Устройство подачи долота Советский патент 1982 года по МПК E21B44/02 

(54) УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ДОЛОТА

1

Изобретение относится к регулированию режимных параметров процесса бурения и может использоваться в нефтяной промышленности для автоматической подачи долота при бурении нефтяных и газовых скважин.

Известно устройство подачи долота, содержащее лебедку с тормозной системой, рычаг которой штангой шарнирно связан с подпружиненным рычагом, противоположное плечо которого шатуном кинематически соединено с основным исполнительным механизмом, к выходу которого подключен преобразователь веса бурового инструмента, гидравлический насос, вал которого посредством прижимного фрикционного ролика кинематически связан с барабаном лебедки, клапанную пробку с подпружиненным клапаном, регулирующий дроссель и гидроцилиндр слива с подпружиненным поршнем, шток которого взаимодействует со сливным клапаном, соединенным с напорной линией гидравлического насоса, исполнительный механизм обратной связи, соединенный с дросселем, клапанной коробки и сливным клапаном и имеющий параллельную ветвь, содержащую дроссель, обратный клапан и второй регулируемый дроссель обратной связи с предохранительным клапаном причем шток гидроцилиндра обратной связи и предохранительного клапана соединен кинематически со штоком исполнительного механизма, который через блок управления соединен с выходом преобразователя веса 1.

Недостатками известного устройства является сложность конструкции, связанная с использованием гидравлической отрицательной обратной связи и громоздкости. Для нормальной работы насоса необходимо сообщить ему определенные обороты, что требует установки повыщающего редукторамультипликатора, а так как механическая скорость бурения изменяется в широких пре15делах, то насос работает в неустойчивом режиме, и осуществить регулирование по скорости подачи в этом случае сложно.

