Способ бурения и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для бурения скважин, преимущественно в горных породах. Сущность изобретения: способ бурения заключается в передаче вращения буровому породоразрушающему инструменту, его осевой подаче и подведении к нему очистного агента. При этом задают значения и измеряют параметры, характеризующие процесс бурения, и поддерживают постоянную скорость подачи породоразрушающего инструмента за счет изменения осевой нагрузки или крутящего момента, или того и другого одновременно, устанавливают случаи превышения измеряемыми параметрами их заданных максимальных значений и определяют продолжительность (t) каждого такого случая. При этом скорость подачи бурового инструмента поддерживают постоянной как при значениях измеренных параметров ниже их заданных максимальных значений, так и при превышении одним или несколькими измеренными параметрами одновременно заданных максимальных значений, если измеряемые параметры процесса бурения уменьшаются в течение времени t < t₀ ниже их заданных максимальных значений. Прекращают подачу бурового инструмента, если измеряемые параметры процесса бурения превышают их заданные максимальные значения в течение времени t > t₀. В случае, если продолжительность превышения измеряемыми параметрами их заданных максимальных значений t > t₀ + t₁, производят экстренный подъем породоразрушающего инструмента. Величины t₀ и t₁ задают для конкретных условий бурения на основании экспериментальных данных. Приведено описание устройства для реализации способа. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для бурения скважин, преимущественно в горных породах.

Известен способ бурения, заключающийся в передаче вращения буровому породоразрушающему инструменту, его осевой подаче, измерении скорости подачи породоразрушающего инструмента, его осевой нагрузки и крутящего момента и их изменении в процессе бурения при прохождении пород с различной твердостью [1] Известное устройство, осуществляющее указанный способ бурения, включает станок с буровым породоразрушающим инструментом и приводами его вращения и осевой подачи, измерители и задатчики скорости подачи породоразрушающего инструмента, осевой нагрузки и крутящего момента, элементы сравнения и регулятор, связанный с приводом.

В известных способе и устройстве не учитывается влияние на процесс наличия и состояния очистного агента, кроме того, изменение в процессе бурения скорости подачи породоразрушающего инструмента увеличивает интенсивность его износа.

Известен способ бурения, заключающийся в передаче вращения буровому породоразрушающему инструменту и его осевой подаче, при которых изменение осевой нагрузки породоразрушающего инструмента или скорости его вращения, или того и другого одновременно производят при стабильном уровне затраченной на бурение мощности, поддерживаемой ниже максимально допустимого значения [2] Этот способ также не учитывает влияние на процесс бурения наличия и состояния очистного агента. Предусмотренная этим способом стабилизация уровня мощности не приводит к стабилизации скорости подачи породоразрушающего инструмента, без чего остается высокой интенсивность износа породоразрушающего инструмента.

Известен способ бурения, заключающийся в передаче вращения буровому породоразрушающему инструменту, его осевой подаче и подведении к нему очистного агента, измерении осевой нагрузки и частоты вращения породоразрушающего инструмента, давления очистного агента, определении скорости подачи породораз- рушающего инструмента и ведении процесса бурения с учетом полученных параметров [3] Устройство для осуществления указанного способа включает буровой станок с буровым породоразрушающим инструментом, приводами его вращения и осевой подачи, систему подведения очистного агента к породоразрушающему инструменту, измерители величин осевой нагрузки и частоты вращения породоразрушающего инструмента, давления очистного агента и средства для изменения этих параметров в процессе бурения.

Указанные способ и устройство для бурения также не обеспечивают стабильного режима скорости подачи породоразрушающего инструмента, что негативно влияет на его износ по мере отработки и приводит к уменьшению его ресурса.

Наиболее близким к изобретению является способ бурения [4] который заключается в передаче вращения буровому породоразрушающему инструменту, его осевой подаче и подведении к нему очистного агента, задании значений и измерении скорости подачи породоразрушающего инструмента, величины осевой нагрузки и крутящего момента и поддержании постоянной скорости подачи за счет изменения осевой нагрузки.

Устройство для бурения, реализующее этот способ, включает буровой станок с буровым породоразрушающим инструментом и приводами его вращения и осевой подачи, систему подведения очистного агента к породоразрушающему инструменту и систему стабилизации скорости его подачи, содержащую коммутатор, измеритель и задатчик крутящего момента, подключение ко входам первого элемента сравнения, задатчик скорости подачи породоразрушающего инструмента, подключенный ко входу второго элемента сравнения, и измерители осевой нагрузки и скорости подачи породоразрушающего инструмента.

