буровое долото с системой компенсации расхода смазки в опорах шарошек

Формула изобретения

1. Буровое долото с системой компенсации расхода смазки в опорах шарошек, содержащие корпус в виде сваренных секций с лапами, на цапфах которых подвижно смонтированы шарошки с породоразрушающими зубьями и герметизирующими элементами, в лапах выполнены резервуары для смазки с эластичными элементами-мембранами, которые при колебаниях давления в затрубном пространстве принудительно заставляют перемещаться смазку по системе каналов, сообщающих резервуары с зонами трения в опорах, отличающееся тем, что в лапах вдоль радиусной стенки со стороны ниппеля долота выполнен резервуар для смазки в виде ступенчатого прямолинейного цилиндра, ось которого наклонена под углом 2÷6° относительно оси долота, системой каналов соединенного с зонами трения в опорах, внутри резервуара с помощью жестких нижней и верхней крышек герметично установлена круглая эластичная емкость со смазкой, воспринимающая колебания давления промывочной жидкости в затрубном пространстве через отверстия в вертикальной стенке резервуара.

2. Буровое долото с системой компенсации расхода смазки в опорах шарошек по п.1, отличающееся тем, что верхняя крышка состоит из пары круглых свинчивающихся деталей, имеющих круговые площадки контакта для зажима при свинчивании верхнего края эластичной емкости, внутренняя деталь имеет центральное отверстие, в верхней части которого имеется коническая резьба для завинчивания в нее конического дыхательного клапана, шлицы для заворотного ключа и резьбы на боковой поверхности бобышки, вторая наружная деталь имеет центральное отверстие с резьбой для соединения с внутренней деталью, поверхность для установки на уступе резервуара, поверхностью для фиксации установки стопорным кольцом и шлицы для заворотного ключа; нижняя крышка также состоит из пары круглых свинчивающихся деталей, имеющих круговые площадки контакта для зажима при свинчивании нижнего края эластичной емкости, внутренняя деталь имеет центральное отверстие со шлицами под стопорный ключ, на боковой поверхности бобышки выполнена резьба для соединения с наружной деталью, наружная деталь имеет центральное отверстие с резьбой для завинчивания во внутреннюю деталь, поверхность контакта с уплотнительной шайбой, шлицы для заворотного ключа и бобышку с поверхностью для плотного закрепления резервуара в отверстии лапы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровым долотам, и может использоваться при бурении глубоких скважин любого назначения.

Известно буровое долото [1], принятое за аналог, содержащее систему компенсации расхода смазки в герметизированных опорах шарошек. Корпус такого долота состоит из трех секций-лап с подвижно закрепленными на их цапфах шарошками.

В каждой лапе долота имеется резервуар для смазки с герметизированной крышкой, стопорное разжимное кольцо для нее; компенсационная эластичная мембрана для передачи колебаний давления в затрубном пространстве на мембрану и смазку, система каналов для передачи давления и подводки смазки в зону трения, цапфа с различной схемой подшипников качения, скольжения или их комбинации для подвижного закрепления шарошки с породоразрушающими зубьями. Полость опоры герметизирована в районе торца шарошки с помощью эластичного кольца круглого или иного сечения для предотвращения попадания абразивных частиц шлама в полость опоры. Преимуществом этого долота является простота исполнения системы компенсации смазки. Недостатком аналога можно считать место расположения узла компенсации, форму и объем смазочной полости.

Узел полости компенсатора смазки расположен в традиционном месте - при переходе спинки лапы в цилиндрическую часть, близкую к ниппельной, со входом отверстия для промывочной жидкости, передающей колебания давления в затрубном пространстве, со стороны надшарошечного купола. Такое расположение узла компенсации смазки при заданных габаритах долота не позволяет увеличить объем для полости смазки. Объем полости не может быть увеличен ни по длине полости, ни по ее диаметру. Анализ отработанных в бурении долот свидетельствует о явном недостатке объема смазки для многочасовой работы на забое. Кроме того, осмотр отработанных долот показал, что каналы сообщения компенсационных узлов с затрубным пространством, расположенные над шарошками, в зоне максимальной концентрации шлама часто засаливаются, делая систему компенсации неработоспособной.

Известно другое буровое долото [2], принятое за прототип. Это долото с герметизированной опорой шарошек предназначено для бурения скважин с продувкой забоя воздухом. В этом долоте узел смазки герметизированных опор имеет прямолинейный цилиндрический канал, пробку для его закрытия.

Этот канал наклонен под острым углом 19°÷27° к оси долота и сообщается через систему каналов с зонами трения в опорах. Сверху он закрывается подвижной пробкой-поршнем, которая постепенно под давлением воздуха в продувочной системе долота вдавливает находящуюся в канале смазку, компенсируя ее расход в зонах трения в опорах.

