Система для автоматического регулирования подачи бурового инструмента Советский патент 1980 года по МПК E21B44/02 

Изобретение относится к системам регулирования и может быть применено в нефтяной проиышленности, а именно на буровых установках большой грузоподъемности, и предназначено для автоматического регулирования подачи бурового инструмента в процессе долбления . Известна аналогичная система, которая включает фрикционные приводные ролики, двигатели и корпус, шарнирно рычажный механизм, выполненный в виде двух подвижных звеньев с закрепленными на них шарнирно-угловыми двуплечими рычагами, одни концы которых посредством пружин соединены с корпусом а другие - шарнирно с коромыслами, причем последние имеют упоры и поворотные вилки с установленными в них приводными роликами 1. Областью применения известного устройства являются малой грузоподъемности станки для мелкого бурения 300 м (грузоподъемность несколько тонн). Известен регулятор осевой нагрузки на долото, в котором механизм тор можения выполнен из зубчатого силово го контура, червяк которого помещен на вилке тормозного рычага, свободно вращающегося на оси червячного колеса. Зубчатый, замкнутый силовой контур выполнен из многоступенчатой ус- коряющей передачи и замедляющей червячной пары -с тем же передаточный числом 2. В известной самотормозящейся системе в качестве самотормозящего уйла применен червячный редуктор. Для кс 1пенсации передаточного числа червячного редуктора последовательно с ним соединен повышающий редуктор. Наличие большого числа зубчатых передач значительно снижает КПД устройства, из-за сил трения точность работы такого устройства|0удет низкой. Устройство применимо только для лебедок с тормозным рычагом. Известна система для , автоматического регулирования подачи бурового инструмента, содержащая преобразователи веса и скорости подачи, задатчик подачи, подключенные к блокам регулирования и управления тормозами лебедки, двигатель с таходатчиком и блоком управления, исполнительный механизм подачи, состоящий из связанной с рамой буровой станины с осью, снабженной жестко посаженными барабанами, охваченными тормозными лентами 3 . . K Wt otftaTK йэвёс гной сй стёмы тносятся низкие качеств теристики -регулирования, неустойчивость работы регулятора/ низкая чувствительность и точность регулиро вания, наличие большой статической ошибки, возрастающей. по мереувеличения скорости бурения, отсутствие учета специфики, параметров объекта регулирования и его динамических свойств. ; . Цель изобретения - повышение качества подачи бурового инструмента и дийамических характеристик системы в широких диапазонах, изменения меха нической скорости бурения, глубины скважины и веса бурового инструмента Поставленная цель достигается тем что система снабжена блоком вычисления скорости приращения веса буровог инструмента, регулируемыми корректирующими звеньями, варистором .и преоб разователем моментаисполййтёльного механизма подачи, который установлен между рамой буровой и станиной и выходом подключен к блоку управления тормозами лебедки, выход .преобразова теля веса подключен через блок вычис ления скорости приращения веса бурового инструмента к блоку регулирования и непосредственно ко входам регу лйруемых Корректирующих звёйь ёв, к другим входам которых подключен выход преобразователя скорости подачи бУ зовЪгЪ инструмента, а ко входу за датчика подачи подключен таходатчик, причем между барабайаМи смонтированы водила, каждое предыдущее соединено с набегающим концом тормозной ленты, охватывающей ближайший барабан, а сбегающий конец ленты соединен с посзтёдующим водилом, набегающий конец тормозной ленты первого барабана через обгонную муфту связан передачей с промежуточным валом лебедки, а сбе гающий конец ленты последнего бараба на связан пружиной с набегающим концом и передачейчерез вариатор с валом двигателя. Барабаны могут быть выполнены с переменнймй геометрическими размерами так , чт.о каждый последующийбарабан меньше предьадущего. На чертеже представлена фУнкцио нальная схема предлагаемой системы. Система включает в себя раму буровой 1, на которой через преобразователь 2 момента передачи 3промёАуточного вала 4 закреплена станийа 5, на неподвижной оси 6 которой жестко насажены барабаны 7-10 с переменными геометрическими размерами так, что каждый последующий меньше тфедыдущего. Между барабанами 7-10 на подшипйиках смонтированы водила 11-13. Каж дый барабан 7-10 охвачен тормозными лентами 14-17, набегающие концы которых шарнирами 18-20 соединены с предыдущими водилами 11-13, а сбегающие концы.соединены шарнирами 21-23 с последующими водилами 11-13, Набегак)щий конец первой ленты 14 шарниром 24 через обгонную муфту 25 передачей 3 соединен с промежуточньм валом 4 лебедки 26, сбегающий конец ленты 17, охватьюающлй малый барабан 10, шарниро 27 и передачей 28 соединен через вариатор 29 с валом двигателя 30, таходатчик 31 которого подсоединен к входам блока управлений двигателя 32, к входу которого подключены входные цепи двигателя 32 и подсоединен .к зада тчику 33 подачи бурового инструмента, выходы которого подсоединены к вхЬдам блока управления то1 1озами лебедки 34 и блока 35 .регулирования. Преобразователь 36 веса бурового инструмента подключен к входам блока 35 регулирования, регулируемых корректирующих звеньев 37 блока 35 регулирования и входу блока 38 вычисления приращения веса бурового инструмента. Выход блока 38 вычисления скорости приращения веса бурового инструмента подключен к блоку 35 регулирования. Преобразователь 39 скорости подачи подключен к регулируемым корректирующим звеньям 37 и блоку управления тормозами лебедки 34, выходы которого подключены к электромагнитному тормозу 40 и тормозам лебедки 26. Набегающий и сбегающий концы тормозной ленты 17 малого барабана 10 подпружинены пружиной 41. По окружности водил 11-13 смонтированы втулки 42-44 центрирующие тормозные ленты 14-17 на барабанах 7-10, предохраняя их от перекосов, В установившемся режиме подачи бурового инструмента крутящий момент на барабане лебедки 26 от натяжения талевого каната Т, уравноветиивается . усилием, возникающим; на набегающем конце тормозной ленты 14, охватывающей первый бараба.н 7, на который момент, развиваемый на барабане лебедки, передается передачей 3 через промежуточный вал 4. Усилие с набегающего конца ленты 14с большим коэффициентом затухания передается на сбегающий конец, через водило на набегающий конец другой ленты, охватывающей барабан 8 меньшего диаметра и айалогйЧно через следующую систв 1у водило-лента последующее водило значительно уменьшенное усилие прикладывается к набегающему концу ленты 17, охватывающей последний малый барабан 10, где уравновешивается силой трений ленты 17о барабан 10 за счет усилия обхвата, развиваемой пружиной 41, Удерживающее усилие Туд на сбегающем конце ленты 17 равно: mij .Туд - .n - 1 ,

