Регулятор подачи долота буровой установки и муфта, используемая в приводе регулятора

(51)7 42 3/04, 21 40/00 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Сериков Тулеуш Пауеденович Ахметов Сайранбек Махсутович Кенжебеков Нурлан Медетович Надиров Жардемгали Ахметов Нуркен Махсутович(73) Республиканское государственное казенное предприятие Атырауский институт нефти и газа(54) РЕГУЛЯТОР ПОДАЧИ ДОЛОТА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ И МУФТА, ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В ПРИВОДЕ РЕГУЛЯТОРА(57) Изобретение относится к нефтегазовому машиностроению, а именно к буровым установкам и их устройствам для подачи долота на забой скважины. Техническим результатом является возможность реагирования на изменения условий работы долота на забое скважины путем регулирования принудительной подачи долота. Это достигается тем, что муфта для привода регулятора подачи долота, содержащая втулку, жестко посаженную на ведущем валу, ведущую полумуфту,выполненную с возможностью перемещения по по верхности втулки, ведомую полумуфту, жестко соединенную с ведомым валом, пружину сжатия, установленную между полумуфтами, упорный подшипник и регулировочное устройство для регулирования усилия сжатия пружины, дополнительно включает электрический датчик нагрузки, действующий от осевого давления, на полумуфтах выполнены винтовые шлицы с возможностью закручивания ведущей полумуфты в ведомую после превышения крутящего момента на ведомой полумуфте над крутящим моментом на ведущей полумуфте, создаваемым усилием сжатой пружины, и вступления ее в контакт с электрическим датчиком нагрузки, причем ведущая полумуфта соединена с поверхностью втулки резьбой с возможностью перемещения по резьбе и фиксации контргайкой для выполнения функции регулировочного устройства. А в регуляторе подачи долота, содержащем пульт управления, моторгенератор, электродвигатель постоянного тока, соединительную муфту, редуктор, шинно-пневматическую муфту, лебедку с цепной передачей привода подъемного вала и чувствительный элемент нагрузки, в качестве чувствительного элемента нагрузки используют муфту, описанную выше, установленную между электродвигателем постоянного тока и редуктором и электрически связанную с пультом управления. 9152 Изобретение относится к нефтегазовому машиностроению, а именно к буровым установкам и их устройствам для подачи долота на забой и может быть использовано преимущественно при геофизическом и структурно-поисковом бурении неглубоких нефтяных и газовых скважин. Известен забойный механизм регулятора подачи долота (РПД), предназначенный для создания равномерной осевой нагрузки на долото при бурении нефтяных и газовых скважин (а. с. СССР 533720,кл. Е 21 В 19/00, 1976), содержащий гидравлическое подающее устройство и систему гидроприводов, связанную с промывочным насосом. В данном механизме РПД подача инструмента на забой осуществляется при помощи гидроцилиндра, промежуточных поршней и рабочего поршня со штоком, имеющего дроссель и другие узлы, которые связаны с системой подачи забойного двигателя. В зависимости от изменения установленной осевой нагрузки на забой давление в гидравлической системе соответственно автоматически возрастает или уменьшается, регулируя скорость подачи инструмента и количество промывочной жидкости. Рассматриваемый механизм подачи долота предназначен только для бурения гидравлическим забойным двигателем и электробурами. При роторном способе бурения, где передача вращения к долоту осуществляется через буровую колонну от ротора,приводимого во вращение наземными механизмами,указанный механизм РПД не может применяться. Это является основным его недостатком, так как в практике бурения, в частности, во многих нефтегазоносных регионах республики и СНГ, основным способом бурения остается роторный. Указанный недостаток частично устранен в механизме подачи долота, выполненном в виде автоматического стабилизатора веса буровой колонны(Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. М. Недра, 1985, с. 287), приспособленного к системе торможения буровой лебедки, состоящего из исполнительного пневматического поршневого механизма, индикатора веса, кинематически соединенного с рукояткой тормоза буровой лебедки, механизма обратной связи и пульта управления с электроконтактным манометром. При помощи стабилизатора веса осуществляется автоматическое поддержание осевой нагрузки на долото, задаваемой по шкале прибора на пульте управления. Благодаря этому в значительной степени облегчается труд бурильщика, т.