БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2003 года по МПК E21B10/22 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к шарошечным породоразрушающим инструментам для бурения скважин.

Известно буровое шарошечное долото с опорами типа А, содержащими радиальные и упорные подшипники скольжения и замковый элемент, выполненный в виде радиально-упорного подшипника качения [1].

Недостатком этого долота является низкая долговечность опоры вследствие повышенной скорости изнашивания ее подшипников абразивными частицами выбуренной породы, которые проникают в полость опоры во время спуска долота в скважину и ее бурения.

Известно буровое шарошечное долото с опорами типа АУ, содержащими радиальные и упорные подшипники скольжения и замковый элемент, выполненный в виде радиально-упорного подшипника качения. Для исключения проникновения абразивосодержащей жидкости из скважины в опоры последние герметизированы торообразными резиновыми кольцами, устанавливаемыми у основания цапфы. Система смазки долота является системой компенсационного типа и представляет собой заполненную смазкой цилиндрическую полость, расположенную в верхней части лапы долота и сообщающуюся с полостью опоры одним каналом. Полость герметизирована резиновым разделительным колпачком, который удерживается в ней с помощью крышки и стопорного пружинного кольца [2].

Недостатком названного долота является недостаточная долговечность и невозможность его отработки при повышенных и высоких частотах вращения, т.к. при повышенных частотах вращения долота в опорах возникает высокая температура, вызывающая деструкцию смазочного материала и резины уплотнений, что приводит к интенсивному изнашиванию ее элементов и, в конечном счете, к отказу долота. Система смазки долота позволяет подавать смазочный материал в зону трения подшипников и уплотнений, но не обеспечивает интенсивного теплоотвода от поверхностей трения.

Задачей настоящего изобретения является повышение долговечности шарошечного долота в условиях повышенных и высоких частот вращения путем совмещения функций замковых элементов опор.

Указанная задача решается тем, что в шарошечном долоте, включающем лапы с цапфами, на которых установлены с помощью радиальных и упорных подшипников скольжения и замкового элемента шарошки с уплотнениями, емкости со смазкой, расположенные на лапах, согласно изобретения емкость со смазкой в лапе сообщается с поверхностью цапфы двумя каналами, устье одного из которых расположено в правой верхней зоне поперечного сечения замкового элемента, а устье второго канала расположено в верхней зоне периферийного подшипника, поверхность цапфы в верхней левой зоне поперечного сечения замкового элемента сообщается каналом с поверхностями концевого подшипника, которые, в свою очередь, сообщаются каналом с нижней зоной поверхности цапфы в районе периферийного подшипника, причем поверхность цапфы в районе замкового элемента выполнена в виде цилиндра с боковыми незамкнутыми вверху и внизу дуговыми канавками, попарно сообщающимися с каналами, при этом ось цилиндра параллельна и расположена выше оси цапфы, а сам замковый элемент выполнен в виде призм прямоугольного сечения, боковые поверхности которых, обращенные к цапфе, имеют цилиндрическую поверхность с радиусом, равным радиусу цапфы, подпружиненных к цапфе упругими элементами и имеющих возможность перемещения в радиальном направлении в пазах шарошки.

Такое выполнение долота позволит решить задачу повышения его долговечности, особенно при повышенных и высоких частотах вращения за счет обеспечения интенсивной циркуляции смазочного материала (масла) в опорах и соответственно интенсивного теплоотвода от поверхностей трения. Циркуляция смазочного материала в опорах осуществляется за счет обращенного насоса пластинчатого типа, призматические пластины которого одновременно выполняют роль замковых элементов опор долота. Смазочный материал, циркулируя через опору долота, каналы в цапфе, лапе и резервуаре в верхней части лапы, охлаждается в последнем и вновь подается в опору.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается тем, что резервуар со смазочным материалом, расположенный в верхней части лапы, сообщается с опорой двумя каналами, устье одного их которых расположено в верхней левой зоне цапфы в районе замкового элемента, если смотреть на цапфу со стороны концевого подшипника, а устье второго канала расположено в верхней зоне периферийного подшипника, поверхность цапфы в районе замкового элемента выполнена в виде цилиндра, ось которого расположена ниже оси цапфы, а сам замковый элемент выполнен в виде призм прямоугольного сечения, подпружиненных к повехности цапфы упругими элементами.

Таким образом, заявляемое буровое шарошечное долото соответствует критерию изобретения "новизна".

