ОПОРА БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 1998 года по МПК E21B10/08 

Изобретение относится к области бурения скважин и может найти применение в буровых шарошечных долотах с герметизированной опорой.

Известна герметизированная опора шарошки бурового долота, содержащая уплотнительный элемент, выполненный в виде круглого резинового кольца, причем подвижный контакт осуществляется парой металл - резина [1].

Недостатком известной опоры является ее низкая долговечность и надежность, особенно при высокооборотном бурении. Пара металл - резина при трении быстро изнашивается и опора теряет герметичность.

Известна опора бурового долота, содержащая цапфу для установки на ней шарошки с конической расточкой, а так же уплотнение, выполненное в виде двух контактирующих друг с другом по торцевым поверхностям вращающегося и неподвижного уплотнительных колец, при этом вращающееся кольцо окантовано по наружному диаметру эластичным элементом и установлено с упором последним в коническую расточку шарошки [2].

Данная опора с торцевым уплотнением типа металл - металл имеет высокую надежность, особенно при использовании износостойких наплавок и напылений. Однако данная опора с уплотнительным устройством имеет недостатки, основными из которых являются следующие:
- большие осевые размеры уплотнения, связываемые с тем, что неподвижное кольцо имеет такие же размеры и конструкцию, что и вращающееся, снижение осевых размеров уплотнения позволит выполнить более массивными опорные элементы опоры - подшипники шарошки;
- радиальные перемещения шарошки относительно цапфы, которые могут увеличиваться в процессе работы долота. В связи с тем, что наружные диаметры колец одинаковы, а их контакт происходит по довольно узкому пояску, в процессе работы могут образовываться случаи, когда герметизация нарушается.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и долговечности опоры.

Поставленная задача достигается за счет того, что опоре бурового долота, содержащей цапфу для установки на ней шарошки с конической расточкой, а также уплотнение, выполненное в виде двух контактирующих друг с другом по торцевой поверхности вращающегося и неподвижного уплотнительных колец, при этом вращающееся кольцо окантовано по наружному диаметру эластичным элементом и установлено с упором последним в коническую расточку шарошки, опора снабжена эластичной кольцевой прокладкой, цапфа выполнена с кольцевым буртом, а неподвижное кольцо выполнено плоским и с кольцевыми герметизирующими выступами на одной из плоских поверхностей, причем эластичная кольцевая прокладка установлена за неподвижным кольцом с упором в кольцевой бурт и в кольцевые герметизирующие выступы неподвижного кольца, наружный диаметр которого больше наружного диаметра вращающегося кольца в 1,01 - 1,15 раза.

Кроме того, между эластичным элементом и конической расточкой шарошки по всей окружности размещена прокладка, выполненная из мягкого пористого эластичного материала. Таким материалом может быть, например, пенополиуретан или пенополиэтилен.

Технический результат выражается в снижении осевых габаритов уплотнения за счет выполнения неподвижного кольца плоским и улучшении герметизации опор за счет выполнения неподвижного кольца по наружному диаметру большим в 1,01 -1,15 раза, чем наружный диаметр подвижного кольца.

На фиг. 1 представлен общий вид опоры бурового долота; на фиг. 2 - узел I на фиг.1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 1 (вариант).

Опора бурового долота содержит цапфу 1 для установки на ней шарошки 2 с конической расточкой, а также уплотнение 4, выполненное в виде двух контактирующих друг с другом по торцевой поверхности вращающегося 5 и неподвижно 6 уплотнительных колец, при этом вращающееся кольцо 5 окантовано по наружному диаметру эластичным элементом 7 и установлено с упором последним в коническую расточку 3 шарошки 2. Цапфа 1 выполнена с кольцевым буртом 8, к которому прилегает эластичная кольцевая прокладка 9, неподвижное кольцо 6 выполнено плоским и установлено с упором в эластичную прокладку 9, а на упорной поверхности 10 неподвижного кольца 6 выполнены кольцевые герметизирующие выступы 11, причем наружный диаметр неподвижного кольца 6 больше наружного диаметра вращающегося кольца 5 в 1,01 - 1,15 раз.

Кроме того, между эластичным элементом и конической расточкой 3 шарошки 2 по всей окружности размещена прокладка 12, выполненная из мягкого пористого эластичного материала. Кольца 5 и 6 могут иметь износостойкое покрытие 13 и 14.

