Устройство для вибровращательного бурения Советский патент 1989 года по МПК E21B7/24 

1

Изобретение относится к горной промьшшенности,- в частности к устройствам для бурения скважин вибровращательным способам, например, в мерзлых породах.

Целью изобретения является повышение производительности бурения различных по физико-механическим свойствам и пер.емежающихся по составу горных пород за счет оптимизации распределения нагрузки между вращательным, вибрационным и силовым воздействиями при одновременном снижении величины абразивного износа режлцих лезвий коронки при проходке гравийно-валунистых слоев породы.

На чертеже показана гидрокинематическая схема устройства.

Устройство для вибровращательного бурения состоит из вибровращательной каретки 1, соединенной пружинами 2 с рамой 3. В корпусе вибровращательной каретки 1 размещен вибратор в виде вала 4 с жестко насаженными на нем ведущими -шестернями-дебалансами 5, входящими в зацепление с ведомыми шестернями-дебалансами 6, свободно вращающимися на ступицах вращателя в виде червячного вала 7. Червячный вал 7 приводит во вращение червячное колесо 8, жестко закрепленное на полом шпинделе 9, в котором патронами 10 крепится бурильная труба 11с коронкой 12. На валах 4 и 7 насажены звездочки 13 и 14 вибратора и вра0

щателя. Звездочка 14 цепной передачей связана с гидродвигателем 15 вращателя, а звездочка 13 - с гидродвигателем 16 вибратора. Рама 3 соединена

5 со штоком подающего гидроцилиндра 17, имеющего поршневую 18 и штоковую 19 полости. Буровой снаряд извлекается из скважины канатной лебедкой с гидродвигателем 20. Гидродвигатели вра-. щателя 15, вибратора 16 и лебедки 20 соединены напорными магистралями 21. 23 с предохранительными клапанами 24 и насосами 25 вращателя, 26 вибратора и дополнительным насосом 27, а через сливную магистраль 28 - с маслобаком 29. Поршневая полость 18 гидроцилиндра 17 сообщена с гидродвигателем 16 вибратора, а штоковая полость 19 сообщена с гидродвигателем 15 вращателя.

В напорную магистраль 23 насоса 27 гидродвигателя 20 встроен двух25 ходовой золотниковый гидрораспределитель 30, в напорную магистраль 21 насоса 25 вращателя - двухходовой золотниковый гидрораспределитель 31, а в напорную магистраль 22

30 насоса 26 вибратора - двухходовой золотниковый гидрораспределитель 32, имеющий вспомогательный гидрораспределитель 33 и управляющую позицию 34. Вход 35 гидрораспределителя 30

JJ соединен с напорной магистралью насоса 27, а выходы 36 и 37 - соответственно с гидродвигателем 20 лебед

3

ки и входом 38 гидрораспределителя вращателя. Вход 39 гидрораспределитля 31 связан магистралью 21 с насосом 25 вращателя. Выходы гидрораспределителя 31 соединены: 40 - с входом 41 гидрораспределителя 32 вибратора и гидроуправляющей полостью 42 вспомогательного гидрораспределителя 33, .43 - с собственной гидроуправляющей полостью 44 и с гидродвигателем 15 вращателя.

Входы 45 и 46 соответственно гидрораспределителя 33 и позиции 34 содинены с магистралью 22 вибратора, а их выходы 47 и 48 соединены между собой и с гидроуправляющей полостью 49 смежной с этой полостью 49 позиции 34.

Выход 50 гидрораспределителя 32 соединен со сливной магистралью 28, а выход 51 - с напорной магистралью 22 насоса 26, Насос 27 является насосом лебедки при подъеме и опускании бурильной трубы 11, а в режиме бурения является дополнительным и в зависимости от характеристики буримых пород заменяет насос 25 гидродвигателя 15 вращателя либо подклю- к гидродвигателю 16 вибратор Конструкция допускает управление лебедкой от электродвигателя, в этом случае исключается необходимость в гидрораспределителе 30, а насос 27 выполняет функцию только дополнителного насоса и постоянно подключен к гидрораспределителю 31 вращателя.

