RU2103471C1 - Rotary drilling rig with torque amplifier - Google Patents
Rotary drilling rig with torque amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2103471C1 RU2103471C1 RU96101697/03A RU96101697A RU2103471C1 RU 2103471 C1 RU2103471 C1 RU 2103471C1 RU 96101697/03 A RU96101697/03 A RU 96101697/03A RU 96101697 A RU96101697 A RU 96101697A RU 2103471 C1 RU2103471 C1 RU 2103471C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- drilling tool
- drilling
- drive motor
- rotor
- electric motor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для вращательного бурения скважин. The invention relates to mining and can be used for rotary drilling of wells.
Параметры оборудования этого типа независимо от него назначения тесно связаны с конструкцией вращателей и характерными для них механизмами подачи, поэтому вращатели и их конструкция являются основным, определяющим моментом. Отдельные конструкции вращателей полностью выполняют функции буровых станков. The parameters of this type of equipment, regardless of its purpose, are closely related to the design of the rotators and their characteristic feeding mechanisms, so the rotators and their design are the main determining moment. Separate designs of rotators fully perform the functions of drilling rigs.
Известны механические вращатели, основным элементом которых являются корпус, шпиндель с продольным каналом под бурильные трубы и зажимными патронами на нем, приводная втулка, от которой шпиндель получает вращение, редуктор, состоящий из конической пары зубчатых колес, связывающих вращатель с трансмиссией и обеспечивающих отбор мощности на вращение от приводного двигателя и механизм осевой подачи шпинделя с буровыми трубами [Кардыш В. Г. и др. Современные зарубежные буровые станки и установки. М.: Недра, 1976 (1); Блинов Г. А. и др. Техника и технология высокооборотного бурения. М.: Недра, 1982 (2)]. Mechanical rotators are known, the main element of which is the body, a spindle with a longitudinal channel for drill pipes and clamping chucks on it, a drive sleeve from which the spindle receives rotation, a gearbox consisting of a conical pair of gears connecting the rotator to the transmission and providing power take-off rotation from the drive motor and the axial feed mechanism of the spindle with drill pipes [V. Kardysh et al. Modern foreign drilling rigs and installations. M .: Nedra, 1976 (1); Blinov G.A. et al. Technique and technology of high-speed drilling. M .: Nedra, 1982 (2)].
Недостатками таких вращателей являются сложность схем, большой вес и габариты, низкий КПД, что обусловлено наличием в его конструкции громоздкой, металлоемкой, подверженной высоким динамическим нагрузкам зубчатой трансмиссии, работа которой сопровождается большими механическими потерями энергии при ее передачи от приводного двигателя шпинделю с буровым инструментом и высокими уровнями вибрации всей конструкции при бурении скважин. Необходимость же в наличии указанных громоздких зубчатых трансмиссий в тоже время диктуется необходимостью в создании высоких крутящих моментов и передачу их буровому инструменту для преодоления сил трения бурового инструмента о стенки скважины и особенно при бурении глубоких скважин большого диаметра. The disadvantages of such rotators are the complexity of the circuits, the large weight and dimensions, low efficiency, which is due to the presence of a bulky, metal-intensive design subject to high dynamic loads of a gear transmission, the operation of which is accompanied by large mechanical energy losses during transmission from the drive motor to the spindle with a drilling tool and high levels of vibration throughout the structure when drilling wells. The need for the presence of these bulky gear transmissions at the same time is dictated by the need to create high torques and transfer them to the drilling tool to overcome the friction forces of the drilling tool on the well walls and especially when drilling deep wells of large diameter.
Известны гидравлические, пневмотические и др. вращатели с аналогичными кинематическими схемами [см. указанную литуратуру (1)]. Указанные вращатели обладают теми же недостатками. Исключением в отдельных из них является то, что одни имеют возможность плавкого регулирования частоты вращения бурового инструмента [например, СКБ; см. выышеуказанную литературу (2)], другие, обладая этим, являются только вращателями без осевого перемещения шпинделя с буровым инструментом. Hydraulic, pneumatic and other rotators with similar kinematic schemes are known [see the indicated literature (1)]. These rotators have the same disadvantages. An exception in some of them is that some have the ability to fuse the rotation frequency of the drilling tool [for example, SKB; see the above literature (2)], others, possessing this, are only rotators without axial movement of the spindle with the drilling tool.
Анализ существующего бурового оборудования этого типа показывает, что взаимное расположение основных рабочих узлов, их кинематическая и конструктивная связь в значительной части обуславливает недостатки конструкций описанных выше. Так, в конструкциях, в которых приводной двигатель и механизм передачи вращения (трансмиссия) монтируются по горизонтальной оси, а шпиндель с буровым инструментом по вертикальной, разнонаправленный осевой монтаж обусловливает проявление разнонаправленных сил инерции образующихся движущими узлами конструкции (в соответствии с своими массами и частотой вращения), что приводит к увеличению уровня вибрации, значительной потере механической энергии и передаваемого крутящего момента, а также повышению металлоемкости отдельных узлов и деталей для обеспечения их надежности (например угловой редуктор и др.). An analysis of the existing drilling equipment of this type shows that the relative position of the main working units, their kinematic and structural connection, to a large extent determines the design flaws described above. So, in designs in which the drive motor and the rotation transmission mechanism (transmission) are mounted on the horizontal axis, and the spindle with the drilling tool in the vertical, multidirectional axial mounting causes the manifestation of multidirectional inertia forces generated by the moving components of the structure (in accordance with their masses and speed ), which leads to an increase in the level of vibration, a significant loss of mechanical energy and transmitted torque, as well as an increase in the metal consumption of individual components and parts Leu to ensure their reliability (e.g. bevel gear et al.).