где Т - усилие на набегающем конце ленты 14 первого барабана 7 от действия натяжения талё-вого каната;

л - коэффициент трения между

лентой и барабаном; Ч - средний угол обхвата лентой

барабан;

п - количество барабанов. Таким образом, удерживающее усилие развиваемое на набегающем конце ленты 14, равное примерно 1500-2000 кГ при радиусе первого барабана 20 см значительно снижается от барабана к барабану до величины порядка 1,3-1,5 кГ на последнем малом барабане 10 при его радиусе 3 см. Это малое усилие йрёодолевается небольшой мощности двигателем 30, обороты вала которого а следовательно, и скорость подачи бурового инструмента регулируются блоком управления двигателя 32 через таходатчик 31 управляющим сигналом с блока регулирования 35. Скорость подачи остается неизменной, пока отсутствует рассогласование между сигналами с задатчика 33 и преобразователем 36 веса при скоростиизменения веса равной нулю, вычисленной блоком 38 вычисления скорости приращения веса. При этом скорость подачи верхнего конца бурового инструмента равна скорости перемещения нижнего конца бу-рового инструмента на забое, т.е. скорости механического бурения.

При изменении буримости разбуриваемых пород или износе вооружения шарошек долота других возмущающих воздейс;твий со стороны объекта нарушается условие равенства между скоростями подачи и перемещения долота (низа бурильной колонны), при этом изменяется вес бурового инструмента и на выходе преобразователя 36 веса появляется приращение сигнала, в блоке 38 вычисления скорости приращения веса определяется величина скорости изменения веса и в блок 35 регулирования поступает управляющий сигнал, который приводит в соответствие обороты двигателя 30, а сигналы с преобразователя 36 веса и задатчика 33 подачи через другие входы блока регулирования приводят в соответствие значение веса инструмента при установившейся скорости подачи.

