ДОЛОТО С ГЕРМЕТИЗИРОВАННОЙ ОПОРОЙ
BIT WITH SEALED BEARING

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 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 70% 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 опорой скольжения. 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 торцовыми уплотнениями в виде контактирующих и поджимающих элементов, поджимающий элемент выполнен в виде покрытого эластичным слоем пружинного каркаса, имеющего кольцевое цилиндрическое основание, жестко 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 стальным 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 устранения основного недостатка аналога и прототипа, заключающегося в необходимости сокращения габаритов основного несущего подшипника скольжения опоры для размещения уплотнения, наряду с улучшением динамики работы цангового уплотнения предусмотрено дополнительное удлинение вдоль оси цапфы лапы поверхности контакта цапфы и шарошки.
n
n
n
n
Достигается это тем, что в торцовом углублении под уплотнение в шарошке для размещения контактного уплотнительного кольца предусмотрена защитная кольцевая ниша с внутренней перегородкой, образованной с одной стороны поверхностью контакта шарошки с большим подшипником скольжения, а с другой стороны - ограничивающей цилиндрической или иной кольцевой поверхностью, при этом отношение глубины контактной поверхности защитной кольцевой ниши H к глубине нижнего края перегородки от плоскости основания шарошки h соответствует неравенству: H>h.
Перечень фигур чертежей. На фиг.1 представлен разрез секции долота - аналога. На фиг.2 - вид части продольного разреза узла герметизации предлагаемого долота. На фиг.3 показан цанговый каркас уплотнения, на фиг.4 - стальное сплошное контактное кольцо, на фиг.5 - вариант уплотнения в сборе с установленным стальным сплошным контактным кольцом, на фиг.6 изображено уплотнение в сборе с дополнительным упорным кольцом, на фиг.7 показан вид части продольного разреза узла герметизации опоры с дополнительным упорным эластичным кольцом.
Обозначения на фиг.1 долота-аналога с двойным герметизирующим уплотнением: поз.1 - лапа долота; поз.2 - цапфа лапы; поз.3 - первое уплотнение; поз.4 - второе уплотнение; поз.5 - наплавленная рабочая поверхность большого подшипника скольжения, воспринимающего большую часть нагрузки при работе долота на забое скважины; 6 - узел двойного уплотнения; 7 - шарошка.
n
n
n
n
n
n
Обозначения на фиг.2: поз.1 - фрагмент цапфы лапы долота; поз.7 - фрагмент шарошки; поз.8 - торцовый кольцевой паз на шарошке; поз.9 - торцовый зазор между шарошкой и основанием цапфы лапы; поз.10 - цанговый каркас и его элементы: цельное цилиндрическое основание 11, криволинейная переходная часть 12, наклонная прямолинейная часть лепестков 13, полка 14 для установки контактного кольца 15 с ответной плоской установочной поверхностью 16 и установочный бурт 17, эластичное покрытие 18, защитная кольцевая ниша 19 с внутренней перегородкой 20, поверхность контакта шарошки с подшипником скольжения 21, поверхность 22, ограничивающая перемычку с противоположной стороны. Размеры глубин контактной поверхности защитной кольцевой ниши и глубины нижнего края перегородки от плоскости основания шарошки обозначены соответственно H и h и связаны неравенством H>h. Угол наклона прямолинейной части лепестков 13 км образующей цилиндрического основания 11 цангового каркаса обозначен буквой α. Позицией 5 обозначена часть втулки (или наплавка) большого подшипника скольжения. Разница (H-h) соответствует величине дополнительного увеличения длины основного подшипника скольжения, полученной за счет использования предлагаемой схемы уплотнения опоры долота.
На фиг.3 поз.23 обозначены радиальные прорези в цанговом каркасе 10, его цилиндрическое основание - поз.11, криволинейная переходная часть - поз.7, наклонная прямолинейная часть лепестков - поз.8, полка - поз.9 для установки сплошного контактного кольца.
На фиг.4 показано стальное сплошное контактное кольцо 15 с установочной плоской поверхностью 24 и установочным буртом 25.
На фиг.5 поз.10 обозначен цанговый каркас, поз.15 - контактное кольцо, поз.18 - эластичное покрытие цангового каркаса.
На фиг.6 и 7 позицией 26 показано дополнительное эластичное упорное кольцо уплотнительного узла, которое может монтироваться во время нанесения эластичного покрытия цангового каркаса или устанавливаться (например, приклеиваться) после покрытия каркаса.
Уплотнение работает следующим образом. На цапфу лапы 1 плотно устанавливается герметизирующий цанговый каркас 10 с эластичным покрытием 18 и контактным кольцом 15 до упора в основание цапфы лапы 1. Затем устанавливается и подвижно закрепляется на цапфе лапы шарошка 7 (узел закрепления не показан). Во время установки шарошки выбираются зазоры между ней и сплошным контактным кольцом 15, а также сжимается дополнительное упорное эластичное кольцо 26. При осевых колебаниях шарошки во время процесса бурения зазоров ни снизу, ни сверху уплотнения не образуется за счет усилий цангового каркаса 10 и дополнительно от воздействия усилия упорного кольца 26.
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 7 и контактного кольца 15 в пределах от 0° до 4°.
В описании и в иллюстрациях к нему приведена схема опоры долота с большим подшипником скольжения, однако предлагаемая схема герметизации с металлическим уплотнением вполне применима и для опор с большим подшипником качения вместо подшипника скольжения.
Предлагаемая схема герметизации, кроме обеспечения надежности уплотнения опоры, позволяет значительно повысить ее ресурс за счет увеличения длины и опорной поверхности основного несущего подшипника в долотах с герметизацией опоры.
Надежность герметизации опор и работы предлагаемого долота подтверждена результатами испытаний образцов таких долот в бурении.
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).