Существенно влияет компановка и на эксплуатационные возможности буровой техники, поскольку от нее зависит насколько оборудование обеспечивает технологические требования бурения в различных условиях, в частности бурение глубоких скважин большого диаметра, наклонных скважин, при аварийных работах, где значение крутящего момента и возможности его регулирования приобретают решающее значение. The layout also significantly affects the operational capabilities of drilling equipment, since it depends on how much the equipment provides the technological requirements for drilling in various conditions, in particular the drilling of deep large diameter wells, deviated wells, during emergency operations, where the value of torque and the possibility of its regulation become crucial .
Известны также электрические вращатели, выполняющие функции буровых станков. Also known are electric rotators that perform the functions of drilling rigs.
Известен вращатель, в котором приводной электродвигатель с буровым инструментом подвижно установлен на направляющей раме с опорными колонками, с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно нее. Осевая нагрузка через натяжное устройство (цепная передача) передается непосредственно на приводной электродвигатель с буровым инструментом [Воздвиженский Б. И. и др. Разведочное колонковое бурение. М.: Госгеоиздат, 1957 (3)]. A rotator is known in which a drive motor with a drilling tool is movably mounted on a guide frame with support columns, with the possibility of reciprocating movement relative to it. The axial load through the tensioning device (chain transmission) is transmitted directly to the drive motor with a drilling tool [B. Vozdvizhensky et al. Exploratory core drilling. M .: Gosgeoizdat, 1957 (3)].
Основным недостатком конструкции известного вращателя является то, что осевое усилие на буровой инструмент передается непосредственно через приводной двигатель, что вызывает усиленную вибрацию конструкции, на которые накладываются крутильные колебания самого бурового инструмента возникающие в процессе бурения скважин. The main disadvantage of the design of the known rotator is that the axial force on the drilling tool is transmitted directly through the drive motor, which causes increased vibration of the structure, which superimpose torsional vibrations of the drilling tool itself arising during the drilling of wells.
Другим недостатком является громоздкость, металлоемкость конструкции, а за счет высокого уровня вибрации - повышенная энергоемкость и снижение производительности работ. Another disadvantage is the bulkiness, metal consumption of the structure, and due to the high level of vibration - increased energy consumption and reduced productivity.
Наиболее близким к изобретению является вращатель-буровой станок (патент N 2039239 от 9 июля 1995 г., бюл. N 19), состоящий из приводного плавнорегулируемого реверсивного электродвигателя, механизма вращения бурового инструмента и механизма осевого его перемещения. В данной конструкции все рабочие узлы непосредственно соосно связаны между собой. Для передачи осевого усилия на буровой инструмент независимо от приводного двигателя предусмотрен шпиндель, который посажен непосредственно в плавнорегулируемый приводной тяговый двигатель с полым ротором с возможностью осевого перемещения в нем. Для передачи синхронного вращения шпинделю, соединенному с буровым инструментом, шпиндель входит в прямое защепление в внутренней поверхностью ротора приводного двигателя, выполненного ответной шпинделю фигурной формы. Closest to the invention is a rotary drilling rig (patent N 2039239 dated July 9, 1995, bull. N 19), consisting of a continuously variable-drive drive electric motor, a rotation tool for the drilling tool and its axial movement mechanism. In this design, all the working nodes are directly coaxially interconnected. To transmit the axial force to the drilling tool, regardless of the drive motor, a spindle is provided, which is mounted directly into the continuously adjustable drive traction motor with a hollow rotor with the possibility of axial movement in it. To transmit synchronous rotation to a spindle connected to a drilling tool, the spindle is directly locked into the inner surface of the rotor of the drive motor, made reciprocal spindle shaped.
Механизм осевого перемещения шпинделя с буровым инструментом состоит из пары гидроцилиндров закрепленных на корпусе приводного двигателя соосно с ним и шпинделем. Штоки гидроцилиндров соединены через траверсу со свободным концом шпинделя, от которого осевая нагрузка, создаваемая рабочими поршнями гидроцилиндров, передается на буровой инструмент. The axial movement of the spindle with the drilling tool consists of a pair of hydraulic cylinders mounted on the drive motor housing coaxially with it and the spindle. The rods of the hydraulic cylinders are connected through the traverse to the free end of the spindle, from which the axial load created by the working pistons of the hydraulic cylinders is transmitted to the drilling tool.