Известные способ и устройство не учитывают влияния наличия и состояния очистного агента на процесс бурения, не обеспечивают эффективную защиту оборудования в аварийных ситуациях, прекращают подачу породоразрушающего инструмента при случайных, кратковременных превышениях измеряемыми параметрами их допустимых значений, что приводит к необоснованным остановкам породоразрушающего инструмента и снижению производительности бурения.

Кроме того, ни одно из известных решений не обеспечивает возможности экстренного подъема (подрыва) породоразрушающего инструмента при аварийных ситуациях, возникших при проведении автоперехвата или непосредственно по его окончании.

Технический результат изобретения увеличение ресурса породоразрушающего инструмента за счет снижения интенсивности его износа, увеличение длины рейса при бурении в перемежающихся и трещиноватых породах за счет исключения самозаклинивания породоразрушающего инструмента; исключение аварийных ситуаций типа "прижог", "прихват", снижение интенсивности искривления скважин.

Технический результат достигается при использовании способа бурения, заключающегося в передаче вращения буровому породоразрушающему инструменту, его осевой подаче и подведении к нему очистного агента, задании максимальных значений и измерении текущих значений параметров, характеризующих процесс бурения, и поддержании постоянной скорости подачи породоразрушающего инструмента за счет изменения осевой нагрузки или крутящего момента, или того и другого одновременно, установлении случаев превышения измеряемыми параметрами их заданных максимальных значений и определении продолжительности (t) каждого такого случая, при этом скорость подачи бурового инструмента поддерживают постоянной как на значениях измеренных параметров ниже их заданных максимальных значений, так и при превышении одним или несколькими измеренными параметрами одновременно заданных максимальных значений, если измеряемые параметры процесса бурения уменьшаются в течение времени t < t_о ниже их заданных максимальных значений, прекращают подачу породоразрушающего инструмента, если измеряемые параметры процесса бурения превышают их заданные максимальные значения в течение времени t > t_с, и производят экстренный подъем породоразрушающего инструмента в случае, если продолжительность превышения измеряемыми параметрами их заданных максимальных значений t > t_o + t₁, где t_o и t₁ периоды времени, задаваемые для конкретных условий бурения на основании экспериментальных данных. Значения t_о и t₁ могут задаваться как в процессе бурения, так и до его начала.

Ресурс породоразрушающего инструмента увеличивается, а интенсивность его износа соответственно уменьшается, если в качестве измеряемых параметров, характеризующих процесс бурения, используют наличие очистного агента, величину его давления в системе подачи очистного агента к породоразрушающему инструменту, величину крутящего момента и величину осевой нагрузки породоразрушеющего инструмента.

Для обеспечения возможности экстренного подъема породоразрушающего инструмента при аварийных ситуациях, возникших при проведении автоперехвата или непосредственно по его окончании, автоперехват в процессе бурения производят с остановом верхнего патрона шпинделя бурового станка в промежуточном относительно его полного хода произвольно заданном положении.

Описанный выше способ бурения может быть реализован с достижением указанного технического результата при использовании устройства для бурения, содержащего буровой станок с буровым породоразрушающим инструментом и приводами его вращения и осевой подачи, систему подведения очистного агента к породоразрушающему инструменту и систему стабилизации скорости его подачи, включающую коммутатор, измеритель и задатчик крутящего момента, подключенные к входам первого элемента сравнения, задатчик скорости подачи породоразрушающего инструмента, подключенный к входу второго элемента сравнения, и измерители осевой нагрузки и скорости подачи породоразрушающего инструмента, элемент ИЛИ, блоки ограничения времени, блок рассогласования, усилитель, третий элемент сравнения и задатчик осевой нагрузки, при этом измеритель скорости подачи породоразрушающего инструмента подключен к второму входу второго элемента сравнения, выход которого через усилитель связан с первым входом блока рассогласования, второй вход которой связан с задатчиком скорости подачи породоразрушающего инструмента, а выход подключен к коммутатору, измеритель и задатчик осевой нагрузки подключены к входам третьего элемента сравнения, выходы первого и третьего элементов сравнения подключены к первому и второму входам элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу первого блока ограничения времени, выход которого подсоединен к входу второго блока ограничения времени и к первому управляющему входу коммутатора, второй управляющий вход которого связан с выходом второго блока ограничения времени, а выходы коммутатора подключены к приводам вращения и осевой подачи породоразрушающего инструмента.

Ресурс породоразрушающего инструмента увеличивается, а интенсивность его износа соответственно уменьшается, если устройство для бурения снабжено датчиком наличия очистного агента, измерителем и задатчиком давления очистного агента и четвертым элементом сравнения, при этом измеритель и задатчик давления очистного агента подключены к входам четвертого элемента сравнения, а его выход и выход датчика наличия очистного агента подключены соответственно к третьему и четвертому входам элемента ИЛИ.

