Устройство для бурения скважин Советский патент 1979 года по МПК E21B5/00 E21D1/06 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

1

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для бурения скважин большого диаметра, преимущественно, в крепких породах и тяжелых мерзлых грунтах.

Известно устройство для бурения скважин в крепких породах и тяжелых мерзлых грунтах, реализующее ударно-вращательный способ бурения с воздействием динамических нагрузок на забой, как в направлении подачи, так и вращения, включающий корпус, ударный и вращательный механизмы, породоразрушающий инструмент 1.

Известно также устройство, реализующее так называемый способ инерционного бурения, включающее смонтированные в корпусе возвратно-поступательный ударный механизм и механизм вращения, соединенные полым валом, на конце которого установлен породоразрущающий инструмент, оснащенный маховиком 2.

Недостатками этих устройств является то, что они не обеспечивают в процессе бурения скважины постоянство силы ударного воздействия в направлении подачи в неоднородных по составу породах и грунтах,

так как подача осуществляется с постоянной скоростью, а разрушение забоя инструментом происходит с различной скоростью, зависящей от свойств буримой породы или грунта и при переходе от пласта с высокой крепостью к пласту с меньшей крепостью происходит запаздывание подачи относительно скорости бурения, в результате чего инструмент как бы «проваливается, не реализуя достаточного удара по забою. Одновременно снижается и крутящий момент, который, в свою очередь, зависит от силы ударного воздействия в направлении подачи, обуславливающей внедрение инструмента в породу. Это снижает эффективность бурения.

Целью настоящего изобретения является стабилизация ударных нагрузок в неоднородных по составу породах.

Указанная цель достигается тем, что устройство снабжено направляющей щтангойщупом, расположенной в полости вала и соединенной с корпусом устройства. Для разрушения участка забоя под центральной направляющей штангой-щупом, последняя оснащена на конце инструментом-наконечником с возможностью его осевого перемещения и вращения, а вал имеет на конце уступ, взаимодействующий с хвостовиком инструмента-наконечника.

Благодаря тому, что центральная направляющая щтанга-щуп осуществляет постоянный контроль положения породоразрущающего инструмента относительно забоя в процессе бурения скважины, путем постоянного прижатия к забою ее инструмента-наконечника, независимо от неоднородности состава буримых пород, обеспечивается стабилизация ударных нагрузок, что обуславливает повышение эффективности бурения.

На чертеже - общий вид устройства в разрезе.

Устройство для бурения скважин содержит корпус 1, в котором размещен возвратно-поступательный ударный механизм, выполненный, например, в виде двухкатущечного соленоидного электромагнитного двигателя, содержащего статоры электромагнитов 2 и 3, с катлшками-соленоидами 4 и 5 и подвижную часть - якорь 6, а также вращательный механизм, выполненный в виде электродвигателя, имеющего статор 7 с обмоткой 8 и вращающуюся часть ротор 9, с короткозамкну-той обмоткой 10. Подвижные части ударного и вращательного механизмов, соответственно якорь 6 и ротор 9, жестко соединены общим валом 11 с породоразрущающим инструментом 12, оснащенным маховиком 13. Сквозь вал 11 пропущена направляющая щтанга-щуп 14, оснащенная на конце инструментом-наконечником 15. Вал 11 имеет возможность перемещаться возвратно-поступательно и вращаться относительно щтанги-щупа 14 на трубчатой вставке 16, которая выполняется из антифрикционного материала и служит одновременно направляющей и подщипником скольжения. Вал 11 имеет на конце уступ 17, взаимодействующий с торцом 18 инструмента-наконечника 15.

Во избежание нарушения нормально работы электродвигателя при работе устройства, воздушный зазор между уступом вала 17 и торцом 18 инструмента-наконечника 15 выполнен равным (или меньше) величине верхней выступающей части ротора 9 относительно статора 7,. а длина ротора 9 в целом выполнена больше длины статора 7 на величину размаха колебаний подвижных частей устройства. Инструмент-наконечник 15 также может перемещаться поступательно и вращаться относительно щтанги-щупа 14. Корпус устройства 1 и направляющая штанга-щуп 14 соединены между собой и передают усилие подачи на забой посредством инструмента-наконечника 15, постоянно прижимаемого к забою усилием подачи. Внутри корпуса 1, щтанги-щупа 14 и инструмента-наконечника 15 имеется канал 19 для подачи сжатого воздуха на продувку.

Устройство работает следующим образом. При включении механизма подачи (на чертеже не показан) инструмент-наконеч, ник 15 прижимается к забою. Далее при I включении катущки 4 соленоидного электро: магнитного двигателя якорь 6, втягиваясь в катушку 4, перемешается вверх, увлекая I за собой вал 11 и соединенные с ним жестко ротор электродвигателя 9 и породоразрушающий инструмент 12, оснащенный маховиком 13. При отрыве инструмента 12 от

забоя включается электродвигатель и его ротор 9, жестко связанный с валом 11, начинает передавать крутящий момент валу и связанным с ним якорю 6 и породоразрущающему инструменту 12, оснащенному маховиком 13, разгоняя их до номинальной скорости вращения. При переключении катушек (отключении катущки 4 и включении катушки 5) электромагнитного ударного механизма вся жестко связанная валом 11 система: якорь электромагнитного ударного механизма 6, ротор электродвигателя 9, породоразрущающий инструмент 12 с маховиком 13 - перемещается вниз и наносит удар инструментом 12 по забою, реализуя при этом крутильный и осевой удары. Затем ударный механизм (соленоидный электромагнит ный двигатель) переводится в автоколебательный режим работы с опрея1еленной частотой колебаний, который (режим) осуществляется переключением катушек 4 и 5 соленоидного электромагнитного двигателя. Управление переключением катушек электромагнитного двигателя осуществляется с помощью известных технических средств автоматики и может быть выполнено с необходимой частотой.

Поскольку при работе устройства в ав токолебательном режиме происхсДит перемещение ротора электродвигателя 9 относительно его статора 7, то во избежание нарушения нормальной работы электродвигателя и сохранения постоянства крутящего момента длина ротора 9 выбрана больше длины статора 7 на величину размаха продольных колебаний подвижных частей, а зазор между уступом ударника и хвостовика инструмента-наконечника выполнен равным (или меньще) верхней выступающей

части ротора относительно статора. Вынос разбуренной породы из скважины осуществляется сжатым воздухом, который подается к инструменту и забою через канал 19. Направление усилия подачи и поступление воздуха показано стрелкой на чертеже. При воздействии на забой породоразрушающего инструмента 12 происходит неполное его разрущение, так как остается неразрушенным небольщой участок забоя под инструментом-наконечником 15. Указанный участок забоя разрушается следующим образом. При обуривании породоразрушающим инструментом 12 неразрущенного участка забоя образуется выступ, на который опирает