Одноосный взаимосвязанный монтаж всех узлов конструкции (приводного двигателя с полым ротором, шпинделя, механизма передачи вращения шпинделю от приводного двигателя и механизм осевого перемещения шпинделя) упрощает конструкции известных буровых станков, в частности ликвидирует громоздкую и тяжелую направляющую раму с колонами, служащую в качестве направляющей опоры для возвратно-поступательного движения электрического приводного двигателя с буровым инструментом, а в сравнении с конструкциями станков с механическими вращателями типа СКБ-7, Зиф-1200 мр, Д-2000, СКБ-4 и др. - громоздкую энергоемкую трансмиссию передачи регулируемого вращения от приводного двигателю шпинделю. Одноосный взаимосвязанный монтаж узлов конструкции обеспечивает снижение уровня вибрации как самой конструкции, так и бурового инструмента, так как только в этом случае силы инерции, развиваемые движущими узлами и связанного с ней бурового инструмента, направлены по одной оси и не входят в противоречия друг с другом. The uniaxial interconnected installation of all structural components (a hollow rotor drive motor, a spindle, a transmission mechanism for rotating the spindle from the drive motor and the spindle axial movement mechanism) simplifies the construction of well-known drilling rigs, in particular, eliminates the bulky and heavy guide frame with columns serving as a guide support for reciprocating motion of an electric drive motor with a drilling tool, and in comparison with the designs of machines with mechanical rotators t IPA SKB-7, ZIF-1200 Mr, D-2000, SKB-4, etc. - a bulky energy-intensive transmission of variable speed transmission from a spindle driven by a motor. The uniaxial interconnected assembly of the structural units ensures a decrease in the vibration level of both the structure itself and the drilling tool, since only in this case the inertia forces developed by the moving units and the associated drilling tool are directed along the same axis and are not in conflict with each other.
Соосная взаимосвязь всех узлов конструкции, создающая стабильные условия работы бурового инструмента на высоких частотах вращения, обеспечивает развитие центростремительных сил инерции бурового инструмента (эффекта самоцентрирования), приводящих к резкому снижению сил трения бурового инструмента о стенки скважины и соответственно к снижению затрат мощности на бурение к интенсивному росту проходки. The coaxial interconnection of all structural nodes, creating stable operating conditions of the drilling tool at high speeds, ensures the development of centripetal inertia forces of the drilling tool (self-centering effect), which lead to a sharp decrease in the friction forces of the drilling tool against the borehole wall and, accordingly, to reduce the cost of drilling power to intensive growth penetration.
Приведенные достоинства данной конструкции почти полностью исключают недостатки, приведенные выше и характерные для буровых станков с механическими и другими типами вращателей, обладающие зубчатыми трансмиссиями передачи крутящего момента на буровой инструмент. The above advantages of this design almost completely eliminate the disadvantages given above and characteristic of drilling rigs with mechanical and other types of rotators, which have gear transmissions of torque transmission to the drilling tool.
Однако, как известно, установленной мощностью приводного двигателя принято определять типоразмер буровой установки, а крутящий момент на вращателе является одним из важнейших показателей, характеризующим и определяющим этот типоразмер с одной стороны и с другой, практически определяющим вообще возможности буровой установки в пределах этой установленной мощности. Номинал крутящего момента в электрических вращателях (и прототипа в частности) является величиной постоянной для принятого типоразмера установки (являясь производной отношения установленной мощности к частоте вращения двигателя). Постоянство номинала крутящего момента в установках с электровращателями резко снижает области условия их применения несмотря на высокую прогрессивность конструкции в целом. Например, при работах в условиях ликвидации аварий и особенно при необходимости бурения скважин большого диаметра, при которых применение высоких частот вращения, обеспечивающих развитие центростремительных сил инерции и в определенной степени компенсирующих недостаточность номинала крутящего момента, практически исключается. However, as you know, it is customary to determine the size of the drilling rig with the installed power of the drive motor, and the torque on the rotator is one of the most important indicators characterizing and determining this size on the one hand and, on the other hand, practically determining the drilling rig's capabilities within this installed power. The torque rating in electric rotators (and the prototype in particular) is constant for the adopted unit size (being a derivative of the ratio of installed power to engine speed). The constancy of the torque rating in installations with electric rotators sharply reduces the areas of their application despite the high progressiveness of the design as a whole. For example, when working in the conditions of liquidation of accidents and especially when it is necessary to drill large diameter wells, in which the use of high rotation speeds, which ensure the development of centripetal inertia forces and to some extent compensate for the insufficient torque rating, is practically eliminated.
Кроме того, в установках с электровращателями типоразмер установки должен определяться только номиналом крутящего момента, т.е. ее практическими возможностями, в связи с чем требуют применения двигателей повышенной мощности по сравнению со станками с механическими вращателями. Поэтому, если в станках с механическими вращателями (зарубежные варианты) возникшая необходимость в увеличении крутящего момента при установленной мощности приводного двигателя в процессе работы достигается применением сменных соответствующих элементов трансмиссии [см. вышеуказанную литературу (1)], то в установке-прототипе и других установках с электровращателями необходимое увеличение крутящего момента против установленного номинала возможно только путем увеличения мощности приводного двигателя (т.е. его замены), что влечет за собой изменение типоразмера установки в целом и связанное с этим повышение ее энергоемкости и металлоемкости вспомогательных узлов, деталей в связи с их надежностью. In addition, in installations with electric rotators, the installation size should be determined only by the torque rating, i.e. its practical capabilities, and therefore require the use of engines with increased power compared to machines with mechanical rotators. Therefore, if in machines with mechanical rotators (foreign versions) the need arises to increase the torque at the installed power of the drive motor during operation is achieved by using replaceable corresponding transmission elements [see the above literature (1)], then in the prototype installation and other installations with electric rotators, the necessary increase in torque against the specified rating is possible only by increasing the power of the drive motor (ie replacing it), which entails a change in the size of the installation as a whole and the related increase in its energy and metal consumption of auxiliary units, parts in connection with their reliability.
Это является существенным недостатком прототипа и других установок с электровращателями. This is a significant drawback of the prototype and other installations with electric rotators.