Наличие цилиндрического канала, его направление, диаметр и длина позволяют частично решить важную проблему - увеличить объем для размещения смазки по сравнению с аналогом. Но при этом возникает ряд конструктивных и технологических недостатков. Главные из них - трудность выполнения гладких каналов достаточного диаметра в лапах со стороны внутренней полости из-за ограниченного габарита в узком месте лапы в надшарошечной грудке, возможность заклинки поршня при недостаточном давлении воздуха в системе.

Целью данного изобретения является обеспечение более надежной и более эффективной работы компенсационных узлов маслонаполненных герметизированных опор.

Указанная цель достигается тем, что в буровом долоте с системой компенсации расхода смазки в опорах шарошек, содержащем корпус в виде сваренных секций с лапами, на цапфах которых подвижно смонтированы шарошки с породоразрушающими зубьями и герметизирующими элементами, в лапах выполнены резервуары для смазки с эластичными элементами-мембранами, которые при колебаниях давления в затрубном пространстве принудительно заставляют перемещаться смазке по системе каналов, сообщающих резервуары с зонами трения в опорах, в лапах вдоль радиусной стенки со стороны ниппеля долота выполнен резервуар для смазки в виде ступенчатого прямолинейного цилиндра, ось которого наклонена под углом 2÷6° относительно оси долота, с системой каналов, соединенных с зонами трения в опорах, внутри резервуара с помощью жестких нижней и верхней крышек герметично установлена круглая эластичная емкость со смазкой, воспринимающая колебания давления промывочной жидкости в затрубном пространстве через отверстие в вертикальной стенке резервуара, при этом верхняя крышка состоит из пары круглых свинчивающихся деталей, имеющих круговые площадки контакта для зажима при свинчивании верхнего края эластичной емкости, внутренняя деталь имеет центральное отверстие, в верхней части которого имеется коническая резьба для завинчивания в нее дыхательного клапана, шлицы для заворота ключом и резьбы на боковой поверхности бобышки, вторая наружная деталь имеет центральное отверстие с резьбой для соединения с внутренней деталью, поверхность для установки на уступе резервуара, поверхность для фиксации резервуара стопорным кольцом и шлицы для заворота ключом.

Нижняя крышка резервуара также состоит из пары круглых свинчивающихся деталей, имеющих круговые площадки контакта для зажима при свинчивании нижнего края эластичной емкости, внутренняя деталь имеет центральное отверстие со шлицами под стопорный ключ, на боковой поверхности ее бобышки выполнена резьба для соединения с наружной деталью, наружная деталь имеет центральное отверстие-дозатор с резьбой для завинчивания во внутреннюю деталь, поверхность контакта с уплотнительной шайбой, шлицы для заворотного ключа и бобышку с поверхностью для плотного закрепления емкости в отверстии лапы.

Верхняя крышка после заправки смазки плотно закрывается дыхательным клапаном, а диаметр малого размера отверстия в нижней крышке дозирует расход смазки. Конец нижней пробки-дозатора может закрепляться ко дну отверстия в лапе под эластичный резервуар, например, с помощью запрессовки. При бурении смазка выдавливается в опору из эластичного резервуара под воздействием давления промывочной жидкости, проникающей в полость резервуара через один или более каналов, связывающих эту полость с затрубным пространством.

Полость опоры может быть герметизирована с помощью любого известного эластичного уплотнения, например одиночного или сдвоенного, как показано на фиг.1. Предлагаемый вариант установки и крепления может быть модифицирован или изменен на другой известный, не выходящий за рамки основных признаков изобретения

Перечень фигур чертежей.

На фиг.1 показано сечение одной секции предлагаемого бурового долота. На фиг.2 и 3 показаны в увеличенном масштабе фрагменты узла компенсации расхода смазки в опоре. На фиг.4 показана схема установки и закрепления нижней крышки в отверстии лапы.

Сущность изобретения состоит в следующем. В теле лапы 1 (фиг.1) секции бурового долота со стороны цилиндрической части корпуса 2 выполняется ступенчатый цилиндрический прямолинейный канал 3 до поверхности отверстия 4 под замковый палец 5 под острым углом =2÷6° к оси долота.

