3.1.2. Опоры шарошечных долот
Стойкость опор шарошечных долот всегда являлась основным фактором, определяющим их долговечность. Если износ вооружения долота приводит к падению механической скорости бурения и, в худшем случае, к остановке процесса углубления скважины, то преждевременный износ опоры часто вызывает аварийную ситуацию-оставление шарошек на забое. Затраты на ликвидацию аварии, как правило, превышают стоимость самого долота.
Если ранее было принято считать, что у нормально отработанного долота степень износа опоры должна соответствовать степени износа вооружения, то требования к надежности опор у современных шарошечных долот формулируются так: стойкость опоры долота всегда должна быть выше стойкости его вооружения.
Поэтому постоянные усилия разработчиков и изготовителей шарошечных долот направлены на конструирование и технологическое совершенствование опор с целью повышения их стойкости при обеспечении максимальной надежности.
Из всего разнообразия схем опор шарошечных долот в современных долотах большинство ведущих фирм-производителей используют, в основном, две. Первая из них - это классическая герметизированная опора на подшипниках скольжения по схеме «скольжение-шарик-скольжение», и вторая - герметизированная опора на подшипниках качения по схеме «ролик-шарик-ролик», обозначаемая «ВУ».
Компаниям Smith и Reed удалось создать работоспособную конструкцию подшипника с промежуточным элементом – разрезной плавающей втулкой, выполненной из никель-оловянистой (Smith) или бериллиевой (Reed) бронзы, имеющей двухстороннее серебряное покрытие (рис. 3.7).
Рисунок 3.7 - Конструкция опор типа «АУ» фирмы Smith
Современная тенденция снижение затрат на бурение скважин за счет повышения механической скорости бурения вызвала все большее применение высокооборотных забойных двигателей, в том числе турбобуров, частота вращения которых достигает 500 об/мин и более. Это потребовало разработки новых конструкций высокооборотных долот с герметизированными опорами. Опора на подшипниках качения современных долот, как правило, имеет большой роликовый подшипник, «утопленный» в шарошку. За счет этого увеличивается его диаметр и несущая способность, а отсутствие буртов на цапфе, имевших тенденцию к износу и разрушению с последующим перекосом и заклиниванием роликов, повышает надежность опоры. Осевую нагрузку в таких опорах обычно воспринимает упорный подшипник скольжения (упорный бурт), в котором может устанавливаться плавающая шайба.
Характерной особенностью подшипников современных опор является повсеместное применение роликов с модифицированным контактом. Это позволяет значительно снизить краевую концентрацию напряжений, характерную для цилиндрических роликов, приводящую к их преждевременному износу и разрушению.
3.1.3. Замковые устройства
Несмотря на большое разнообразие замковых устройств, разработанных для опор шарошечных долот, по-прежнему, наибольшее применение имеет классическое замковое устройство в виде шарикового подшипника. Причем, если в долотах старых конструкций шариковый подшипник, кроме функции замка, воспринимал прямую осевую и радиальную нагрузки на опору, то в современных долотах он полностью разгружен от их восприятия. Осевая нагрузка обычно воспринимается подшипниками скольжения (упорный бурт, упорная пята), а радиальная – подшипниками скольжения или роликовыми подшипниками. Основная функция шарикового (замкового) подшипника – это восприятие обратной осевой нагрузки, отжимающей шарошку от стенки скважины, и ограничение осевого перемещения шарошки по цапфе лапы. Последнее особенно актуально в случае применения в опоре долота уплотнений торцового типа.
Из других замковых устройств, получивших применение в современных шарошечных долотах, необходимо отметить пружинное стопорное кольцо (Ring Lock) фирмы Hughes Christensen и резьбовое замковое устройство фирмы Reed.
Замковое устройство в виде пружинного стопорного кольца, преимущественно круглого сечения, было запатентовано фирмой Hughes Tool в начале 80-х годов и широко рекламировалось как альтернатива шариковому замковому подшипнику. Однако широкие промысловые испытания выявили недостаточную надежность подобного замкового устройства, особенно при повышенной частоте вращения долота. В настоящее время такие замковые устройства применяются фирмой Hughes Christensen лишь в долотах малого диаметра, для которых малые габариты данного замкового устройства по сравнению с шариковым подшипником более актуальны, чем в долотах большого диаметра.
Резьбовое замковое устройство фирмы Reed состоит из двух полуколец прямоугольного сечения со ступенькой, входящей в соответствующую канавку на цапфе лапы. Полукольца имеют наружную резьбу.
В шарошке выполнена ответная внутренняя резьба, в которую вворачиваются вложенные в канавку цапфы резьбовые полукольца. Фиксация полуколец на цапфе при наворачивании шарошки осуществляется при помощи специального инструмента, вводимого в отверстие со стороны спинки лапы, аналогичное отверстию под замковый палец в опоре с обычным шариковым подшипником. Затем это отверстие заглушают резьбовой пробкой или заваривают.
Для улучшения триботехнических характеристик подшипника скольжения, которым, по сути, является данное замковое устройство, резьбовые полукольца покрываются слоем серебра.