В связи с изложенным целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкций существенных вращателей и совмещение в них основных функций буровых станков, расширение технических и технологических возможностей электрических вращателей-буровых станков в части увеличения интенсивности их крутящих моментов без изменения типоразмера оборудования с возможностью плавного регулирования их значений в зависимости от геологического размера и назначения скважин, снижения уровня вибрации при бурении и повышения коэффициента полезного действия. In connection with the stated objective of the present invention is to simplify the design of essential rotators and combining the basic functions of drilling rigs in them, expanding the technical and technological capabilities of electric rotary drilling rigs in terms of increasing the intensity of their torques without changing the size of the equipment with the possibility of smooth adjustment of their values depending from the geological size and purpose of the wells, reducing vibration during drilling and increasing the efficiency actions.
Цель достигается тем, что в предлагаемом вращателе-буровом станке при сохранении основного принципа кинематической схемы - соосного монтажа всех рабочих и вспомогательных узлов, заложенного в прототипе, который содержит приводной плавнорегулированный реверсивный заключенный в кожухе электродвигатель с полым ротором, шпиндель, механизм вращения шпинделя, механизм его осевого перемещения и расположенный на конце шпинделя буровой инструмент, приводной плавно регулируемый реверсивный электродвигатель с полым ротором предлагаемого вращателя-бурового станка, содержит планетарное устройство, позволяющее увеличить его номинальный крутящий момент при сохранении основного параметра применяемого приводного электродвигателя - мощности, т. е. принятого типоразмера буровой установки. The goal is achieved by the fact that in the proposed rotary drilling rig, while maintaining the basic principle of the kinematic scheme - coaxial mounting of all working and auxiliary units, incorporated in the prototype, which contains a drive continuously adjustable reversible enclosed in a casing hollow rotor motor, spindle, spindle rotation mechanism, mechanism its axial movement and a drilling tool located at the end of the spindle, a drive continuously adjustable reversible electric motor with a hollow rotor of the proposed rotor of the drilling rig, contains a planetary device, which allows to increase its nominal torque while maintaining the main parameter of the used drive motor - power, i.e., the accepted standard size of the drilling rig.
Указанное планетарное устройство с полым валом для солнечной шестерни и зажимным патроном, соединенным с водилами сателитных шестерен смонтировано непосредственно на верхнем конце ротора приводного двигателя, соосно с ним и получает от него регулируемое синхронное вращение. Для передачи вращения буровому инструменту служит ведущая штанга, расположенная в полом роторе приводного двигателя (аналог шпинделя прототипа, но не имеющая зацепления с внутренней рабочей поверхностью ротора) с возможностью осевого перемещения в нем и несущая на своем конце буровой инструмент. Свободным концом ведущая штанга проходит через полый вал планетарного устройства и соединен с его зажимным патроном, получая от него вместе с буровым инструментом вращение с заданным крутящим моментом, регулируемым частотой вращения приводного двигателя. The specified planetary device with a hollow shaft for the sun gear and a chuck connected to the planet carrier gears is mounted directly on the upper end of the rotor of the drive motor, coaxial with it and receives from it an adjustable synchronous rotation. To transmit rotation to the drilling tool, there is a driving rod located in the hollow rotor of the drive motor (an analog of the prototype spindle, but without engagement with the inner working surface of the rotor) with the possibility of axial movement in it and carrying the drilling tool at its end. The free end of the drive rod passes through the hollow shaft of the planetary device and is connected to its chuck, receiving from it together with the drilling tool rotation with a given torque, controlled by the speed of the drive motor.
Механизм осевой подачи (перемещения) бурового инструмента состоит из двух гидроцилиндров закрепленных на кожухе приводного двигателя, параллельно с осью ротора, которые вместе с ним и буровым инструментом перемещаются по своим штокам и направляющим. Последние неподвижно закреплены на нижней траверсе станины и на верхней траверсе. Нижняя траверса шарнирно, с фиксацией, соединена со станиной, а верхняя траверса имеет два телескопических подкоса, опирающихся и закрепленных на станине, и обеспечивает жесткость конструкции. Шарнирно закреплена на станине нижняя траверса, а телескопические подкосы верхней траверсы позволяют устанавливать электродвигатель под необходимым углом к горизонту для бурения наклонных скважин. The axial feed (moving) mechanism of the drilling tool consists of two hydraulic cylinders mounted on the drive motor casing, in parallel with the rotor axis, which together with it and the drilling tool move along their rods and guides. The latter are fixedly mounted on the lower traverse of the bed and on the upper traverse. The lower yoke is pivotally, with fixation, connected to the bed, and the upper yoke has two telescopic struts, resting and fixed on the bed, and provides structural rigidity. The lower beam is pivotally mounted on the bed, and the telescopic struts of the upper beam allow you to install the electric motor at the required angle to the horizon for drilling deviated wells.
Часть отличительных признаков, присущих вращателю-буровому станку с усилителем крутящего момента, следующие:
соосный монтаж рабочих и вспомогательных узлом конструкций;
приводной плавнорегулируемый реверсивный электродвигатель с полым ротором;
ведущая штанга, расположенная в полом роторе приводного двигателя с возможностью осевого перемещения в нем и с расположенным на ее конце буровым инструментом;
механизм осевого перемещения подвижного электровращателя.Some of the distinguishing features inherent in a rotary drilling rig with a torque booster are as follows:
coaxial installation of working and auxiliary assembly units;
continuously variable drive reversible electric motor with a hollow rotor;
a driving rod located in the hollow rotor of the drive motor with the possibility of axial movement in it and with a drilling tool located at its end;
mechanism of axial movement of a movable electric rotator.
