Новая конструкция опоры бурового долота

Основной проблемой, связанной с эксплуатацией отечественных буровых долот, является недостаточный технический ресурс, затрудняющий их конкурентоспособность на мировом рынке. Одним из основных факторов, лимитирующих долговечность долот с герметизированными опорами скольжения, является несовершенство системы смазки, приводящее к перегреву, преждевременному износу деталей опор и повышению вероятности схватывания трущихся поверхностей. Это побуждает долотостроителей искать пути совершенствования конструкции системы смазки [1, 2]. Конкретно, в существующих конструкциях долот можно выделить следующие проблемы:

• 1)    Использование пластичной смазки в опорах буровых долот (Долотол, JBL-714R и др.) является недостаточно эффективным, поскольку до 30% объема смазки составляет загуститель (мыло, парафин, пигменты), которые сами по себе не обладают достаточно высокими смазочными свойствами. Загуститель предназначен для удержания в себе молекул базового масла с

Белокоровкин Сергей Александрович, аспирант

Утянкин Арсений Владимирович, аспирант присадками, поэтому применение пластичной смазки не позволяет его активным компонентам свободно поступать в зону трения из резервуара, например, за счет диффузионного обмена или конвективного массопереноса. Это приводит к тому, что запас смазки в резервуаре, практически оказывается неработоспособным в течение всего срока службы долота. Это существенно сокращает срок его службы [3].

• 2)    Смазка в зоне трения не имеет возможность обновляться за счет смазки, содержащейся в резервуаре в процессе работы долота на забое, поскольку давление в опоре равно давлению снаружи долота. Поэтому даже высокое давление, действующее на долото на забое (до 200 атм.) не способно через мембрану подать новую порцию смазки в зону трения, поскольку это давление является гидростатическим.

• 3)    Не предусмотрено возможности удаления отработавшего смазочного материала из системы смазки и поступления новой порции смазки из смазочного резервуара новой порцией смазки при работе долота на забое. Это приводит к тому, что высокоабразивные частицы износа и продукты разложения смазки, образовавшиеся в процессе эксплуатации долота, останутся в опоре и могут служить причиной возникновения задиров.

Известно, что опоры буровых долот работают в весьма тяжелых условиях: контактные давления 20-70 МПа, температура в опоре на забое до 150 ° С и выше, граничное трение, вибрации и удары, но современные трансмиссионные смазочные масла с антизадирными присадками обеспечивают возможность надежного разделения трущихся поверхностей при контаткных давлениях до 3000 МПа. Нагрев масла при трении вызовет образование конвекционного массопе-реноса, при котором нагретое масло будет подниматься в смазочный резервуар, а масло из смазочного резервуара будет опускаться в зону трения. Это улучшит теплоотвод в опоре и снизит вероятность образования задиров.

Разработанная система смазки бурового шарошечного долота с герметизированными опорами включает узел компенсации смазки в опоре и систему каналов и полостей, соединяющих узел компенсации смазки с зонами трения в опоре. Узел компенсации смазки (рис. 1) включает стальной стакан 1 и связанную с ним эластичную диафрагму 2, заполненные смазочным материалом. Система каналов и полостей включает: полость масляного резервуара 3, в которой установлен узел компенсации смазки; длинный смазочный канал 4, соединяющий полость масляного резервуара 3 с верхней полостью 5 в замковом пальце 6; короткий канал 7, соединяющий верхнюю полость 5 в замковом пальце с полостью 8 опоры, расположенной между поверхностями шарошки 9 и цапфы лапы 10, охватывающей все зоны трения в опоре; канал по оси цапфы 11 связывающий полость 8 опоры через впускной клапан 12, расположенный вблизи упорного торца цапфы, с нижней полостью 13 замкового пальца 6, внутри которого расположены постоянный магнит 14 и выпускной клапан 15, расположенный вблизи спинки лапы. Причем нижняя полость 13 и верхняя полость 5 замкового пальца 6 не сообщаются друг с другом. В полости масляного резервуара установлена крышка 16, закрепленная с помощью разжимного стопорного кольца 17 и герметизирующего эластичного уплотнения 18. В отверстие крышки установлена резьбовая пробка 19. Снизу масляный резервуар снабжен отверстием 20 со стороны затрубного пространства. Стакан 1 имеет отверстие для возможности выхода смазочного материала из стакана под внешним давлением, действующим на эластичную диафрагму, в полость масляного резервуара.

Рис. 1. Усовершенствованная система смазки герметизированной опоры

Перед началом эксплуатации долота смазочный материал заполняет полость масляного резервуара 3, длинный канал 4, верхнюю полость 5 замкового пальца 6, короткий канал 7, полость опоры 8. Канал по оси цапфы 11 и нижняя полость 13 замкового пальца 6 заполнены воздухом при атмосферном давлении, поскольку впускной клапан 12 не позволяет проникнуть туда смазочному материалу при штатной вакуумной закачке смазочного материала. При этом в качестве смазочного материала закачивают смазочное масло с антизадирными присадками. Смазочное масло имеет достаточно высокую вязкость, чтобы обеспечивать возможность его перемещения в системе смазки, и достаточно малую вязкость, чтобы предотвратить его самопроизвольное просачивание через герметизирующие уплотнения. Во время работы долота снаружи на эластичную диафрагму 2 через канал 20 действует давление, превышающее атмосферное давление внутри канала по оси цапфы 11 и нижней полости 13 замкового пальца 6. Данное избыточное давление открывает впускной клапан 12, в результате чего отработавшая смазка из полости опоры 8 начинает поступать в канал по оси цапфы 11 и далее в нижнюю полость 13 замкового пальца 6. При этом в полость опоры начинает поступать новая порция смазочного материала из полости 3 масляного резервуара. Отработавший смазочный материал, содержащий продукты износа за счет центробежных сил, создаваемых вращением долота перемещается из канала пор оси цапфы 11 в нижнюю полость 13, накапливаясь вблизи выпускного клапана 15. В процессе перемещения отработавшего смазочного материала от впускного клапана 12 к выпускному клапану 15 он проходит через постоянный магнит 14, на котором осаждаются продукты износа, что устраняет возможность заклинивания выпускного клапана 15. При заполнении канала по оси цапфы 11 и нижней полости 13 замкового пальца 6 происходит сжатие содержащегося в них воздуха с повышением его давления до величины давления в затрубном пространстве. В процессе бурения скважины происходит постоянный рост давления в затрубном пространстве за счет опускания долота вниз и, соответственно увеличения высоты столба бурового раствора в затрубном пространстве. Это поддерживает постоянную циркуляцию смазочного материала в полости опоры 8. Кроме того, при поднятии долота, а также вследствие пульсации давления в затрубном пространстве возможно длительное или кратковременное превышение давления воздуха в канале по оси цапфы 11 и нижней полости 13 замкового пальца 6 величины давления в затрубном пространстве. При этом произойдет открытие выпускного клапана 15 с выбросом отработавшего смазочного материала из системы смазки наружу.

Выводы:

• 1.    Обоснована целесообразность применения в качестве материала для смазки опор скольжения герметизированных буровых долот смазочных масел с антизадирными присадками.

• 2.    Разработана конструкция системы смазки опор буровых долот, обеспечивающая при работе долота поступление в зону трения смазочного материала из резервуара и удаление отработавшего масла из системы смазки долота.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.