«Серце» тришарошкових роликових доліт: три типи опорних підшипників, які визначають ефективність буріння

На нафтогазорозвідувальних і геологічних бурових ділянкахроликове конусне долотосхожий на «сталевого звіра», що проникає глибоко в землю, а підшипник служить «серцем» цього звіра. Він підтримує високошвидкісне обертання роликових конусів, витримує складний підземний тиск і тертя, і безпосередньо визначає термін служби долота та ефективність бурових робіт. Сьогодні ми розберемо три типи роликових шарошечних доліт із підшипниками, досліджуючи технічні секрети кожного з них і сценарії, де вони перевершують.

I. Гумовий підшипник ковзання з ущільненням: рентабельний чемпіон, надійний помічник для м’яких та середньо-твердих утворень

У звичайних сценаріях буріння ковзаючий ущільнений гумовий підшипник є досвідченим «ветераном» із високим коефіцієнтом використання. Його структура не складна; сердечник складається з пари тертя ковзання, що складається з цапфи з легованої сталі та втулки з зносостійкого сплаву. Подібно до двох точно підігнаних металевих компонентів, він передає силу через тертя ковзання. Щоб запобігти проникненню бурового розчину, спеціальний гумовий ущільнювач—такі як радіальні ущільнювальні кільця та торцеві прокладки—встановлюється на зовнішній стороні порожнини підшипника, і порожнина заповнена мастилом високої в'язкості для формування "захисного бар'єру".

Найбільшими перевагами цього підшипника є його «стабільність» і «економічність». Конструкція з тертям ковзання забезпечує рівномірний розподіл навантаження та чудову стійкість до ударів, що дозволяє стабільно працювати навіть за умов високого тиску свердління та високої швидкості обертання. Крім того, він відрізняється низькими витратами на виробництво та простим обслуговуванням—після зносу потрібно замінити лише втулку, щоб відновити роботу наконечника. Однак гумовий ущільнювач є його «слабким місцем»: його термостійкість зазвичай не перевищує 120°C, а його межа опору тиску становить близько 50 МПа, що робить його неефективним у високотемпературних глибоких свердловинах або під впливом агресивних бурових розчинів.

Таким чином, «основне поле битви» ковзаючих ущільнених гумових підшипників — це породи від м’якої до середньої твердості, такі як глина, пісковик і вапняк. Вони особливо підходять для звичайного буріння на суші,спрямоване буріння, а також роботи з неглибокими свердловинами, де контроль витрат є критичним. Якщо ваші вимоги до свердління відповідають цим сценаріям, цей підшипник буде надзвичайно рентабельним вибором.

II. Ущільнений гумовий підшипник кочення: високоефективний піонер, ключовий інструмент для середніх і твердих пластів

Коли буріння зміщується на породи середньої твердості, такі як граніт і базальт, ефективність ковзаючих ущільнених гумових підшипників стає недостатньою—і саме тоді герметичні гумові підшипники кочення займають центральне місце. Його основним удосконаленням є заміна традиційної пари тертя ковзання на тіла кочення (кулькові підшипники або роликові підшипники). І елементи кочення, і внутрішні/зовнішні кільця виготовлені з високоточного зносостійкого сплаву, зберігаючи при цьому гумове ущільнення та систему ущільнення та змащення на основі мастила.

Найсуттєвішою зміною, яку приносить тертя кочення, є «зменшення зусилля»: опір тертя значно знижується,бітипусковий момент менший, і він може легко досягти більшої швидкості обертання. Швидкість механічного буріння зазвичай збільшується на 10%-30%, що, безсумнівно, є основною перевагою для проектів, які прагнуть до високоефективного буріння. Однак він також успадковує обмеження гумових ущільнень—його максимальна термостійкість трохи вища, ніж у підшипників ковзання, але досягає лише 130°C, з опором тиску приблизно 60 МПа. Крім того, тіла кочення дуже чутливі до домішок; тверді частки в буровому розчині можуть легко спричинити заклинювання, тому до чистоти бурового розчину висуваються підвищені вимоги.

