УПЛОТНЕНИЕ ОПОРЫ ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК E21B10/24 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам и бурильным головкам для бурения скважин.

Известно радиальное уплотнение опоры в виде эластичного кольца круглого сечения, установленного с радиальным натягом в полости, ограниченной в радиальном направлении цилиндрическими поверхностями цапфы и расточки в шарошке [1].

Недостатками этого уплотнения являются повышенный момент и мощность трения, которые существенно увеличиваются в результате нерасчетного вращения уплотнения относительно шарошки, а также одностороннего радиального защемления с нижней стороны цапфы и осевого защемления в процессе изнашивания подшипников опоры. Следствием повышенных момента и мощности трения явлется недостаточная долговечность уплотнения и опоры в целом, особенно при повышенных частотах вращения долот (см. Матвеев Ю.Г., Торгашов А.В., Баталов С.П. Стендовые исследования работы уплотнений долот серии ГАУ при изнашивании их опор // Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Межвуз. науч.-тем. сб. - Уфа: Изд-во УНИ, 1989. - С. 165-169).

Известно радиальное уплотнение опоры шарошечного долота в виде эластичного кольца круглого сечения, установленного с радиальным натягом в полости, ограниченной в радиальном направлении цилиндрической поверхностью цапфы и двумя коническими поверхностями расточки в шарошке, соприкасающимися по большому диаметру и образующие которых расположены симметрично относительно сечения эластичного кольца [2]. Оптимальный угол между образующими конических поверхностей расточки в шарошке составляет 150°. Такая конструкция уплотнения предотвращает вращение уплотнительного кольца относительно шарошки и его осевое защемление в результате износа осевых подшипников.

Недостатком этого уплотнения является повышенная жесткость в радиальном направлении при сопоставимом с аналогом радиальном натяге и одностороннее радиальное защемление при изнашивании подшипников. Следствием этого являются повышенные момент и мощность трения уплотнения, которые приводят к преждевременному отказу уплотнения, особенно при повышенных частотах вращения долот.

Задачей настоящего изобретения является повышение долговечности уплотнения и опоры в целом при повышенных частотах вращения долот в условиях образования осевых, угловых и радиальных люфтов по мере износа подшипников.

Указанная задача решается тем, что в уплотнении опоры шарошечного долота, включающем установленное с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью цапфы эластичное кольцо круглого сечения, размещенное с радиальным натягом в расточке шарошки, ограниченной в радиальном направлении двумя коническими поверхностями, соприкасающимися по большому диаметру и образующие которых расположены симметрично относительно сечения эластичного кольца, расточка в шарошке выполнена с углом 60...80° между образующими конических поверхностей и снабжена в радиальном направлении дуговой канавкой шириной 0,57...0,66 диаметра сечения эластичного кольца, ограниченной внешней цилиндрической и двумя боковыми плоскими кольцевыми поверхностями, и соединенной осевыми каналами с полостью опоры или тыльной поверхностью шарошки.

Выполнением расточки в шарошке в виде соприкасающихся по большому диаметру конических поверхностей и снабженной дуговой канавкой, подбором угла между образующими конических поверхностей расточки и ширины дуговой канавки достигается существенное уменьшение жесткости уплотнительного кольца в радиальном направлении, особенно при его одностороннем радиальном деформировании. Уменьшенная таким образом жесткость уплотнения позволяет существенно снизить момент и мощность трения и соответственно повысить долговечность опоры долота. Соединение полости дуговой канавки каналами с полостью опоры уравновешивает давления на уплотнении и предотвращает разгерметизацию опоры при спуске долота в скважину и бурении. Соединение полости дуговой канавки каналами с тыльной поверхностью шарошки не только уравновешивает давления на уплотнении, но и позволяет использовать уплотнение в системе расходной принудительной системы смазки опор с использованием наддолотных лубрикаторов. Принудительная система смазки позволяет дополнительно разгрузить уплотнение, обеспечить дополнительную смазку подшипников и уплотнения, что приведет к еще большему повышению долговечности опоры. Кроме того, последняя конструкция уплотнения позволяет существенно облегчить заправку новых долот смазочным материалом путем его продавливания через уплотнение, так же как эта операция проводится для долот, оснащенных резинометаллическими тарельчатыми манжетами.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое уплотнение отличается от него величиной угла между образующими конических поверхностей расточки в шарошке, с которой взаимодействует эластичное кольцо, а также тем, что расточка в шарошке снабжена дуговой канавкой, соединенной каналами с полостью опоры или с тыльной поверхностью шарошки. Таким образом, заявляемое уплотнение соответствует критерию изобретения "новизна".

