СПОСОБ, УСТАНОВКА И КЛАПАН ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ БУРЕНИЯ ПО ПОРОДЕ
PROCEDURE, INSTALLATION AND VALVE FOR ADJUSTMENT OF ROCK DRILLING

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к способу управления бурением по породе, содержащему управление подачей бурового станка посредством разности давлений, действующих на двигателе вращения буровой штанги, таким образом, что при увеличении сопротивления вращению и соответствующем увеличении разности давлений, действующих на двигателе вращения, и превышении предварительно заданной пороговой величины золотник клапана управления подачей, управляющего подачей гидравлической жидкости, подводимой к двигателю подачи, приводится в положение, в котором перемещение подачи переключается на возвратное перемещение. Настоящее изобретение также относится к установке для управления бурением по породе, содержащей буровой станок, обеспеченный ударным устройством, двигателем вращения и двигателем подачи для осуществления перемещения бурового станка, и буровую штангу, подсоединенную к нему для направления к пробуриваемым материалам и для возвращения назад, клапан управления подачей для регулирования подачи гидравлической жидкости, подводимой к двигателю подачи, клапан управления вращением для регулирования подачи гидравлической жидкости, подводимой к двигателю вращения, и, по меньшей мере, один насос гидравлической жидкости для подачи гидравлической жидкости под давлением к ударному устройству, двигателю вращения и двигателю подачи. Изобретение также относится к пропорциональному регулирующему клапану для управления бурением по породе, управляемому давлением гидравлической жидкости и содержащему золотник, имеющий рабочие поверхности управления давлением в противоположных направлениях для перемещения золотника в клапане посредством разности давлений гидравлической жидкости, действующей на двигателе вращения, каналов для подачи гидравлической жидкости под давлением к клапану и отвода жидкости, находящейся по существу не под давлением, от клапана и, по меньшей мере, один канал для отведения от клапана гидравлической жидкости, давление которой регулируется посредством клапана.
В сегодняшнем бурении по породе принимается во внимание огромное количество различных факторов и параметров для достижения эффективного бурения, при котором сберегается оборудование. Также имеются разнообразные технологии, которые применяются в исключительных случаях. Они включают в себя, в частности, так называемые автоматизированные способы разрыва породы, при которых давление гидравлической жидкости канала двигателя вращения инструмента используется для управления бурением. Стартовой точкой в применении давления, действующего на двигатель вращения, является то, что по мере увеличения сопротивления вращению, повышается риск прихвата долота. В результате повышения сопротивления вращению увеличивается давление в канале гидравлической жидкости двигателя вращения, что может быть применено для определения бурильной ситуации и для управления буровыми работами.
В предшествующем уровне техники увеличение давления в канале гидравлической жидкости двигателя вращения применяется для управления давлением гидравлической жидкости на двигателе подачи и при увеличении давления на двигателе вращения давление гидравлической жидкости, подводимой к оборудованию подачи, уменьшается. Более того, в предшествующем уровне техники после достижения давления предварительно заданной величины двигатель подачи переключается на возвратное перемещение, пока давление в канале гидравлической жидкости двигателя вращения не уменьшится. В предшествующем уровне техники двигатель подачи затем немедленно меняется назад на перемещение подачи и по мере того, как буровое долото соударяется с предыдущей проблемной точкой в результате нормальной скорости подачи, сопротивление вращению и, следовательно, давление гидравлической жидкости на двигателе вращения повышается снова и двигатель подачи замедляет подачу и затем возможно переключается немедленно назад на возвратное перемещение. Последовательность вперед-назад может иметь место несколько раз подряд. Проблемой с известными решениями является то, что, так как условия бурения и свойства гидравлической жидкости изменяются, функция и ее надежность также значительно меняются.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание способа, установки и клапана, обеспечивающих регулировку более надежно и функционально лучше.