к. эта операция осуществлялась ранее вручную - периодическими нажатиями на тормоз рукоятки в случае изменения нагрузки на долото. Однако применение стабилизатора веса не решает вопрос плавности подачи, что важно для снижения износа долота и других рабочих элементов бурового инструмента. Более того, наличие в механизме пневмосистемы усложняет процесс обслуживания и снижает надежность его работы. Следовательно,необходимо применить для регулирования подачи инструмента специальное устройство, действующее 2 независимо от других агрегатов буровой установки,имеющее отдельный привод с автономным устройством для притормаживания подачи бурового инструмента. Наиболее близким по технической сущности является автоматический РПД электрического типа(Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. М. Недра, 1985, с. 286-287), предназначенный в основном для поддержания заданной осевой нагрузки на долото и скорости его подъема. РПД используется как при роторном способе, так и при применении гидравлического забойного двигателя. Схема РПД включает в себя станцию управления,мотор-генератор, вращаемый асинхронным электродвигателем, питающимся от системы электроснабжения буровой установки, электродвигатель постоянного тока, от которого вращение передается посредством соединительной муфты, редуктора, шинно-пневматической муфты и цепной передачи подъемному валу лебедки. Вал лебедки при помощи передаточных механизмов кинематически связан с ротором (Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы. М. Недра, 1988, с. 169-172), через который в скважину проходит ведущая труба буровой колонны, придерживаемая талевой оснасткой лебедки,причем в неподвижной струне талевой оснастки имеется чувствительный элемент в виде датчика веса. Вращение лебедки при помощи талевой оснастки преобразуется в прямолинейное движение (подачу) буровой колонны с долотом. В данном РПД осевая нагрузка на долото задается бурильщиком на пульте управления. Отклонение осевой нагрузки на долото от заданной величины приводит к соответствующему изменению тока в мотор-генераторе, а следовательно, и к изменению механической характеристики электродвигателя постоянного тока, т. е. происходит искусственное торможение лебедки, которое пропорционально по величине передается приводу РПД. Главным недостатком указанного РПД является то, что он работоспособен лишь при подаче инструмента за счет собственного веса колонны путем притормаживания лебедки, что характерно для глубокого бурения. При геофизическом и структурнопоисковом бурении неглубоких скважин роторными установками долото на забой должно подаваться принудительно. Поэтому здесь, когда осевая нагрузка превышает собственный вес колонны, индикатор веса не может быть использован в качестве чувствительного элемента системы управления. Следовательно, возникает необходимость замены индикатора веса другим чувствительным элементом, который должен быть прост по конструкции и способен реагировать на изменение осевой нагрузки при принудительной подаче долота (давлении на долото), которое характеризуется изменением крутящего момента на приводе РПД. Причем, предлагаемый чувствительный элемент в конечном итоге должен работать на снижение или увеличение скорости подачи долота путем изменения тока торможения в элек 9152 тродвигателе постоянного тока, как это происходит на указанном выше РПД. С точки зрения чувствительности к изменению нагрузки на приводе и меньшей материалоемкости предлагаемого устройства наиболее приемлемым является расположение датчика в быстроходной части привода, где возникает наименьший крутящий момент. При этом эффективным будет такой чувствительный элемент (датчик), для которого можно использовать один из механизмов быстроходной части привода, размещенный между электродвигателем постоянного тока и редуктором. Таким механизмом является соединительная муфта между ними. Более приспособленными к этому являются электромагнитные муфты, которые с увеличением момента сопротивления способны снизить угловую скорость привода. Однако автоматизация этого процесса в электромагнитных муфтах происходит за счет воздействия на его обмотку внешних сигналов,т.е. они неспособны одновременно совмещать функцию чувствительного элемента. Для этого потребуются дополнительные устройства, что в совокупности будет усложнять систему автоматического управления приводом подачи долота. Более того, так же, как и в электродвигателе постоянного тока привода РПД, потребовалось бы искусственное охлаждение электромагнитной муфты. Более простым может быть чувствительный элемент, выполненный на основе механической муфты сцепления, как более приспособленный к автоматизации процесса торможения привода. Однако ни одна из существующих муфт сцепления не может быть использована в качестве чувствительного элемента, способного одновременно реагировать на изменение крутящего момента и преобразовать это в электрический сигнал, передаваемый на пульт управления. Известна пружинная фрикционная муфта со спиральной пружиной (Поляков , Барбаш И.