На фиг.1 приведено в разрезе предлагаемое уплотнение для опор с радиальными подшипниками качения. На фиг.2 показано предлагаемое уплотнение, предназначенное для работы в составе принудительной расходной системы смазки опор.

Уплотнение (см. фиг.1 и 2) включает эластичное кольцо 1 круглого сечения диаметром d, установленное в расточке шарошки 2 с радиальным натягом Δ по отношению к цапфе 3. Дуговая канавка шириной b, выполненная в шарошке 2, в которую может деформироваться эластичное кольцо 1, соединена каналами 4 с полостью опоры (см. фиг.1) или с тыльной поверхностью шарошки (см. фиг.2).

Уплотнение работает следующим образом. В процессе бурения шарошка 2 вместе с эластичным кольцом 1 вращаются относительно цапфы 3, при этом шарошка совершает радиальные, угловые и осевые колебания относительно цапфы. В нормальных условиях работы имеет место постепенное изнашивание радиальных подшипников опоры, особенно нижней стороны цапфы, в результате чего расстояние между поверхностями расточки в шарошке, в которой установлено эластичное уплотнительное кольцо, и цапфой с нижней стороны уменьшается. Но при этом одностороннего защемления уплотнительного кольца с нижней стороны опоры не происходит, поскольку кольцо имеет возможность дальнейшего деформирования в дуговую канавку. Осевые каналы 4 (см. фиг.1), связывающие полость опоры и полость дуговой канавки, выравнивают давления на уплотнительном кольце, в результате чего не происходит разгерметизации опоры как при спуске долота, так и при бурении. В случае сообщения каналами 4 (см. фиг.2) полости дуговой канавки с тыльной поверхностью шарошки уплотнение можно использовать в составе принудительной расходной системы смазки опор с использованием наддолотных лубрикаторов. При этом давление в дуговой канавке будет равно давлению промывочной жидкости в скважине. Если в опоре долота создать избыточное по отношению к скважине давление смазочного материала, то последний будет дополнительно деформировать уплотнительное кольцо в дуговую канавку, оттесняя его тем самым от поверхности цапфы. Это позволяет уменьшить интенсивность силы прижатия уплотнительного кольца к цапфе и, таким образом, дополнительно снизить момент трения и существенно улучшить смазку уплотнительного кольца. Если давление смазочного материала в опоре превысит критическую величину, происходит раскрытие уплотнительного контакта между цапфой и уплотнительным кольцом. В этом случае отработанный смазочный материал вытесняется из опоры в скважину, освобождая место для порции свежего смазочного материала.

Геометрические характеристики уплотнения получены экспериментальным способом путем проведения испытаний уплотнения, предназначенного для долот диаметром 215,9 мм, на лабораторном стенде. Для этого был проведен дробно-факторный эксперимент с варьированием пяти определяющих режим работы уплотнения факторов на трех уровнях (см. таблицу 1).

В таблице 1 использованы следующие обозначения:

α - угол между образующими конических поверхностей расточки в шарошке;

s=b/d - отношение ширины дуговой канавки расточки в шарошке к величине сечения уплотнительного кольца (d= 5,3 мм);

е - радиальное смещение оси шарошки по отношению к оси цапфы (моделируется одностороннее радиальное защемление уплотнительного кольца при износе радиальных подшипников опоры);

ν - скорость скольжения уплотнительного кольца относительно цапфы (соответствует частоте вращения долота в интервале 90...500 об/мин);

Р_и - величина избыточного, по отношению к скважинному, давления смазочного материала в опоре шарошки.

В таблице 2 приведены частные зависимости момента трения М_m уплотнения, полученные при проведении дробно-факторного эксперимента, от угла между образующими конических поверхностей α и отношения ширины дуговой канавки к диаметру сечения уплотнительного кольца b/d. В таблице 3 приведены частные зависимости температуры трения Т_m уплотнения от тех же факторов. Уровни остальных влияющих факторов были усреднены до следующих значений:

е - радиальное смещение оси шарошки относительно оси цапфы - 0,25·10^-3 м;

ν - скорость скольжения уплотнительного кольца - 1,28 м/с (соответствует частоте вращения долота ≈ 280 об/мин);

Р_и - избыточное давление смазочного материала в опоре шарошки - 0,15 МПа.