Известны из конструкций других вращателей и установок. Known from the designs of other rotators and installations.
В то же время патентный поиск показал, что в формуле по предлагаемой конструкции содержится следующее существенное отличие: приводной плавнорегулируемый реверсивный электродвигатель с полым ротором содержит планетарное устройство, повышающее его номинальный крутящий момент при той же мощности двигателя. At the same time, a patent search showed that the formula for the proposed design contains the following significant difference: a continuously variable-drive reversible hollow-rotor electric motor contains a planetary device that increases its rated torque at the same engine power.
Регулирование повышенных значений крутящего момента производится самим приводным двигателем одновременно с регулированием частоты его вращения. The regulation of increased torque values is carried out by the drive motor itself simultaneously with the regulation of its rotation frequency.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - общий вид планетарного устройства, разрез Б-Б на фиг. 1. In FIG. 1 shows the proposed device; in FIG. 2 - the same side view; in FIG. 3 is a section AA in FIG. one; in FIG. 4 is a general view of the planetary device, section BB in FIG. one.
Планетарное устройство, которым снабжен в предлагаемой конструкции приводной плавнорегулируемый электродвигатель, специально сконструировано под условия кинематической схемы соосного монтажа всех узлов конструкции, являющейся наиболее прогрессивной и эффективной, достоинства которой приведены при описании прототипа. The planetary device, which is equipped with a continuously adjustable electric motor in the proposed design, is specially designed for the kinematic scheme of coaxial mounting of all components of the structure, which is the most progressive and efficient, the advantages of which are given in the description of the prototype.
Планетарное устройство отличается компактностью, высокой надежностью, небольшим весом и простотой управления. Кроме того, устройство обладает высоким КПД, составляющим 0,97 - 0,98. Возможности планетарного устройства по повышению крутящего момента против номинала достаточно велики и определяются передаточным отношением планетарного механизма, которое колеблется в пределах 2 - 9, в зависимости от номиналов приводного двигателя по мощности и возможностям двигателя по частоте вращения. The planetary device is compact, highly reliable, lightweight and easy to control. In addition, the device has a high efficiency of 0.97 - 0.98. The capabilities of the planetary device to increase torque against the nominal are quite large and are determined by the gear ratio of the planetary mechanism, which ranges from 2 to 9, depending on the ratings of the drive motor in terms of power and engine capacity in terms of speed.
Планетарное устройство (фиг. 1 и 4) включает герметичный корпус 18 внутри которого размещены рабочий полый вал 6, непосредственно и соосно смонтированный на верхнем конце ротора 2 приводного двигателя 1, на свободном конце которого жестко посажена солнечная шестерня 19, которая имеет возможность вращения только совместно с рабочим валом 6, колеса-сателлиты 20 находятся в постоянном зацеплении с солнечным колесом 19 и зубчатым венцом 21 жестко соединенным с корпусом 18, который, в свою очередь, неподвижно закреплен на приводном двигателе 1. Колеса-сателлиты 20 закреплены на подвижных осях-водилах 22 которые жестко соединены с проходным валом зажимного патрона автоперехвата 4. The planetary device (Figs. 1 and 4) includes a sealed
Проходной вал зажимного патрона автоперехвата 4 смонтирован на одной оси с рабочим валом 6 с гарантированным зазором обеспечивающим вращение этих валов с различными частотами вращения. The passage shaft of the clamping chuck 4 is mounted on the same axis as the working
Устройство снабжено рядом подшипниковых узлов и сальников: на месте сочленения рабочего вала 6 с ротором 2 приводного двигателя 1 (17), сочленения зажимного патрона 4 с корпусом 18, задачей которых является центрация проходных отверстий этих разобщений валов и ряд других, обеспечивающих герметичность и плавность вращения механизма. The device is equipped with a number of bearing assemblies and seals: at the place of articulation of the working
Планетарное устройство работает следующим образом. Получая вращение от ротора 2 приводного двигателя 1, рабочий вал 6 передает синхронное вращение солнечной шестерне 19, которая передает его колесам-сателитам 20. Сателлиты 20, совершая планетарное движение, обкатываются по неподвижному венцу 21, а их оси-водила 22 передают усиленное (крутящим моментом) вращение навал зажимного патрона 4, который, в свою очередь, соединен с ведущей штангой 5 с размещенным на ее конце буровым инструментом. The planetary device operates as follows. Receiving rotation from the
Регулирование повышенных значений крутящего момента производится в зависимости от типа применяемого электродвигателя. В случае использования ассинхронных двигателей может быть применен электропривод с частотным управлением, который в практическом применении является очень сложным. Тиристорный регулируемый привод постоянного тока считается одним из наиболее перспективных для станков геологоразведочного бурения по сравнению с другими системами регулируемых электроприводов. The regulation of increased torque values is carried out depending on the type of electric motor used. In the case of using asynchronous motors, an electric drive with frequency control can be used, which in practical application is very complex. Thyristor controlled direct current drive is considered one of the most promising for exploration drilling machines in comparison with other systems of controlled electric drives.