Для обеспечения возможности бурения без остановки вращения породоразрушающего инструмента устройство снабжено механизмом автоперехвата с электрозолот- ником управления и блоком управления, выход которого подключен к третьему управляющему входу коммутатора и к обмотке управления золотника механизма автоперехвата.

Возможность экстренного подъема породоразрушающего инструмента при аварийных ситуациях, возникших при проведении автоперехвата или непосредственно по его окончании, обеспечивается при выполнении блока управления механизма автоперехвата в виде датчика положения шпинделя бурового станка, задатчиков величины автоперехвата и нижнего положения шпинделя бурового станка, двух элементов сравнения и триггера, при этом датчик положения шпинделя подключен к первым входам элементов сравнения, вторые входы каждого из которых связаны с задатчиком величины автоперехвата и с задатчиком нижнего положения шпинделя, а выходы элементов сравнения подключены к входам триггера, выход которого является выходом блока управления.

Одним из возможных вариантов выполнения устройства для бурения, обеспечивающим стабильную скорость подачи породоразрушающего инструмента, является такой, при котором привод осевой подачи породоразрушающего инструмента включает два силовых гидроцилиндра, через электрогидравлический регулятор параллельно подсоединенных к напорной и сливной магистралям, сообщающихся с маслобаком.

Высокие надежность, быстродействие и качество управления подачей породоразрушающего инструмента обеспечиваются при выполнении электрогидравлического регулятора в виде электромагнита с обмотками управления дроссельного элемента типа "двухстороннее сопло-заслонка" со струйной камерой золотникового распределителя с двумя рабочими и двумя торцовыми камерами и трех обратных клапанов, при этом обмотки электромагнита подключены к выходу коммутатора, якорь электромагнита кинематически связан с подвижным концом заслонки дроссельного элемента, другой конец которой шарнирно закреплен на серединном участке штока золотника распределителя, а струйная камера дроссельного элемента через первый обратный клапан сообщена со сливной магистралью, при этом торцовые камеры золотникового распределителя подсоединены к соответствующим соплам дроссельного элемента, сообщены между собой, с напорной магистралью и с входными каналами обеих рабочих камер золотникового распределителя, выходной канал первой рабочей камеры золотникового распределителя подсоединен к надпоршневым полостям гидроцилидров привода осевой подачи породоразрушающего инструмента и посредством второго обратного клапана отсечен от сливной магистрали, а выходной канал второй рабочей камеры золотникового распределителя подсоединен к надпоршневым полостям гидроцилиндров привода и через третий обратный клапан к напорной магистрали.

На фиг. 1 представлена принципиальная технологическая схема устройства для бурения; на фиг. 2 блок-схема управления процессом бурения; на фиг. 3 принципиальная схема блока управления механизмом автоперехвата; на фиг. 4 принципиальная схема электрогидравлического регулятора привода осевой подачи; на фиг. 5 график, иллюстрирующий процесс осевой подачи породоразрушающего инструмента при изменении осевой нагрузки.

Буровой станок включает бурильную колонну 1 с буровым породоразрушающим инструментом 2, размещенным в забое 3 скважины (фиг.1). Шпиндель 4 бурового станка связан с приводом вращения (не показан) породоразрушающего инструмента 2 и приводом его осевой подачи, включающим силовые гидроцилиндры 5, через электрогидравлический регулятор 6 параллельно подключенные к напорной и сливной магистралям, сообщающимся с маслобаком 7. Система подведения очистного агента к породоразрушающему инструменту 2 включает насос 8 для подачи очистного агента из резервуара 9.

На блок-схеме управления процессом бурения (фиг.2) представлена система стабилизации скорости подачи породоразрушающего инструмента 2, включающая измеритель 10 и задатчик 11 крутящего момента, подключенные к входам первого элемента сравнения 12, выход которого связан с первым входом элемента ИЛИ 13, измеритель 14 и задатчик 15 осевой нагрузки, подключенные к входам третьего элемента сравнения 16, выход которого связан с вторым входом элемента ИЛИ 13, датчик 17 наличия очистного агента, связанный с четвертым входом элемента ИЛИ 13, измеритель 18 и задатчик 19 давления очистного агента, подключенные к входам четвертого элемента сравнения 20, выход которого связан с третьим входам элемента ИЛИ 13, выход которого подключен к входу первого блока 21 ограничения времени, выход которого связан с входом второго блока 22 ограничения времени и с первым управляющим входом коммутатора 23. Выход второго блока 22 ограничения времени подключен к второму управляющему входу коммутатора 23. Выход элемента ИЛИ 13 связан также с блоком 24 отображения информации и сигнализации.