Для приведения в соответствие характеристик блока регулирования характеристикам объекта регулирования, параметры которого в. процессе бурени меняются, блок регулирования снабжен регулируемыми корректирующими звеньями 37, например управляемыми RC цепями, характеристики которых сигналами с преобразователя 36 веса, преобразователя 39 скорости подачи и с задатчика 33 подачи.изменяются так, чтобы параметры блока регулирования в процессе всего цикла бурения приводились в соотв,етствие переменныг характеристикам объекта. Задатчик 33 подачи в процессе долбления на основании информативных сигналов, поступивцшх на его входы, и внутренней программы осуществляет изменение сигнала на входе блока 35 регулирования так, чтобы режим бурения наилучшим образом приближался к оптимальному.

В случае непредвиденных нарушений работы системы при выходе из строя

0 того или иного элемента задатчик 33 подачи выдает сигнал в блок управления тормозными лебедками 34, который приводит в действие тормозную систему лебедки.

5

В случае отказа механической части систе1 1ы, т.е. исчезновения; удерживающего усилия на набегающем конце ленты 14 сигналом с преобразователя 2 блс1К управления тормозами лебедки также

0 осуществляет торможение лебедки и предотвращает посадку бурового инструмента .

в процессе подачи управляющим сигналом с задатчика 33 блок управления тормозами лебедки 34 устанавливает

5 предварительный режим торможения электротормоэа 40 так, чтобы значительная часть весабурового инструмента расходовалась бы на преодоление силы предварительного торможения, а

0 меньшая часть веса нагружала механическую часть системы регулирования.

Таким образом, малой мощностью, развиваемой двигателем 30 с высокой точностью, одуществляется управление

5 большими движущими силами, развиваемыми на барабане лебедки под действием веса бурового инструмента. Предварительное частичное урав нйвешивание и точное основное уравновешивание

0 спусковым маханизмом, который обеспечивает режим подачи, достигается высокое качество регулирования. При этом параметры регулятора приспосабливаются к объекту за счет управляе5мых корректирующих звеньев.

Применение настоящей системы позволит повысить механическую скорость бурения и проходку на долото, что в свою очередь улучшит технико-экономические показатели процесса долбле0ния и значительно облегчит ручной труд бурильщика.

Формула изобретения

Система для автоматического регулирования подачи бурового инструмента, содержащая преобразователи веса и скорости подачи, задатчик подачи, подключенные к блокам регулирования и управления тормозами лебедки, двигатель с таходатчиком и блоком управления, исполнительный механизм подачи, состоящий изсвязанной с рамой буровой станины с осью, сиабжеипол

®P-TK.q посаженными барабанами, охва енными тормазнымй лентами, от л иЧ а ю тая с я тем, что, с целью повышения качества подачи бурового инструмента и динамических характерйьтик сйстёмы в широких лиапйзонах изменения механической скорости бурения, глубины якважины и веса бурового

инструмента, она снабжена блоком вычисления скорости приращения веса бурового инструмента, регулируемыми

кбррёк йрук:1щими звеньями, вариатором и преобразователем момента исполнитёльного механизма подачи, который ,, установлен между рамой .буровой и станиной и выходом подключен к блоку управления тормозами лебедки, выход преобразователя веса подключен через ёлйк вйчй&ленйя скорости приращения веса бурового инструмента к блоку рег уЛйрбвания и непосредственно ко входам )ре гул ируемых корректирующих звеньев, к Другим входам которых подключен выход преобразователя скорости подачи бурового инструмента, а ко

хбду эадатчика подачи подключен таходатчик, причем между барабанами смонтированы водила, каждое предыдущее соединенос набегающим концом тормозной ленты, охватывающей ближайший барабан, а сбегающий конец ленты соединен с последующим водилсм, набегающий конец тормозной ленты первого барабана через обгонную муфту связанпередачей с промежуточным валом лебедки, а сбегающий конец ленты последнего барабана связан пружиной с небегаюЩ11М концом и передачей через вариатор с валом двигателя.

2. Система по п. 1, о т. л и ч а ющ а я с я тем, что барабаны выполнены с переменными г;еометрическими размерами так, что каждый последующий барабан меныие предыдущего.

Источники информации, принятые во внимание, при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 300582, кл. Е 21 В 1/10, 1969.

2.Авторское свидетельство СССР № 170017, кл. Е 21 В 19/08, 1963.

3.Патент США № 2759702,

кл. 254173, опублик,- 1958 (прототчп) . т,

Г

х