формула изобретения
1. буровое долото с герметизированной опорой скольжения, включающее, по меньшей мере, одну лапу с цапфой, шарошку, подшипниковую опору скольжения и уплотнение между цапфой и шарошкой, отличающееся тем, что опора образована посаженным на цапфу подшипником, наружная радиальная поверхность и противоположная основанию цапфы торцовая плоская поверхности подвижно сопряжены с ответными поверхностями шарошки, а торцовая плоская поверхность этого подшипника со стороны основания цапфы подвижно сопряжена с ответной поверхностью втулки, вставленной и соединённой с шарошкой со стороны основания цапфы.
2. буровое долото с герметизированной опорой скольжения, включающее, по меньшей мере, одну лапу с цапфой, шарошку, подшипниковую опору скольжения и уплотнение между цапфой и шарошкой, отличающееся тем, что указанное уплотнение выполнено в виде торцовой пары вращающегося и невращающегося металлических колец и амортизатора, выполненного в виде кольцеобразной мембраны, которая по периметру своей внутренней окружности соединена с вращающимся торцовым металлическим кольцом, а по периметру наружной окружности связана с шарошкой.
3. буровое долото с герметизированной опорой скольжения по п. 2, отличающееся тем, что указанная кольцеобразная мембрана по периметру своей наружной окружности связана с шарошкой посредством втулки, вставленной и соединённой с шарошкой со стороны основания цапфы.
4. буровое долото по п. 1, отличающееся тем, что подшипник скольжения выполнен в виде двух отдельных частей: периферийной, большего диаметра, и концевой, меньшего диаметра. |
буровое долото
с герметизированной опорой скольжения
область техники
изобретение относится к шарошечным долотам для бурения нефтяных и подобных скважин, более конкретно - к устройству подшипниковой опоры бурового долота и её герметизации.
предшествующий уровень техники
известны шарошечные буровые долота с герметизированными подшипниковыми опорами, применяемые для бурения нефтяных и подобных скважин (см., например, масленников и.к. буровой инструмент. справочник. - M.: недра,
1989, cc.65-69). такое долото включает секции, каждая из которых состоит из лапы с цапфой, шарошки и опоры вращения шарошки на цапфе, причём радиальная нагрузка на шарошку воспринимается главным образом подшипниками качения - периферийным роликовым и замковым шариковым, беговые дорожки которого выполняются в телах цапфы и шарошки, а шарики вводятся через косой канал в лапе. от абразивного шлама, образующегося в процессе бурения, подшипниковая камера здесь защищается уплотнением между цапфой и шарошкой, причём уплотнение выполнено в виде обрезиненной тарельчатой пружины
.к основным недостаткам конструкции опоры представленного аналога бурового долота являются сложность выполнения замкового шарикового подшипника, относительно низкая нагрузочная способность, определяемая применением подшипников качения, и быстрый абразивный износ подшипников вследствие того, что уплотнительное устройство в виде обрезиненной тарельчатой пружины не обладает эластичностью, достаточной для обеспечения герметичности подшипниковой камеры.
в заявляемом изобретении по отношению к этому аналогу общими признаками являются лапа с цапфой, шарошка, подшипниковая опора и уплотнение между цапфой и шарошкой.
известны опоры буровых долот с применением подшипника скольжения в качестве периферийного и герметизацией подшипниковой камеры посредством эластомерного кольца круглого поперечного сечения, установленного между цапфой и шарошкой радиально (cм.,нaпpимep, там же, cc.69-70; также долота серии STAR2 - "каталог буровых долот" компании хьюз кристенсен, 2001г). этот аналог отличается от предыдущего большей нагрузочной способностью за счёт периферийного подшипника скольжения, однако частота вращения и ресурс опоры долота этого аналога ограничиваются относительно низкой теплостойкостью радиального уплотнения, в котором генерируется тепло за счёт трения между цапфой и вращающимся вместе с шарошкой уплотнением. к тому же нагрузочная способность опоры здесь частично ограничивается замковым подшипником качения, который занимает определённое место в осевом размере опоры, не допуская развития ширины периферийного подшипника скольжения.
общим недостатком по отношению к предыдущему аналогу является здесь сложное устройство замкового подшипника (аналогичное первому аналогу).
в заявляемом изобретении общими по отношению к этому аналогу признаками являются лапа с цапфой, шарошка, подшипниковая опора с периферийным подшипником скольжения и уплотнение между цапфой и шарошкой.