Способ согласно изобретению отличается применением разности давлений на двигателе вращения для управления клапаном регулирования подачи, выполненным с возможностью управления клапаном управления подачей посредством каналов управления давлением, проходящих к рабочим поверхностям управления давлением золотника клапана управления подачей таким образом, что по мере увеличения разности давлений, но не превышения пороговой величины, клапан регулирования подачи регулирует величины давления давлений управления, которые управляют клапаном управления подачей согласно упомянутой разности давлений, таким образом, что клапан управления подачей, находящийся под воздействием этих давлений управления, соответственно уменьшает поток гидравлической жидкости, подводимой к двигателю подачи.
Установка согласно изобретению отличается тем, что клапан управления подачей является клапаном регулирования потока, управляемым с помощью разности давлений, действующей на двигателе вращения в каналах гидравлической жидкости двигателя вращения и управляющей клапаном управления подачей, таким образом, что по мере увеличения разности давлений клапан управления подачей уменьшает поток гидравлической жидкости к двигателю подачи и после превышения разностью давлений предварительно заданной пороговой величины он переключает поток гидравлической жидкости к двигателю подачи на противоположное направление, так что двигатель подачи переключается на возвратное перемещение.
Клапан согласно изобретению отличается тем, что содержит замедляющий элемент, обеспечивающий свободное перемещение золотника в одном направлении и замедляющий перемещение золотника при тенденции его перемещения в противоположном направлении.
Существенным отличием способа согласно изобретению является то, что подача корректируется с помощью регулирования интенсивности потока гидравлической жидкости, которую нужно подводить к двигателю подачи посредством разности давлений, действующих на двигателе вращения, таким образом, что по мере увеличения разности давлений поток гидравлической жидкости, подводимой к двигателю подачи, уменьшается. Дополнительно, согласно варианту осуществления изобретения, если двигатель подачи переключен на возвратное перемещение в результате повышения разности давлений, действующих на двигателе вращения, процесс возвращения подачи назад к нормальной подаче замедляется по мере понижения разности давлений.
Существенным отличием установки согласно изобретению является то, что регулирующий клапан, управляемый разностью давлений между входными и выходными каналами двигателя вращения, приспособлен для управления давлениями управления клапана управления двигателем подачи таким образом, что при повышении разности давлений клапан управления двигателем подачи уменьшает поток гидравлической жидкости, подводимой к двигателю подачи. Дополнительно, согласно варианту осуществления изобретения установка содержит замедляющее средство, которое после переключения двигателя подачи на возвратное перемещение и достаточного уменьшения разности давлений для переключения двигателя подачи обратно на перемещение подачи замедляет возвращение перемещения подачи назад к нормальным величинам перемещения подачи.
Существенным отличием клапана согласно изобретению является то, что он содержит замедляющее средство, которое замедляет перемещение золотника клапана к его нормальному рабочему положению.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемый чертеж, который схематически изображает вариант осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установка, показанная на чертеже, содержит первый насос 1 гидравлической жидкости, который является управляемым по давлению насосом объемного расхода. Насос 1 для подачи гидравлической жидкости к ударному устройству и к двигателю подачи всасывает гидравлическую жидкость из бака 2 гидравлической жидкости. От насоса 1 гидравлическая жидкость протекает вдоль канала 3 к клапану 4 управления ударами и во время ударов дополнительно через канал 5 гидравлической жидкости к ударному устройству 6. От ударного устройства 6 гидравлическая жидкость протекает назад в бак 2 гидравлической жидкости. Гидравлическая жидкость протекает дополнительно от насоса 1 через канал 3 к клапану 7 управления подачи, от которого она протекает через канал 8 к двигателю 9 подачи, дополнительно через канал 10 назад к клапану 7 управления подачей и через него в бак 2 гидравлической жидкости. Двигатель подачи может быть известным гидравлическим двигателем или известным гидроцилиндром. Оба они вместе относятся к двигателям подачи. Клапан 7 управления подачи является так называемым пропорциональным клапаном, в котором положение золотника 7а клапана может меняться посредством давлений, действующих на рабочие поверхности давления в противоположных направлениях относительно золотника 7а клапана. Соответственно, поток гидравлической жидкости, протекающей через клапан, является пропорциональным относительно положения золотника 7а, так что, когда золотник 7а находится в среднем положении, гидравлическая жидкость не может протекать, когда золотник 7а отклоняется от среднего положения в любом из направлений, поток гидравлической жидкости через клапан увеличивается пропорционально отклонению золотника. В зависимости от направления, в котором перемещается золотник 7а клапана 7 от своего среднего положения, гидравлическая жидкость под давлением протекает от канала 3 к каналу 8 и каналу 10, соединенному с баком 2 гидравлической жидкости, или наоборот. Конструкция и функции такого клапана управления в общем известны специалистам в данной области техники, поэтому нет необходимости их объяснять более подробно.
