Устройство для вибровращательного бурения

(504 Е 21 С 1 НИ Я ВИБРОВР Б сследовательедких меЙ научизолотаАВ ч 56 (08свидеЕ 21виде тел58734,.8)ельство СССР1/00, 1982,ьство СССРкл. Е 21 С 1/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫГПРИ ГНИТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТ(56) АвторскоУ 1057682, клАвторскоепо заявке У 31985,(54) УСТРОЙСТВО ДЛ АЩАТЕЛНОГО БУРЕНИЯ(57) Изобретение относится к горнойпромьппленности, а именно к бурениюскважин, Цель изобретения - повьппение производительности бурения различных по физико-механическим свойствам и перемежающихся по составугорных пород. Это достигается засчет оптимизации распределения нагрузки между вращательным, вибрационым и силовым воздействиями при одновременном снижении величины абразивного износа режущих лезвий корон, ки при проходке гравийно-валунистыхслоев породы. Устройство имеет вибро 1 вращательную каретку 1 с гидродвига-телями (ГД) 15, 16 вращателя и вибратора. Напорными магистралями 2 1-23 ГД 15, 16 и ГД 20 лебедки соединены с насосами 25-27, а через сливную магистраль 28 - с маслобаком 29.В напорные магистрали 2 1"23 встроены гидрораспределители (ГР) 30-32, при этом ГР 32 имеет вспомогательный ГР 33, Рама 3 соединена со штоком подающего гидроцилиндра 17, имеющего порш 1Изобретение относится к горной промышленности,. в частности к устрой" ствам для бурения скважин вибровращательным способам, например, в мерзлых породах.Целью изобретения является повышение производительности бурения различных по Физико-механическим свойствам и перемещающихся по составу горных пород эа 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.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 11 с коронкой 12. На валах 4 и 7 насажены звездочки 13 и 14 вибратора и враневую и штоковую полости. Увеличениепоступления масла в ГД 16 вибратораувеличивает частоту вращения его .шестерен-дебалансов 5 и как следствиеувеличивает усилие подачи буровогоагрегата к забою скважин. При этомувеличивается скорость бурения ичастота вращения бурового снаряда(за счет дополнительного поступления масла из уменьшающейся штоковойполости 19 гидроцилиндра 17 в напорную магистраль ГД 15). 1 ил. 2щателя. Звездочка 14 цепной передачейсвязана с гидродвигателем 15 враща"теля, а звездочка 13 - с гидродвигателем 16 вибратора. Рама 3 соединена 5 со штоком подающего гидроцилиндра 17,имеющего поршневую 18. и штоковую 19полости. Буровой снаряд извлекаетсяиз скважины канатной лебедкой с гидродвигателем 20. Гидродвигатели вра-, 10 щателя .15, вибратора 16 и лебедки 20соединены напорными магистралями 2123 с предохранительными клапанами 24и насосами 25 вращателя, 26 вибратора и дополнительным насосом 27, а 15через сливную магистраль 28 - с маслобаком 29. Поршневая полость 18гидроцилиндра 17 сообщена с гидродвигателем 16 вибратора, а штоковаяполость 19 сообщена с гидродвигателем 15 вращателя. В напорную магистраль 23 насоса 27 гидродвигателя 20 встроен двух- ходовой золотниковый гидрораспределитель 30; в напорную магистраль .21 насоса 25 вращателя - двухходовой золотниковый гидрораспределитель 31,а в напорную магистраль 22 насоса 26 вибратора - двухходовой эолотниковый гидрорасцределитель 32, имеющий вспомогательный гидрораспределитель 33 и управляющую позицию 34, Вход 35 гидрораспределителя 30 соединен с напорной магистралью насоса 27, а выходы 36 и 37 - соответственно с гидродвигателем 20 лебед з 14529ки и входом 38 гидрораспределителя 31вращателя. Вход 39 гидрораспределите"ля 31 связан магистралью 2 1 с насосом 25 вращателя. Выходы гидрораспределителя 3 1 соединены: 40 - свходом 41 гидрораспределителя 32вибратора 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 соединены с магистралью 22 вибратора,а их выходы 47 и 48 соединены. междусобой и с гидроуправляющей полостью49 смежной с этой полостью 49 позиции 34,Выход 50 гидрораспределителя 32соединен со сливной магистралью 28,а выход 51 - с напорной магистралью22 насоса 26, Насос 27 является насосомлебедки при подъеме и опускании бурильной трубы 11, а в режиме 25бурения является дополнительным и взависимости от характеристики буримых пород заменяет насос 25 гидродвигателя 15 вращателя либо подключается к гидродвигателю 16 вибратора. З 0Конструкция допускает управление лебедкой от электродвигателя, в этом. случае исключается необходимость вгидрораспределителе 30, а насос 27выполняет функцию только дополнительного насоса и постоянно подключен кгидрораспределителю 31 вращателя.