БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО С ГЕРМЕТИЗИРОВАННОЙ ОПОРОЙ
DRILL ROCK BIT WITH SEALED SUPPORT

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым шарошечным долотам с герметизированной маслонаполненной опорой шарошек.
Известно буровое шарошечное долото с герметизированной маслонаполненной опорой шарошек [1], принятое за аналог. Достоинством этого долота является конструкция уплотнения опоры, предусматривающая наличие двух контактирующих друг с другом металлических колец, постоянно поджимаемых друг к другу в осевом направлении двумя эластомерными кольцами круглого сечения. Металлические кольца из износостойкой стали с высокой твердостью контактируют по взаимопритертой поверхности небольшой площади, препятствуя проникновению в полость опоры абразивной массы выбуренной породы в течение всего достаточно длительного времени работы бурового долота на забое скважины.
Недостатком этого бурового долота является то, что для размещения двух стальных и двух поджимающих эластомерных колец необходимо значительно сократить размер опоры, в частности длину большого подшипника скольжения. Сокращение габаритов основного несущего подшипника в опоре способствует снижению стойкости опоры и долота в целом.
Известно другое буровое шарошечное долото с герметизированной опорой [2], взятое за прототип. Преимуществом этого долота являются уменьшенные габариты по оси цапфы лапы уплотнительного устройства, позволяющие полнее использовать пространство для большого подшипника скольжения, по сравнению с аналогом. Герметизация опоры обеспечивается в этом долоте контактом с торцевой поверхностью шарошки стального ступенчатого кольца, поджимаемого кольцевой гофрированной пружиной, покрытой по всей поверхности эластичным материалом.
Недостатки у системы герметизации этого долота следующие. Пружина, выполненная в виде непрерывной гофрированной металлической ленты, является достаточно жестким элементом, с малой амплитудой колебаний в направлении оси шарошки; кроме того, при большом числе знакопеременных нагружений и разгружений при постоянных осевых колебаниях шарошки во время бурения она быстро теряет свои эластичные свойства. При этом усилие поджима консольной части стального кольца к торцу шарошки снижается, а возможность попадания при этом абразивной массы выбуренной породы в полость опоры возрастает. Другим недостатком уплотнения является наличие открытого конического пространства между обрезиненной наружной поверхностью уплотнения со стороны лапы и торцом лапы. При возможных проворотах уплотнения вокруг цапфы во время вращения шарошки, вызванных эластичными свойствами посадочной поверхности, массы частиц выбуренной породы получают возможность проникать в полость опоры между эластичной частью уплотнения и поверхностью цапфы лапы, снижая стойкость опоры.
Предлагаемое изобретение лишено перечисленных недостатков аналога и прототипа. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности бурового долота с герметизированной маслонаполненной опорой. Этот результат достигается тем, что в буровом долоте с герметизированной опорой, включающем корпус из свариваемых секций лап, на цапфах которых подвижно закреплены шарошки с породоразрушающими органами и полостями опор с торцовыми уплотнениями в виде контактирующих и поджимающих элементов, поджимающий элемент выполнен в виде покрытого эластичным слоем пружинного каркаса, имеющего кольцевое цилиндрическое основание, плотно насаживаемое на цапфу до ее основания, отдельные упругие конические лепестки в виде консолей с одним закрепленным на основании концом посредством промежуточной криволинейной части таким образом, чтобы между образующей цилиндрического основания и образующей конуса лепестков был обеспечен угол α>90°. Между лепестками и торцовой поверхностью паза в шарошке устанавливается притертое сплошное контактное кольцо. Между лепестками и торцом лапы под контактным кольцом может дополнительно устанавливаться упорное эластичное кольцо.
В предлагаемом долоте гофрированная коническая лента прототипа заменена пружинным цанговым каркасом, имеющим с внутренней стороны цельное цилиндрическое основание, а с наружной стороны разделенные радиальными прорезями отдельные упругие лепестки. Каждый упругий лепесток соединен с цилиндрическим основанием криволинейной переходной частью таким образом, чтобы угол α между образующей цилиндрического основания и образующей внутренней поверхности лепестков соответствовал величине α>90°. Форма каркаса и отдельных лепестков позволяет кратно увеличить амплитуду и упругие свойства уплотнения за счет выполнения лепестков в виде консоли с одним жестко закрепленным концом. Форма цельного цилиндрического основания позволяет не только жестко закрепить один конец лепестка, но и плотно, с натягом, установить уплотнение на цапфу лапы, дополнительно увеличив его стойкость от проворота и проникновения частиц выбуренной породы со стороны цапфы лапы.