Схема стабилизации скорости подачи породоразрушающего инструмента 2 включает также измеритель 25 и задатчик 26 скорости подачи, подключенные к входам второго элемента сравнения 27, выход которого через усилитель 28 с изменяемым коффициентом усиления подключен к одному из входов блока рассогласования 29, второй вход которого связан с выходом задатчика 26 скорости подачи, а выход блока рассогласования 29 через коммутатор 23 связан с блоком управления 30 привода вращения породоразрушающего инструмента 2 и с управляющей обмоткой 31 электромагнита управления 32 электрогидравлического регулятора 6.

На фиг. 2 приведен также блок 23 управления механизмом автоперехвата, подключенный к третьему управляющему входу коммутатора 23 и к обмотке управления 34 золотника механизма автоперехвата (не показан).

На фиг. 3 представлена принципиальная схема блока 33 управления механизмом автоперехвата, который состоит из датчика 35 положения шпинделя 4, задатчика 36 его нижнего положения, задатчика 37 величины автоперехвата, триггера 38 и элементов сравнения 39 и 40.

Датчик 35 положения шпинделя 4 подключен к первым входам элементов сравнения 39 и 40, к вторым входам которых соответственно подключены задатчик 36 нижнего положения шпинделя и задатчик 37 величины автоперехвата. Выходы элементов сравнения 39 и 40 подключены к входам триггера 38, выход которого является выходом блока 33 управления автоперехватом.

Измеритель 14 осевой нагрузки в частном случае исполнения устройства может представлять собой датчики давления в подпоршневых и надпоршневых полостях гидроцилиндров 5. Алгебраическая сумма измеренных значений давления в полостях гидроцилиндров с учетом введения компенсации веса колонны бурильных труб будет характеризовать фактическую величину осевой нагрузки.

Принципиальная схема электрогидравлического регулятора 6 приведена на фиг. 4.

Торцовые камеры 41 золотникового распределителя 42 подсоединены к соплам 43 дроссельного элемента типа "двухстороннее сопло-заслонка", сообщены между собой, с напорной магистралью через канал А и с входными каналами Е и L обеих рабочих камер 44 и 45 золотникового распределителя 42. Заслонка 46 дроссельного элемента своим подвижным концом кинематически связана с якорем 47 электромагнита управления 32, а другим концом шарнирно установлена на срединной части 48 штока золотника 49 золотникового распределителя 42.

Струйная камера 50 дроссельного элемента через нерабочую камеру 51 золотникового распределителя 42 и обратный клапан 52 сообщена со сливной магистралью через канал С. Выходной канал F первой рабочей камеры 44 подсоединен через канал D к подпоршневым полостям гидроцилиндров 5 привода осевой подачи породоразрушающего инструмента 2 и посредством обратного клапана 53 отсечен от сливной магистрали.

Выходной канал К второй рабочей камеры 45 подсоединен к надпоршневой полости гидроцилиндров 5 через канал В и через обратный клапан 54 и канал А связан с напорной магистралью.

Золотниковый распределитель снабжен фильтром 55 тонкой очистки, установленным на линии, сообщающей торцовые камеры 41 с напорной магистралью через канал А.

Способ бурения согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Шпинелю 4 бурового станка, а через него породоразрушающему инструменту 2 передается вращение от соответствующего привода (не показан) и производится его осевая подача путем подсоединения надпоршневых полостей силовых гидроцилиндров 5 к каналу В, а подпоршневых полостей гидроцилиндров 5 к каналу D электрогидравлического регулятора 6.

Поддержание постоянной скорости подачи породоразрушающего инструмента 2 и тем самым повышение его износостойкости обеспечивается при различной твердости подвергаемой бурению породы независимо от наличия в ней пустот или трещин путем либо изменения частоты вращения шпинделя 4 бурового станка, либо изменения усилия осевой подачи породоразрушающего инструмента 2, либо того и другого одновременно.

Стабилизация скорости подачи породоразрушающего инструмента 2 путем изменения усилия осевой подачи осуществляется следующим образом.

Заданное значение скорости подачи V_п.з. задается задатчиком 26 скорости подачи, сигнал с которого через блок рассогласования 29 и коммутатор 23 подается на электрогидравлический регулятор 6, обеспечивающий поддержание заданного значения скорости подачи воздействием на величины давления в наподпоршневых и подпоршневых полостях силовых гидроцилиндров 5.