Распределительная гидроаппаратур устройства представлена в виде гидрораспределителей 30-33, а также предохранительными клапанами 24.

Устройство для вибровращательног бурения работает следунщим образом.

В режиме бурения включают насосы

При проходке слоев россыпи, пр ставленных галечниковым материало амплитуда колебаний вибровращате ной каретки 1 увеличивается, и та как коронка 12 большую часть врем не соприкасается с забоем, уменьш .jg ется крутящий момент на валу шпин ля 9, .а также давление в напорной гистрали 21 и в штоковой полости гидроцилиндра 17. При этом давлен в поршневой полости 18 гидроцилин ра 17 остается практически неизме ным, поэтому увеличивается усилие прижатия коронки к забою. Для тог чтобы уменьшить за время контакта коронки 12 с забоем абразивный из

25 вращателя, 26 вибратора и дополни- 45 нос ее режущих кромок, необходимо тельный 27, при этом гидрораспредеснизить частоту вращения бурового снаряда.. Эту задачу выполняет гидрораспределитель 31, который при снижении давления в напорной магис

литель 30 устанавливают в положение, при котором вход 35 соединен с выходом 37, при этом поток масла направляется от насоса 27 к гидрораспределителю 31.

При проходке средних по литологи- ческому составу пород гидрораспределитель 30 соединяет насос 27 через гидрораспределители 31 и 32 со сливной магистралью 28, а гидрораспределитель 31 соединяет насос 25 с гидродвигателем 15 вращателя. Насос 26 соединен с гидродвигателем 16 виб10

15

0

ратора напорной магистралью 22. Гидродвигатели 16 вибратора и 15 вращателя через звездочку 13 вращают вал 4, а через звездочку 14 - червячные вал 7 и колесо 8, жестко соединенные с полым шпинделем 9. При вращении ведущих (закрепленных на валу 4) шестерен-дебалансов 5 и ведомых (размещенных на ступицах червячного вала 7) шестерен-дебалансоБ 6 образует- ая возмущающая сила вибратора, вызывающая периодические, направленные вдоль оси бзфильной трубы 11 колебания, синхронные с частотой вращения шестерен-дебалансов 5 и 6. Таким образом, коронка 12 разрушает буримые породы периодическими силовыми воздействиями, направленными нормально к плоскости забоя, и срезывающими усилиями, развиваемыми режущими кромками коронки 12 в результате приложения крутящего момента

Автоматическое регулирование процесса бурения в экстремальных ситуациях в зависимости от сопротивления пород разрушению осуществляется следующим образом.

При проходке слоев россыпи, предоставленных галечниковым материалом, амплитуда колебаний вибровращательной каретки 1 увеличивается, и так как коронка 12 большую часть времени не соприкасается с забоем, уменьша- jg ется крутящий момент на валу шпинделя 9, .а также давление в напорной магистрали 21 и в штоковой полости 19 гидроцилиндра 17. При этом давление в поршневой полости 18 гидроцилиндра 17 остается практически неизменным, поэтому увеличивается усилие прижатия коронки к забою. Для того, чтобы уменьшить за время контакта коронки 12 с забоем абразивный из25

0

0

5 нос ее режущих кромок, необходимо

нос ее режущих кромок, необходимо

снизить частоту вращения бурового снаряда.. Эту задачу выполняет гидрораспределитель 31, который при снижении давления в напорной магистрали 21 насоса 25 (а значит, и в управляющей полости 44) ниже заданного значения переключается. Поток масла от насоса 25 по магистрали 21 (вход 39 и выход 40 гидрораспредеителя 31, вход 41 и выход 50 гидрораспределителя 32) поступает в сливную магистраль 28, а поток масла от насоса 27 по магистрали 23 (вход 35 и выход 37 гидрораспределителя.30,

аход 38 и выход A3 гидрораспределйтеп 4я 31) поступает на гидродвигатель 15 вращателя. Производительность на- ctoca 27 существенно меньше производительности насоса 25 вращателяу ЙОЭТОМУ частота вращения бурового наряда уменьшится. I При снижении крепости пород дав- |1ение масла в гидродвигателе 15 увеличится, что приведет к с;рабатывя,чию гидрораспределителя 31 и переключению потоков масла от на- ; сюса 27 на сливную магистраль 28,а от itacoca 25-на питание гидродвигателя 15 вращателя. Частота вращения бурового снаряда восстановится.

