БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО (ВАРИАНТЫ)
ROLLING DRILLING BIT (VERSIONS)

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошкам долота, и может быть использовано для бурения скважин различного назначения.
Известны буровые шарошечные долота, содержащие лапу с жестко размещенными на ней полуосями, шарошку с породоразрушающими элементами и подшипниковыми опорами трения, герметизированными эластичными уплотнительными кольцами системой смазки, содержащей подшипники скольжения в виде втулки с пазами на наружной и внутренней поверхностях, соединенных между собой каналами (см. патент РФ №2068069, МПК Е21В 10/22, публ. 1996 г.).
К недостаткам известной конструкции следует отнести то, что в ней не исключаются ударные нагрузки, действующие на подшипники опор трения, выводящие их из строя в процессе эксплуатации шарошечного долота.
Известна опора шарошечного долота, содержащая лапу с наклонной цапфой, выполненной с осевым каналом для подачи смазки, уплотнительный элемент и шарошку, установленную на цапфе посредством подшипника скольжения в виде втулки с пазами на наружной и внутренней поверхностях, соединенными между собой каналами, и замкового подшипника, при этом пазы на внутренней и наружной поверхностях подшипника скольжения выполнены с поперечным сечением, имеющим сегментообразную или треугольную форму, и сообщены между собой сквозными каналами, расположенными под углом к радиусу подшипника скольжения, а внутренние пазы подшипника скольжения дополнительно сообщены с осевым каналом цапфы (патент РФ №2346133, МПК Е21В 10/22, публ. 2009 г.).
Такое выполнение опоры долота позволяет уменьшить пульсирующие ударные нагрузки на замковый подшипник и тем самым повысить стойкость опоры долота в целом, но не устраняет от разрушения подшипников, и прежде всего замкового подшипника, от непредсказуемых ударных нагрузок.
Известно буровое долото с герметизированной маслонаполненной опорой, содержащей корпус с тремя секциями в виде лап (полуоси), на цапфах которых подвижно закреплены три шарошки, наружные поверхности которых оснащены породоразрушающими зубьями. Схемы опорных подшипников могут быть выполнены различными, например в виде подшипника качения, скольжения, комбинированные с герметизированными эластичными уплотнительными кольцами, в которых дорожка для их размещения на цапфе лапы выполнена с эксцентриситетом - смещением в противоположную сторону от нагружаемой ее стороны (патент №2269635, МПК Е21В 10/22, публ. 2006 г.).
Недостатком известной конструкции является отсутствие между корпусом с лапами, на которых подвижно закреплены шарошки с породоразрушающими элементами, и подшипниками трения в опоре демпферных устройств, снижающих или устраняющих непредвиденные динамические нагрузки на подшипники при бурении, которые увеличивают гарантированные зазоры в парах трения подшипников, а также величину эксцентриситета дорожки, где размещается уплотнительный элемент. Поэтому внутри уплотнительного кольца возникают пульсирующие нагрузки в процессе бурения, которые и приводят к ускоренному механическому разрушению прокладки, разгерметизации опоры в целом и абразивному износу ее подшипников.
Все это снижает работоспособность подшипников опоры, а следовательно, и долота в целом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является шарошечное долото (авторское свидетельство СССР №1588857, МПК Е21В 10/22, публ. 1990 г.), содержащее полуось, шарошку, закрепленную на цапфе полуоси через опору посредством замкового подшипника, выполненного в виде цанговой втулки, установленной в кольцевой решетке шарошки, при этом средняя часть цанговой втулки выполнена в виде подшипника скольжения, причем упор на цапфе для цанговой втулки образован ее Г-образным концевым участком, размещенным в кольцевой проточке полуоси, а средняя часть цанговой втулки выполнена с продольными пазами во внутренней и наружной поверхностях, при этом пазы выполнены в шахматном порядке и заполнены твердой смазкой или износостойким материалом. Смазка и износостойкий материал могут быть расположены в продольных пазах втулки поочередно.
Такое конструктивное решение позволяет увеличить работоспособность, но оставляет нерешенной основную причину, снижающую ресурс шарошечного долота - негативное разрушающее воздействие ударных динамичных нагрузок на подшипники опоры трения.
К недостаткам этой сложной конструкции относится также повышенная трудоемкость при изготовлении.
К недостаткам известных устройств относится также неправильный подбор материалов элементов пар трения в опорах трения скольжения и выбор системы их смазки и режима функционирования при их эксплуатации. Например в парах трения скольжения, изготавливаемых на Самарском предприятии ОАО «ВолгоБурМаш», используют в качестве антифрикционного элемента покрытие из серебра, например М2.Ср. 1С-20 ГОСТ 9.306-85 твердостью 38…45 HRCэ., а контрэлемента пары - из стали 19ХГНМА. Такая пара не является эффективной в предложенной конструкции, а используемый в системе смазки вакуумный принцип заправки смазкой опор трения шарошки не обеспечивает надежного. механизма смазки этой пары трения.