Основное назначение уплотнения - надежно герметизировать подшипники опоры при возможных режимах эксплуатации шарошечных долот. В связи с этим были экспериментально на лабораторном стенде определены значения давления разгерметизации опор, герметизированных предлагаемым уплотнением, в зависимости от угла α и отношения s расточки в шарошке.

Данные испытаний приведены в таблице 4. Из табл. 2 и 3 видно, что момент и температура трения имеют тенденцию к уменьшению по мере увеличения соотношения b/d и уменьшения угла а. Причем наибольшая интенсивность уменьшения момента и температуры трения находится в интервале углов 60...80° и отношения s в интервале 0,57...0,66. Дальнейшее уменьшение угла α меньше 60° приведет к увеличению уплотнения в радиальном направлении, а увеличение отношения s приводит к резкому увеличению гистерезиса деформационной характеристики уплотнения, что нежелательно, т.к. это приводит, как видно из таблицы 4, к потере герметизирующей способности уплотнения.

Выполнение уплотнений опор шарошечных долот по предложенным схемам позволит увеличить долговечность самого уплотнения, а следовательно, повысить долговечность работы опор долота в целом.

Источники информации

1. Шарошечные долота и бурильные головки. Каталог. Изд. 5-е /П.И.Сопин, P.M.Богомолов, Г.И.Матвеев, Ю.Г.Михайлин. - М.: ЦИНТИхим-нефтемаш, 1985. - С. 57-58.

2. Pat. 4372624 USA Int. Cl. F 16 С 33/74, US Cl. 384/94, 277/168. Dynamic O-ring seal /W.S.Neilsen //Official gazette. - 1983 (прототип).

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам и бурильным головкам для бурения скважин. Уплотнение опоры шарошечного долота включает установленное с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью цапфы эластичное кольцо круглого сечения, размещенное с радиальным натягом в расточке шарошки, ограниченной в радиальном направлении двумя коническими поверхностями, соприкасающимися по большому диаметру и образующие которых расположены симметрично относительно сечения эластичного кольца. Расточка в шарошке выполнена с углом 60...80° между образующими конических поверхностей и снабжена в радиальном направлении дуговой канавкой шириной 0,57...0,66 диаметра сечения эластичного кольца, ограниченной внешней цилиндрической и двумя боковыми плоскими кольцевыми поверхностями, и соединенной осевыми каналами в одном варианте с полостью опоры или в другом варианте с тыльной поверхностью шарошки. Повышается долговечность уплотнения и опоры в целом при повышенных частотах вращения долот в условиях образования осевых, угловых и радиальных люфтов по мере износа подшипников. 2 н.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Уплотнение опоры шарошечного долота, включающее установленное с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью цапфы эластичное кольцо круглого сечения, размещенное с радиальным натягом в расточке шарошки, ограниченной в радиальном направлении двумя коническими поверхностями, соприкасающимися по большому диаметру и образующие которых расположены симметрично относительно сечения эластичного кольца, отличающееся тем, что расточка в шарошке выполнена с углом 60-80° между образующими конических поверхностей и снабжена в радиальном направлении дуговой канавкой шириной 0,57-0,66 диаметра сечения эластичного кольца, ограниченной внешней цилиндрической и двумя боковыми плоскими кольцевыми поверхностями и соединенной осевыми каналами с полостью опоры.2. Уплотнение опоры шарошечного долота, включающее установленное с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью цапфы эластичное кольцо круглого сечения, размещенное с радиальным натягом в расточке шарошки, ограниченной в радиальном направлении двумя коническими поверхностями, соприкасающимися по большому диаметру и образующие которых расположены симметрично относительно сечения эластичного кольца, отличающееся тем, что расточка в шарошке выполнена с углом 60-80° между образующими конических поверхностей и снабжена в радиальном направлении дуговой канавкой шириной 0,57-0,66 диаметра сечения эластичного кольца, ограниченной внешней цилиндрической и двумя боковыми плоскими кольцевыми поверхностями и соединенной осевыми каналами с тыльной поверхностью шарошки.