Со стороны шарошки уплотнение обеспечивается контактным тальным кольцом, а с противоположной стороны - полостью и установочным буртом для установки и крепления на пружинном цанговом каркасе. Крепление на цанговом каркасе может обеспечиваться во время покрытия каркаса эластичным материалом, например обрезиниванием. Для предотвращения попадания массы частиц выбуренной породы на входе в полость между поверхностями цапфы лапы и уплотнения предусмотрено размещение дополнительного кольца, выполненного из эластичного материала, например эластомера или полиэтилена.
Кроме защиты полости под уплотнением от попадания массы частиц выбуренной породы, дополнительное упорное эластичное кольцо гарантирует постоянный поджим стального контактного кольца во время осевых колебаний шарошки в случае усталостного ослабления поджима каркасом после большого числа циклов «поджим-отжим», как и в прототипе. Значительным положительным свойством предлагаемого уплотнения является относительная неподвижность дополнительного упорного эластичного кольца, не касающегося вращающейся шарошки.
Перечень фигур чертежей. На фиг.1 представлен вид части продольного разреза узла герметизации опоры предлагаемого долота, на фиг.2 показан цанговый каркас уплотнения, на фиг.3 - стальное сплошное контактное кольцо, на фиг.4 - вариант уплотнения в сборе с установленным стальным сплошным контактным кольцом, на фиг.5 изображено уплотнение в сборе с дополнительным упорным кольцом, на фиг.6 показан вид части продольного разреза узла герметизации опоры с дополнительным упорным кольцом.
Обозначения на фиг.1: поз.1 - фрагмент цапфы лапы долота; поз.2 - фрагмент шарошки; поз.3 - торцовый кольцевой паз на шарошке; поз.4 - торцовый зазор между шарошкой и основанием цапфы лапы; поз.5 - цанговый каркас и его элементы: цельное цилиндрическое основание 6, криволинейная переходная часть 7, наклонная прямолинейная часть лепестков 8, полка 9 для установки контактного кольца 10 с ответной плоской установочной поверхностью 11 и установочный бурт 12, эластичное покрытие 13 цангового каркаса. Угол наклона прямолинейной части лепестка к образующей цилиндрического основания цангового каркаса обозначен буквой α. Позицией 16 обозначена часть втулки подшипника скольжения.
На фиг.2 поз.15 обозначены радиальные прорези в цанговом каркасе 5, его цилиндрическое основание - поз.6, криволинейная переходная часть - поз.7, наклонная прямолинейная часть лепестков - поз.8, полка - поз.9 для установки сплошного контактного кольца.
На фиг.3 показано стальное сплошное контактное кольцо 10 с установочной плоской поверхностью 11 и установочным буртом 12.
На фиг.4 поз.5 обозначен цанговый каркас, поз.10 - контактное кольцо, поз.13 - эластичное покрытие цангового каркаса.
На фиг.5 и 6 позицией 14 показано дополнительное эластичное упорное кольцо уплотнительного узла.
Уплотнение работает следующим образом. На цапфу лапы 1 плотно устанавливается герметизирующий цанговый каркас с эластичным покрытием 5 и контактным кольцом 10 до упора в основание цапфы лапы. Затем устанавливается и подвижно закрепляется на цапфе лапы шарошка 2 (узел закрепления не показан). Во время установки шарошки выбираются зазоры между ней и сплошным контактным кольцом 10, а также сжимается дополнительное упорное эластичное кольцо 14. При осевых колебаниях шарошки во время процесса бурения зазоров ни снизу, ни сверху уплотнения не образуется за счет цангового каркаса 5 и дополнительно от воздействия упорного кольца 14.
Для повышения удельного давления по поверхности контакта торца шарошки и контактного кольца площадь поверхности контакта может регулироваться, например, точным выполнением малого предела углов наклона контактных поверхностей шарошки и контактного кольца 10 в пределах от 0° до 4°, как показано на фиг.1.
Надежность герметизации опор и работы предлагаемого долота подтверждена результатами испытаний образцов такого долота в бурении.
Источники информации
1. Патент США №4 923 020 от 08.05.1990 г. «Буровое долото с жестким сальниковым уплотнением» (аналог).
2. Патент США №3 370 895 от 27.02.1968 г. «Герметизирующее уплотнение для буровых долот» (прототип).