РЕЗЕРВУАР ДЛЯ СМАЗОЧНОЙ СИСТЕМЫ БУРОВОГО ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА
TANK FOR LUBRICATION SYSTEM OF ROLLING CUTTER DRILLING BIT

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 резервуара для смазочной системы бурового 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 клапана, 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 отверстий в крышке и ослаблении колебаний давления в затрубном пространстве.
Известен другой вариант конструкции резервуара смазочной системы бурового долота, 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. Схемы 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.
Известен другой резервуар для смазочной системы бурового долота, принятый за прототип [3].
В отличие от обоих аналогов конструкция этого резервуара снабжена стальной тарельчатой пружиной, обеспечивающей 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, 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 пружины, а значит, он  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 сжимаемый 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 резервуара для смазочной системы бурового долота с герметизированной опорой, содержащего корпус, герметично устанавливаемый и жестко закрепляемый в отверстии лапы, эластичную мембрану с радиальным и торцевым металлическим каркасом, торцевую кольцевую центрирующую шайбу, торцевой поджимающий элемент, коническую резьбовую пробку, 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, в котором со стороны мембраны, внутри резервуара установлен диск с боковой резьбой и стопорным штифтом, ответным отверстию на дне гнезда резервуара, позволяющий наворачивать корпус на диск и регулировать усилие поджима уплотнения мембраны к торцу поджимающего элемента с помощью торцевого ключа со стороны наружного торца корпуса после установки в гнездо собранного резервуара. Резьба предпочтительно самотормозящая, предназначена для заворота диска в ответную резьбу на открытой внутренней стороне корпуса резервуара. На диске имеется сквозное отверстие, служащее для прохождения промывочной жидкости в полость под эластичную мембрану. Диск со стопорным штифтом на торце остается неподвижным во время «заворота - отворота» корпуса резервуара при регулировании давления тарельчатой пружины, при котором начинается сброс внутреннего давления из смазочной системы. Кольцевой плоский эластичный бурт мембраны на ее торце является одновременно установочным и поджимным герметизирующим элементом, прижимаемым к ответному торцевому непрерывному кольцевому выступу на резервуаре во время его вращения. Отверстия на диске в центре поджимающей пружины и центрирующей шайбе, а также система зазоров между буртом мембраны и стенкой корпуса служат для свободного прохода промывочной жидкости под внутреннюю поверхность эластичной мембраны для создания там давления, обеспечивающего компенсацию смазки в опоре. На боковой поверхности резервуара предусмотрены каналы в виде боковой проточки и отверстий для прохода смазки под избыточным давлением через систему подводящих каналов в зоны трения подшипников в опорах.
Предлагаемая конструкция резервуара для смазочной системы бурового шарошечного долота позволяет регулировать и устанавливать желаемую величину давления под эластичной мембраной поворотами корпуса после его установки в гнездо и заправки системы смазкой.
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, происходит сжатие и отвод эластичного бурта мембраны и тарельчатой пружины относительно кольцевого бурта корпуса резервуара и далее по системе вышеуказанных отверстий и зазоров, часть избыточной смазки 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 может возобновляться снова.
Перечень фигур 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, 12 и 13 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 - прилив для размещения промывочного узла (не показано), 5 - отверстие для размещения стопорного штифта для удержания насадки (не показано).
На фигуре 2 позициями обозначены: 6 - корпус резервуара, 7 - эластичная диафрагма, 8 - металлический каркас диафрагмы радиальный, 9 - металлический каркас торцевой, 10 - центрирующая шайба, 11 - тарельчатая пружина, 12 - регулировочный диск, 13 - первое уплотнительное кольцо, 14 - второе уплотнительное кольцо, 15 - отверстие в лапе, соединяющее гнездо для размещения резервуара с затрубным надшарошечным пространством, 16 - коническая затворная пробка, 17 - кольцевая проточка на наружной поверхности резервуара для прохода смазки, 18 - сквозные отверстия в корпусе, 19 - входное отверстие в лапе для транспортировки смазки из корпуса резервуара в зону нагрева подшипника, 20 - стопорное кольцо, 21 - глухие отверстия в дне резервуара для монтажного торцевого ключа, 22 - резьба на регулировочном диске и ответная в резервуаре, 23 - отверстие на дне гнезда для установки резервуара, 24 - стопорный штифт в регулировочном диске, 25 - радиальный зазор между корпусом резервуара, диафрагмой и центрирующей шайбой, 26 - всегда открытый паз на торце поверхности регулировочного диска со стороны контакта с тарельчатой пружиной 11, 27 - ребра жесткости на эластичной диафрагме 7; 28 - сквозные отверстия в регулировочном диске, 29 - отверстие в шайбе 10.
На фигурах 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 элементы на деталировке имеют то же обозначение, что и на фигуре 2.
Вначале резервуар для смазочной системы бурового долота с герметизированной опорой собирается на стенде. Для этого на кольцевой выступ в корпусе резервуара последовательно устанавливаются: эластичная диафрагма 7, выполненная обрезиненной с радиальным 8 и торцевым 9 металлическими каркасами. Следом за диафрагмой устанавливается центрирующая шайба 10, выполненная со всегда открытыми пазами на дне и зазорами на боковой поверхности. Затем устанавливается тарельчатая пружина 11, которая затем поджимается заворотом регулировочного диска 12 по резьбе 22 внутри резервуара 6 и предварительно сжимает тарельчатую пружину 11. Затем устанавливаются уплотнительные кольца 13 и 14, сквозь которые в гнездо устанавливается собранный резервуар, фиксируемый затем стопорным кольцом. Усилие зажима бурта диафрагмы, создаваемое при помощи вращения корпуса торцевым ключом, должно быть больше, чем 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 индивидуально. Для этого наконечник шланга с давлением жидкости (или воздуха) заворачивается вместо конической затворной пробки и имитирует давление внутри смазочной системы, постепенно его наращивая, для чего по регулировочному диску заворачивают или разворачивают корпус резервуара, регулируя таким образом давление тарельчатой пружины, имитируя условия срабатывания резервуара.
Затем система дозаполняется консистентной смазкой и завинчивается пробка 16. После покраски и клеймения долото готово к работе.
Испытание опытных образцов долот с предлагаемым резервуаром для смазочной системы бурового шарошечного долота 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.