Виходячи з цих характеристик, герметичні гумові підшипники кочення в основному використовуються для буріння середніх і твердих пластів, таких як вертикальні секції глибоких і надглибоких свердловин, а також для високоефективних бурових проектів, що вимагають високих механічних швидкостей буріння. З точки зору вибору бурового розчину, вони більш сумісні з чистою водою та системами бурового розчину з низьким вмістом твердої фази. Щоб повною мірою використовувати переваги високої ефективності, слід якомога більше уникати використання бурових розчинів, що містять великі тверді частки.

III. Неущільнений повітряний підшипник кочення: експерт із стійкості до високих температур, спеціалізований варіант для унікальних процесів буріння

У сценаріях глибокого буріння при надвисоких температурах і надвисокому тиску, таких як геотермальні свердловини та глибокі свердловини на сланцевий газ, гумові ущільнення перших двох типів підшипників вийдуть з ладу через високі температури. На цьому етапі неущільнений повітряний підшипник кочення стає єдиним життєздатним рішенням. Його структурна конструкція є досить унікальною: вона використовує пару тертя тіл кочення, але повністю виключає вузол ущільнення. Порожнина підшипника безпосередньо з’єднана з буровим середовищем, а повітря високого тиску або розпилена бурова рідина використовується як охолоджуюче та мастильне середовище.

Без обмежень ущільнень його термостійкість досягла якісного стрибка, досягнувши понад 200°С, яка цілком здатна адаптуватися до надвисоких температур підземних середовищ. У той же час повітря під високим тиском безперервно очищає порожнину підшипника, не тільки видаляючи тепло, що утворюється в результаті тертя, але й ефективно видаляючи вторгнення стружки, щоб уникнути зносу підшипника, що значно підвищує надійність у суворих умовах. Однак він також має унікальні «вимоги»: він має надзвичайно високі вимоги до системи подачі повітря, вимагаючи стабільного джерела повітря під високим тиском. Крім того, термін служби підшипника безпосередньо залежить від чистоти джерела повітря—якщо домішки змішуються з джерелом повітря, це може легко спричинити пошкодження підшипника.

Цей тип підшипників має відносно спеціалізоване застосування, в основному використовується в глибокому бурінні свердловин при надвисоких температурах і надвисокому тиску, а також у спеціальних процесах, таких як буріння з низьким тиском і повітряне буріння. У цих процесах повітря під високим тиском не тільки забезпечує змащення та охолодження підшипника, але й ефективно запобігає обваленню стовбура свердловини, досягаючи одночасно двох цілей. Однак слід зазначити, що він абсолютно несумісний зі звичайними системами бурового розчину на водній основі і може працювати лише в середовищі газу або розпиленого бурового розчину.—це його основне обмеження програми.

Підсумок: Як вибрати з трьох підшипників? Ключ до відповідних умов праці

Дізнавшись про деталі цих трьох підшипників, стає зрозуміло, що серед них немає абсолютної переваги чи неповноцінності.—лише відмінності у придатності до конкретних умов праці. Простими словами, основну логіку вибору можна підсумувати трьома пунктами:

Для м’яких і середньо-твердих пластів і неглибоких свердловин, де економічна ефективність є пріоритетом, виберіть ковзаючий ущільнений гумовий підшипник; для середніх і твердих пластів, де потрібна висока швидкість і ефективність буріння, виберіть кочення з ущільненими гумовими підшипниками; а для глибоких свердловин із надвисокою температурою, надвисоким тиском або спеціальних процесів, таких як повітряне буріння, неущільнений повітряний підшипник кочення є єдиним варіантом.

Як «серце» шарошечного долота, вибір підшипника безпосередньо впливає на вартість, ефективність і безпеку бурових операцій. Сподіваємося, що ця стаття допоможе вам прояснити основні відмінності між трьома підшипниками, дозволяючи вибрати правильне «серце» для практичних проектів буріння та забезпечувати ефективне та надійне буріння кожного разу.