Для управления насосом 1 первый канал 11 управления давлением соединен с каналом 5 гидравлической жидкости ударного устройства через золотниковый клапан 12 с каналом 13 управления давлением насоса 1. Каналы 8 и 10 двигателя подачи дополнительно соединены через золотниковый клапан 14 со вторым каналом 15 управления давлением и дополнительно через золотниковый клапан 12 с каналом 13 управления давлением насоса 1. Следовательно, наивысшее давление ударного оборудования и, соответственно, каналов гидравлической жидкости двигателя подачи управляет количеством гидравлической жидкости, которая подводится насосом, другими словами, объемом потока. Также один из каналов 8 и 10 двигателя 9 подачи, в котором давление выше, способен оказывать воздействие через золотниковый клапан 14.
Схема также показывает второй гидравлический насос 16, который подводит гидравлическую жидкость через канал 17 к клапану 18 управления вращением и дополнительно через канал гидравлической жидкости 19 к двигателю 20 вращения. От двигателя 20 вращения гидравлическая жидкость возвращается вдоль второго канала 21 гидравлической жидкости назад на клапан 18 и через него в бак 2 гидравлической жидкости. Подобно клапану 7 управления подачей клапан 18 управления вращением является пропорциональным клапаном и функционирует аналогичным образом.
Для управления вращением и подачей требуются клапаны 22 и 23 рулевого управления, показанные на чертеже. Для того чтобы клапаны рулевого управления и другие клапаны, применяемые в цепи гидравлической жидкости, функционировали надлежащим образом, к ним подводится гидравлическая жидкость с подходящим давлением. Для этой цели канал 3 гидравлической жидкости насоса 1 соединен, например, с клапаном 24 уменьшения давления насоса 1. Клапан 24 соединен с баком гидравлической жидкости, а канал 25 гидравлической жидкости, проходящий от клапана 24, содержит гидравлическую жидкость с заданным давлением, которая подводится к обоим клапанам 22 и 23 управления.
Клапан 22 рулевого управления вращением соединен двумя каналами 25 и 27 с клапаном 18 управления вращением таким образом, что каналы являются соединенными с противоположными рабочими поверхностями управления давлением золотника 18а клапана 18. Канал 26, который направляет вращение в нормальном направлении вращения, дополнительно способен действовать на клапан 4 управления ударами таким образом, что после превышения давления управления вращением предварительно заданной величины ударное устройство 6 включается для одновременного действия с вращением. Для обеспечения вращения в противоположном направлении в нормальной ситуации давление управления переключается на клапан 18 управления вращением через канал 27 к противоположной рабочей поверхности управления давлением золотника 18а, после чего направление вращения меняется. Это применяется для демонтажа буровых штанг друг от друга.
Клапан 23 рулевого управления подачей соединен с каналами 28 и 29 для управления клапаном 7 управления подачей. Для подачи вперед давление управления передается через канал 28 к клапану 30 регулирования подачи, который является пропорциональным клапаном регулирования давления, управляемым разностью давлений, и дополнительно через него по каналу 31 на первую поверхность управления давлением золотника 7а клапана 7 управления подачей. Золотник 7а клапана 7 управления подачей перемещается пропорционально давлению и позволяет пропорционально ему протекать гидравлической жидкости к двигателю 9 подачи соответственно. Канал 32 проходит от второй рабочей поверхности управления давлением клапана 7 к золотниковому клапану 33, соединенному своим одним концом с каналом 29 управления для возвратного перемещения и с противоположного конца золотникового клапана 33 через канал 34 с клапаном 30 управления подачей. Второй канал клапана 30 регулирования подачи, в свою очередь, соединен с баком 2 гидравлической жидкости.
