БУРОВОЕ ДОЛОТО С ПРОДУВКОЙ ЗАБОЯ ВОЗДУХОМ И ГЕРМЕТИЗАЦИЕЙ ОПОР ШАРОШЕК
DRILL BIT WITH BLOWING FACE BY AIR AND SEALING OF ROLLING CUTTER BEARINGS

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровым долотам с продувкой забоя воздухом.
Известно буровое долото [1], принятое за аналог. Это долото с герметизированной опорой шарошек предназначено для бурения глубоких скважин в нефтегазовой отрасли.
В этом долоте узел компенсации смазки во время бурения расположен в верхней части секции, между резьбой для присоединения к бурильной колонне и цапфой лапы. Основной деталью узла компенсации является эластичная мембрана, которая при изменении давления в скважине осуществляет возвратно-поступательное движение и воздействует на смазку, задавливая ее через систему каналов в лапе в зоны трения в опорах. В полости отверстия под узел компенсации смазки расположены также стальной габаритный стаканчик, неподвижно закрепленный на уступе отверстия вместе с эластичной мембраной. Снаружи корпуса лапы гнездо узла компенсации смазки закрыто герметизированной крышкой, фиксируемой разжимным стопорным кольцом. Со стороны надшарошечного пространства гнездо узла компенсатора смазки соединено с затрубным пространством с помощью отверстия.
Недостатком такого узла компенсации смазки является место расположения отверстия в надшарошечном пространстве, которое часто засаливается избытком вязкого шлама, выводя узел из строя. Общеизвестно, что при прохождении промывочной жидкости сквозь насадки-сопла на забой происходит перепад давления на долоте, составляющий до одной трети от давления в трубном пространстве и внутренней полости долота. Несмотря на этот недостаток, даже уменьшенного давления в затрубном пространстве достаточно для непрерывной очистки забоя от шлама, а также для работы компенсационного узла. Поэтому указанная схема широко и успешно применяется в долотах для глубокого бурения с промывкой забоя жидкостью. Однако эта схема не нашла применения в карьерном бурении мелких скважин с продувкой забоя воздухом.
Известно другое буровое долото [2], принятое в качестве прототипа, с герметизированной маслонаполненной опорой и продувкой забоя воздухом. В этом долоте узел компенсации смазки расположен, как и в аналоге, с наружной стороны лапы, в верхней части корпуса.
В этом долоте предусмотрены три автономные системы. Первая - для очистки забоя сжатым воздухом через три боковые насадки-сопла. Вторая - для охлаждения опор от перегрева. В этой системе часть воздуха из трубного пространства направлена по индивидуальной системе каналов внутрь цапфы лапы, минуя полость опоры. Третья система - смазочная. Как и в аналоге, эта система снабжена резервуаром для узла компенсации смазки, эластичной мембраной, стальным габаритным стаканчиком, герметизированной крышкой со стопорным разжимным кольцом, индивидуальной системой каналов для подвода смазки из резервуара к зоне нагрева подшипников.
Основным недостатком прототипа, мешавшим его широкому внедрению в бурение, было низкое принудительное давление на эластичную мембрану в течение всего времени бурения. Так же, как и в аналоге, перепад (потеря) давления на долоте составлял около одной трети общего давления на стояке. Оставшегося давления в затрубном пространстве было недостаточно. В большинстве применяемых передвижных станках для бурения карьерных скважин малой глубины компрессоры, работающие в режиме экономии электроэнергии, развивают невысокое давление в бурильной колонне (порядка 3-4 атм).
После перепада (потери) давления на долоте даже это невысокое давление уменьшается еще на треть. Такого давления не хватает, чтобы продавить вязкую долотную смазку через систему каналов к подшипникам опоры. Поэтому увеличение принудительного давления на эластичную диафрагму в течение всего периода бурения является важной задачей, особенно если учесть современную тенденцию замены в опорах шарошек недостаточно стойких подшипников качения на гораздо более стойкие подшипники скольжения, способные работать только в условиях непрерывной смазки и своевременной компенсации ее расхода во время бурения.
