БУРОВОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к бурению скважин в горной промышленности, при строительстве подземных переходов трубопроводов под естественными и искусственными преградами.
Известно буровое устройство, состоящее из турбобура и бурового долота.
(Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. - М.: Недра, 1970. - 232 с.2. Иогансен К.В. Спутник буровика. - М.: Недра, 1981. - 199 с).
Буровое устройство содержит турбобур и буровое долото. Турбобур, предназначенный для вращения бурового долота при бурении скважин, представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, приводимую в действие потоком промывочной жидкости от бурового насоса. Каждая ступень турбины состоит из двух лопаточных систем: неподвижной (статор) и вращающейся (ротор). Буровое лопастное долото, предназначенное для разрушения породы, установлено на валу ротора турбины и представляет собой корпус с лопастями, на которых находятся режущие кромки.
Буровое устройство имеет невысокую эффективность, так как гидравлическая турбина работает в неоптимальном режиме из-за невысокой частоты вращения ротора, которая ограничивается условиями работы бурового долота установленного на валу ротора. Большое число ступеней турбины,
необходимое для создания высокого вращающего момента, снижает КПД из-за значительного гидравлического сопротивления, оказываемого лопаточными системами многоступенчатых турбобуров. Это гидравлическое сопротивление приводит к уменьшению скорости потока промывочной жидкости, что вызывает снижение критической скорости восходящего потока - так называемой скорости витания, представляющей собой такую скорость течения жидкости, при которой твердые частицы остаются во взвешенном состоянии, т.е. не увлекаются вверх и не падают вниз (3. Рабинович Е.З., Евгеньев А.Е. Гидравлика. - М.: Недра, 1987. - 224 с - с.124).
Известны также буровые устройства, содержащие турбобур и трехзвенное буровое долото (А.с. СССР №512282, МПК Е21В 9/08, опубл. 30.04.1976 г. - прототип).
Недостатком известного устройства, выбранного нами в качестве прототипа по большинству совпадающих признаков, является низкая эффективность его работы.
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы бурового устройства.
Технический результат полезной модели достигается тем, что увеличивается частота вращения ротора турбобура и облегчается процесс разрушения породы при ударном воздействии долота.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что между турбобуром и буровым долотом установлен редуктор, состоящий из двух трехзвенных планетарных механизмов, у верхнего планетарного механизма остановлено водило, а эпициклическое колесо соединено с верхним звеном бурового долота; у нижнего планетарного механизма остановлено эпициклическое колесо, а водило соединено с нижним звеном бурового долота.
Установка редуктора между турбобуром и буровым долотом позволяет при невысокой частоте вращения бурового долота (8-12 об/с) увеличить частоту вращения ротора турбобура. Вращающий момент на валу ротора зависит от частоты вращения во второй степени. Увеличение частоты вращения ротора приводит к значительному росту вращающего момента, что позволяет уменьшить число ступеней турбобура и его гидравлическое сопротивление, повысить скорость потока промывочной жидкости и эффективность работы бурового устройства. Реактивный момент на статоре турбобура, воспринимаемый колонной труб, резко уменьшается за счет вращения звеньев бурового долота в противоположных направлениях.
На фиг.1 представлена схема бурового устройства; на фиг.2 - схема перемещения роликов.
На валу 1 ротора турбобура закреплены солнечные шестерни 2 и 3 планетарных механизмов. Солнечная шестерня 2 зацеплена с сателлитами 4, установленными на осях водила 5, закрепленных на корпусе редуктора 6. Эпициклическое колесо 7 трубчатым валом 8 соединено с верхним звеном 9 бурового долота. Солнечная шестерня 3 зацеплена с сателлитами 10, установленными на осях водила 11, который трубчатым валом 12, расположенным внутри трубчатого вала 8, соединен с нижним звеном 13 бурового долота. Сателлиты 10 зацеплены также с эпициклическим колесом 14, которое закреплено на осях водила 5, закрепленных на корпусе редуктора 6.
Внутри водила 11 расположены направляющие по которым перекатываются ролики 17, закрепленные на осях на подпружиненной втулке 16. Втулка 16 штоком 15 соединена с ударным звеном 18 бурового долота.
Работа бурового устройства осуществляется следующим образом.
Поток промывочной жидкости, поступающей от бурового насоса, воздействует на лопаточные системы турбобура (на фиг.1 не показаны) и приводит во вращение вал 1 ротора турбобура. Вращающий момент от вала 1 солнечными шестернями 2 и 3 передается на сателлиты 4 и 10. Сателлиты 4, вращаясь на осях водила 5, остановленного относительно корпуса редуктора 6, вращают эпициклическое колесо 7, трубчатый вал 8 и верхнее звено 9 бурового долота в направлении противоположном вращению вала 1 ротора турбины. Вращающий момент на верхнем звене 9 бурового долота увеличится и составит К по отношению к вращающему моменту на солнечной шестерне 2, где К - внутренний параметр планетарного механизма, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса 7 к числу зубьев солнечной шестерни 2. Солнечная шестерня 3 вращает сателлиты 10, которые, обкатываясь по эпициклическому колесу 14, остановленному осями 5 относительно корпуса редуктора 6, вращают водило 11, вал 12 и нижнее звено 13 бурового долота в направлении противоположном верхнему звену 9 бурового долота и совпадающим с направлением вращения вала 1 ротора турбины. Вращающий момент на этом звене также увеличится и составит К+1 по отношению к вращающему моменту на солнечной шестерне 3.
При вращении водила 11, ролики 17 перекатываются по направляющим и сжимают пружину во втулке 16. Затем происходит резкое ослабление сжатия, при соскакивании роликов 17 с направляющих и энергия сжатия пружины перемещает втулку в вертикальном направлении вниз. Возвратно-поступательное движение втулки 16 через шток 15 передается на ударное звено 18 бурового долото, которое способствует растрескиванию разрушаемой породы, облегчая работу режущих кромок 9 и 13 звеньев бурового долота.
Режущие кромки нижнего 13 и верхнего 9 звеньев бурового долота, вращаясь в противоположных направлениях, разрушают горную породу, которая вымывается потоком промывочной жидкости и выносится на устье скважины.
Эффективность работы бурового устройства увеличивается за счет повышения частоты вращения ротора турбобура до оптимального значения, уменьшения числа ступеней турбобура и его гидравлического сопротивления, повышения скорости потока промывочной жидкости и снижения реактивного момента на статоре турбобура и колонне труб, а также за счет дробящее режущего действия долота.