 14 имеются отверстие 19 с резьбой, пробка 20 с пазом 21 под торцовый ключ.
Первое уплотнение 22 со стороны торца шарошки 2 имеет U-образную форму (фиг.2). Позициями 23 и 24 обозначены расходящиеся крылья уплотнения, позицией 25 показано износостойкое покрытие.
На фиг.3 позициями 26 обозначено дополнительное эластичное внутреннее кольцо круглого сечения, 27 - основание цапфы лапы, 28 - уплотняемая радиальная поверхность цапфы.
На фиг.4 позицией 29 обозначено второе уплотнительное кольцо. В изображенном варианте это кольцо показано в виде вытянутого в радиальном направлении сечения с закруглениями со стороны цапфы и шарошки, хотя может иметь и другую известную форму сечения. Кольцо может также армироваться по поверхностям контакта износостойкими покрытиями (не показано). На этой же фиг.4 показан вариант уплотнения, когда вместо эластичного внутреннего кольца (26 на фиг.3) установлена круглая поджимная пружина 30.
Работа шарошечного долота с герметизированной опорой осуществляется следующим образом. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, создаваемого ротором буровой установки, долото начинает вращаться вокруг своей оси, а его шарошки с породоразрушающими зубками начинают вращаться еще и вокруг своих осей, разрушая породу на забое скважины. Для удаления выбуренной породы с забоя на дневную поверхность по трубному пространству буровыми насосами подается промывочная жидкость, которая поднимается обратно по затрубному пространству, поднимая с собой частицы выбуренной породы. Колебания давления в затрубном пространстве воздействуют через отверстие 31, выполненное в теле лапы 1 и соединяющее полость резервуара 8 с затрубным пространством, на мембрану 17, все пространство под которой в резервуаре 8 заполнено консистентной термостойкой смазкой. Под действием сжимаемой мембраны смазка подается через каналы 9, 10, 11, 12 и 13 в зоны трения подшипников в полости опоры. Габаритный стакан 18 служит для предотвращения разрыва мембраны. Через отверстие 19 в крышке резервуара при вывернутой пробке 20 через смазочный штуцер (не показано) в полости опоры вначале вакуумируется все пространство, чтобы избежать пробок воздуха, а затем заправляется консистентная смазка.
Кольцевое уплотнение 22, устанавливаемое со стороны торца шарошки, имеет в сечении раскрытую U-образную форму с расходящимися наружу крыльями 23 и 24 (фиг.2), а со стороны цапфы лапы уплотнение армировано износостойким покрытием 25, защищающим радиальную со стороны цапфы и торцовую со стороны шарошки поверхности от износа.
В предпочтительном варианте уплотнение устанавливается неподвижно на цапфе лапы, желательно в канавке со стороны основания цапфы. Неподвижность может осуществляться или за счет натяга эластичного уплотнительного кольца 22 или его приклеивания. Армирование уплотнения 22 износостойким покрытием 25 предназначено для его поверхности, контактирующей с поверхностью вращающейся шарошки. Нанесение части покрытия 25 со стороны поверхности цапфы лапы вызвана технологическими требованиями прочности крепления армирующего слоя покрытия.
Во время работы долота на забое давление со стороны промывочной жидкости совместно с усилием прижима расходящихся под определенным углом крыльями, возникшего за счет сжатия при установке уплотнения в гнездо, постоянно прижимает к торцу канавки в шарошке крыло 24 уплотнения, армированного износостойким покрытием 25. Таким образом изолируется вся полость опоры и, в частности, внутреннее кольцо 26 от воздействия давления в затрубном пространстве. В это же время второе уплотнительное кольцо 26 изолирует кольцо 22 от воздействия избыточного давления, возникающего при возгонке разогретой смазки со стороны опоры. При этом раздельно давление на каждом из двух уплотнений всегда меньше их суммарного давления, характерного для второго аналога.
Преимуществом предлагаемого шарошечного долота является улучшенная герметизация торца шарошки, предотвращающая попадание частиц выбуренной породы в полость опоры за счет постоянства усилия прижима крыла 24 уплотнения 22 при его постепенном износе. Как бы не увеличивался износ поверхности контакта крыла 24 уплотнения 22, оба усилия - усилие разжима сжатых расходящихся крыльев 23 и 24 и усилие прижима крыла 24 от внешнего давления в затрубном пространстве всегда компенсирует величину его износа.
Высокая надежность в работе позволяет достигнуть требуемый технический результат - увеличить стойкость уплотнения опоры шарошки, стойкость всего долота за счет увеличения стойкости опоры, повысить проходку и рейсовую механическую скорость бурения.
Возможность осуществления изобретения подтверждается также успешными стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов шарошечных долот по предлагаемому изобретению.
Источники информации
1. Патент США №5456327, Е21В 10/24 от 10.10.1995 г. (аналог).
2. Каталог фирмы «Varel International» «Буровые долота серии «ЧЕЛЛЕНДЖЕР» для бурения с забойными двигателями» (аналог), 2007 г., с.6.
3. Патент США №6533051, Е21В 10/22 от 18.03.2003 г. (прототип).