Двигатели постоянного тока с тиристорным управлением позволяют плавно регулировать частоту вращения от нуля до максимально допустимой для данного двигателя, что полностью отвечает требованиям технологии бурения и выполнения аварийных работ благодаря высокой (до 2,5 - 3) перегрузочной способности двигателей этого типа. DC motors with thyristor control allow you to smoothly control the speed from zero to the maximum permissible for this engine, which fully meets the requirements of drilling technology and emergency work due to the high (up to 2.5 - 3) overload capacity of this type of engine.
Здесь регулирование частоты вращения ниже номинальной обеспечивается за счет изменения напряжения на роторе, при этом момент двигателя остается постоянным, а мощность уменьшается пропорционально частоте вращения. Увеличение частоты вращения выше номинальной осуществляется путем изменения силы тока в обмотке возбуждения. Here, the regulation of the rotational speed below the nominal value is ensured by changing the voltage on the rotor, while the engine torque remains constant, and the power decreases in proportion to the rotational speed. An increase in the rotation speed above the nominal one is carried out by changing the current strength in the field winding.
Этот способ регулирования позволяет экономично использовать установленную мощность, так как изменение частоты вращения обеспечивается в режиме постоянства мощности двигателя [см. вышеуказанную литературу (1 и 2)]. This control method allows you to economically use the installed power, since the change in speed is provided in the mode of constant engine power [see the above literature (1 and 2)].
В условиях применения планетарного усилителя крутящего момента указанные возможности регулирования приводного двигателя позволяют производить бурение как на высоких частотах вращения (с целью создания "эффекта самоцентрирования" бурового инструмента) с сохранением повышенных крутящих моментов двигателя против номиналов в каждый период времени процесса бурения, так и на малых частотах вращения бурового инструмента с повышенными величинами крутящего момента против его номинальных значений без дополнительных затрат мощности. Under the conditions of using a planetary torque amplifier, the indicated drive motor control options allow drilling at high rotational speeds (with the aim of creating a "self-centering effect" of the drilling tool) while maintaining increased engine torques against the ratings in each period of the drilling process, and at small rotational speeds of the drilling tool with increased torque values against its nominal values without additional power costs.
Последнее особенно важно, так как переход на бурение на пониженных частотах вращения, как правило, связано с осложнениями, возникшими при бурении или при бурении глубоких скважин большого диаметра требующих повышенных значений крутящих моментов. \ \\ Изложенное следует пояснить на следующем примере. The latter is especially important, since the transition to drilling at lower rotational speeds, as a rule, is associated with complications that have arisen during drilling or when drilling deep wells of large diameter requiring higher torques. \ \\ The above should be clarified by the following example.
Принят приводной тяговый электродвигатель постоянного тока со следующими основными номиналами:
мощность 80 кВт;
частота вращения - 1200 об/мин;
в ослабленном поле - 3000 об/мин;
крутящий момент - 63 кгм;
модуль передаточного отношения планетарного устройства 3.A DC drive traction motor with the following main ratings has been adopted:
power is 80 kW;
rotation speed - 1200 rpm;
in a weakened field - 3000 rpm;
torque - 63 kgm;
planetary
1. При регулировании частоты вращения ниже установленного номинала примем частоту вращения сниженной до 400 об/мин, т. е. в 3 раза против установленного номинала, тогда номинальная мощность двигателя уменьшается пропорционально снижению частоты вращения и составляет 80 : 3 = 26,7 кВт. При мощности в 26,7 кВт крутящий момент будет
т.е. остается равным установленному номиналу.1. When regulating the speed below the set nominal, we take the rotation speed reduced to 400 rpm, that is, 3 times against the set nominal, then the rated engine power decreases in proportion to the decrease in speed and is 80: 3 = 26.7 kW. With a power of 26.7 kW, the torque will be
those. remains equal to the nominal value.
С учетом применения планетарного устройства при принятом модуле передаточного отношения равном 3, частота вращения на ведущей штанге с буровым инструментом составит 400 : 3 = 133 об/мин, а крутящий момент возрастает до
M = 63 • 3 = 189 кгМ
2. При регулировании частоты вращения выше установленного номинала при установленной возможности двигателя максимальная частота вращения допустима в ослабленном поле двигателя и составляет 3000 об/мин. При номинальной частоте вращения и выше установленная мощность двигателя остается неизменной, т. е. равной номинальной и составляющей 80 кВт. В этих условиях крутящий момент развиваемый двигателем, составит
M = 63 • 3 = 189 kgM
2. When adjusting the speed above the specified rating with the installed engine capacity, the maximum speed is permissible in a weakened field of the engine and is 3000 rpm. At rated speed and higher, the installed engine power remains unchanged, i.e. equal to the nominal and component of 80 kW. Under these conditions, the torque developed by the engine will be
С учетом применения планетарного устройства с тем же модулем передаточного отношения (3), частота вращения на ведущей штанге с буровым инструментом составит
3000 : 3 = 1000 об/мин,
а крутящий момент 25,2 • 3 = 75,6 кгм
Как видно из приведенного ориентировочного расчета на номинальные условия двигателя, применение планетарного устройства значительно расширяет возможность электровращателя по крутящему моменту без увеличения затрат мощности.Taking into account the use of a planetary device with the same gear ratio module (3), the rotation speed on the driving rod with the drilling tool will be
3000: 3 = 1000 rpm
and torque 25.2 • 3 = 75.6 kgm
As can be seen from the approximate calculation for the rated engine conditions, the use of a planetary device significantly expands the possibility of an electric rotator in terms of torque without increasing power consumption.