На фиг. 1 и .2 изображены в разрезе часть лапы шарошечного долота, где показаны основные элементы опоры. На фиг.1 на поперечном разрезе опоры с шарошкой в районе замкового элемента показаны смазкоподводящий и смазкоотводящий каналы, форма дуговых канавок на цилиндрической поверхности цапфы, а также направление эксцентриситета с цилиндрической поверхности цапфы в районе замкового элемента относительно оси цапфы. На фиг.3 и фиг.4 в разрезе показаны схемы подвода и отвода смазочного материала к поверхностям и от поверхностей подшипников опоры.

Долото содержит лапу 1 с цапфой 2, шарошку 3, установленную на цапфе на подшипниках, включающих радиальные периферийный 4 и концевой 5 подшипники скольжения, упорный подшипник скольжения 6, подпятник 7 и замковый подшипник скольжения 8. Узел герметизации представляет собой уплотнительный элемент 9 в виде резинового кольца круглого сечения. Замковый подшипник выполнен в виде пластинчатого насоса, в котором ротором является шарошка 3. В продольных пазах 10 шарошки устанавливаются с возможностью ограниченного радиального перемещения пластины 11. Боковая поверхность пластин 11, обращенная к цапфе, имеет цилиндрическую форму, радиус которой равен радиусу цапфы, что обеспечивает плотное прилегание пластин к цапфе без клиновых зазоров. Пластины плотно прилегают к цапфе за счет дугообразных упругих пластин 12. Поверхность цапфы в районе замкового подшипника 8 имеет форму цилиндра, ось которого расположена выше оси цапфы на величину эксцентриситета е. На боковых поверхностях цапфы выполнены незамкнутые сверху и снизу дуговые канавки 13. Смазочный материал (масло) при работе долота перемещается по каналам 14, 15, 16, 17, 18 и 19, а также в зазорах концевого 5 и периферийного 4 подшипников скольжения.

Продольные пазы 10 в шарошке можно изготовить с помощью концевой фрезы. Для этого необходимо расточить внутренний диаметр шарошки в районе периферийного 4 подшипника скольжения. В этом случае роль одной из боковых поверхностей замкового подшипника 8 будет выполнять втулка, которая жестко закреплена в шарошке, например, за счет резьбы.

Шарошка 3 на цапфе 2 монтируется в следующей последовательности. Сначала в шарошке закрепляется втулка 20. Затем в пазы 10 укладываются упругие пластины 12 и призматические пластины 11. Со стороны торца шарошки 3 в ней укладывают уплотнительное кольцо 9. После этого шарошку 3 надвигают на цапфу 2, при этом в момент соприкосновения с конической фаской радиального бурта упорного подшипника 6 призматические пластины 11 раздвигаются в радиальном направлении в пазах 10 шарошки. После прохождения радиального бурта упорного подшипника 6 призматические пластины 11 займут свое место, упругие пластины 12 прижмут их к поверхности цапфы и обеспечат замковое соединение шарошки и цапфы.

Работу долота рассмотрим с использованием фиг.1, 2, 3 и 4. При бурении долото осевой нагрузкой прижато к забою скважины, крутящий момент к нему подводится забойным двигателем или от ротора за счет колонны бурильных труб. В момент передачи долоту крутящего момента, его шарошки начинают вращаться. При вращении шарошек в правой зоне замкового элемента опоры (см. фиг.1), если смотреть вдоль цапфы со стороны концевого подшипника, пространство между двумя соседними пластинами увеличивается, образуется разрежение, происходит всасывание масла из емкостей со смазкой по каналам 14 и 15 (см. фиг. 2), а в левой зоне объем между соседними пластинами уменьшается и происходит нагнетание масла в каналы 16 (см. фиг.3). Далее масло через зазоры в концевом подшипнике 5, канал 17 (см. фиг.3, 4), зазор в периферийном подшипнике 4 и каналы 18 и 19 возвращается в емкость со смазкой.

При работе долота осевую нагрузку к шарошке в направлении от оси скважины воспринимают упорный подшипник 6 и упорная пята 7. Осевую нагрузку к шарошке в обратном направлении, возникающую в результате реакции стенки скважины, воспринимают призматические пластины замкового элемента 8, упорный бурт цапфы 2 и торец втулки 20. Прочностной расчет для долота диаметром 215,9 мм показал, что замковый элемент работает удовлетворительно при создании осевой нагрузки на долото до 250 кН. Эта нагрузка существенно превышает показатели паспортной нагрузки для долота такого типоразмера.