В соответствии с изложенным технической задачей изобретения является повышение ресурса всех установленных в опоре трения подшипников и доведение их ресурса до максимально известного ресурса шарошки с породоразрушающими элементами, с одновременным увеличением всех показателей эффективности предлагаемой конструкции буровых шарошечных долотов при их изготовлении, эксплуатации и ремонтах.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
Буровое шарошечное долото содержит лапу с жестко закрепленной на ней полуосью, шарошку с породоразрушающими элементами, соединенную с полуосью посредством подшипникового узла, включающего замковый подшипник, уплотнительное устройство и систему смазки пар трения опор. Шарошка выполнена сборной и содержит корпус с жестко прикрепленными породоразрушающими элементами и опору трения шарошки, между которыми размещено демпфирующее устройство. Подшипниковый узел включает замковый подшипник в виде подшипникового сферического модуля, содержащего внутреннее сферическое и наружное кольца, а также радиальный и осевой подшипники скольжения, размещенные на цапфах полуоси и закрепленные на Г-образной втулке, причем Г-образная втулка размещена неподвижно в расточке опоры трения, образованной со стороны лапы, а подшипниковый сферический модуль установлен своим наружным кольцом в расточке опоры трения, образованной со стороны корпуса шарошки, и взаимодействует одним из торцов внутреннего кольца с осевым подшипником скольжения, расположенным на Г-образной втулке. Наружное кольцо подшипникового сферического модуля зафиксировано через демпфирующее устройство, выполненное в виде кольца, выступом корпуса шарошки, внутреннее сферическое кольцо подшипникового сферического модуля зафиксировано от проворота шпоночным соединением, а от осевого перемещения планкой, прикрепленной болтовым соединением к торцу полуоси. Со стороны лапы в опоре предусмотрена расточка, в которой размещено грязесъемное устройство.
В другом варианте исполнения буровое шарошечное долото содержит лапу с жестко закрепленной на ней полуосью, шарошку с породоразрушающими элементами, соединенную с полуосью посредством подшипникового узла, включающего замковый подшипник, уплотнительное устройство и систему смазки пар трения опор. Шарошка выполнена сборной и содержит корпус с жестко прикрепленными породоразрушающими элементами и опору трения шарошки, между которыми размещено демпфирующее устройство, при этом замковое устройство выполнено в виде отторцованного с двух сторон шара, неподвижно закрепленного на полуоси резьбовым соединением и зафиксированного от самоотвинчивания посредством штифтов, соединяющих по оси образованную внутри шара стенку с торцом полуоси, и закрепленного на демпфирующем устройстве, выполненном в виде прокладки, сферического кольца с подшипником сферическим скольжения, нанесенным на внутреннюю сферическую поверхность шарошки. Опора трения снабжена грязезащитным уплотнительным устройством.
Для реализации эффекта безызносности в предлагаемых двух вариантах конструктивного технического решения буровых шарошечных долот пары трения опоры являются беззазорными, а их антифрикционные элементы - подшипники скольжения - выполнены из самосмазывающегося антифрикционного композиционного материала, изготовленного из антифрикционной технической ткани, сотканной из волокон политетрафторэтилена и аримида, пропитанной связующим - композицией из ГИПК-114, а рабочая контактная поверхность материала в паре пропитана антифрикционной композицией типа Сурм-Т, при этом на поверхностях контактных контрэлементов пар трения скольжения нанесено антифрикционное покрытие Сурм-Тк, реализующее с подшипниками скольжения - антифрикционным элементом пары трения скольжения - механизм эффекта безызносности.
Опора трения шарошки может быть выполнена из высокопрочного противоударного полимерополиуретанового материала, например, «Эрталон», или капролона НТО «Альвис», или другого аналогичного материала.
Демпфирующие элементы могут быть выполнены из эластомерного материала, например полиуретана.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид шарошки долота в разрезе (вариант 1); на фиг.2 изображен общий вид шарошки долота в разрезе (вариант 2).
Долото включает в себя (фиг.1) лапу 1 с жестко закрепленными на ней полуосями 2, сборную шарошку, состоящую из корпуса 3 с жестко закрепленными породоразрушающими элементами (не показаны) и опоры 4, между которыми размещено демпфирующее устройство 5, объединенными друг с другом болтовыми 6 и штифтовыми 7 соединениями. От самооткручивания болтов используется запирающая шайба 8.
