Устройство для вибровращательного бурения Советский патент 1984 года по МПК E21B19/84 E21B3/00 E21B7/24 

Ч,

в 9 6 1 Фиг. Изобретение относится к горной технике, а именно к устройствам для бурения скважин вибровращательным способом. Известен вибровращательный станок, состоящий из вибровращательной каретки с вибратором и вращателем, электродвигатели которых смонтированы на подрессоренной площадке, связанной пружинами с вибровращательной кареткой 1. Недостатком станка является то, что подача бурового органа на забой и осевая нагрузка на него осуществляются только за счет веса колонны бурильных труб и бурового агрегата. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является установка для вибровращательного бурения, включающая направляющую мачту, на которой установлена рама с вибровращательной кареткой, кинематически связанной посредством цепной передачи с двигателями вращателя и вибратора, смонтированными на консолях рамы, и механизм регулирования подачи 2. Недостаток известной установки заключается в том, что велика вероятность возникновения «резонансных колебаний буровой установки и заклинивания рабочего органа при бурении. Цель изобретения - повышение надежности устройства и эффективности бурения в зависимости от физико-механических свойств буримых пород. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для вибровращательного бурения, включающем направляющую мачту, на которой установлена рама с вибровращательной кареткой, кинематически связанной посредством цепной передачи с двигателями вращателя и вибратора, смонтированными на консолях рамы, и механизм регулирования подачи, последний выполнен в виде барабанов вращателя и вибратора и двух планетарных механизмов, центральные шестерни которых жестко соединены с валами двигателей, центральные колеса свободно установлены на валах двигателей, а на ступицах центральных колес жестко установлены звездочки цепных передач, при этом щестерни-сателлиты кинематически связаны с центральными колесами и центральными щестернями, а их водила жестко закреплены на торцах барабанов, причем канат барабана вращателя соединен с рамой через блоки, установленные на верхней части направляющей мачты, а канат барабана вибратора соединен с рамой через блоки, установленные на нижних концах направляющей мачты. На фиг. 1 изображена кинематическая схема устройства; на фиг. 2 - схема работы; на фиг. 3 - кинематическая схема работы при «резонансных режимах ; на фиг. 4 - то же, при заклинивании бурового органа. Устройство состоит из вибровращательной каретки 1, рамы 2 и направляющей 3 мачты с блоками 4 (фиг. 2). В корпусе вибровращательной каретки 1 размещен вал 5 вибратора, на котором жестко насажены щестерни-дебалансы 6. Шестернидебалансы 6 находятся в постоянном зацеплении с щестернями-дебалансами 7, которые свободно насажены на червячный вал 8. Вал 8 зацеплен с червячным колесом 9, которое жестко связано со щпинделем 10. На щпиндель 10 наворачивается буровая щтанга 11 с буровой коронкой 12 на конце. На валах 5 и 8 жестко насажены звездочки 13 и 14. Каждый механизм регулирования подачи состоит из двигателей 15 и 16 вибратора и вращателя соответственно барабанов 17 и 18 вибратора и вращателя соответственно и планетарного механизма, каждый из которых в свою очередь включает жестко насаженные на вал двигателей 15 и 16 центральные щестерни 19 и 20, которые находятся в постоянном зацеплении с щестернями-сателлитами 21 и 22, а последние свободно вращаются на водилах 23 и 24, консольно закрепленных на торцах барабанов 17 вибратора и 18 вращателя, и могут перекатываться в центральных зубчатых колесах 25 и 26 с внутренним зацеплением, на ступице которых жестко насажены ведущие звездочки 27 и 28, которые цепными передачами 29 и 30 связаны с ведомыми звездочками 13 и 14. Рама 2 представляет жесткую четырехугольную конструкцию, которая состоит из верхней 31 и нижней 32 площадок и двух стоек 33 и 34. Нижняя площадка 32 имеет два консольных выступа, на которых размещены двигатели и барабаны. Вибровращательная каретка 1 соединена с рамой 2 посредством четырех скалок 35 и восьми цилиндрических винтовых пружин 36 сжатия, надетых на скалки 35 и расположенных между корпусом вибровращательной каретки 1 и верхней 31 и нижней 32 плитами. Скалки 35 свободно проходят сквозь корпус вибровращательной каретки 1 и жестко закреплены на верхней 31 и нижней 32 площадках. Рама скользит по направляющей мачте 3, на концах которой расположены блоки 4. Один конец каната 37 закреплен на барабане 17 вибратора, а второй конец огибает блоки 4 и крепИтся к нижней плите 32. Конец каната 38 закреплен на верхней плите 31, сам канат огибает блоки 39 и крепится на барабане 18 вращателя. При включенном двигателе 15 вибратора центральная щестерня 19, жестко укрепленная на его валу, вращает шестернюсателлит 21, свободно вращающуюся на водиле 23, которое жестко связано с барабаном 17. Шестерня-сателлит 21 вращает центральное колесо 25 и связанную

с ним жестко звездочку 27. Через цепную передачу 29 вращение от звездочки 27 передается на звездочку 13, а затем через вал 5 вибратора шестерням-дебалансам 6 и 7.

При натянутом канате 37 шестерня-сателлит 21 вращается только вокруг своей оси, передавая весь крутящий момент на механизм вибратора, т. е. имеет место простая планетарная передача с одной степенью свободы.

