Устройство для вибровращательного бурения

 

Изобретение относится к горной промьшшенности, а именно к бурению скважин. Цель изобретения - повьшение производительности бурения различных по физико-механическим свойствам и перемежающихся по составу горных пород. Это достигается за счет оптимизации распределения нагрузки между вращательным, вибрационньм и силовым воздействиями при одновременном снижении величины абразивного износа режущих лезвий корон

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1452966 цц 4 Е 21 С 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫГИЯМ

ПРИ ГКИТ СССР

Н A ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4150448/22-03 (22) 24;11,86 (46) 23.0 1.89. Бюл. В 3 (7 1) Всесоюзный научно-исследовательский институт золота и редких металлов (72) А.И.Осипов, А.В.Бабичев и С.Т;Брагин (53) 622.233.056 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1057682, кл. Е 21 С 1/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР по заявке и 3958734, кл. Е 2 1 С 1/00, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ (57) Изобретение относится к горной промьппленности, а именно к бурению скважин. Цель изобретения — повьппение производительности бурения различных по физико-механическим свойствам и перемежающихся по составу горных пород. Это достигается за счет оптимизации распределения нагрузки между вращательным, вибрационным и силовым воздействиями при одновременном снижении величины абразивного износа режущих лезвий корон1452966

, ки при проходке гравийно-валунистых слоев породы. Устройство имеет вибро-! 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( ( (1 !

1

Изобретение относится к горной промышленности; в частности к устройствам 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 изно са 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. Увеличение поступления масла в ГД 16 вибратора увеличивает частоту вращения его . шестерен-дебалансов 5 и как следствие увеличивает усилие подачи бурового агрегата к забою скважин. При этом увеличивается скорость бурения и частота вращения бурового снаряда (за счет дополнительного поступления масла из уменьшающейся штоковой полости 19 гидроцилиндра 17 в напорную магистраль ГД 15). 1 ил.

2 щателя. Звездочка 14 цепной передачей связана с гидродвигателем 15 вращателя, а звездочка 13 - с гидродвигателем 16 вибратора. Рама 3 соединена

5 со штоком подающего гидроцилиндра 17, имеющего поршневую 18. и штоковую 19 полости. Буровой снаряд извлекается из скважины канатной лебедкой с гидродвигателем 20. Гидродвигатели вра-.

10 щателя .15, вибратора 16 и лебедки 20 соединены напорными магистралями 2123 с предохранительными клапанами 24 и насосами 25 вращателя, 26 вибратора и дополнительным насосом 27, а

15 через сливную магистраль 28 - с мас-! лобаком 29. Поршневая полость 18 гидроцилиндра 17 сообщена с гидродвигателем 16 вибратора, а штоковая полость 19 сообщена с гидродвигателем 15 вращателя.

В напорную магистраль 23 насоса

27 гидродвигателя 20 встроен двухходовой 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 на- . соса 27, а выходы 36 и 37 — соответственно с гидродвигателем 20 лебедз 14529 ки и входом 38 гидрораспределителя 31 вращателя. Вход 39 гидрораспределите" ля 31 связан магистралью 2 1 с насосом 25 вращателя. Выходы гидрораспределителя 31 соединены: 40 — с входом 41 гидрораспределителя 32 вибратора 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. между собой и с гидроуправляющей полостью 49 смежной с этой полостью 49 позиции 34.

Выход 50 гидрораспределителя 32 соединен со сливной магистралью 28, а выход 51 — с напорной магистралью

22 насоса 26, Насос 27 является насосом лебедки при подъеме и опускании бурильной трубы 11, а в режиме 25 бурения является дополнительным и в зависимости от характеристики буримых пород заменяет насос 25 гидродвигателя 15 вращателя либо подключается к гидродвигателю 16 вибратора. 30

Конструкция допускает управление лебедкой от электродвигателя, в этом . случае исключается необходимость в гидрораспределителе 30, а насос 27 выполняет функцию только дополнитель. ного насоса и постоянно подключен к гидрораспределителю 31 вращателя.

Распределительная гидроаппаратура устройства представлена в виде гидрораспределителей 30-33, а также предохранительными клапанами 24.

Устройство для вибровращательного бурения работает следующим образом.

В режиме бурения включают насосы

25 вращателя, 26 вибратора и дополни- 45 тельный 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 27 через гидрораспределители 31 и 32 со 55 сливной магистралью 28, а гидрораспределитель 31 соединяет насос 25 с гидродвигателем 15 вращателя. Насос

26 соединен с гидродвигателем 16 виб66 ратора 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 нормаль но 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 лоев россыпи, пред» ставленных галечниковым материалом, амплитуда колебаний вибровращательной каретки t 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 гидрораспределителя 32) поступает в сливную магистраль 28, а поток масла от насоса 27 по магистрали 23 (вход 35 и выход 37 гидрораспределителя.30, 966

5 1452 вход 38 и выход 43 гидрораспределите ля 31) поступает на гидродвигатель

15 вращателя. Производительность насоса 27 существенно меньше произво5 дительности насоса 25 вращателяy поэтому частота вращения бурового

Снаряда уменьшится.