Работает опора долота следующим образом.

В процессе бурения вращающееся кольцо 5, застопоренное при помощи эластичного элемента 7 в расточке 3 шарошки 2, вращается вместе с последней практически без проскальзывания, контактируя с неподвижным кольцом 6 создавая при этом торцевое уплотнение. Данное уплотнение предотвращает возможность попадания в опору частиц отбуренного шлама, твердых включений бурового раствора, а смазка из полости опоры через клиновидный зазор подается в зону трения, смазывая контактный поясок колец.

Принцип работы торцевого уплотнения позволяет использовать в качестве контактирующих элементов практически любые материалы, в том числе металлические с упрочненной трущейся поверхностью, различного вида керамики и т.д. При этом обработка поверхностей трения должна быть такова, чтобы обеспечивалось трение именно по ним, без поворота вращающегося кольца 5 относительно шарошки 2 и неподвижного - относительно цапфы 1. Качания шарошки в процессе бурения компенсируются за счет возможности движения эластичного элемента 7 относительно расточки 3, радиальные колебания, существующие в новой опоре и возникающие в процессе работы - возможностью радиального перемещения вращающегося кольца 5 по неподвижному. Ввиду того, что наружный диаметр неподвижного плоского кольца больше диаметра вращающегося, контакт по всей площади трения сохраняется при любых возможностях перемещения колец друг по другу. Значения соотношения диаметров колец 1,01-1,15 подобраны теоретически и экспериментально путем обследования большого количества новых и отработанных долот. Установка между эластичным элементом вращающегося кольца и расточкой шарошки дополнительной неподвижной прокладки позволяет сохранить смазку внутри опоры, кроме того, она является преградой для проникновения твердых включений к эластичному элементу как во время хранения и транспортировки, так и в процессе бурения.

За счет выполнения неподвижного кольца плоским и закрепленным на цапфе через такое же плоское эластичное кольцо осевые габариты уплотнения могут быть снижены до 30% по сравнению с известным уплотнением, а выполнение колец с различными диаметрами позволяет сохранить герметичность опоры при значительных колебаниях шарошки.

Источники информации:
1. SU Авторское свидетельство N 1810468, кл. E 21 B 10/22, 1993.

2. Патент США N 4666001, кл. 175-371, 1987.

Использование: изобретение относится к области бурения скважин и может найти применение в буровых шарошечных долотах с герметизированной опорой. Сущность изобретения: в опоре бурового долота, содержащей цапфу для установки на ней шарошки с конической расточкой, а так же уплотнение, выполненное в виде двух контактирующих друг с другом по торцевой поверхности вращающегося и неподвижного уплотнительных колец, при этом вращающееся кольцо окантовано по наружному диаметру эластичным элементом и установлено с упором последним в коническую расточку шарошки. Опора снабжена дополнительной плоской кольцевой прокладкой. , неподвижное кольцо выполнено плоским и с кольцевыми герметизирующими выступами на одной из плоских поверхностей, причем эластичная кольцевая прокладка установлена за неподвижным кольцом с упором в кольцевой бурт цапфы и в кольцевые герметизирующие выступы неподвижного кольца, наружный диаметр которого больше наружного диаметра кольца в 1,01 - 1,15 раза. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Опора бурового долота, содержащая цапфу для установки на ней шарошки с конической расточкой, уплотнение в виде двух контактирующих друг с другом по торцевой поверхности вращающегося и неподвижного уплотнительных колец, при этом вращающееся кольцо окантовано по наружному диаметру эластичным элементом и установлено с упором последним в коническую расточку шарошки, отличающаяся тем, что она снабжена эластичной кольцевой прокладкой, цапфа выполнена с кольцевым буртом, а неподвижное кольцо выполнено плоским и с кольцевыми герметизирующими выступами на одной из плоских поверхностей, причем эластичная кольцевая прокладка установлена за неподвижным кольцом с упором в кольцевой бурт цапфы и в кольцевые герметизирующие выступы неподвижного кольца, наружный диаметр которого больше наружного диаметра вращающегося кольца в 1,01 - 1,15 раза. 2. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что между эластичным элементом и конической расточкой шарошки по всей окружности размещена прокладка из мягкого пористого эластичного материала.