Устройство для стабилизации нагрузки на долото Советский патент 1992 года по МПК E21B44/00 E21B45/00 

Изобретение относится к средствам автоматизации процессов бурения, в частности к устройствам для автоматического поддержания заданной величины нагрузки и крутящего момента на долоте при роторном и турбинном бурении.

Известен автомат подачи долота, содержащий установленный на неподвижном конце талевого каната гидравлический измеритель веса, выход которого подключен к преобразователю давления типа Сопло-заслонка, пневматический вход которого соединен с источником сжатого воздуха через кран и редуктор давления, а выход соединен

с входом мембранного клапана, другой вход которого соединен с источником сжатого воздуха через регулятор давления, а выход соединен с пневмодвигателем. Вал пневмодвигателя через дифференциальный планетарный редуктор связан со шкивом, на котором намотан трос, соединенный с рукояткой тормоза барабана лебедки, с ребордой которого связан прижимной ролик механизма обратной связи, установленный на валу червячного редуктора, выходной вал которого гибким валом соединен с центральным планетарным дифференциальным редуктором.

vi о

ю

Јь

о

ю

Наличие гибкого вала и большого количества зубчатых передач снижает надежность устройства и усложняет конструкцию, не обеспечивает плавность подачи и стабилизацию нагрузки на долото в широком ди- апазоне механической скорости бурения. Кроме того, устройство не позволяет осуществить стабилизацию крутящего момента на долоте.

Из известных устройств наиболее близ- ким к предлагаемому техническому решению является устройство для стабилизации нагрузки на долото, содержащее гидравлический измеритель веса, выход которого соединен с трубкой Бурдона, свободный конец которой установлен с возможностью воздействия на сопло-заслонку, вход которой соединен с выходом редуктора давления, выход сопло-заслонки подключен к первому входу пневматического командно- го клапана, второй вход которого соединен с выходом регулятора давления, пневматический двигатель, вал которого соединен с ведущим звеном планетарного редуктора, на выходном валу которого укреплен шкив с тросом, свободный конец которого прикреплен к рукоятке тормоза барабана буровой лебедки, элемент обратной связи, взаимодействующий с барабаном буровой лебедки посредством фрикционного коле- са, прижимаемого к реборде барабана посредством пневматического цилиндра, вход которого подключен к входу регулятора и редуктора давления.

Недостатком указанного устройства яв- ляется невозможность стабилизации крутящего момента на долоте.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет стабилизации крутящего момента.

Это достигается тем, что устройство, состоящее из трубки Бурдона, подключаемой к гидравлическому измерителю веса бурильного инструмента, свободный конец которой воздействует на сопло-заслонку, выходной сигнал которого через командный пневматический клапан управляет работой пневмодвигателя, вал которого соединен с ведущим звеном планетарного редуктора, на выходном валу которого укреплен шкив с тросом, свободным концом который прикреплен к рукоятке тормоза барабана буровой лебедки, обратной связи, фрикционное колесо которой взаимодействует с ребордой барабана буровой лебедки и установле- но на валу последней ступени дифференциального редуктора, снабжено гидравлическим измерителем крутящего момента, второй трубкой Бурдона, вторым устройством сопло-заслонка и вторым командным клапаном, причем выход измерителя крутящего момента соединен со второй трубкой Бурдона, свободный конец которой установлен с возможностью воздействия на второе сопло-заслонку, вход которой соединен с выходом редуктора давления, выход второго сопла-заслонки подключен к первому входу второго командного пневмоклапа- на, второй вход которого соединен с выходом первого командного пневмоклапа- на, а выход второго командного пневмокла- пана соединен с входом пневматического двигателя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием гидравлического измерителя крутящего момента, второй трубки Бурдона, второго устройства сопло- заслонки и второго командного пневмокла- пана, а также соединением выхода измерителя крутящего момента со второй трубкой Бурдона, свободный конец которой установлен с возможностью воздействия на второе сопло-заслонку, вход которой соединен с выходом редуктора давления, выход второго сопла-заслонки подключен к первому входу второго командного пневмоклапа- на, второй вход которого соединен с выходом первого командного пневмоклапа- на, а выход второго командного пневмокла- пана - с выходом пневмодвигателя.