При снижении крепости пород давJ ение масла в гидродвигателе 15 увеичится, что приведет к обраФному рабатыванию гидрораспределителя 31 переключению потоков масла от наоса 27 на сливную магистраль 28,а от асоса 25- на питание гидродвигателя 15

15 вращателя. Частота вращения буового снаряда восстановится.

При проходке слоев россыпи, пред- тавленным мелкодисперсным материаом, .с малым сопротивлением внедре- . 20 ию коронки увеличится глубина внед" ния коронки и толщина срезаемой ежущими лезвиями стружки. Возрастает момент сопротивления вращению бурового снаряда и давление масла в гидродвигателе 15 и штоковой полости 19 гидроцилиндра 17. Одновременно и!з-за увеличения скорости углубления бурового снаряда увеличивается отток части масла в расширяющуюся поршне- З0 вую полость 18 гидроцилиндра 17, при этом снижается поступление масла в г ндродвигатель 16 вибратора. Снижение подачи масла в гидродвигатель 16 вибр тора приводит к прямо пропорциональ-З6 н му снижению частоты вращения шестерен-дебалансов 5 вибратора и пропорционально второй степени — уменьшению возмущающей силы вибратора.

УМеньшится давление масла в напорном 40 маелопроводе 22 и поршневой полости

18 гидроцилиндра 17,. Таким образом, УМеньшается воздействие.интенсифицирующих бурение факторов.

Процесс бурения при проходке сла- 45 бых мелкодисперсных слоев россыпи оптимизируют увеличением подачи масла в гидродвигатель 16 вибратора за счет присоединения потока масла от насоса 27 к напорной магистрали 22 60 насоса 26. Осуществляется это присоединение автоматически следующим образом. При снижении давления в напорной магистрали 22 и в гидроуправля", аЦей полости 49 ниже заданного значе- В5 няя гидрораспределитель 32 срабатывает и переключается в положение, при котором вход 41 соединен с выходом

51, а управляющая позиция 34 перехо-. дит в положение гидрозамка, при котором гидроуправляющая полость 49 через выход 48 оказывается отключенной от входа 46 и соединенной с напорной магистралью 22 насоса 26, Таким образом, к гидродвигателю 16 вибратора оказываются подключенными два насоса — насос 26 по магистрали

22 и насос 27 по магистрали 23 (вход

35 и выход 37 гидрораспределителя

30, вход 38 и выход 40 гидрораспределителя 31, вход 41 и выход 51 гидрораспределителя 32). При переключении насоса 27 со сливной магистрали

28 на напорную магистраль 22 давление в гидроуправляющей полости 42 вспомогательного гидрораспределителя

33 повышается и последний переключается (через свои выход 45 и выход 47) соединяя гидроуправляющую полость 49 позиции 34 с магистралью 22 (это обеспечивает возможность возврата позиции 34 в исходное полбжение).

Увеличение поступления масла в гидродвигатель 16 вибратора увеличивает частоту вращения его шестерендебалансов 5, величину возмущающей силы вибратора, давление в поршневой полости 18 и, как следствие, увеличивает усилие подачи бурового агрегата к забою скважины. При этом увеличивается скорость бурения и частота вращения бурового снаряда (за счет дополнительного поступления масла из уменьшающейся штоковой полости 19 гидроцилиндра 17 в напорную магист" раль гидродвигателя 15 вращателя).

Таким образом, используются факторы, положительно влияющие на увеличение скорости 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 золотник

32 в исходное положение (вход 41 соединен через выход 50 со сливной магистралью 28), давление в гидроуправляющей полости 42 падает, гидро1452966 распределитель 33 тоже возвращается в исходное состояние.

Формула изобретения

Составитель В.Захаров

Техред Л.Олийнык Корректор С.Черни

Редактор С.Пекарь

Заказ 7145/24 Тираж 449 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и о1крытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, 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 физико-механическим свойствам и перемежающихся по составу горных пород sa счет оптимизации распределения нагрузки между вращательным, вибрационным и силовым воздействиями при одновременном снижении величины абразивного износа режущих лезвий коронки при проходice гравийно-валунистых слоев породы, устройство снабжено дополнительным насосом меньшей производительности по сравнению с насосами

I вращателя и вибратора, а распределительная гидроаппаратура имеет два с гидроуправляющими полостями золот5 никовых гидрораспределителя вращателя и вибратора и один вспомогательный золотниковый гидрораспределитель с гидроуправляксцей полостью, причем один вход гидрораспределите10 ля ьращателя соединен с насосом вращателя, а другой его вход — с дополнительным насосом, и один выход этого гидрораспределителя сообщен с входом гидрораспределителя вибрато15 ра, а другой его выход — с гидродвигателем вращателя и собственной гидроуправляющей полостью, причем один выход гидрораспределителя вибратора соединен с напорной магистралью гид20 родвигателя вибратора, а другой его выход — со сливной магистралью, при этом вход вспомогательного гидрораспределителя и вход смежной с гид-. роуправляющей полостью позиции гидрораспределителя вибратора сообщены с напорной магистралью насоса вибратора, а выход этой позиции гидрораспределителя внбратора сообщен с собственной гидроуправляющей полостью

30 и с выходом вспомогательного гидрораспределителя.