УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ
PERCUSSION-ROTARY DRILLING DEVICE

Изобретение относится к технике бурения скважин.
Известно устройство для ударно-вращательного бурения содержащее корпус, ударный механизм с электромагнитным приводом, ударник и наковальню, соединенную с породоразрушающим инструментом и генератор переменного тока с турбинным приводом для питания электромагнитного привода ударного механизма [А.с. SU 542814, МПК Е21В 3/12. Устройство для ударно-вращательного бурения./ С.И.Кицис, Г.А. Сипайлов, В.А. Шпилевой, А.В. Лоос. - 2177880/03. Заявл. 06.10.1975. Опубл. 15.01.1977]. При этом обмотка ротора генератора подключена через полупроводниковый вентиль к обмотке электромагнитного привода ударного механизма.
Недостатком известной конструкции является применение в качестве генератора специальной многообмоточной электрической машины, совмещающей в одном корпусе синхронный генератор и возбудитель, что приводит к усложнению и снижению надежности самого генератора и всего устройства в целом.
Прототипом предлагаемого устройства для ударно-вращательного бурения является буровое устройство, содержащее корпус, ударный механизм с электромагнитным приводом, ударник и наковальню, соединенную с породоразрушающим инструментом и асинхронным генератором переменного тока конденсаторного возбуждения с турбинным приводом для питания электромагнитного привода ударного механизма [А.с. SU 746072, МПК Е21В 5/00. Буровое устройство. / С.И. Кицис. - 2493939/22-03. Заявл. 03.06.1977. Опубл. 07.07.1980]. При этом обмотка статора асинхронного генератора через подвижный ртутный контакт соединена с обмоткой электромагнитного привода ударного механизма.
Недостатком прототипа является то, что при определенных режимах бурения (подклинивание породоразрушающего инструмента, уменьшение скорости вращения ротора и т.п.) возможна потеря питания электромагнитного механизма ударника вследствие потери возбуждения генератора и тем самым прекращение ударных воздействий на инструмент, т.к. одна и та же обмотка генератора выполняет функцию обмотки возбуждения и функцию питания электромагнитного механизма ударника. Вследствие этого уменьшается скорость проходки и снижается эффективность использования подобной конструкции для ударно-вращательного бурения скважин.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение надежности работы устройства для ударно-вращательного бурения и повышение эффективности бурения скважин при его использовании.
Технический результат, который достигается с помощью заявленного изобретения, заключается в исключении срыва самовозбуждения и снижении концентрации тепловых перенапряжений асинхронного самовозбуждающегося генератора с улучшенными тепловыми характеристиками с двумя распределенными обмотками на статоре для питания электромагнитного привода ударного механизма.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для ударно-вращательного бурения, содержащем корпус, ударный механизм с электромагнитным приводом, ударник и наковальню, соединенную с породоразрушающим инструментом и асинхронный генератор переменного тока конденсаторного возбуждения с турбинным приводом для питания электромагнитного привода ударного механизма, в качестве генератора для питания электромагнитного привода ударного механизма применен асинхронный самовозбуждающийся генератор с улучшенными тепловыми характеристиками с короткозамкнутым ротором и двумя распределенными обмотками на статоре, обмоткой возбуждения и рабочей обмоткой, уложенными по отдельности: одна - обмотка возбуждения, уложена в основных пазах пакета статора асинхронного самовозбуждающегося генератора, а другая - рабочая обмотка, в дополнительных аксиальных каналах пакета статора, выполняющих роль закрытых пазов. При этом к фазам обмотки возбуждения подключены конденсаторы возбуждения, соединенные в треугольник, а фазы рабочей обмотки подключены к шунтирующим конденсаторам, соединенным в треугольник, и далее через ртутный контакт и полупроводниковый вентиль подключены к обмотке электромагнитного привода ударного механизма.
На фиг.1 показан общий вид устройства для ударно-вращательного бурения. На фиг.2 показано сечение А-А устройства для ударно-вращательного бурения, изображенного на фиг.1. На фиг.3 показана электрическая схема питания электромагнитного привода ударного механизма асинхронным самовозбуждающимся генератором с улучшенными тепловыми характеристиками с двумя распределенными обмотками на статоре. На фиг.4 изображены, для примера, фазы А обмоток возбуждения и рабочей в основных и дополнительных пазах пакета статора асинхронной машины. Фазы В и С этих обмоток аналогичны фазе А и расположены соответственно со сдвигом в пространстве на 120° и 240° (на фиг.3 не показаны). Буквами "А" и "а" обозначены начала рабочей обмотки и обмотки возбуждения, а концы этих двух обмоток обозначены "X" и "х" соответственно.