Установка датчика крутящего момента, второй трубки Бурдона, второго сопла-заслонки, второго командного пневмоклапана позволяет осуществить управление нагрузкой на долото, используя контур измерения и регулирования крутящего момента на долото, при этом увеличивается стабилизация нагрузки на долото за счет действия дополнительной обратной связи в контуре крутящего момента.

Таким образом, в зависимости от условий бурения и критериев управления работой долота можно автоматически поддерживать заданную величину нагрузки на долото и величину крутящего момента на долоте.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит трубки Бурдона 1 и 2, сопло-заслонки 3 и 4, командные пнев- моклапаны 5 и 6, редуктор давления 7, регу- лятор давления 8, пневмоклапан автоматического отключения устройстве при подъеме долота 9, пневматический двигатель 10, планетарный редуктор 11, эле- ментобратной связи 12, шкиве намотанные на нем тросом 13, фрикционное колесо 14 прижатое к барабану буровой лебедки 15.

Неподвижный конец трубки Бурдона 2 соединен с гидравлическим датчиком веса 20, а неподвижный конец трубки Бурдона 1 соединен с гидравлическим датчиком крутящего момента 19, а на подвижных концах каждой трубки Бурдона шарнирно закреплены заслонки 16 и 17. Входы устройства сопло-заслонки 3 и 4 через редуктор давления 7 связаны с питающей пневматической линией высокого давления, а выходы соединены с первыми входами командных пнев- моклапанов 5 и 6.

На входе устройства установлен пнев- моклапан автоматического отключения его при подъеме долота 9, связанный своим входом с пневмоклапаном включения шин- но-пневматической муфты.

Вал пневмодвигателя 10 связан через планетарный редуктор 11 со шкивом с намотанным на нем канатом 13. Один конец каната закреплен на шкиве 13, а другой соединен с рукояткой 18 тормоза барабана буровой лебедки 15. К реборде барабана буровой лебедки 15 прижато фрикционное колесо 14, установленное на валу элемента обратной связи 12.

Работает устройство следующим образом.

Натяжение неподвижного конца талевого каната измеряется гидравлическим измерителем веса 20, а крутящий момент на ротореизмерителем крутящего момента 19. Гидравлический сигнал от измерителя крутящего момента воздействует на трубку Бурдона 1, а от измерителя веса на трубку Бурдона 2. Трубки Бурдона управляют соответственно пневматическими устройствами сопло-заслонки 3, 16 и 4, 17.

При разбуривании породы нагрузка на долото уменьшается, а натяжение неподвижного конца талевого каната увеличивается, что вызывает увеличение давления в гидравлической системе измерителя веса. При этом заслонка 17 закрывает сопло 4, давление на выходе устройства сопло-заслонка возрастает, командный клапан 6, управляемый этим давлением, открывается и сжатый воздух поступает на вход пневматического двигателя 10 через второй командный клапан 5.

Клапан 5 настроен таким образом, что при отсутствии крутящего момента на долото он полностью открыт и режим работы пневмодвигателя 10 определяется работой пневмоклапана 6. При увеличении нагрузки на долото клапан 6 закрывается (не полностью) и двигатель 10 уменьшает обороты, при этом еще продолжает сохраняться достигнутая нагрузка на долото, но также сохраняется увеличенный крутящий момент

на долоте, что вызывает дополнительное закрытие клапана 5, а это в свою очередь вызывает полное прекращение вращения двигателя 10 и в дальнейшем уменьшение и

нагрузки на долото и крутящего момента за счет постепенного выбуривания породы на забое при заторможенной лебедке. Когда нагрузка на долото уменьшится до такой степени, что пневмоклапан 6 откроется пол0 ностью, тогда же и клапан 5 будет открыт в соответствии с величиной крутящего момента, т.к. одновременно с уменьшением нагрузки на долото уменьшается крутящий момент на долоте, что вызывает уменьше5 ние давления в гидравлической системе датчика момента. При этом заслонка 16 закрывает сопло 3. а командный клапан 5 открывается, в результате чего пневмодви- гатель 10 начнет вращаться. Лебедка рас0 тормаживается, происходит подача инструмента. Это приводит к увеличению нагрузки на долото. Подача инструмента будет осуществляться до тех пор, пока нагрузка на долото не достигнет заданного

5 значения, а после достижения заданной нагрузки на долото натяжение неподвижного конца талевого каната и давление в гидравлической системе измерителя веса будут уменьшаться, заслонка 17 откроет сопло 4,

0 а клапан 6 закрывается и пневмодвигатель 10 останавливается.