Текущее значение скорости подачи V_п.т. измеряется измерителем 25 скорости подачи и сравнивается с заданным ее значением посредством элемента сравнения 27 и при их несовпадении формирует разностный сигнал, который усиливается усилителем 28 и подается на второй вход блока рассогласования 29, выходной сигнал которой корректируется таким образом, чтобы, поступая на вход электрогидравлического регулятора, обеспечить его воздействие на соотношение давлений в полостях гидроцилин- дров, приводящее к необходимому изменению скорости подачи породоразрушающего инструмента 2.

В частном случае реализации изобретения выходной сигнал с блока рассогласования 29 через коммутатор 23 подается на управляющую обмотку 31 электромагнита управления 32 (фиг.4) электрогидравлического регулятора 6.

В приведенном на фиг.4 варианте исполнения электрогидравлический регулятор функционирует следующим образом.

До начала бурения при отсутствии электрического сигнала на обмотке 31 якорь 47 электромагнита управления 32 находится в нейтральном положении. В нейтральном положении находится также и заслонка 46 дроссельного элемента типа "двухстороннее сопло-заслонка", кинематически связанная с якорем 47. При этом канал А электрогидравлического регулятора 6 подсоединен к напорной магистрали, канал С к сливной магистрали, канал D к подпоршневым полостям. В нейтральном положении заслонки 46 при указанном подключении каналов масло из напорной магистрали поступает в торцовые камеры 41 золотникового распределителя 42, через сопла 43 дроссельного элемента, его струйную камеру 50, нерабочую камеру 51 золотникового распределителя 42 и обратный клапан 52 попадает в сливную магистраль. Давление в торцовых камерах 41 равно.

Боковые стенки поршня золотника 49 золотникового распределителя 42 перекрывают каналы Е и L рабочих камер 44 и 45, не допуская подачу масла из напорной магистрали в полости силовых гидроцилиндров 5.

При задании сигнала с задатчика 26 скорости подачи соответствующего режиму бурения на обмотку 31, якорь 47, а вместе с ним и заслонка 46 изменяют свое положение, что вызывает изменение давления в торцовых камерах 41. Вызванное этим обстоятельством перемещение поршня золотникового распределителя 42 приводит к тому, что каналы К и L рабочей камеры 45 сообщаются между собой и связывают напорную магистраль с надпоршневыми полостями силовых гидроцилиндров 5.

Таким образом, электрогидравлический регулятор 6 переходит в рабочий режим.

Любое отклонение скорости подачи породоразрушающего инструмента от заданного значения вызывает изменение электрического сигнала на обмотке 31, что приводит к соответствующему отклонению положения заслонки 46 от ее "рабочего" положения, соответствующего заданной скорости подачи. Отклонение заслонки 46 от "рабочего" положения вызывает соответствующее изменение давления в торцовых камерах 41 и, следовательно, изменения в проходных сечениях каналов золотникового распределителя, связывающих напорную магистраль с надпоршневыми полостями гидроцилиндров 5 и их подпоршневые полости со сливной магистралью.

В результате по принципу "отрицательной обратной связи" производится изменение соотношения давлений в надпоршневых и подпоршневых полостях силовых гидроцилиндров 5, обеспечивающее необходимое изменение усилия осевой подачи, направленное на стабилизацию скорости подачи породоразрушающего инструмента.

При стабилизации скорости подачи путем изменения усилия осевой подачи сигнал с блока рассогласования 29 на блок управления 30 приводом вращения породоразрушающего инструмента коммутатором 23 не передается. Вращение породоразрушающего инструмента в этом случае осуществляется либо с постоянной, либо с изменяемой по заданной программе скоростью.

При стабилизации скорости подачи путем изменения частоты вращения породоразрушающего инструмента сигнал с блока рассогласования 29 на электрогидравлический регулятор 6 коммутатором 23 не передается. При этом осевая подача породоразрушающего инструмента производится либо с постоянной, либо с изменяемой по заданной программе скоростью.

Стабилизация скорости подачи путем одновременного изменения частоты вращения и усилия осевой подачи породоразрушающего инструмента требует соответствующей предварительной настройки регуляторов, управляющих приводами вращения и осевой подачи.

Надежность управления процессом бурения согласно изобретению обеспечивается исключением случаев прекращения подачи породоразрушающего инструмента в псевдоаварийных ситуациях, когда буровой станок в состоянии за счет собственных возможностей и ресурсов преодолеть непродолжительные отклонения от нормы негативных факторов, влияющих на процесс бурения.

Для этого предварительно задают количественно и в процессе бурения измеряют параметры, характеризующие этот процесс.

В частности, в качестве таких параметров используют наличие очистного агента, величину его давления в системе подачи очистного агента к породоразрушающему инструменту, величину крутящего момента и величину осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент.

Сравнивая текущие измеряемые значения этих параметров с их заданными значениями, выявляют случаи превышения измеренных значений параметров их заданных максимальных величин и определяют длительность каждого такого случая.