Каналы 19 и 21 двигателя 20 вращения соединены соответственно с каналами управления 35 и 36 для воздействия на противоположные рабочие поверхности управления давлением золотника 30а клапана 30 регулирования подачи. Каналы 19 и 21 дополнительно соединены с золотниковым клапаном 37, который, в свою очередь, соединен с каналом 38 управления давлением насоса 16 таким образом, что наивысшее давление, действующее в каналах 19 и 21 двигателя вращения, управляет объемным потоком гидравлической жидкости насоса 16.
В ситуации нормального бурения во время вращения и ударов давление гидравлической жидкости может передаваться от клапана 23 рулевого управления подачей через клапан 30 регулирования подачи и канал 31 на первую рабочую поверхность управления давлением золотника 7а клапана 7 управления подачей и таким образом может установить поток гидравлической жидкости, соответствующий нормальной подаче для двигателя 9 подачи от насоса 1. Соответственно, поток гидравлической жидкости нормального давления, требуемый для скорости вращения, подводится от насоса 16 через канал 17 и через клапан 18 управления вращением и канал 19 на двигатель вращения. Одновременно имеется низкое давление в канале 21, и давление в канале 19 управляет подачей гидравлической жидкости насоса 16 через золотниковый клапан 37 и канал 38. В этом случае клапан 30 регулирования подачи находится в своем нормальном положении, давление в канал 31 передается от клапана 23 рулевого управления и имеется существенно низкое давление, почти нулевое давление, в каналах 34 и 32.
При повышении сопротивления вращению разность давлений на двигателе 20 вращения повышается также, после чего, соответственно, повышается разность давлений, действующая на клапан 30 регулирования подачи и перемещает его золотник 30а из нормального положения на пружину 30b. На практике предпочтительно, чтобы разность давлений имела определенную предварительно заданную пороговую величину, после преодоления которой золотник 30а является способным к перемещению. Для этой цели жесткость пружины 30b может быть откорректирована, чтобы установить необходимую пороговую величину. В результате повышения разности давления давление, которое подводится к первой рабочей поверхности управления давлением золотника 7а клапана 7 управления подачей через канал 31, понижается в соответствующей пропорции, и давление, которое подводится ко второй, другими словами, противоположной рабочей поверхности управления давлением золотника 7а клапана 7 управления подачей через канал 34, золотниковый клапан 33 и канал 32 начинают повышаться в такой же пропорции. Это изменение разности давлений заставляет золотник 7а клапана 7 управления подачей перемещаться в среднее положение в соответствующем отношении, и интенсивность потока гидравлической жидкости, которая подводится к двигателю 9 подачи, понижается. В результате, соответственно уменьшается скорость подачи. Если сопротивление вращению продолжает повышаться, это вызывает более серьезные изменения в положении золотника 30а клапана 30 регулирования подачи. В результате разность давлений между каналами 31 и 32 дополнительно понижается, и золотник 7а клапана 7 управления подачей перемещается ближе к своему среднему положению. Это, в свою очередь, дополнительно сокращает поток гидравлической жидкости, подводимый к двигателю 9 подачи, и следовательно, замедляет подачу еще больше.
Если сопротивление вращению продолжает дополнительно увеличиваться, в некоторой точке золотник 30а клапана 30 регулирования подачи перемещается в положение, в котором давление в каналах 31 и 32 является почти одинаковым. В этом случае золотник 7а клапана 7 управления подачей находится почти в своем среднем положении и подача гидравлической жидкости к двигателю 9 подачи является слабой, но она имеет место в направлении вперед. После этого, если сопротивление вращению продолжает повышаться, оно превышает предварительно заданную пороговую величину и клапан 30 регулирования подачи переключает давление управления, чтобы оно подводилось к клапану 7 управления подачей к противоположной стороне, после чего золотник 7а клапана 7 управления подачей перемещается в направлении возвратного перемещения и двигатель 9 подачи переключается на возвратное перемещение. Упомянутая выше вторая пороговая величина, после превышения которой поток гидравлической жидкости, подводимой к двигателю подачи, сокращается, является меньшим, чем эта пороговая величина, критическая между возвратным перемещением и перемещением подачи для переключения.