Кроме того, возможность получения необходимых крутящих моментов в зависимости от мощности и частоты вращения применяемого двигателя может регулироваться модулем передаточного отношения самого планетарного устройства путем применения сменных комплектов (солнечная и сателитные шестерни) с необходимым модулем передаточного отношения. In addition, the possibility of obtaining the necessary torques depending on the power and speed of the engine used can be regulated by the gear ratio module of the planetary device itself by using interchangeable sets (solar and satellite gears) with the necessary gear ratio module.
В целом предлагаемая конструкция вращателя бурового станка с усилителем крутящего момента содержит приводной регулированный тяговый электродвигатель 1 с полым ротором 2 и планетарным устройством 3. Ведущая штанга 5 установлена внутри полого ротора 2 и планетарного устройства 3, которое снабжено зажимным патроном автоперехвата 4. Ведущая штанга 5 установлена с возможностью осевого перемещения относительного внутренней поверхности ротора 2 и полого рабочего вала 6 планетарного устройства 3. Для этого она выполнена с гарантированным радиальным зазором относительно их внутренних поверхностей и соединена своим свободным концом с зажимным патроном 4 планетарного устройства 3 (в случае принудительной осевой подачи создаваемого механизма осевого перемещения). Механизм осевого перемещения ведущей штанги 5 с буровым инструментом состоит из закрепленных на корпусе приводного двигателя 1 гидроцилиндров 7 и 8, установленных параллельно оси ротора 2 приводного двигателя 1, которые перемещаются по своим штокам 9 и 10 и направляющим 11 и 12. Штоки 9 и 10, а также направляющие 11 и 12 закреплены неподвижно на нижней траверсе 13 и верхней 14, при этом верхняя траверса 14 содержит телескопические подкосы 15 и 16, обеспечивающие жесткость конструкции. В случае свободной осевой подачи ведущая штанга 5 с буровым инструментом своим свободным концом проходит через разжатый зажимной патрон 4 планетарного устройства 3 и соединяется с крон-блоком лебедки, осуществляющей осевую подачу ведущей штанги 5 с буровым инструментом под собственным их весом. Разжатый с фиксацией патрон 4 планетарного устройства 3 образует фигурное проходное отверстие, ответное ведущей штанги 5, через зацепление с которой передает ей вращение. В корпусе планетарного устройства 3 в месте соединения его с ротором 2 приводного двигателя 1 установлен подшипниковый узел 17, включающий набор радиальных и упорных подшипников, первые из которых воспринимают радиальные нагрузки от вращения ведущей штанги 5, передаваемые ей планетарным устройством 3, а вторые осевые нагрузки, передаваемые гидроцилиндрами 7 и 8 при принудительной осевой передаче, и собственным весом ведущей штанги 5 с буровым инструментом - при свободной подаче. In general, the proposed design of the drill rig rotator with a torque booster comprises a regulated
Шарнирно закрепленная на станине нижняя траверса 13 и телескопические подкосы 15 и 16 верхней траверсы обеспечивают установку предлагаемой конструкции вращателя-бурового станка с усилителем крутящего момента под необходимым углом к горизонту для возможности бурить наклонные скважины. The
Конструкция снабжена известной системой трубодержателя-автоперехвата при осевой подаче инструмента (например, СКБ-7), которая на чертежах не представлена в целях его упрощения. The design is equipped with the well-known pipe holder-auto-interception system for axial feed of the tool (for example, SKB-7), which is not shown in the drawings in order to simplify it.
Наиболее целесообразно в качестве приводного двигателя 1 использовать тяговые электродвигатели постоянного тока, тогда конструкция комплектуется тиристорным преобразователем тока и системой управления для питания электродвигателя и плавной регулировки частоты вращения ведущей штанги 5 с буровым инструментом. В этом случае должен быть использован определенный тип тяговых электромашин, обладающих возможностью плавного регулирования частоты вращения их ротора в широких диапазонах, с одновременным регулированием крутящего момента, развиваемого ими (например, ДК - 110, 213, 220). It is most expedient to use DC traction motors as a driving
Вращатель-буровой станок работает следующим образом. Rotary drilling machine operates as follows.
После включения приводного двигателя 1 его полый ротор 2 передает вращение планетарному устройству 3, в свою очередь, планетарное устройство 3 приводит во вращение ведущую штангу 5 с буровым инструментом. Одновременно в верхние полости гидроцилиндров 7 и 8 нагнетается под давлением рабочая жидкость (в это время нижние полости гидроцилиндров 7 и 8 соединены со сливом). After turning on the
Усилие, создаваемое давлением жидкости на рабочих поршнях гидроцилиндров 7 и 8, перемещает их по неподвижно установленным штокам 9 и 10 вниз вместе с приводным двигателем 1, планетарным устройством 3 и соединенной с ним ведущей штангой 5 с буровым инструментом, обеспечивая осевое движение бурового инструмента в процессе бурения скважины с установленным осевым усилием. После достижения гидроцилиндрами 7 и 8 приводного двигателя 1 крайнего нижнего положения включается система автоперехвата 4. Нижние полости гидроцилиндров 7 и 8 соединяются с линией нагнетания, а верхние - со сливом. В результате давления жидкости на рабочие поршни гидроцилиндров 7 и 8 последние движутся по своим штокам 9 и 10 вверх, возвращая приводной двигатель 1 и планетарное устройство 3 в верхнее исходное положение без остановки вращения станка, после чего включается система автоперехвата 4. Верхние полости гидроцилиндров 7 и 8 соединяются с линией нагнетания, а нижние - со сливом, после чего рабочий процесс продолжается в описанном порядке. The force created by the fluid pressure on the working pistons of the
Одноосный монтаж планетарного устройства с ротором приводного двигателя в сочетании с соосным монтажом всех рабочих и вспомогательных узлов в предлагаемой конструкции выдвигают эту установку в самостоятельный тип вращателей-буровых станков способного выполнять скважины любого назначения (от скважин геологоразведочного ряда на твердые полезные ископаемые до глубоких скважин большого диаметра, необходимых при поисково-оценочных работах и испытаниях на нефть и газ.)