На основании обработки экспериментальных и иных данных установлены временные диапазоны, в течение которых превышение тем или иным параметром или и всеми вместе заданных максимальных значений не приводит к выходу из строя, разрушению, предаварийному или аварийному состоянию, и при уменьшении этих параметров ниже максимальных значений процесс бурения не требует прекращения или изменения скорости подачи породоразрушающего инструмента.

В то же время возможны случаи, когда причины выхода тех или иных параметров процесса бурения за их максимально допустимые значения достаточно быстро устранены быть не могут.

Вместе с тем устранение этих причин не всегда требует полного прекращения процесса бурения, достаточным может явиться прекращение осевой подачи (V_п.т. 0).

И наконец, возможны случаи, когда аварийная ситуация может быть предотвращена только путем экстренного подъема породоразрушающего инструмента.

Вышеизложенное может быть проиллюстрировано графически (фиг.5) на примере сопоставления графиков изменения скорости подачи породоразрушающего инструмента и величины осевой нагрузки.

Как следует из приведенного графика, осевая подача породоразруашющего инструмента с постоянной скорости может производиться при значениях осевой нагрузки ниже заданной максимально допустимой и при превышении заданной максимально допустимой в течение времени t < t_o, осевая подача породоразрушающего инструмента прекращается (V_п.т. 0) при t > t_o, экстрен- ный подъем породоразрушающего инструмента при t > t_o + t₁.

Этот же принцип сохраняется и для других параметров, характеризующих процесс бурения, и их сочетаний.

Возможность осуществления способа бурения в этой части поясняется на фиг.2.

Заданные максимальные с помощью задатчика 11 и измеренные измерителем 10 значения крутящего момента сравниваются элементом сравнения 12, на выходе которого формируется потенциальный сигнал, появляющийся в случае превышения измеряемым сигналом заданного максимально допустимого значения этого параметра. Длительность потенциального сигнала на выходе элемента сравнения 12 равна времени превышения измеренным сигналом заданного.

Аналогичным образом работают элемент сравнения 1 с измерителем 14 и задатчиком 15 осевой нагрузки, а также элемент сравнения 20 с измерителем 18 и задатчиком 19 давления очистного агента.

Сигналы с выходов элементов сравнения 12, 16 и 20, а также сигнал с датчика 17 наличия очистного агента поступают на входы элемента ИЛИ 13.

Сигнал с выхода элемента ИЛИ 13 о превышении измеряемыми параметрами (или хотя бы одним из них) поступает на блок 24 отображения информации и сигнализации и используется оператором в оперативном режиме управления процессом бурения.

Сигнал с выхода элемента ИЛИ 13 поступает также на вход первого блока 21 ограничения времени, который определяет длительность (t) поступившего сигнала и сравнивает ее с заданным диапазоном времени (t_o).

Если длительность поступившего на вход блока 31 ограничения времени сигнала (t) меньше, чем длительность заданного временного диапазона (t_o), т.е. t < t_о, то сигнал на выходе блока 21 ограничения времени отсутствует.

Если длительность поступившего на вход блока 21 ограничения времени сигнала (t) превышает длительность заданного диапазона времени (t_o), т.е. t > t_o, блок 21 ограничения времени пропускает поступивший на его вход сигнал и подает его на первый управляющий вход коммутатора 23 и на вход второго блока 22 ограничения времени.

При поступлении сигнала с выхода блока 21 ограничения времени коммутатор 23 отключает блок рассогласования 29 от обмотки 31 электромагнита управления 32 электрогидравлического регулятора 6, тем самым прекращая осевую подачу породоразрушающего инструмента 2.

Блок 22 ограничения времени определяет длительность (t) поступившего на его вход сигнала.

Если длительность (t) этого сигнала не превышает заданного диапазона времени (t_o + t₁), т.е. t < t_o + t₁, то какие-либо сигналы на выходе блока 22 ограничения времени отсутствуют и через определенный заданный промежуток времени или по команде оператора (например, при устранении причин, вызвавших превышение параметров заданных максимальных значений) подача породоразрушающего инструмента будет продолжена.

При превышении длительности (t) сигнала, поступившего на вход блока 22 ограничения времени, заданного диапазона времени (t_o + t₁), т.е. t > t_o + t₁, на выходе блока 22 формируется сигнал, подаваемый на второй управляющий вход коммутатора 23, означающий команду на экстремальный подъем породоразрушающего инструмента 2.