А. Муфты. 1973, с. 165), содержащая ведущий вал с насаженным на нем фрикционным барабаном, который свободно обвивает пружина, один конец которой неподвижно закреплен в ведомой полумуфте,сидящей на ведомом валу, а другой конец связан с включающим устройством, выполненным в виде свободно перемещающейся вдоль ведущего вала тарельчатой полумуфты и рычага. В данной муфте в роли ведущей может быть любая из полумуфт. Однако, несмотря на все достоинства, указанная муфта не может быть использована для автоматического торможения электродвигателя постоянного тока. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является кулачковая предохранительная муфта(Поляков , Барбаш И.Д. Муфты. Л. Машиностроение, 1973, с. 271-273), состоящая из ведущей и ведомой полумуфт, которые поджимаются при помощи пружины, свободно облегающей ведущую полумуфту, выполненную с возможностью свободного перемещения вдоль ведущего вала. Сила поджатия пружины регулируется с одного ее конца по средством винта и упорного подшипника, а другой конец пружины упирается в тарельчатый выступ подвижной ведущей полумуфты. Однако в данной муфте, в силу ее конструктивного исполнения, пружина предназначена лишь для создания необходимого усилия между сцепляющимися кулачками полумуфт, т.е. она здесь как необходимый чувствительный элемент механического датчика не задействована. Для достижения этого необходимо, чтобы в муфте усилие пружины служило критерием рабочей нагрузки на долото, влияющей на крутящий момент ведомой полумуфты, и при превышении его установленной величины разность моментов преобразовалась в перемещение одной из деталей и далее - в электрический сигнал. Задача изобретения заключается в том, чтобы разработать чувствительный элемент, реагирующий на изменение условий работы долота на забое скважины и формирующий корректирующие сигналы управления при работе буровой установки с принудительной подачей долота, и создать с его использованием регулятор подачи долота. Это достигается тем, что муфта для привода регулятора подачи долота, содержащая втулку, жестко посаженную на ведущем валу, ведущую полумуфту,выполненную с возможностью перемещения по поверхности втулки, ведомую полумуфту, жестко соединенную с ведомым валом, пружину сжатия, установленную между полумуфтами, упорный подшипник и регулировочное устройство для регулирования усилия сжатия пружины, дополнительно включает электрический датчик нагрузки, действующий от осевого давления, на полумуфтах выполнены винтовые шлицы с возможностью закручивания ведущей полумуфты в ведомую после превышения крутящего момента на ведомой полумуфте над крутящим моментом на ведущей полумуфте, создаваемым усилием сжатой пружины, и вступления ее в контакт с электрическим датчиком нагрузки, причем ведущая полумуфта соединена с поверхностью втулки резьбой с возможностью перемещения по резьбе и фиксации контргайкой для выполнения функции регулировочного устройства. А в регуляторе подачи долота, содержащем пульт управления, мотор - генератор, электродвигатель постоянного тока, соединительную муфту, редуктор, шинно-пневматическую муфту, лебедку с цепной передачей привода подъемного вала и чувствительный элемент нагрузки, в качестве чувствительного элемента нагрузки используют муфту, описанную выше, установленную между электродвигателем постоянного тока и реактором и электрически связанную с пультом управления. Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема описываемого РПД, на фиг. 2 - принципиальная схема муфты (общий вид -продольный разрез). Регулятор подачи долота (РПД) буровой установки содержит станцию управления 1, моторгенератор 2, вращаемый асинхронным электродви 3 9152 гателем, электродвигатель постоянного тока 3 с вентиляционным устройством для охлаждения 4, соединительную специальную автоматическую муфту 5,редуктор 6, шинно-пневматическую муфту 7, цепную передачу 8 привода подъемного вала 9 лебедки 10. Вал 9 при помощи передаточных механизмов (на фиг. 1 не показаны) кинематически связан с ротором 11, через который и в скважину 12 проходит ведущая труба 13 буровой колонны, придерживаемая талевой оснасткой 14. Рабочая струна 15 оснастки 14 навивается на барабан 16 лебедки 10, а другая 17 закрепляется неподвижно. Управление РПД осуществляется с пульта 18. Конструкция муфты 5 (фиг. 2) выполнена с возможностью совмещения ею функции передачи вращения от электродвигателя 3 к редуктору с функцией датчика крутящего момента. Муфта реагирует на превышение установленной рабочей нагрузки на приводе РПД, прямо пропорциональной осевой нагрузке на долото и, преобразуя механическую величину в электрический сигнал, передает сигнал на пульт управления 18. Муфта 5 состоит из ведущей и ведомой полумуфт 19 и 20. Ведущая полумуфта 19 выполнена в виде полого