При проходке слоев россыпи, представленным мелкодисперсньм материалом, с малым сопротивлением внедре- . НИК) коронки увеличится глубина внед-: рения коронки и толщина срезаемой режущими лезвиями стружки. Возрастает момент сопротивления вращению бурового снаряда и давление масла в пидродвигателе 15 и штоковой полости 19 гидрохщлиндра 17. Одновременно И|3-за увеличения скорости, углубления бурового снаряда увеличивается отток ЧИСТИ масла в расширякяцуюся поршне- полость 18 гидроцилиндра 17, при эЬгом снижается поступление масла в г дродвигатель 16 вибратора. Снижение прдачи масла в гидродвигатель 16 виб14529666

дит в положение гидрозамка, при котором гидроуправляющая полость А9 через выход А8 оказывается отключенной от входа 46 и соединенной с напорной магистралью 22 насоса 26. Таким образом, к гидродвигателю 16 вибратора оказываются подключенными два насоса - насос 26 по магистрали

Q 22 и насос 27 по магистрали 23 (вход 35 и выход 37 гидрораспределителя 30, вход 38 и выход АО гидрораспределителя 31, вход 41 и выход 51 гидрораспределителя 32). При переключе15 НИИ насоса 27 со сливной магистрали 28 на напорную магистраль 22 давление в гидроуправляющей полости А2 вспомогательного гидрораспределителя . 33 повышается и последний переключа20 ется (через свои выход А5 и выход А7) соединяя гидроуправляющую полость А9 позиции ЗА с магистралью 22 (это обеспечивает возможность возврата позиции ЗА в исходное положение).

25 Увеличение поступления масла в гидродвигатель 16 вибратора увеличивает частоту вращения его шестерен- дебалансов 5, величину возмущающей силы вибратора, давление в поршневой

30 полости 18 и, как следствие, увеличивает усилие подачи бурового агрегата к забою скважины. При этом увеличивается скорость бурения и частота вращения бурового снаряда (за счет

р/- « . а 1 , d 1CJIJJ lU ±эии - jt m -Aijfi у , j 3а СЧс

ратора приводит к прямо пропорциональ-зп Дополнительного поступления масла из

снижению частоты вращения шес- TfepeH-дебалансов 5 вибратора и пропорционально второй степени - уменьшению возмущающей силы вибратора. Уменьшится давление масла в напорном маелопроводе 22 и поршневой полости 18 гидроцшшндра 17.. Таким образом, уменьшается воздействие, интенсифицирующих бурение факторов.

Процесс бурения при проходке бьгх мелкодисперсных слоев россыпи ойтимизируют увеличелием прдачи масла в гидродвигатель 16 вибратора за сйет присоединения потока масла от насоса 27 к напорной магистрали 22 насоса 26о Осуществляется это присоединение автоматически следующим образом. При снижении давления в напорной магистрали 22 и в гидроуправляуменьшающейся штоковой полости 19 гидроцилиндра 17 в напорную магистраль гидродвигателя 15 вращателя). Таким образом, используются факторы,

40 положительно влияющие на увеличение скорости бурения.