Если сопротивление вращению понижается в результате возвратного перемещения, давление в канале 19 гидравлической жидкости двигателя 20 вращения соответственно понижается и разность давлений между каналами 19 и 21 уменьшается. Как следствие, золотник 30а клапана 30 регулирования подачи может вернуться назад к своему нормальному положению, позволяя, после того как разность давлений понизится снова ниже пороговой величины, управляющим давлениям, действующим на клапан 7 управления подачей, быть в согласовании с нормальной подачей, а двигателю 9 подачи, управляемому клапаном 7 управления подачей, быть переключенным на нормальное перемещение подачи.
В этом случае, если перемещение подачи будет немедленно переключено на перемещение подачи вперед с нормальной скоростью, маятниковое перемещение вперед-назад может быть образовано согласно известному уровню техники, когда сопротивление вращению неожиданно повышается и затем понижается. Для уменьшения этого замедляющий элемент 39 связан с работой золотника 30а клапана 30 регулирования подачи. Замедляющий элемент содержит поршень 40, который перемещается в цилиндре 41. Обе стороны поршня находятся под воздействием давления из канала 19 двигателя вращения. Дополнительно на другой стороне поршня 40 имеется пружина 42, которая стремится осуществить нажим на поршень 40 в направлении на золотник 30а клапана 30 регулирования подачи. Поршень 40 дополнительно содержит обратный клапан 43, через который гидравлическая жидкость может свободно протекать со стороны золотника 30а клапана 30 регулирования подачи на противоположную сторону, другими словами, сторону пружины 42 поршня 40. Вместо поршня обратный клапан естественно может быть помещен в другом месте, таком как канал, соединяющий полости на противоположных сторонах поршня 40 цилиндра 41. Когда золотник клапана 30 регулирования подачи находится в своем нормальном положении, осуществляется нажим поршня 40 на пружину 42 под влиянием золотника. Когда разность давлений, действующих на двигателе 30 вращения, повышается, золотник клапана 30 управления подачей перемещается от поршня 40, который под нажимом пружины 42 следует за золотником в предварительно заданное положение, другими словами, почти к минимальному значению подачи, и остается там так долго, как золотник 30а клапана 30 регулирования подачи находится в этом положении под влиянием разности давлений, вызванной высоким сопротивлением вращению. Золотник 30а может дополнительно переместиться на расстояние от крайнего положения поршня 40 в том же направлении, чтобы изменить направление подачи. При понижении давления в результате понижения сопротивления вращению золотник 30а клапана 30 регулирования подачи возвращается назад к поршню 40. Когда золотник 30а соударяется с поршнем 40 и начинает толкать поршень 40 к пружине 42, гидравлическая жидкость может выйти из полости на стороне пружины только через штуцер 44, после чего независимо от давлений, действующих на клапан 30 регулирования подачи в каналах 35 и 36, золотник 30а клапана 30 регулирования подачи способен перемещаться к своему нормальному положению с задержкой, которая может быть скорректирована изменением или корректировкой размера штуцера 44. В то же самое время скорость подачи повышается с задержкой, а не вдруг.
Изобретение раскрыто выше в описании и показано на чертеже только как пример и таким образом не ограничено никаким образом. Существенным является то, что работа двигателя подачи установки бурения по породе управляется на основе разности давлений, действующей на двигателе вращения, таким образом, что посредством особого клапана регулирования давлений управления клапана управления подачей и, таким образом, интенсивности потока гидравлической жидкости, которая подводится к двигателю подачи, управляется пропорционально сопротивлению вращения, и когда разность давлений превосходит предварительно заданную величину, перемещение подачи переключается на возвратное перемещение. Хотя схема показывает отдельные гидравлические насосы 1, 16 для каждой функции, а также несколько баков гидравлической жидкости, на практике является обычным, чтобы гидравлическая жидкость, требуемая для всех этих функций, подводилась от одного общего насоса гидравлической жидкости, а бак гидравлической жидкости обычно является также общим для всех насосов и приводов. На практике, естественно, также возможно использовать различные насосы гидравлической жидкости для различных гидравлических соединений, как показано на диаграмме, или каким-либо другим известным образом.