СИСТЕМА СМАЗКИ БУРОВОГО ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА С ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫМИ ОПОРАМИ
LUBRICATION SYSTEM OF DRILL ROLLER BIT WITH SEALED SUPPORTS

Изобретение относится к шарошечному породоразрушающему инструменту, а именно к системам смазки опоры бурового долота.
Известно буровое долото с герметизированной опорой [1], содержащее систему смазки, включающую узел компенсации смазки в опоре, содержащий резервуар с герметизирующей крышкой, резьбовым отверстием и пробкой, эластичную мембрану, систему каналов и полостей, соединяющих резервуар с зонами трения в опоре, причем внутри ненагруженной части большого подшипника цапфы лапы выполнена дополнительная система каналов, минуя уплотнение и отверстие под замковый палец, с выходом на наружную поверхность лапы, с резьбовым регулирующим штуцером на выходе, заменяемым после заправки смазки на глухую резьбовую пробку. При этом опора может быть снабжена дополнительной системой каналов с выходом на наружную поверхность лапы, а число направлений каналов больше одного.
Недостаток данной системы заключается в том, что смазка в зоне трения не имеет возможность обновляться за счет смазки, содержащейся в резервуаре в процессе работы долота на забое, поскольку давление в опоре всегда равно давлению снаружи долота. Поэтому даже высокое давление, действующее на долото на забое (до 200 атмосфер) не способно через мембрану подать новую порцию смазки в зону трения, поскольку это давление является не избыточным, а гидростатическим. Кроме того, использование пластичной смазки в опорах буровых долот является неэффективным, поскольку до 30% объема смазки составляет загуститель (мыло, парафин, пигменты), которые сами по себе не обладают достаточно высокими смазочными свойствами. Загуститель предназначен для удержания в себе активных компонентов смазки (присадок), поэтому применение пластичной смазки не позволяет его активным компонентам свободно поступать в зону трения из резервуара, например, за счет диффузионного обмена или конвективного массопереноса. Это приводит к тому, что запас смазки в резервуаре, практически оказывается неработоспособным в течение всего срока службы долота. Это существенно сокращает срок службы опоры бурового долота. Кроме того, дополнительное усложнение конструкции долота является малоэффективным, поскольку для поступления новой порции смазки в опору должна быть обеспечена возможность выдавливания из опоры старой смазки, но такая возможность фактически отсутствует. При этом частицы износа и продукты разложения смазки, образовавшиеся в процессе предыдущей эксплуатации долота, останутся в опоре и практически сведут на нет, ожидаемые преимущества от внедрения данной системы смазки.
В качестве прототипа выбрана конструкция системы смазки долота, содержащаяся в патенте [2]. Данная система смазки содержит узел компенсации смазки в опоре, содержащий резервуар с герметизирующей крышкой, резьбовым отверстием и пробкой, эластичную мембрану, систему каналов и полостей, соединяющих резервуар с зонами трения в опоре, причем наружной части поверхности цапфы имеется канавка, находящаяся в в области быстрого снижения давления, а именно в пределах от 185 до 225°, если смотреть от внутреннего конца цапфы. Данная система смазки по мнению авторов обеспечивает возможность циркуляции смазочного материала по смазочным каналам.
Недостатком прототипа является то, что в данной системе смазки также как и в предыдущей конструкции, в качестве смазочного материала используется малоэффективная пластичная смазка. В данной системе, по сути, не происходит обновления смазочного материала в зоне трения, поскольку по замкнутому кругу циркулирует отработавшая смазка, содержащая высокоабразивные продукты износа и разложения смазки. Кроме того, основная часть смазки в смазочном резервуаре оказывается неработоспособной, поскольку каналы подвода и отбора смазки расположены в непосредственной близости друг от друга.
Технический результат настоящего изобретения заключается в обеспечении возможности обновления смазочного материала в зоне трения в процессе эксплуатации долота и, за счет этого, повышении долговечности опоры бурового долота.
Технический результат достигается тем, что в замковом пальце имеется две полости, не сообщающиеся друг с другом, одна из которых обеспечивает поступление смазочного материала из масляного резервуара через длинный канал в полость опоры, а другая в совокупности с отверстием по оси цапфы обеспечивает отвод из полости опоры отработавшего смазочного материала, причем дополнительно имеются два клапана и постоянный магнит, при этом впускной клапан вмонтирован в отверстие по оси цапфы вблизи упорного торца цапфы, выпускной клапан вмонтирован в замковый палец, вблизи спинки лапы, а постоянный магнит расположен в полости замкового пальца, сообщающейся с отверстием по оси цапфы, причем смазочная система заполнена смазочным маслом с антизадирными присадками.
Заявленная система смазки бурового шарошечного долота с герметизированными опорами включает узел компенсации смазки в опоре и систему каналов и полостей, соединяющих узел компенсации смазки с зонами трения в опоре.
Узел компенсации смазки (фиг.1) включает стальной стакан 1 и связанную с ним эластичную диафрагму 2, заполненные смазочным материалом.
