БУРОВОЕ ДОЛОТО С ГЕРМЕТИЗИРОВАННОЙ МАСЛОНАПОЛНЕННОЙ ОПОРОЙ
BORE BIT WITH SEALED OIL FILLED SUPPORT

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым долотам с герметизированной маслонаполненной опорой шарошек.
Известно буровое шарошечное долото с герметизированной маслонаполненной опорой шарошек [1], принятое за аналог. Достоинством этого долота является надежная конструкция герметизирующего устройства опоры, предусматривающая наличие двойного уплотнения с помощью двух эластомерных колец. Эти кольца, установленные друг за другом, препятствуют 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 эластомерных колец необходимо занять до 60% и более длины 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 уплотнительного устройства по оси цапфы лапы, позволяющие полнее использовать пространство для размещения 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, работающим на сжатие, 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 лента 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 относительно слабыми тормозящими свойствами посадочной поверхности, массы частиц выбуренной породы получают возможность проникать в полость опоры между эластичной частью уплотнения и поверхностью цапфы лапы, снижая стойкость опоры. Другим недостатком прототипа, хотя и в меньшей степени, чем у аналога, является сокращение габаритов опоры - длины большого подшипника скольжения в опоре из-за необходимости выполнения полости под размещение уплотнения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности бурового долота с герметизированной маслонаполненной опорой скольжения. В первом варианте предлагаемого бурового долота этот результат достигается тем, что в долоте, включающем корпус из свариваемых секций лап, на цапфах которых подвижно закреплены шарошки с породоразрушающими зубьями и полостями опор с уплотнениями в виде контактирующих и поджимающих элементов, поджимающий элемент выполнен в виде покрытого эластичным слоем пружинного каркаса, имеющего кольцевое цилиндрическое основание, жестко насаживаемое на отдельный кольцевой выступ торцовой поверхности лапы, отстоящий от кольцевой поверхности цапфы. Отдельные упругие конические лепестки пружинного каркаса выполнены 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 к шарошке сплошное контактное кольцо. Между лепестками и торцом лапы под контактным кольцом может дополнительно устанавливаться упорное эластичное кольцо.
В этом предлагаемом варианте долота 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 отдельный кольцевой выступ торцовой поверхности лапы, отстоящий от кольцевой поверхности цапфы. При необходимости еще больше увеличить стойкость уплотнения от проворота оно может фиксироваться клеем.
Со стороны шарошки уплотнение обеспечивается контактным стальным кольцом, а с противоположной стороны - полостью и установочным буртом для установки и крепления контактного кольца на пружинном цанговом каркасе. Крепление на цанговом каркасе может обеспечиваться во время покрытия каркаса эластичным материалом, например обрезиниванием.
Для устранения основного недостатка аналога и прототипа, заключающегося в необходимости резкого сокращения габаритов основного несущего подшипника скольжения опоры для размещения уплотнения, предусмотрено 100% поверхности контакта цапфы и внутренней поверхности шарошки полностью освободить от размещения уплотнительного кольца.
Достигается это тем, что на торцовой поверхности лапы отдельно от основания цапфы выполнен сплошной кольцевой выступ, ось которого совпадает с осью цапфы. Этот кольцевой выступ предназначен для установки и закрепления уплотнительного узла, в прототипе закрепляемого непосредственно на цапфе лапы.
Ответно кольцевому выступу на торцовой поверхности лапы на торцовой поверхности шарошки выполнено углубление под указанный выступ и закрепленное на нем уплотнительное кольцо. Кольцевое углубление в виде ниши в торце шарошки предназначено кроме размещения также и для защиты от истирания указанного выступа лапы с узлом уплотнения.
Расстояние от внутренней полости углубления до поверхности контакта шарошки с цапфой (толщина стенки шарошки) выбирается конструктивно, исходя из прочностных свойств материала и усилий, воспринимаемых шарошкой долота при бурении.
Во втором варианте предлагаемого долота технический результат - повышение надежности работы и долговечности опоры - достигается так же, как и в первом варианте, за счет полного, 100%-го использования поверхности цапфы лапы в качестве опорного элемента, вынесением узла уплотнения с поверхности цапфы на торец шарошки.
В этом варианте вместо цангового уплотнения применено торцовое уплотнение «сталь по стали», в котором постоянный поджим и компенсация износа от истирания стальных колец компенсируется за счет эластичных свойств поджимающих колец.
В третьем варианте изобретения повышение надежности и долговечности опоры обеспечивается, как и в двух предыдущих вариантах, за счет 100%-го использования в работе опоры поверхности контакта цапфы лапы и шарошки. В качестве уплотнительного элемента в этом варианте используется эластомерное кольцо между выступом на торцовой поверхности лапы и шарошкой.
Из приведенных трех вариантов предлагаемого долота с герметизированной маслонаполненной опорой следует понимать, что главный признак изобретения заключается в переносе уплотнительного узла, располагавшегося в аналоге и прототипе непосредственно на цапфе лапы, в полость, выполненную на торце шарошки, с целью максимального использования габаритов и несущей способности главного подшипника скольжения. При этом варианты или схемы самого перенесенного уплотнения могут быть и другими, кроме 3-х приведенных выше вариантов.