Проверочный расчет температуры в подшипниках опор предложенного долота производили с использованием методики [3]. Для долота диаметром 215,9 мм конструкивно назначили диаметры смазкоподводящих (0,01 м) и смазкоотводящих (0,008 м) каналов и количество призматических пластин (12 шт.). В качестве смазочного материала принято масло Цилиндровое 52, являющееся основой долотной смазки СД1 [4, 5]. При роторном бурении и бурении низкооборотными винтовыми забойными двигателями на долота такого типа дают осевую нагрузку в пределах 180. . .200 кН, а при бурении турбобуром осевая нагрузка не превышает 120. . . 140 кН. В таблице приведены расчетные температуры подшипников опор долота, которые определены при приведенных выше конструктивных параметрах опор долота, величинах осевой нагрузки и частотах вращения шарошек в пределах 1,75. . . 15 с^-1, что соответствует частоте вращения долота 70... 600 об/мин.

Из таблицы видно, что температура подшипников опор составляет 314...316 К. Это на 20...30 К ниже, чем допустимая температура масла на входе в масляный насос [3].

Источники информации
1. Мокшин А. С., Владиславлев Ю.Е., Комм Э.Л. Шарошечные долота. - М.: Недра, 1971.- С. 131-132.

2. Международный транслятор-справочник "Шарошечные долота"/Под ред. В.Я. Куршенбаума и А.В.Торгашова. - М.: Нефть и газ, 2000.- С. 15-16 и 59-61.

3. Гузенков П.Г. Краткий справочник к расчетам деталей машин. - М.: Высшая школа, 1968. - 312 с.

4. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справочник/И. Г. Анисимов, К.М.Бадыштова, С.А.Бнатов и др.; Под ред. В.М.Школьникова. - М.: Издательский центр "Техинформ", 1999.- 596 с.

5. Конесев Г.В., Мавлютов М.Р., Спивак А.И., Мулюков Р.А. Смазочное действие сред в буровой технологии. - М.: Недра, 1993.

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин. Буровое шарошечное долото включает лапы с цапфами, на которых установлены с помощью радиальных и упорных подшипников скольжения и замкового элемента шарошки с уплотнениями, емкости со смазкой, расположенные на лапах. Емкость со смазкой в лапе сообщается с поверхностью цапфы двумя каналами, устье одного из которых расположено в правой верхней зоне поперечного сечения замкового элемента, а устье второго канала расположено в верхней зоне периферийного подшипника. Поверхность цапфы в верхней левой зоне поперечного сечения замкового элемента сообщается каналом с поверхностями концевого подшипника, которые, в свою очередь, сообщаются каналом с нижней зоной поверхности цапфы в районе периферийного подшипника. Поверхность цапфы в районе замкового элемента выполнена в виде цилиндра с боковыми незамкнутыми вверху и внизу дуговыми канавками, попарно сообщающимися с каналами. Ось цилиндра параллельна и расположена выше оси цапфы. Сам замковый элемент выполнен в виде призм прямоугольного сечения, боковые поверхности которых, обращенные к цапфе, имеют цилиндрическую поверхность с радиусом, равным радиусу цапфы, подпружиненных к цапфе упругими элементами и имеющих возможность перемещения в радиальном направлении в пазах шарошки. Изобретение решает техническую задачу повышения долговечности опор шарошечного долота при повышенных и высоких частотах вращения. 4 ил., 1 табл.

Буровое шарошечное долото, включающее лапы с цапфами, на которых установлены с помощью радиальных и упорных подшипников скольжения и замкового элемента шарошки с уплотнениями, емкости со смазкой, расположенные на лапах, отличающееся тем, что емкость со смазкой в лапе сообщается с поверхностью цапфы двумя каналами, устье одного из которых расположено в правой верхней зоне поперечного сечения замкового элемента, а устье второго канала расположено в верхней зоне периферийного подшипника, поверхность цапфы в верхней левой зоне поперечного сечения замкового элемента сообщается каналом с поверхностями концевого подшипника, которые, в свою очередь, сообщаются каналом с нижней зоной поверхности цапфы в районе периферийного подшипника, причем поверхность цапфы в районе замкового элемента выполнена в виде цилиндра с боковыми незамкнутыми вверху и внизу дуговыми канавками, попарно сообщающимися с каналами, при этом ось цилиндра параллельна и расположена выше оси цапфы, а сам замковый элемент выполнен в виде призм прямоугольного сечения, боковые поверхности которых, обращенные к цапфе, имеют цилиндрическую поверхность с радиусом, равным радиусу цапфы, подпружиненных к цапфе упругими элементами и имеющих возможность перемещения в радиальном направлении в пазах шарошки.