При включенном двигателе 16 вращателя центральная щестерня 20, которая жестко с ним связана, вращает шестерню-сателлит 22, а от той вращение передается на центральное колесо 26 и жестко с ним связанную звездочку 28. Затем через цепную передачу 30 вращение передается на звездочку 14 и через червячный вал 8 на червячное колесо 9. Червячное колесо 9 жестко связано со шпинделем 10 вибровращательной каретки I, который передает крутящий момент буровой щтанге 11. При натянутом канате 38 шестерня-сателлит 22 вращается только вокруг своей оси, передавая весь крутящий момент на вращение щтанги П. В данном случае планетарный механизм работает как простая планетарная передача с одной степенью свободы.

При работе (бурении) данного устройства включают оба двигателя 15 вращателя и 16 вибратора, и на буровую щтангу 11 передают как крутящий момент через червячную пару 8 и 9, так и инерционные силы от вращения неуравновешенных масс (щестерни-дебалансы 6 и 7), т. е. на буровую щтангу 11 накладываются как осевые колебания, так и крутящий момент.

При бурении однородных по литологическому составу грунтов процесс бурения стабилизирован и нагрузка на механизмы вращателя и вибратора не превышает допустимых значений. В то же время канат 38 находится в постоянном натяжении и прижимает буровой агрегат к забою, так как величина крутящего момента на валу барабана 17 больше, чем на валу барабана 18. Такое условие выполняется соответствующим соотнощением звеньев кинематических цепей: двигатель 15 вибратора - барабан 17 и двигатель 16 вращателя - барабан 8.

Регулирование подачи рабочего органа на забой в зависимости от физикомеханических свойств буримых пород осуществляется следующим образом.

При проходке мерзлых слоев россыпи, представленных галечниковым материалом, амплитуда колебаний вибровращательной каретки 1 увеличивается, вследствие чего увеличивается нагрузка на центральное колесо 25. Оно замедляет свое вращение, а центральная шестерня 19 поворачивает шестерню-сателлит 21 вокруг своей оси (фиг. 3). При этом барабан 17 вибратора также проворачивается и наматывает канат 37, а весь буровой агрегат перемеща ется вниз и прижимает коронку 12 к забою скважины. В то же время канат 38, сматываясь с барабана 18, проворачивает вокруг своей оси шестерню-сателлит 22, которая, перемещаясь, ускоряет вращение централь0 ного колеса 26, что ведет к увеличению числа оборотов буровой коронки 11. Происходит перенос энергии с механизма вибратора на механизм вращателя. В данном случае оба планетарных механизма работают как дифференциалы и имеют по две степени свободы.

При проходке слоев россыпи, представленных мелкодисперсным материалом, связанным льдистой прослойкой, момент вращения на разрущающем инструменте возQ растает, вследствие чего увеличивается нагрузка на центральное колесо 26. Оно замедляет свое вращение, а центральная шестерня 20 проворачивает шестерню-сателлит 22 вокруг своей оси (фиг. 4). При этом барабан 18 вращателя также прово5 рачивается и наматывает канат, весь буровой агрегат поднимается вверх и отводит коронку 12 от забоя скважины. Канат сматываясь с барабана 17, проворачивает вокруг своей оси шестерню-сателлит 21. Она увеличивает число оборотов централь - ного колеса 25, что ведет к увеличению числа оборотов вала 5 вибратора. Происходит перенос энергии с механизма врашателя на механизм вибратора. Обе планетарные передачи работают как дифференциалы и имеют две степени свободы.

Как видно из этих примеров, при увеличении амплитуды колебаний вибровращательной каретки 1 устройство прижимает коронку 12 к забою скважины, тем самым предотвращая возникновение резонан0 са.

При увеличении нагрузки на механизм вращателя происходит отвод коронки 12 от забоя скважины, так как иначе может произойти ее заклинивание.

Предлагаемая установка имеет следую щие преимущества: подача рабочего органа на забой производится в зависимости от физико-механических свойств буримых пород; снижается вероятность «резонансных колебаний бурового агрегата и заQ клинивания рабочего органа при бурении: осуществляется постоянное натяжение канатов; обеспечивается возможность установки скоростных двигателей; больщий вес бурового агрегата без увеличения его металлоемкости за счет установки лебедок на нижней площадке рамы.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОВРАЩАТЕЛБНОГО БУРЕНИЯ, включающее направляющую мачту, на которой установлена рама с вибровращательной кареткой, кинематически связанной посредством цепной передачи с двигателями вращателя и вибратора, смонтированными на консолях рамы, и механизм регулирования подачи. отличающееся тем, что, с целью повыщения надежности его в работе и эффективности бурения, механизм регулирования подачи выполнен в виде двух барабанов вращателя и вибратора и двух планетарных механизмов, центральные шестерни которых жестко соединены с валами двигателей, центральные колеса свободно установлены на валах двигателей, а на ступицах центральных колес жестко установлены звездочки цепных передач, при этом щестерни-сателлиты кинематически связаны с центральными колесами и центральными шестернями, а их водила жестко закреплены на торцах барабанов, причем канат барабана вращателя соединен с рамой через блоки, установленные на верхней части направляющей мачты, а канат барабана вибратора е соединен с рамой через блоки, установ(Л ленные на нижних концах направляющей мачты. 7J / 27 J5 00 2Г 2J 00 77

Фиг. 4