Перечень фигур чертежей. На фиг.1 представлен разрез секции долота-аналога. На фиг.2 показан вид продольного разреза секции с первым вариантом узла герметизации предлагаемого долота, на фиг.3 - выноска узла герметизации опоры долота в увеличенном масштабе. На фиг.4 представлен второй вариант предлагаемого долота с узлом герметизации опоры, на фиг.5 - выноска второго варианта узла герметизации опоры в увеличенном масштабе. На фиг.6 показан третий вариант узла герметизации опоры предлагаемого долота, на фиг.7 - выноска этого варианта узла герметизации опоры долота в увеличенном масштабе.
На фиг.1 обозначены: поз.1 - лапа долота; поз.2 - цапфа лапы; поз.3 - первое уплотнение; поз.4 - второе уплотнение; поз.5 - наплавленная рабочая поверхность большого (главного) подшипника скольжения, воспринимающего основную часть осевой нагрузки на долото при его работе на забое скважины; поз.6 - узел спаренного уплотнения; поз.7 - шарошка.
Как видно из фиг.1, узел спаренного уплотнения занимает более 60% длины образующей подшипника скольжения. Использование полной длины подшипника скольжения на цапфе, включая длину образующей под уплотнение, позволило бы резко, более чем на 60%, увеличить несущую способность подшипника, а значит снизить удельную нагрузку на подшипники при бурении и, тем самым, увеличить стойкость опоры и долота в целом.
Обозначения на фиг.2 и 3 (и частично на фиг.4, 5, 6, 7) - поз.8 - элементы вооружения, поз.9 - цапфа лапы, поз.10 - шарошка, поз.11 - замковый палец, поз.12 - стенка скважины, поз.13 - сплошной кольцевой выступ, поз.14 - ниша в торце шарошки, поз.15 - дополнительная стенка шарошки, контактирующая с увеличенной длиной подшипника скольжения, поз.16 - удлиненная плавающая втулка подшипника скольжения, поз.17 - наплавленный слой твердого сплава на нагруженной поверхности большого подшипника скольжения на цапфе лапы, поз.18 - цанговый каркас уплотнения, поз.19 - эластичное покрытие цангового уплотнения, поз.20 - стальное уплотнительное кольцо, устанавливаемое на каркасе, поз.21 - эластичное уплотнительное кольцо, дополнительно поджимающее стальное кольцо 20, поз.22 - канавка для углубления цангового уплотнения при необходимости уменьшения глубины канавки 14 относительно торца лапы 23 у цапфы 9, поз.23 - торцовая поверхность лапы у основания цапфы.
Дополнительные обозначения на фиг.4 и 5: поз.24 - стальное износостойкое кольцо, запрессованное в нишу 14 на торце шарошки; поз.25 - внутреннее износостойкое кольцо, обеспечивающее контакт уплотнения «сталь по стали»; поз.26 - торцовое эластомерное кольцо, обеспечивающее непрерывный поджим стального кольца 25 к кольцу 24; поз.27 - эластичное уплотнительное кольцо, центрирующее положение кольца 25; поз.28 - фасонный паз на выступе 13, фиксирующий положение кольца 27 при работе долота на забое скважины.
Обозначения на фиг.6 и 7: поз.29 - поднутрение в нише 14 для фиксации уплотнительного эластичного кольца 30; поз.31 - лабиринтное уплотнение.
При сборке секций долота по первому варианту (фиг.2) цанговый каркас 18 с эластичным покрытием и стальным контактным кольцом 20 плотно устанавливается до упора на сплошной кольцевой выступ 13. Если необходимо, установка возможна с помощью клея. Затем устанавливается шарошка на цапфу лапы с собранными опорными элементами и замыкается шариками замкового подшипника, фиксируемыми, в свою очередь, замковым пальцем 11. Во время установки шарошки выбираются зазоры между ней и сплошным контактным кольцом 20, сжимается дополнительное эластичное кольцо 21.
При сборке секций долота по второму варианту (фиг 4) кольцо 24 запрессовывается в нишу 14. В углубление 22 на торце лапы устанавливается торцовое уплотнительное эластомерное кольцо 26 и радиальное кольцо 27, затем - стальное кольцо 25. Во время установки шарошки 10 торец стального кольца 25 углубляется в эластомерное кольцо 26 и выбираются зазоры между кольцами 24 и 25. Шарошка фиксируется на цапфе лапы шариками замкового подшипника и замковым пальцем 11.
При сборке секций долота по третьему варианту (фиг.6) уплотнительное эластичное кольцо 30 помещается в поднутрение 29 в нише 14, затем шарошка 10 устанавливается на цапфу и фиксируется шариками замкового подшипника и замковым пальцем 11. Этот вариант герметизации опоры долота дополнительно позволяет применить лабиринтное уплотнение 31.
Все три варианта бурового долота с герметизирующим уплотнением, вынесенным за пределы цапфы лапы, позволяют резко (до 60% и более) увеличить длину образующей и габариты несущего подшипника скольжения и, тем самым, обеспечить повышение стойкости бурового долота.
Результаты промысловых испытаний образцов предлагаемых буровых долот подтверждают их значительные преимущества перед существующими аналогичными конструкциями.
Источники информации
1. Патент США №6533051 от 18.03.2003 г. «Буровое долото с двойным уплотнением» (аналог).
2. Патент США №3370895 от 27.02.1968 г. «Герметизирующее уплотнение для буровых долот» (прототип).