По сигналу с выхода блока 22 ограничения времени коммутатор 23 независимо от сигнала, поступившего на него с блока рассогласования 29 подает на обмотку 31 электромагнита управления 32 сигнал противоположной полярности, под воздействием которого электрогидравлический регулятор 6 обеспечивает плавный безударный переход от подачи шпинделя 4 вниз к его подаче с максимальной скоростью вверх.

В режиме экстренного подъема породоразрушающего инструмента 2 электрогидравлический регулятор 6 функционирует следующим образом.

Поступивший на обмотку 31 с коммутатором 23 сигнал противоположной полярности вызывает перемещение якоря 47, в результате которого заслонка 46 перекрывает правое сопло 43.

Давление в правой торцовой камере 41 увеличивается, что приводит к перемещению золотника 49 влево. В результате канал А и рабочая камера 44 сообщается через канал D с подпоршневыми полостями гидроцилиндров 5, давление в которых резко увеличивается. Сливная магистраль отсекается от подпоршневых полостей гидроцилиндров 5 обратным клапаном 53. В то же время надпоршневые полости гидроцилиндров 5 посредством каналов G и К сообщаются через обратный клапан 52 со сливной магистралью.

Давление в надпоршневых полостях гидроцилиндров 5 падает и шпиндель 4 поднимается вверх.

Для обеспечения возможности экстренного подъема породоразрушающего инструмента при аварийных ситуациях, возникших при проведении автоперехвата или непосредственно по его окончании при достижении шпинделем 4 его заданного нижнего положения, осуществляют быстрый подъем шпинделя и его останов в положении, при котором верхний патрон шпинделя будет находиться в промежуточном относительно его полного хода произвольно заданном положении.

Осуществление автоперехвата в указанном промежуточном положении позволит сохранить запас хода при необходимости экстренного подъема породоразрушающего инструмента.

Управление перемещением шпинделя 4 в процессе автоперехвата осуществляется блоком управления механизма автоперехвата, триггер 38 которого получает информацию о достижении шпинделем 4 крайнего нижнего и заданного верхнего положений шпинделя от элементов сравнения, соответственно, 39 и 40, сравнивающих информацию в виде электрических сигналов о фактическом положении шпинделя 4 от датчика 35 и соответствующих задатчиков 36 и 37.

При достижении шпинделем 4 крайнего нижнего положения сигнал с блока 33 управления механизма автоперехвата подается на обмотку управления 34 золотника механизма автоперехвата (не показан).

Золотник механизма автоперехвата обеспечивает подачу одинакового избыточного давления в каналах A и С электрогидравлического регулятора 6 и отсекает их от напорной и сливной магистралей.

При этом обратный клапан 52 закрывается, обратные клапаны 53 и 54 открываются и к полостям гидроцилиндров 5 подводится равное давление.

Перемещение шпинделя 4 вверх осуществляется за счет разности площадей поршней гидроцилидров 5. Масло из надпоршневых полостей гидроцилидров перетекает через открытый обратный клапан 54.

В нижнем положении шпинделя 4 с блока 33 управления механизма автоперехвата сигнал также подается и на третий управляющий вход коммутатора 23, выходной сигнал которого, подаваемый на обмотку 31, переводит якорь 47 и, следовательно, заслонку 46 в среднее положение. При этом давления в торцовых камерах 41 равны каналы Е и L перекрыты золотником 49, каналы F, G и К изолированы друг от друга, что исключает влияние электрогидравлического регулятора 6 на автоперехват и препятствует выходу из строя электрогидравлического регулятора 6 при повышенном расходе масла в процессе автоперехвата.

При достижении шпинделем 4 верхнего заданного положения блок 33 подает сигнал на обмотку управления 34 золотника механизма автоперехвата и через коммутатор 23 на обмотку 31 о переходе в режим бурения.

Формула изобретения

1. Способ бурения преимущественно горных пород, заключающийся в передаче вращения буровому породоразрушающему инструменту, его осевой подаче и подведении к нему очистного агента, задании максимальных значений и измерении текучих значений параметров, характеризующих процесс бурения, и поддержании постоянной скорости подачи породоразрушающего инструмента за счет изменения осевой нагрузки или крутящего момента, или того и другого одновременно, отличающийся тем, что при измерении параметров процесса бурения устанавливают случаи превышения их заданных максимальных значений и определяют продолжительность t каждого такого случая, задают для конкретных условий бурения на основании экспериментальных данных периоды времени t₀ и t₁ ограничения превышения одним или всеми измеряемыми параметрами их заданных максимальных значений, при этом скорость подачи породоразрушающего инструмента поддерживают постоянной как при значениях измеренных параметров ниже их заданных максимальных значений, так и при превышении одним или несколькими измеренными параметрами одновременно заданных максимальных значений, если измеряемые параметры процесса бурения уменьшаются в течение времени t < t₀ ниже их заданных максимальных значений, прекращают подачу бурового инструмента, если измеряемые параметры процесса бурения превышают их заданные максимальные значения в течение времени t > t₀, и производят экстренный подъем породоразрушающего инструмента в случае, если продолжительность превышения измеряемыми параметрами их заданных максимальных значений t > t₀ + t₁, где t₀ и t₁ - периоды времени, задаваемые для конкретных условий бурения на основании экспериментальных данных.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве измеряемых параметров, характеризующих процесс бурения, используют наличие очистного агентства, величину его давления в системе подачи очистного агента к породоразрушающему инструменту, величину крутящего момента и величину осевой нагрузки породоразрушающего инструмента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе бурения производят автоперехват, который осуществляют путем остановки верхнего патрона шпинделя бурового станка в промежуточном относительно его полного хода произвольно заданном положении.