известны также буровые долота, опора которых содержит периферийный подшипник скольжения, замковый шариковый подшипник и герметизирована уплотнением между цапфой и шарошкой, выполненным в виде торцовой пары неподвижного и вращающегося металлических колец (см., например, вышеуказанный каталог компании хьюз кристенсен - технология ULTRAMAX). здесь металлические кольца плотно прижаты друг к другу по торцовым поверхносмтям посредством эластомерного амортизатора, расположенного в осевом направлении между цапфой и неподвижным торцовым кольцом, так что амортизатор не испытывает трения и соответствующего нагрева при работе долота, а генерация тепла в уплотнении в целом уменьшена за счёт меньшего коэффициента трения металла по металлу в торцовой паре по отношению к
трению эластомера по металлу. это позволяет увеличить частоту вращения долота (с соответствующим увеличением генерации тепла в подшипниках), но лишь в тех пределах, которые допускает теплостойкость эластомерного амортизатора, так что частота вращения долота остаётся относительно ограниченной.
к недостаткам этого аналога относятся частичное ограничение нагрузочной способности со стороны замкового шарикового подшипника и сложность его устройства (аналогичная предыдущим аналогам).
в заявляемом изобретении общими по отношению к последнему аналогу признаками являются лапа с цапфой, шарошка, подшипниковая опора с периферийным подшипником скольжения и герметизация подшипниковой камеры посредством торцового уплотнения в виде неподвижного и вращающегося металлических колец, прижатых друг к другу встречными плоскими поверхностями посредством амортизатора.
по технической сути, достигаемому техническому результату и совокупности существенных признаков наиболее близким к предлагаемому изобретению аналогом является буровое долото, содержащее лапу с цапфой, шарошку, периферийный и упорный подшипники скольжения, кольцо, с возможностью скольжения запирающее шарошку на цапфе, и уплотнение между цапфой и шарошкой (см., например, каталог "буровые долота" компании хьюз кристенсен,
1993г - технология ATJ) - прототип.
достоинствами прототипа являются исключение из опоры сложного в производстве шарикового замкового подшипника и периферийный подшипник скольжения увеличенной ширины (за счёт отсутствия шарикового замкового подшипника).
к недостаткам прототипа относятся:
- относительно низкая осевая нагрузочная способность кольца, запирающего шароошку на цапфе, определяющая его ненадёжность и возможность среза нагрузками на шарошку со стороны стенки буримой выработки и потерю шарошки в выработке;
- значительная генерация тепла в радиальном эластомерном уплотнении при работе долота и относительно низкая теплостойкость эластомеров, что ограничивает возможность эффективной работы долота - на повышенных нагрузках и частотах вращения, когда в подшипниках возникает повышенная
генерация тепла;
- невозможность применения в термальных скважинах, где температура горных пород и бурового раствора превышают температурную стойкость эластомера уплотнения.
известными существенными признаками прототипа по отношению к предлагаемому изобретению являются одна, по меньшей мере, лапа с цапфой, шарошка, радиальный и упорный подшипники скольжения, кольцо, с возможностью скольжения запирающее шарошку на цапфе, и уплотнение между цапфой и шарошкой.
раскрытие изобретения в основу изобретения поставлены задачи:
- обеспечения возможности повышения частоты вращения и нагрузок на буровое долото с герметизированной подшипниковой опорой скольжения; - обеспечения возможности работы бурового долота в термальных скважинах (с высокими температурами буримых горных пород и бурового раствора);
- обеспечения надёжного замкового сочленения шарошки с цапфой в подшипниковой опоре скольжения без замкового подшипника качения.
известными существенными признаками предлагаемого бурового долота с герметизированной подшипниковой опорой являются одна, по меньшей мере, лапа с цапфой, шарошка, подшипниковая опора скольжения и уплотнение между цапфой и шарошкой, содержащее торцовую пару вращающегося и невращающегося металлических колец и кольцевой амортизатор.
независимыми существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
- образование опоры посаженным на цапфу подшипником скольжения, наружная радиальная и противоположная основанию цапфы торцовая поверхности которого подвижно сопряжены с ответными поверхностями шарошки, а торцовая поверхность этого подшипника со стороны основания цапфы подвижно сопряжена с ответной поверхностью втулки, вставленной и соединённой с шарошкой со стороны основания цапфы;
- выполнение уплотнения между цапфой и шарошкой в виде торцовой пары вращающегося и невращающегося металлических колец и амортизатора, выполненного в виде металлической кольцеобразной мембраны, которая по периметру своей внутренней окружности соединена с вращающимся торцовым металлическим кольцом, а по периметру наружной окружности связана с
шарошкой;
зависимыми существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются :
- связь металлической кольцеобразной мембраны с шарошкой посредством втулки, вставленной и соединённой с шарошкой со стороны основания цапфы; - выполнение подшипника скольжения из двух частей: периферийной, большего диаметра, и концевой, меньшего диаметра.