Известен также регулятор подачи долота, состояший из гидравлического датчика веса, блока управления с пневмодвигателем, свя20занным канатной тягой с рукояткой тормоза лебедки и датчика скорости вращения подъемного вала лебедки. Регулятор осуществляет регулирование по нагрузке на ДОЛОТО и включает внутреннюю обратную связь по скорости, содержащую датчик скорости, задатчик скорости вращения барабана лебедки и предохранительный клапан с релейной характеристикой, посылающей на исполнительный механизм сигнал отключения в случае превыщения максимально допустимой скорости вращения барабана лебедки 2. Недостатком данного устройства является то, что внутренняя обратная связь включается только при попадании долота в каверну, когда скорость лебедки превышает максимально заданную величину и осуществ:. ляется полное ее затормаживание. После этого внутренняя обратная связь отключается. Периодическое включение обратной связи осуществляет подачу бурового инструмента дискретно, рывками, что ведет к неустойчивой работе устройства, приводящей к неравномерности подачи инструмента при разбуривании пород с чередующейся твердостью. Известно также устройство подачи долота содержащее датчик веса бурового инструмента, регулятор с задатчиком, датчик скорости, пневмоусилитель и исполнительный механизм, связанный с рычагом тормоза буровой лебедки 3. Недостатком данного устройства является периодическое включение отрипательной обратной связи по скорости в работу, что приводит к периодическому растормаживанию и затормаживанию буровой лебедки, и как следствие, к неравномерной подаче бурового инструмента, устройство входит в колебательный режим и нарушается устойчивость в работ.е. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство подачи долота, содержащее датчик веса бурового инструмента, задатчик, регулятор, клапан подачи воздуха, проточную камеру пнев моцилиндра с поршнем, связанным со штоком, и лебедку с тормозом. Кроме того, оно снабжено датчиком давления с преобразователем и дополнительным регулятором, при чем выход первого регулятора через преобразователь и выход давления соединены со входами дополнительного регулятора, выход которого связан с клапаном подачи воздуха, а вход датчика давления соединен с проточной камерой пневмоцилиндра, снабженной дросселем сброса в атмосферу j. Однако данное устройство обладает перечисленными недостатками, что не приводит к достижению требуемой стабильности осевой нагрузки на долото. Цель изобретения - повышение качества регулирования осевой нагрузки на долото. Поставленная цель достигается тем, что устройство, включающее датчик веса бурового инструмента, задатчик осевой нагрузки, регуляторы осевой нагрузки и скорости подачи, клапан подачи воздуха, проточную камеру пневмоцилиндра, включающую дроссель сброса в атмосферу, датчик давления и порщень, связанный щтоком с рычагом тормоза лебедки, дополнительно снабжено датчиком скорости подачи бурового инструмента, задатчиком скорости, подачи и элементом сравнения, при этом выход датчика скорости подачи бурового инструмента подключен к одному из входов регулятора скорости подачи, другой вход которого подключен к задатчику скорости подачи и к одному из входов элемента сравнения, два других входа которого подключены соответственно к клапану подачи воздуха и регулятору осевой нагрузки, причем регулятор осевой погрузки подключен к задатчику осевой нагрузки, к датчику веса бурового инструмента и через датчик давления подключен к проточной камере пневмоцилиндра. На чертеже изображено предложенное устройство подачи долота. Устройство состоит из датчика веса бурового инструмента I, задатчика 2 осевой нагрузки на долото, регулятора осевой наг: рузки 3, регулятора скорости подачи 4, элемента сравнения 5, регулирующего клапана 6, пневмоцилиндра 7 с поршнем 8 и проточной камерой 9, сообщаемой с датчиком давления 10 и сдросселем сброса в атмосферу 11. Барабан лебедки 12 связан посредством прижимного ролика 13, вала 14 и муфты обгона 15 с валом датчика скорости подачи бурового инструмента 16, подсоединенного совместно с выходом задатчика скорости подачи 17 с регулятором скорости подачи. Поршень пневмоцилиндра оснащен пружиной 18 и через шток 19 сочленен с рычагом 20 тормоза буровой лебедки. Устройство работает следующим образо.м. Задатчиком 2 устанавливается требуе.мое значение веса бурового инструмента на крюке, характеризующее необходимую нагрузку на долото, в процессе бурения регулятор осевой нагрузки 3 сравнивает заданный сигнал с сигналом от датчика 1 веса бурового инструмента. Одновременно на корректирующий вход регулятора осевой нагрузки 3 поступает сигнал от датчика давления 10, связанного с проточной камерой 9 пневмоцилиндра 7. Изменение давления сжатого воздуха в проточной ка.мере 9 вызывает перемещение поршня 8, воздействующего через шток 19 на рычаг 20 тормоза буровой лебедки 12. При этом уменьщение давления сжатого воздуха в проточной камере 9 пневмоцилиндра 7 приводит к торможению барабана лебедки 12, а это в свою очередь вызывает уменьщение осевой нагрузки на долото. Увеличение давления сжатого воздуха воспринимаемого поршнем 8 приводит к растормаживанию барабана лебедки 12, а следовательно, к увеличению осевой нагрузки на долото. Поэтому формирование управляющего сигнала регулятором 3 производится Б зависимости от значения корректирующего сигнала на входе. Сформированное значение управляющего сигнала с выхода регулятора 3поступает на вход элемента сравнения 5. Задатчиком 17 устанавливается требуемое значение скорости подачи бурового инструмента и в процессе перемещения бурового инструмента регулятор скорости подачи 4сравнивает заданный сигнал и сигналом от датчика 16 скорости подачи бурбвого инструмента. Известно, что в процессе бурения изменение осевой нагрузки на долото связано в первую очередь с изменением как скорости подачи, так и механической скорости бурения. В самом общем случае математическое описание этого явления имеет вид if п-м„ где- скорость изменения осевой нагрузки на долото; К - коэффициент пропорциональности;УП - скорость перемещения верхнего конца бурового инструмента; VM-механическая скорость бурения. В установивщемся режиме бурения, когда скорость перемещения бурового инструмента соответствует заданному значению скорости подачи бурового инструмента и на выходе регулятора скорости подачи 4 имеется управляющий сигнал, значение которого строго соответствует значению сигнала от задатчика скорости подачи 17 бурового инструмента. В элементе сравнения 5 сигналы с регулятора 4 и с задатчика 17 компенсируют друг друга и на выходе элемента сравнения 5 имеется результирующее воздействие, которое формируется по отклонению текущего значения осевой нагрузки на долото от заданного. При появлении возмущающего воздействия по скорости перемещения бурового инструмента, вызываемого изменением буримости горных пород, регулятор скорости подачи 4 формирует упреждающее воздействие по возмущению. При этом при снижеНИИ скорости перемещения бурового инструмента уровень управляющего сигнала снижается, а величина результирующего управляющего сигнала на выходе элемента сравнения 5 возрастает. При увеличении скороети подачи по сравнению с заданным его значением величина результирующего управляющего сигнала на выходе элемента сравнения 5 уменьшается. Это позволяет резко снизить степень колебаний осевой нагрузки и резко уменьшить пульсации осевой нагрузки на долото, так как получить требуемую чувствительность по возмущающему воздействию (по скорости перемещения бурового инструмента) не представляет технической трудности. Высокая точность поддержания осевой нагрузки на долото обеспечивает равномерную подачу долота на забой. Устройство имеет высокую надежность, так как предотвращает перегрузки долота и предотвращает поломку бурового инструмента, связанную с перегрузкой долота, Устойчивое регулирование увеличивает скорость проходки скважины и, как следствие, уменьщает количество спуско-подъемных операций и количество отработанных долот на скважину. По сравнению с ручной подачей внедрение данного устройства позволяет увеличить проходку на долото от 8 до 46%, а механическую скорость бурения на 7-16%. Ориентировочный экономический эффект на один комплект составляет 23,6 тыс. руб. в год. Формула изобретения Устройство подачи долота, содержащее датчик веса бурового инструмента, задатчик осевой нагрузки, регулятор осевой нагрузки, регулятор скорости подачи, датчик давления, поршень, связанный штоком с рычагом тормоза лебедки, пневмоцилиндр с дросселем сброса и регулирующий клапан, отличающееся тем,- что, с целью повышения точности регулирования осевой нагрузки на долото, оно снабжено датчиком скорости подачи бурового инструмента, задатчиком скорости по дачи и элементом сравнения, при этом выход датчика скорости подачи бурового инструмента подключен к одному из входов регулятора скорости подачи, другой вход которого подключен к задатчику скорости подачи и к одному из входов элемента сравнения, два других входа которого подключены соответственно к регулирующему клапану и регулятору осевой нагрузки, причем регулятор осевой нагрузки подключен к задатчику осевой нагрузки, к датчику веса бурового инструмента и через датчик давления 1 пневмоцилиндру. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 613088, кл. Е 21 В 45/00, 1976. 2. Патент США № 3104864, кл. 254-173, 1963. 3. Патент США № 3031169, кл. 254-173, 1962. 4. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2456475, кл. Е 21 В 19/08, 1977.