Система каналов и полостей включает полость масляного резервуара 3, в которой установлен узел компенсации смазки; длинный смазочный канал 4, соединяющий полость масляного резервуара 3 с верхней полостью 5 в замковом пальце 6; короткий канал 7, соединяющий верхнюю полость 5 в замковом пальце с полостью 8 опоры, расположенной между поверхностями шарошки 9 и цапфы лапы 10, охватывающей все зоны трения в опоре; канал по оси цапфы 11, связывающий полость 8 опоры через впускной клапан 12, расположенный вблизи упорного торца цапфы, с нижней полостью 13 замкового пальца 6, внутри которого расположены постоянный магнит 14 и выпускной клапан 15, расположенный вблизи спинки лапы. Причем нижняя полость 13 и верхняя полость 5 замкового пальца 6 не сообщаются друг с другом.
В полости масляного резервуара установлена крышка 16, закрепленная с помощью разжимного стопорного кольца 17 и герметизирующего эластичного уплотнения 18. В отверстие крышки установлена резьбовая пробка 19. Снизу масляный резервуар снабжен отверстием 20 со стороны затрубного пространства. Стакан 1 имеет отверстие для возможности выхода смазочного материала из стакана под внешним давлением, действующим на эластичную диафрагму, в полость масляного резервуара.
Работа устройства в динамике. Перед началом эксплуатации долота смазочный материал заполняет полость масляного резервуара 3, длинный канал 4, верхнюю полость 5 замкового пальца 6, короткий канал 7, полость опоры 8. Канал по оси цапфы 11 и нижняя полость 13 замкового пальца 6 заполнены воздухом при атмосферном давлении, поскольку впускной клапан 12 не позволяет проникнуть туда смазочному материалу при штатной вакуумной закачке смазочного материала. При этом в качестве смазочного материала закачивают смазочное масло с антизадирными присадками. Смазочное масло имеет достаточно высокую вязкость, чтобы обеспечивать возможность его перемещения в системе смазки, и достаточно малую вязкость, чтобы предотвратить его самопроизвольное просачивание через герметизирующие уплотнения.
Во время работы долота снаружи на эластичную диафрагму 2 через канал 20 действует давление, превышающее атмосферное давление внутри канала по оси цапфы 11 и нижней полости 13 замкового пальца 6. Данное избыточное давление открывает впускной клапан 12, в результате чего отработавшая смазка из полости опоры 8 начинает поступать в канал по оси цапфы 11 и далее в нижнюю полость 13 замкового пальца 6. При этом в полость опоры начинает поступать новая порция смазочного материала из полости 3 масляного резервуара. Отработавший смазочный материал, содержащий продукты износа за счет центробежных сил, создаваемых вращением долота перемещается из канала пор оси цапфы 11 в нижнюю полость 13, накапливаясь вблизи выпускного клапана 15. В процессе перемещения отработавшего смазочного материала от впускного клапана 12 к выпускному клапану 15 он проходит через постоянный магнит 14, на котором осаждаются продукты износа, что устраняет возможность заклинивания выпускного клапана 15. При заполнении канала по оси цапфы 11 и нижней полости 13 замкового пальца 6 происходит сжатие содержащегося в них воздуха с повышением его давления до величины давления в затрубном пространстве. В процессе бурения скважины происходит постоянный рост давления в затрубном пространстве за счет опускания долота вниз и, соответственно увеличения высоты столба бурового раствора в затрубном пространстве. Это поддерживает постоянную циркуляцию смазочного материала в полости опоры 8. Кроме того, при поднятии долота, а также вследствие пульсации давления в затрубном пространстве возможно длительное или кратковременное превышение давления воздуха в канале по оси цапфы 11 и нижней полости 13 замкового пальца 6 величины давления в затрубном пространстве. При этом произойдет открытие выпускного клапана 15 с выбросом отработавшего смазочного материала из системы смазки наружу.
Пример. Изготовили опытное буровое шарошечное долото с герметизированными опорами по настоящему изобретению. При этом в смазочную систему заправили смазочное масло с антизадирными присадками. Проведенные промысловые испытания опытного долота на штатных режимах эксплуатации показали, что его долговечность возросла на 32% по сравнению с долотами, выполненными по имеющейся технологии. Анализ отработавшего опытного долота показал, что масло из масляных резервуаров переместилось в опоры, при этом опоры в течение всего срока эксплуатации сохраняли работоспособность.
Используемая литература
1. Патент РФ №2389859. Буровое долото с герметизированной опорой / Богомолов P.M., Мокроусов В.П., Ищук А.Г., Гавриленко М.В., Крылов С.М. Опубл. 20.05.2010, бюлл. №14.
2. Патент РФ №2363830. Каналы для гидродинамической подачи смазки для бурового долота с конической шарошкой / Дик Аарон Дж., Линь Чи Ц. Опубл. 10.08.2009, бюлл. №22.