4. Устройство для бурения преимущественно горных пород, содержащее буровой станок с буровым породоразрушающим инструментом и приводами его вращения и осевой подачи, систему подведения очистного агента к породоразрушающему инструменту и систему стабилизации скорости его подачи, включающую коммутатор, измеритель и задатчик крутящего момента, подключенные к входам первого элемента сравнения, задатчик скорости подачи породоразрушающего инструмента, подключенный к входу второго элемента сравнения, и измерители осевой нагрузки и скорости подачи породоразрушающего инструмента, отличающееся тем, что оно снабжено элементом ИЛИ, двумя блоками ограничения времени, блоком рассогласования, усилителем, третьим элементом сравнения и задатчиком осевой нагрузки, при этом измеритель скорости подачи породоразрушающего инструмента подключен к второму входу второго элемента сравнения, выход которого через усилитель связан с первым входом блока рассогласования, второй вход которого связан с задатчиком скорости подачи породоразрушающего инструмента, а выход подключен к коммутатору, измеритель и задатчик осевой нагрузки подключены к входам третьего элемента сравнения, выходы первого и третьего элементов сравнения подключены к первому и второму входам элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу первого блока ограничения времени, выход которого подсоединен к входу второго блока ограничения времени и первому управляющему входу коммутатора, второй управляющий вход которого связан с выходом второго блока ограничения времени, а выходы коммутатора подключены к приводам вращения и осевой подачи породообразующего инструмента.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком наличия очистного агента, измерителем и задатчиком давления очистного агента и четвертым элементом сравнения, при этом измеритель и задатчик давления очистного агента подключены к входам четвертого элемента сравнения, а его выход и выход датчика наличия очистного агента подключены соответственно к третьему и четвертому входам элемента ИЛИ.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом автоперехвата с электрозолотником управления и блоком управления, выход которого подключен к третьему управляющему входу коммутатора и обмотке управления золотника механизма автоперехвата.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок управления механизма автоперехвата состоит из датчика положения шпинделя бурового станка, задатчиков величины автоперехвата и нижнего положения шпинделя бурового станка, двух элементов сравнения и триггера, при этом датчик положения шпинделя подключен к первым входам элементов сравнения, вторые входы каждого из которых связаны с задатчиком величины автоперехвата и задатчиком нижнего положения шпинделя, а выходы элементов сравнения подключены к входам триггера, выход которого является выходом блока управления.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что привод осевой подачи породоразрушающего инструмента выполнен в виде двух силовых гидроцилиндров, подсоединенных через электрогидравлический регулятор параллельно к напорной и сливной магистралям, сообщающихся с маслобаком.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что электрогидравлический регулятор состоит из электромагнита с обмотками управления, дроссельного элемента типа двустороннее сопло-заслонка со струйной камерой золотникового распределителя с двумя рабочими и двумя торцевыми камерами и трех обратных клапанов, при этом обмотки управления электромагнита подключены к выходу коммутатора, якорь электромагнита кинематически связан с подвижным концом заслонки дроссельного элемента, другой конец которой шарнирно закреплен на серединном участке штока золотника распределителя, а струйная камера дроссельного элемента через первый обратный клапан сообщена со сливной магистралью, при этом торцевые камеры золотникового распределителя подсоединены к соответствующим соплам дроссельного элемента, сообщены между собой, с напорной магистралью и входными каналами обеих рабочих камер золотникового распределителя, выходной канал первой рабочей камеры золотникового распределителя подсоединен к подпоршневым полостям гидроцилиндров привода осевой подачи породоразрушающего инструмента и посредством второго обратного клапана отсечен от сливной магистрали, а выходной канал второй рабочей камеры золотникового распределителя подсоединен к надпоршневым полостям гидроцилиндров привода и через третий обратный клапан - к напорной магистрали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5