Ось этого цилиндрического канала расположена в одной плоскости с осью цапфы лапы. Его выход 6 в полость опоры расположен в пределах габаритов проточки на замковом пальце 5. В прямолинейном цилиндрическом канале 3 предусмотрено размещение цилиндрического резервуара 7, выполненного из любого известного эластичного материала, например из резины, для обеспечения выдавливания смазки. Снизу и сверху резервуара 7 расположены герметизирующие крышки-крепления. Нижняя крышка состоит из пары круглых взаимостягивающихся деталей 8 и 9 (фиг.2), соединяемых друг с другом с помощью резьбы 10. При завороте нижний конец резервуара 7 герметично зажимается парой круглых деталей 8 и 9. Цилиндрическая бобышка 11 на детали 9 предназначена для герметичной установки (например, запрессовки) в отверстие канала 6. Прокладка 12 служит для дополнительной герметизации пространства между стенкой канала 6 и отверстием в стенке 4 со стороны замкового пальца 5. Верхняя крышка (фиг.3) резервуара 7 также состоит из пары круглых свинчивающихся деталей 13 и 14, соединяемых при сборке с помощью резьбы 15. При их завороте верхний конец резервуара 7 герметично зажимается деталями 13 и 14.

Развернутое положение резервуара 7 фиксируется установкой его верхней крышки на уступ 17 канала 3 стопорным разжимным кольцом 16 сверху и запрессовкой горловины нижней крышки в канал 6 в нижней части.

Установка резервуара 7 и заправка смазкой опоры через резервуар производится следующим образом. Вначале производится сборка деталей 8 и 9. Для этого конец резервуара 7, выполненный для увеличения упругих герметизирующих свойств с утолщениями 17 по периметру, устанавливается на торце 19 детали 9 и завинчивается резьба 10. Для этого в шестигранное отверстие 20 на сквозном отверстии 21 вводится торцовый ключ с шестигранной головкой (не показано).

Деталь 9 имеет шлицы 21 для удерживания ее при завороте плоским ключом. Вращение первого или второго ключа производится до достижения полной кольцевой герметизации нижнего конца резервуара 7. Далее на выступ 22 устанавливается эластичная прокладка 23, например резиновая, для обеспечения дополнительной герметизации между деталью 9 и отверстием 3.

Затем устанавливают на другой конец резервуара 7 верхнюю крышку в виде пары деталей 14 и 15. Сначала край с уплотнительным утолщением 17 устанавливается на деталь 14. Затем по резьбе 24 наворачивается верхняя деталь 15 до обеспечения полной кольцевой герметизации по верхнему краю резервуара. С этой целью на крышке 14 и 15 предусмотрены шлицы 25 и 26 под плоские ключи. В верхней части крышки 14 предусмотрена коническая резьба 27 для установки после заправки смазки пробки-клапана 28 (показано условно), позволяющей регулировать давление смазки при работе долота. В собранном виде с крышками на верхнем и нижнем конце резервуар 7 помещается в канал 3. Затем в отверстие 29 вставляется круглый стержень 31 с плоским дном. Его диаметр d ₂ больше, чем диаметр d₁ отверстия 30 (фиг.4). Через стержень 31 передается усилие пресса на детали 8 и 9, бобышка 11 герметично запрессовывается в отверстие 6 в лапе. После запрессовки бобышки 11 резервуар в сборе фиксируется на выступе 17 стопорным разжимным кольцом 16.

Заправка смазки в опору производится следующим образом. В коническую резьбу 27 крышки 14 заворачивается мундштук шланга вакуумирующей установки (не показано). После вакуумирования всей полости опоры и компенсирующего устройства они заполняются консистентной смазкой, после чего мундштук шланга отворачивается, а в коническую резьбу 27 заворачивается дыхательный клапан 28 любой известной конструкции, способный сбросить лишнее давление в опоре, возникающее из-за нагрева смазки на поверхностях трения.

Для того чтобы резервуар 7 при сжатии компенсировал расход смазки в опоре, пространство канала 3 соединено с затрубным пространством одним (или более) отверстием 31 (фиг.1). Когда давление промывочной жидкости сжимает стенки эластичного резервуара 7, из его горловины-отверстия 30 смазка попадает в полость 4, образуемую стенкой отверстия под замковый палец 5 и проточкой на его поверхности. Оттуда через систему каналов 31 смазка подается непосредственно в зоны трения подшипников.

Преимуществами долота с компенсационным смазочным узлом по предлагаемому изобретению является возможность кратно увеличить объем компенсационной смазки, обеспечить надежность работы опоры до полного выдавливания смазки из цилиндрического канала под давлением промывочной жидкости из затрубного пространства. Простота и надежность в работе позволяют обеспечить требуемый технический результат - увеличить стойкость опоры, а также повысить проходку на долото.

Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот по настоящему изобретению.

Источники информации

1. Патент США № 4923020 «Шарошечное долото с герметизирующим устройством», кл. Е21В 10/20 от 08.05.1990 г.

2. Патент РФ № 2231613 «Буровое долото для бурения скважины с продувкой забоя воздухом», кл. Е21В 10/24 от 27.06.2004 г.