Распределительная гидроаппаратураустройства представлена в виде гидрораспределителей 30-33, а также 4 Опредохранительными клапанами 24.Устройство для вибровращательногобурения работает следующим образом,В режиме бурения включают насосы25 вращателя, 26 вибратора и дополнительный 27, при этом гидрораспределитель 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 литологическому составу пород гидрораспределитель 30 соединяет насос 2 черезгидрораспределители 31 и 32 со 55сливной магистралью 28, а гидрораспределитель 31 соединяет насос 25 сгидродвигателем 15 вращателя. Насос26 соединен с гидродвигателем 16 вибббратора 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 (эакрепленных на валу 4) шестерен-дебалансов 5 и ведомых (размещенных на ступицах червячного вала 7) шестерен-дебалансов 6 образуетая возмущающая сила вибратора, вызывающая периодические, направленные вдоль оси бурильной 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 "доев россыпи, пред ставленных галечниковым материалом, амплитуда колебаний вибровращательной каретки 1 увеличивается, и так как коронка 12 большую часть времени не соприкасается с забоем, уменьшается крутящий момент на валу шпинделя 9, .а также давление в напорной магистрали 2 1 и в штоковой полости 19 гидроцилиндра 17. При этом давление в поршневой полости 18 гидроцилиндра 17 остается практически неизменным, поэтому увеличивается усилие прнжатия коронки к забою. Для того, чтобы уменьшить за время контакта коронки 12 с забоем абразивный износ ее режущих кромок, необходимо снизить частоту вращения бурового снаряда. Эту задачу выполняет гидрораспределитель 31, который при снижении давления в напорной магистрали 2 1 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 гидрораспределителя 31, вход 41 и выход 50 гидро- распределителя 32) поступает в сливную магистраль 28, а поток масла от насоса 27 по магистрали 23 (вход 35 и выход 37 гидрораспределителя.30,52966 6 50 5 14 вход 38 и выход 43 гидрораспределите ля 31) поступает на гидродвигатель 15 вращателя. Производительность насоса 27 существенно меньше производительности насоса 25 вращателя поэтому частота вращения бурового Снаряда уменьшится.При снижении крепости пород давг ение масла в гидродвигателе 15 увеичится, что приведет к обраФному рабатывачию гидрораспределителя 31переключению потоков масла от наоса 27 на сливную магистраль 28,а от асоса 25 - напитание гидродвигателя 15 вращателя. Частота вращения буового снаряда восстановится.При проходке слоев россыпи, пред- тавленным мелкодисперсным материаом, .с малым сопротивлением внедреию коронки увеличится глубина внедния коронки и толщина срезаемойежущими лезвиями стружки. Возрастает момент сопротивления вращению бурового снаряда и давление масла в гидродвигателе 15 и штоковой полости 19 гидроцилиндра 17, Одновременно из-за увеличения скорости углубления бУрового снаряда увеличивается отток части масла в расширяющуюся поршневую полость 18 гидроцилиндра 17, при этом снижается поступление масла в гдродвигатель 16 вибратора. Снижение подачи масла в гидродвигатель 16 вибратора приводит к прямо пропорциональ нму снижению частоты вращения шестерен-дебалансов 5 вибратора и пропорционально второй степени - уменьшению возмущающей силы вибратора. УМеньшится давление масла в напорном маелопроводе 22 и поршневой полости 18 гидроцилиндра 17,. Таким образом, УМеньшается воздействие.интенсифицирующих бурение факторов.