образование опоры посаженным на цапфу подшипником скольжения, наружная радиальная и противоположная основанию цапфы торцовая поверхности которого подвижно сопряжены с ответными поверхностями шарошки, а торцовая поверхность этого подшипника со стороны основания цапфы подвижно сопряжена с ответной поверхностью втулки, вставленной и соединённой с шарошкой со стороны основания цапфы, позволяет увеличить площади опорных контактных поверхностей и усиливает нагрузочную способность опоры в отношении как радиальных, так и осевых нагрузок, а в совокупности с втулкой, вставленной и соединённой с шарошкой со стороны основания цапфы, образует надёжное запирание шарошки на цапфе при действии на шарошку осевых нагрузок со стороны стенки буримой выработки. выполнение амортизатора уплотнения в виде металлической кольцеобразной мембраны, которая по периметру своей внутренней окружности соединена с вращающимся торцовым металлическим кольцом, а по периметру наружной окружности связана с шарошкой, позволяет исключить из конструкции уплотнения, герметизирующего подшипниковую камеру, эластомер, устранив тем самым ограничения на генерацию тепла в подшипниках и обеспечивая возможность повышения частоты вращения и нагрузки на буровое долото. выполнение подшипника скольжения из двух частей (периферийной, большего диаметра, и концевой, меньшего диаметра) позволяет упростить технологию изготовления подшипниковой опоры в целом.
краткое описание чертежа
на прилагаемом чертеже иллюстрирован отдельный пример конструктивной реализации предлагаемого изобретения. чертёж представляет фрагмент разреза бурового долота меридиональной плоскостью по одной из секций долота и включает детали и элементы, непосредственно относящиеся к существу предлагаемого изобретения. прочие
детали и элементы бурового долота на данном чертеже не показаны или показаны частично и фрагментарно, как, например, зубчатое вооружение шарошки, хвостовая часть лапы и т.п.
варианты осуществления изобретения
в соответствии с существенными признаками изобретения, буровое долото включает одну, по меньшей мере, лапу 1 с цапфой 2, шарошку 3 с зубчатым, в данном примере, вооружением 4 (показано фрагментарно), подшипник скольжения 5, закреплённый на шарошке посредством шпонки б и разрезного пружинного кольца 7, втулку 8, вставленную и соединённую с шарошкой (например, сваркой), и герметизирующее подшипниковую камеру уплотнение, содержащее неподвижное торцовое кольцо 9, вставленное в торец лапы 1, вращающееся торцовое кольцо 10, и амортизатор в виде кольцевой металлической мембраны 11, которая по своему внутреннему диаметру соединена с вращающимся кольцом 10 (например, сваркой), а по наружному диаметру соединена с втулкой 8 (также, например, сваркой). канал 12 соединяет подшипниковую камеру с обычно применяемым смазкоподающим устройством (на чертеже не показано). вариант выполнения подшипника скольжения из двух частей (периферийной и концевой) отдельным чертежом не иллюстрирован, как достаточно понятный и в остальном аналогичный приведенному чертежу.
промышленная применимость
при сборке неподвижное торцовое уплотнительное кольцо 9 на клее вставляется в канавку, выполненную в торце лапы 1. затем на цапфу 2 надевается втулка 8 в сборе с мембраной н и уплотнительным торцовым кольцом 10. далее в канавку на цапфе вставляется шпонка б, одевается подшипник скольжения 5 и стопорится на цапфе разрезным пружинным кольцом 7. затем на подшипник 5 надевается шарошка 3, в которую до упора вставляется втулка 8, соединяемая с шарошкой (например, сваркой). при этом упругая кольцевая мембрана 11 прогибается и с заданным усилием прижимает уплотнительное торцовое кольцо 10 к уплотнительному торцовому кольцу 9.
образовавшаяся подшипниковая камера вместе со смазкоподающим устройством (не показанным) заполняется вязкой смазкой. эластичная разделительная диафрагма смазкоподающего устройства совместно с описанным уплотнением обеспечивают герметизацию подшипников, их защиту от абразивосодержащей, при бурении, наружной среды.
представленная подшипниковая опора не содержит эластомерных элементов, не требует поэтому температурных ограничений и может работать на повышенных частотах вращения и нагрузках. работе на повышенных нагрузках способствует также конструкция скольжения 5 — с относительно развитыми площадями контактных радиальной и торцовой поверхностей.
ближайший к основанию цапфы торец подшипника 5 совместно с ответным торцом втулки 8 и разрезным кольцом 7 образуют замок шарошки на цапфе и противостоят осевым нагрузкам на шарошку со стороны стенки буримой выработки.
технический результат
за счёт возможности работы бурового долота на повышенных частотах вращения и нагрузках представленная конструкция может обеспечить повышение механической скорости бурения и, с учётом улучшения герметизации и увеличения моторесурса уплотнительного устройства, повышение рейсовой скорости бурения и проходки на одно долото, что означает весьма значительное повышение эффективности бурения.
отсутствие эластомерных элементов в уплотнении обеспечивает также возможность работы представленного шарошечного бурового долота в экстремальных температурных условиях: при бурении сверхглубоких и термальных скважин.