винта, образующего с ведомой полумуфтой 20 механическую передачу винт-гайка посредством винтовых шлицев 21 и 22, имеющихся соответственно на их наружной и внутренней цилиндрических поверхностях. Полумуфты 19 и 20 прижимаются к установленной внутри них пружине 23, которая одним концом упирается в полумуфту 19 посредством упорного подшипника 24. Усилие пружины 23, регулируемое при помощи винта 21 полумуфты 19, фиксируется контргайкой 25, затягиваемой по резьбе 26 на поверхности втулки 27, жестко посаженной на ведущем валу 28. Электрический датчик 29 установлен в зоне осевого перемещения полумуфты 19 и допускает взаимодействие с ней, если крутящий момент на ведомой полумуфте 20, прямо пропорциональный осевой нагрузке на долото, превысит установленную величину. При этом механический сигнал посредством датчика 29 преобразуется в электрический сигнал и передается к пульту управления 18 РПД. РПД буровой установки и муфта, используемая в приводе регулятора, работают следующим образом. Бурильщик задает осевую нагрузку с пульта управления 18 в зависимости от твердости разбуриваемой породы Прямо пропорционально к осевой нагрузке устанавливается начальное усилие пружины 23, которое регулируется ввинчиванием ведущей полумуфты 19 по резьбе 26 втулки 27. При этом полая часть полумуфты 19 посредством винтовых шлицев 21 и 22 не до конца ввинчивается в ведомую полумуфту 20, осуществляя тем самым исходное положение элементов передачи винт-гайка и обеспечивая предварительное начальное усилие сжатия пружины 23. Такое положение полумуфты 19 на втулке 27 фиксируется контргайкой 25 путем закру 4 чивания ее по резьбе 26. По сравнению с другими способами фиксирования полумуфты 19 на втулке 27 выбор данного способа обусловлен обеспечением лучшей соосности и центрирования ведущей и ведомой полумуфт 19 и 20. Если осевая нагрузка на долото превысит первоначально установленную величину, то это приведет к увеличению крутящего момента на ведомой полумуфте 20. Величина этого момента превысит величину противодействующего крутящего момента,создаваемого пружиной 23, и полумуфта 19, преодолевая усилие пружины 23, начнет ввинчиваться в ведомую полумуфту 20. В результате сближения полумуфт датчик 29 войдет в контакт с полумуфтой 19 и замкнет электрическую цепь. Он преобразует давление, оказываемое на него полумуфтой 19, или же ее перемещение, в электрический сигнал, который передается на пульт управления 18. Здесь сигнал сравнивается с сигналом, соответствующим усилию, заданному бурильщиком. Разность полученного и заданного сигналов поступает на усилитель,установленный в станции управления 1. Усиленный сигнал воздействует на обмотку возбуждения мотор-генератора 2, который питает электродвигатель постоянного тока 3, и уменьшает величину питающего тока, что приводит к замедлению вращения вала электродвигателя 3 и, соответственно, к уменьшению подачи долота до стабилизации осевой нагрузки на него. Таким образом, применение предлагаемого РПД с используемой в нем принципиально новой специальной муфтой позволит снизить износ долота и повысить надежность работы элементов буровых установок, предназначенных для геофизического и структурно-поискового бурения неглубоких нефтяных газовых скважин при минимальных затратах средств. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Муфта для привода регулятора подачи долота буровой установки, содержащая втулку, жестко посаженную на ведущем валу, ведущую полумуфту,выполненную с возможностью перемещения по поверхности втулки, ведомую полумуфту, жестко соединенную с ведомым валом, пружину сжатия, установленную между полумуфтами, упорный подшипник и регулировочное устройство для регулирования усилия сжатия пружины, отличающаяся тем, что она дополнительно включает электрический датчик нагрузки, действующий от осевого давления, на полумуфтах выполнены винтовые шлицы с возможностью закручивания ведущей полумуфты в ведомую после превышения крутящего момента на ведомой полумуфте над крутящим моментом на ведущей полумуфте, создаваемым усилием сжатой пружины, и вступления ее в контакт с электрическим датчиком нагрузки, причем ведущая полумуфта соединена с поверхностью втулки резьбой с возможностью ее 9152 перемещения по резьбе и фиксации контргайкой для выполнения функции регулировочного устройства. 2. Регулятор подачи долота буровой установки,содержащий пульт управления, мотор-генератор,электродвигатель постоянного тока, соединительную муфту, редуктор, шинно-пневматическую муфту,лебедку с цепной передачей привода подъемного вала и чувствительный элемент нагрузки, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента нагрузки используют муфту по п. 1, установленную между электродвигателем постоянного тока и редуктором и электрически связанную с пультом управления.