Устройство для ударно-вращательного бурения содержит корпус 1, ударный механизм 2 с электромагнитным приводом 3 и электромагнитами 4, ударником 5 и наковальней 6, соединенной с породоразрушающим инструментом 7 через промежуточный вал 8, расположенный в отдельном корпусе 9. В корпусе 1 устройства размещен асинхронный самовозбуждающийся генератор 10 с улучшенными тепловыми характеристиками и двумя распределенными обмотками на статоре 11, обмоткой возбуждения 24 и рабочей обмоткой 25, уложенными по отдельности: одна - обмотка возбуждения 24, уложена в основных пазах 28 пакета статора 11 асинхронного самовозбуждающегося генератора 10, а другая - рабочая обмотка 25, в дополнительных аксиальных каналах 29 пакета статора 11, выполняющих роль закрытых пазов. При этом к фазам обмотки возбуждения 24 подключены конденсаторы возбуждения 12, соединенные в треугольник, а фазы рабочей обмотки 25 подключены к шунтирующим конденсаторам 13, соединенным в треугольник, и далее через ртутный контакт 14, крышки которого закреплены с помощью штанг 15 к корпусу генератора 10 подключены к обмотке 26 электромагнитного привода 3 ударного механизма 2. В цепь обмотки 26 включен полупроводниковый вентиль 27. Короткозамкнутый ротор 16 асинхронного генератора 10 соединен одним концом через вал генератора 17 с валом 18 ротора 19 турбинного привода 20, и другим - с корпусом 21 ударного механизма 2. Устройство, кроме того, содержит переводник 22 и ограничительную пружину 23.
Устройство работает следующим образом. Промывочная жидкость подается в корпус 1 устройства через переводник 22 на лопатки турбины. В результате вал 18 турбинного привода 20 начинает вращаться и приводит во вращение соединенный с ним вал 17 генератора, крутящий момент которого передается на связанный с ним корпус 21 ударного механизма. Последний передает крутящий момент через шлицевое соединение на наковальню 6, промежуточный вал 8 и далее - на породоразрушающий инструмент 7, приводя его во вращение. При вращении вала 17 вращается и соединенный с ним ротор 16 асинхронного самовозбуждающегося генератора 10. Поток остаточного намагничивания ротора 16 наводит электродвижущие силы в фазах обмотки возбуждения 24 статора 11. Под действием этих электродвижущих сил в конденсаторах 12 возбуждения возникает емкостной ток возбуждения. Данный ток затекает в фазы обмотки возбуждения 24, создавая поток возбуждения, который суммируется с потоком остаточного намагничивания, что приводит к увеличению электродвижущих сил, наводимых в фазах обмотки возбуждения 24. Увеличение электродвижущих сил Eµ генератора приводит к увеличению тока возбуждения и дальнейшему лавинообразному нарастанию магнитного потока. Нарастание электродвижущих сил завершается при насыщении генератора в точке пересечения характеристики намагничивания генератора и вольтамперной характеристики конденсаторов возбуждения. Одновременно в рабочей обмотке 25 генератора устанавливается рабочее напряжение в соответствии с соотношением числа витков рабочей обмотки 25 и обмотки возбуждения 24, поскольку эти обмотки находятся в жесткой трансформаторной связи.
Напряжение переменного тока, снимаемое с рабочей обмотки 25, расположенной на статоре 11 асинхронного генератора 10, с помощью ртутного электроконтакта 14 через полупроводниковый вентиль 27, срезающий отрицательную полуволну напряжения, подается на вращающуюся обмотку 26 электромагнитов 4, которые вращаются вместе с корпусом 21 ударного механизма 2 и под действием импульсного магнитного поля, создаваемого обмоткой электромагнитов 4, ударник 5 ударного механизма 2 начинает периодически ударять по наковальне 6. Ударная нагрузка с наковальни 6 через промежуточный вал 8 передается на породоразрушающий инструмент 7. Промывочная жидкость, проходя ступени турбины, между корпусом 1 и статором 11 генератора поступает в пространство между корпусом 1 и корпусом 21 ударного механизма 2, затем - в отверстия промежуточного вала 8 и далее - в породоразрушающий инструмент и к забою для выноса породы.
При возникновении отклонений технологии бурения (подклинившие породоразрушающего инструмента, уменьшение скорости вращения ротора и т.п.) срыва самовозбуждения генератора не происходит и напряжение на рабочей обмотке 25 генератора остается на уровне, достаточном для питания электромагнитного привода 3 ударного механизма 2, при этом ударная нагрузка продолжает создаваться ударником 5 и скорость проходки не снижается. При этом электрические токи, протекающие в обмотках 24 и 25, нагревают разные области пакета статора 11 асинхронного самовозбуждающегося генератора 10, в результате чего снижается концентрация тепловых напряжений в теле статора 11.