Присоединение шарошки сборной к полуоси осуществляется посредством замкового подшипника, выполненного в виде подшипникового сферического модуля 9, а также радиального 10 и осевого 11 подшипников скольжения, закрепленных на Г-образной втулке 12, которую размещают неподвижно в расточку 13 опоры 4 трения со стороны лапы 1 до упора 14 полуоси 2.
Подшипниковый сферический модуль 9 установлен своим наружным сферическим кольцом 15 в расточку 16 опоры 4 трения со стороны корпуса 3 шарошки до упора в выступ 17 расточки, вступая при этом одним из своих торцов внутреннего кольца 18 в кинематическую связь с осевым подшипником 11 скольжения, расположенного на Г-образной втулке 12. В таком положении наружное сферическое кольцо 15 фиксируется через демпферное кольцо 19 выступом 20 корпуса 3 шарошки.
Внутреннее сферическое кольцо 18 модуля 9, установленное на цапфе 21 полуоси 2, фиксируется от проворота шпоночным соединением 22, а от осевого перемещения - планкой 23, закрепленной болтовым соединением 24 с торцом 25 полуоси 2, которое, в свою очередь, фиксируется от самоотвинчивания болтов в процессе эксплуатации укрепляющей шайбой 26.
Со стороны лапы 1 в опоре 4 предусмотрена расточка 27, в которой размещено грязесъемное устройство, например, типа Е-71 фирмы «Элконт», состоящее из уплотняющего полимерного кольца 28 и пружин 29.
По второму варианту (фиг.2) долото включает в себя лапу 30 с жестко размещенными на ней полуосями 31, сборную шарошку, состоящую из корпуса 32 с жестко размещенными породоразрушающими элементами (не показаны), и опоры 33, между которыми размещена демпфирующая прокладка 34, объединенными друг с другом болтовыми 35 и штифтовыми 36 соединениями. От самооткручивания болтов используется запирающая шайба 37.
Присоединение сборной шарошки к полуоси осуществляется замковым подшипниковым устройством, содержащим отторцованный с двух сторон шар 38, соединенный с полуосью посредством резьбового соединения 39 до упора в торец днища 40, расположенного внутри шара и зафиксированного от проворота штифтами 41. Установка шара осуществляется после монтажа опоры 33 с уплотнительным устройством типа ЕЗО, выполненным по схеме фирмы «Элконт» (Каталог «Уплотнения и опоры», М., 1998 г.), состоящим из манжеты 42 и резинового кольца 43, и антифрикционной сборной втулки 44, содержащей втулку 45 и закрепленные на ней неподвижно радиальный 46 и торцовый 47 подшипники скольжения, а также сферическое антифрикционное кольцо 48 с неподвижно закрепленным на нем сферическим подшипником 49.
Корпус 32 внутри имеет сферическую поверхность Dш, на которой неподвижно размещены демпфируюбщая прокладка 50 шаровой формы, выполненная, например, из полиуретана, и подшипники сферические скольжения 51, находящиеся после сборки с поверхностью 52 шара 38 в кинематическом соединении по подвижной посадке.
Принцип работы долота заключается в следующем.
Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого с поверхности через колонну бурильных труб, породоразрушающие элементы корпуса шарошки внедряются в породу и разрушают ее. При внедрении в породу составляющие ее части могут значительно превышать по твердости среднюю твердость породы, и тогда возникают дополнительные динамические нагрузки, резко снижающие ресурс подшипников.
Поэтому между корпусом 3 и опорой 4 (фиг.1), а также поверхностью 52 шара 38 (фиг.2) и сферической внутренней поверхностью корпуса 32 установлены демпферные прокладки 5 и 19 (фиг.1) и 34 и 50 (фиг.2), выполненные, например, из полиуретана, снижающие пиковые нагрузки на подшипники скольжения: радиальные 10 и торцевые 11, а также сферические в модуле 9 (фиг.1) и радиальные 46, торцевые 47, а также сферические 51 (фиг.2).
Предложенные в качестве подшипников материалы в виде самосмазывающихся композиций с покрытием из антифрикционного составов обеспечивают режим безызносности в парах, контртела которых снабжены на рабочих поверхностях антифрикционным, износостойким покрытиями, что позволяет отказаться от системы смазки и обеспечить работу подшипников в едином режиме сухого или полусухого трения.
Предложенные уплотнительные устройства фирмы «Элконт» проверены при работе в аналогичных условиях и надежно обеспечивают защиту от попадания абразивных элементов к узлам трения опоры.
Предложенные конструктивные решения позволят повысить работоспособность шарошечного бурового долота и, как следствие этого, технико-экономические показатели буровых работ, особенно при применении форсированных режимов бурения.