Целью данного изобретения является обеспечение повышения надежности и эффективности работы долота за счет улучшения компенсационного узла маслонаполненной герметизированной опоры.
Указанная цель достигается тем, что в буровом долоте с продувкой забоя воздухом и герметизацией опор шарошек, содержащем корпус из трех сваренных секций с присоединительной резьбой, продувочными каналами для очистки забоя от шлама, компенсационными узлами расхода смазки в опорах с эластичными мембранами и каналами, подводящими к ним давление, шарошки с породоразрушающими зубьями, подвижно закрепленные на цапфах лап с помощью подшипникоав качения и скольжения, в котором принудительное давление воздуха на эластичные мембраны компенсационных узлов осуществляется через подводящие каналы, выполненные в грудках двухгранных углов лап со стороны ниппельной части долота и со стороны смазочного гнезда, а также полые трубки, закрепленные одним концом на входе в подводящие каналы и открытые с другого конца внутри трубного пространства в ниппельной части долота.
При этом энергия потока сжатого воздуха полностью направляется через боковые продувочные каналы для очистки забоя от шлама. Величина принудительного давления на эластичные мембраны, равного давлению в трубном пространстве, всегда больше, чем в аналоге и прототипе, на величину перепада давления на долоте.
На фиг.1 показано сечение одной секции предлагаемого бурового долота. Позициями обозначены: 1 - лапа секции долота, 2 - шарошка, 3 - шариковый замковый подшипник, 4 - радиальные подшипники скольжения, 5 - плавающая втулка скольжения, 6 - упорный подшипник скольжения, 7 - плавающая шайба, 8 - герметизирующий опору эластичный элемент, 9 - цапфа лапы, 10 - гнездо для компенсационного узла, 11 - эластичная мембрана компенсационного узла, 12 - металлический габаритный стаканчик, 13 - крышка компенсационного узла, 14 - эластичное кольцо, герметизирующее крышку, 15 - стопорное кольцо для крышки, 16 - трубка, 17 - каналы, соединяющие полость трубки с полостью гнезда 10, 18 - уплотнение для крепления трубки в канале 17, 19 - продувочное сопло-насадка для подачи сжатого воздуха на забой, 20 - система каналов для подвода смазки из гнезда компенсационного узла в опору.
Секции могут свариваться в корпус электронным тепловым лучом или обычной сваркой. Схема расположения подшипников в опоре, показанная на фиг.1, является предпочтительной, но она может изменяться в случае необходимости. Трубка 16 может устанавливаться или при сборке секций, или в уже собранном долоте. Схема крепления трубки также может быть различной - на резьбе, с помощью эластичной прокладки, с помощью клея и др. Верхний край трубки 16 для предохранения от попадания может защищаться фильтром-сеткой, может иметь скос для защиты от возможности накопления шлама на торце трубки (не показано).
В верхней части полости ниппеля, являющейся трубным пространством, для герметизации и предотвращения попадания в полость шлама через продувочные каналы во время наращивания буровой штанги или при внезапной остановке компрессора может быть установлен предохранительный герметизирующий клапан любой известной конструкции.
Заправка смазкой полости компенсационного узла может производиться с помощью вакуумной установки в заводских условиях, а дозаправка - непосредственно на буровой.
При работе долота на забое при компенсации расхода смазки в опорах полностью используется величина внутритрубного давления для воздействия на эластичную мембрану. Это давление больше, чем в прототипе, примерно на одну треть. Преимущество предлагаемого изобретения позволяет повысить продолжительность работы опоры и показатели долота в целом.
Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот, изготовленных в соответствии с данным изобретением.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США «Буровое долото с торцевым уплотнением и компенсатором расхода смазки», кл. Е21В 10/20, 1988.
2. Патент РФ №1559095 «Буровое шарошечное долото», кл. Е21В 10/22, 1988.