Указанная конструкция упрощает, совершенствует и значительно расширяет технические и технологические возможности известных вращателей и буровых установок.The uniaxial installation of a planetary device with a drive motor rotor in combination with the coaxial installation of all the working and auxiliary units in the proposed design put this installation into an independent type of rotary drilling rigs capable of performing wells for any purpose (from exploration wells to solid minerals to deep large diameter wells required during prospecting and evaluation work and tests for oil and gas.)
The specified design simplifies, improves and significantly expands the technical and technological capabilities of well-known rotators and drilling rigs.
Конструктивные особенности предлагаемого враащателя-бурового станка с усилителем крутящего момента дает возможность создать самостоятельный универсальный (по диаметрам бурения и другим показателям) вращатель-буровой станок для бурения скважин при сниженных затратах электроэнергии на глубину 0 - 2200 м, что позволяет заменить им классы выпускаемых буровых станков и обеспечить их полную унификацию. The design features of the proposed rotary drill rig with a torque amplifier makes it possible to create an independent universal (in terms of drilling diameters and other indicators) rotary drill rig for drilling wells at reduced energy costs to a depth of 0 - 2200 m, which allows them to replace the classes of manufactured drilling rigs and ensure their full unification.
Опытный образец вращателя-бурового станка с усилителем крутящего момента проходит испытания на производственной скважине проектной глубиной 2000 - 2200 м с оборудованием ее под посадку пятидюймовой обсадной колонны труб. A prototype of a rotary drilling rig with a torque amplifier is tested at a production well with a design depth of 2000 - 2200 m with its equipment for landing a five-inch pipe casing string.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96101697/03A RU2103471C1 (en) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Rotary drilling rig with torque amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96101697/03A RU2103471C1 (en) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Rotary drilling rig with torque amplifier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2103471C1 true RU2103471C1 (en) | 1998-01-27 |
| RU96101697A RU96101697A (en) | 1998-03-27 |
Family
ID=20176283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96101697/03A RU2103471C1 (en) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Rotary drilling rig with torque amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2103471C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106351571A (en) * | 2016-09-22 | 2017-01-25 | 安徽理工大学 | Handheld seven-star wheel hydraulic drilling rig for mines |
| CN106978804A (en) * | 2017-04-26 | 2017-07-25 | 威海市海泰起重机械有限公司 | High pulling torque stake machine |
-
1996
- 1996-01-30 RU RU96101697/03A patent/RU2103471C1/en active IP Right Revival
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106351571A (en) * | 2016-09-22 | 2017-01-25 | 安徽理工大学 | Handheld seven-star wheel hydraulic drilling rig for mines |
| CN106351571B (en) * | 2016-09-22 | 2018-06-08 | 安徽理工大学 | A kind of mining hand-held seven-star wheel hydraulic drill rig |
| CN106978804A (en) * | 2017-04-26 | 2017-07-25 | 威海市海泰起重机械有限公司 | High pulling torque stake machine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2617759C2 (en) | Control system based on screw coal-face mechanism | |
| US10718418B2 (en) | Integrated drive generator having a variable input speed and constant output frequency and method of driving | |
| RU2405904C2 (en) | Drilling assembly for well (versions) and support mechanism and turbine power plant for drilling assembly | |
| EA009968B1 (en) | System and method using a continuously variable transmission to control one or more system components | |
| CA2040071C (en) | Percussive rock cutting tool | |
| CN101694149B (en) | Deep well drilling speed reducer and working method thereof | |
| CA2829144A1 (en) | Rotation unit, rock drilling unit and method for rock drilling | |
| CA2206926C (en) | Control device for a directional tool | |
| CN113216938A (en) | Dynamic comprehensive performance testing device for coal mine drill rod | |
| RU2103471C1 (en) | Rotary drilling rig with torque amplifier | |
| CN108057910A (en) | A kind of adjustable intelligent Multi-shaft drilling device of flexible structure | |
| US4170441A (en) | Speed changer for in-hole motors | |
| CN115306296A (en) | Power head for raise boring machine | |
| RU2039239C1 (en) | Rotary head-drill | |
| US4315552A (en) | Raise drill apparatus | |
| CN109915010B (en) | A kind of driller | |
| CN211397428U (en) | Portable field drilling system | |
| US11549311B2 (en) | Rotary drive arrangement for a drill rod | |
| RU2324808C1 (en) | Power generator of well logging equipment | |
| RU2237790C1 (en) | Upper power drive for drilling device | |
| CN109403859B (en) | Portable field drilling system | |
| RU2263757C1 (en) | Geared turbodrill | |
| CN109356536B (en) | Rotary drive for portable drilling | |
| CN216789175U (en) | Speed reducer for raise boring machine | |
| RU2134764C1 (en) | Device for drilling bore-holes by planetary drill bit method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NF4A | Reinstatement of patent |