, При переходе на более крепкие породы, т.е. при увеличении сопротивления внедрению коронки 12, уменьшается

45:скорость бурения и отток масла в

поршневую полость 19 гидроцилиндра.17 и соответственно увеличивается подача масла в гидродвигатель 16 вибратора. Увеличивается частота вращения шес50 терен-дебалансов 5, возмущающая сила вибратора и давление в напорной магистрали 22 насоса 26 вибратора. Когда давление в напорной магистрали 23 превысит заданное значение, сработаюДей полости А9 ниже заданного значе- 55 ®т позиция ЗА, переключит золотник нйя гидрораспределитель 32 срабатьша- 32 в исходное положение (вход А1 сое- ет и переключается в положение, при . котором вход А1 соединен с выходом 51, а управляющая позиция ЗА перехо-

динен через выход 50 со сливной магистралью 28), давление в гидроуправляющей полости А2 падает гидроДополнительного поступления масла из

уменьшающейся штоковой полости 19 гидроцилиндра 17 в напорную магистраль гидродвигателя 15 вращателя). Таким образом, используются факторы,

положительно влияющие на увеличение скорости бурения.

, При переходе на более крепкие породы, т.е. при увеличении сопротивления внедрению коронки 12, уменьшается

скорость бурения и отток масла в

поршневую полость 19 гидроцилиндра.17 и соответственно увеличивается подача масла в гидродвигатель 16 вибратора. Увеличивается частота вращения шестерен-дебалансов 5, возмущающая сила вибратора и давление в напорной магистрали 22 насоса 26 вибратора. Когда давление в напорной магистрали 23 превысит заданное значение, сработа®т позиция ЗА, переключит золотник 32 в исходное положение (вход А1 сое-

®т позиция ЗА, переключит золотник 32 в исходное положение (вход А1 сое

динен через выход 50 со сливной магистралью 28), давление в гидроуправляющей полости А2 падает гидрораспределитель 33 тоже возвращается в исходное состояние.

Формула изобретения

Устройство для вибровращательного бурения, включающее вибровращательну каретку с гидродвигателями вращателя и вибратора, соединенными напор- ными магистралями с насосами и сливной - с маслобакомi гидродшгандр подачи с поршневой полостью, сообщенно с напорной магистралью гидродвигател вибратора, и штоковой - с напорной .магистралью гидродвигателя, и распределительную гидроаппаратуру, о т- личающееся тем, что, с целью повьщ1ения производительности бурения различных по физико-механичес- КИМ свойствам и перемежающихся по составу горных пород за счет оптимизации распределения нагрузки между вращательным, вибрационным и силовым воздействиями при одновременном снижении величины абразивного износа режущих лезвий коронки при проходке гравийно-валунистых слоев породы, устройство снабжено дополнительным насосом меньшей производи- тельности по сравнению с насосами

5 0 0

5

вращателя и вибратора, а распределительная гидроаппаратура имеет два с гидроуправляющими полостями золот никовых гидрораспределителя вращателя, и вибратора и один вспомогательный золотниковый гидрораспределитель с гидроуправлягацей полостью, причем один вход гидрораспределителя ьращателя соединен с насосом вращателя, а другой его вход - с дополнительным насосом, и один выход этого гидрораспределителя сообщен с входом гидрораспределителя вибратора, а другой его выход - с гидродвигателем вращателя и собственной гид- роуправляющей полостью, причем один выход гидрораспределителя вибратора соединен с напорной магистралью гидродвигателя вибратора, а другой его выход - со сливной магистралью, при этом вход вспомогательного гидрораспределителя и вход смежной с гид-, роуправляющей полостью позиции гидрораспределителя вибратора сообщены с напорной магистралью насоса вибратора, а выход этой позиции гидрораспределителя вибратора сообщен с собственной гидроуправлякяцей полостью и с выходом вспомогательного гидрораспределителя.

Изобретение относится к горной промьшшенности, а именно к бурению скважин. Цель изобретения - повьше- ние производительности бурения различных по физико-механическим свойствам и перемежающихся по составу горных пород. Это достигается за счет оптимизации распределения нагрузки между вращательным, вибрацион- ньм и силовым воздействиями при одновременном снижении величины абразивного износа режущих лезвий корон