Процесс бурения при проходке слабых мелкодисперсных слоев россыпи оптимизируют увеличением подачи масла в гидродвигатель 16 вибратора за счет присоединения потока масла от насоса 27 к напорной магистрали 22 насоса 26. Осуществляется это присоединение автоматически следующим образом. При снижении давления в напорной магистрали 22 и в гидроуправля", юлей полости 49 ниже заданного значенйя гидрораспределитель 32 срабатывает и переключается в положение, при котором вход 41 соединен с выходом 51, а управляющая позиция 34 переходит в положение гидрозамка, при котором гидроуправляющая полость 49через выход 48 оказывается отключенной от входа 46 и соединенной с напорной магистралью 22 насоса 26,Таким образом, к гидродвигателю 16вибратора оказываются подключеннымидва насоса - насос 26 по магистрали22 и насос 27 по магистрали 23 (вход35 и выход 37 гидрораспределителя30, вход 38 и выход 40 гидрораспределителя 31, вход 41 и выход 51 гидрораспределителя 32). При переключении насоса 27 со сливной магистрали28 на напорную магистраль 22 давление в гидроуправляющей полости 42вспомогательного гидрораспределителя33 повышается и последний переключается (через свои выход 45 и выход 47)соединяя гидроуправляющую полость 49позиции 34 с магистралью 22 (этообеспечивает возможность возвратапозиции 34 в исходное полбжение).25 Увеличение поступления масла в гидродвигатель 16 вибратора увеличивает частоту вращения его шестерендебалансов 5, величину возмущающейсилы вибратора, давление в поршневойполости 18 и, как следствие, увеличивает усилие подачи бурового агрегата к забою скважины, При этом увеличивается скорость бурения и частота вращения бурового снаряда (за счетдополнительного поступления масла изуменьшающейся штоковой полости 19гидроцилиндра 17 в напорную магист"раль гидродвигателя 15 вращателя),Таким образом, используются факторы,положительно влияющие на увеличениескорости 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, сработает позиция 34, переключит золотник32 в исходное положение (вход 41 соединен через выход 50 со сливной магистралью 28), давление в гидроуп.равляющей полости 42 падает, гидро1452966 распределитель 33 тоже возвращаетсяв исходное состояние. Формула изобретения Составитель В.ЗахаровТехред Л.Олийнык Корректор С.Черни Редактор С,Пекарь Заказ 7145/24 Тираж 449 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и о 1 крытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Устройство для вибровращательного бурения, включающее вибровращательную каретку с гидродвигателями вращателя и вибратора, соединенными напорными магистралями с насосами и сливной - с маслобаком, гидроцилиндр подачи с поршневой полостью, сообщенной с напорной магистралью гидродвигателя вибратора, и штоковой " с напорной ,магистралью гидродвигателя, и распределительную гидроаппаратуру, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности бурения различных по фиэико-механическим 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 производительности по сравнению с насосамиФ вращателя и вибратора, а распределительная гидроаппаратура имеет двас гидроуправляющими полостями золотниковых гидрораспределителя вращателя и вибратора и один вспомогательный золотниковый гидрораспределитель с гидроуправлящцей полостью,причем один вход гидрораспределите ля ьращателя соединен с насосом вращателя, а другой его вход - с дополнительным насосом, и один выходэтого гидрораспределителя сообщен свходом гидрораспределителя вибрато ра, а другой его выход - с гидродвигателем вращателя и собственной гидроуправляющей полостью, причем одинвыход гидрораспределителя вибраторасоединен с напорной магистралью гид родвигателя вибратора, а другой еговыход - со сливной магистралью, приэтом вход вспомогательного гидрораспределителя и вход смежной с гид-.роуправляющей полостью позиции гидро распределителя вибратора сообщены снапорной магистралью насоса вибратора, а выход этой позиции гидрораспределителя внбратора сообщен с собственной гидроуправляющей полостью 30 и с выходом вспомогательного гидрораспределителя.