При дальнейшем разбуривании породы циклы работы устройства повторяются. Если по каким-либо причинам увеличится кру5 тящий момент без увеличения нагрузки (это может случиться при заклинивании шарошек, прихватах инструмента и т.д.), это вызовет увеличение давления в гидравлической системе измерителя крутя0 щего момента, при этом заслонка открывает сопло 3, а клапан 5 закрывается, в результате пневмодвигатель перестает вращаться,а груз,подвешенный в рукоятке тормозит лебедку.

5 Уменьшение нагрузки происходит до тех пор, пока она не достигнет такой величины, которая обеспечит уменьшение крутящего момента на долото до заданной величины, после этого циклы работы устрой0 ства поддерживающего крутящий момент на долото на заданном уровне повторяются. Взаимодействие лебедки 15, фрикционного колеса 14, элементов 12 обратной связи и шкива 13 в процессе работы устройства

5 происходит следующим образом.

Фрикционное колесо 14 находится в зацеплении с ребордой барабана лебедки 15 и при заторможенной лебедке неподвижно. Оно находится на одной оси с центральной шестерней планетарно-дифференциального редуктора, наружняя шестерня которого является элементом обратной связи 12 и соединена со шкивом 13. При заторможенной лебедке и при вращении двигателя 10 через редуктор и поводок вращение передается на элемент обратной связи 12 и на шкив 13. При этом лебедка растормаживается, начинает вращаться фрикционное колесо 13, которое приводит во вращение центральную шестерню и наружные шестерни дифференциального редуктора в обратном направлении, Это вызывает прекращение растормаживания лебедки, она останавливается, соответственно останавливается и фрикционное колесо и вновь появляется возможность при вращении пневмодвигателя вращения шкива, что вновь при соответствующих условиях приведет к растормаживанию лебедки.

Изобретение позволяет стабилизировать заданную нагрузку на долото и заданный крутящий момент на долоте,

что обеспечивает большую плавность подачи и повышает срок службы долота. Формула изобретения Устройство для стабилизации нагрузки

на долото по авт. св. № 1162954, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства за счет стабилизации крутящего момента, оно снабжено гидравлическим измерителем

крутящего момента, второй трубкой Бурдо- на, вторым устройством сопло-заслонка и вторым командным пневмоклапаном, причем выход измерителя крутящего момента соединен с второй трубкой Бурдона, свободный конец которой установлен с возможностью воздействия на второе сопло, вход которого соединен с выходом редуктора давления, выход второго сопла заслонки подключен к первому входу второго командного пневмоклапана, второй вход которого соединен с выходом первого командного пневмоклапана, а выход второго командного пневмоклапана соединен с входом пневматического двигателя.

Изобретение относится к средствам автоматизации процессов бурения скважин и является усовершенствованием изобретения по авт. св. № 1162954. При разбурива- нии породы снижается нагрузка на долото и крутящий момент, при этом возрастает натяжение неподвижного конца талевого каната, следовательно увеличивается давление в гидравлическом измерителе веса 20, а в гидравлическом измерителе момента 19 давление уменьшается. Заслонка 17 на конце трубки Бурдона 2 закрывает сопло4. Командный клапан бподае/гсжатый воздух на вход командного клапана 5. Одновременно заслонка 16 на конце трубки Бурдона 1 закрывает сопло 3. Командный клапан 5 подает сжатый воздух на вход пневмодвигателя 10, который через редуктор 11, шкив 13, рукоятку 18 растормаживает барабан буровой лебедки 15. Таким образом осуществляется подача долота. При увеличении крутящего момента давление в гидравлическом измерителе момента 19 увеличивается. Заслонка 16 открывает сопло 3 и командный клапан 5 перекрывает подачу сжатого воздуха к пневмодвигателю 10 до тех пор, пока величина момента не достигнет заданной величины. Таким образом происходит стабилизация крутящего момента на долоте. 1 ил. (Л С