ГИДРОУДАРНИК Российский патент 1994 года по МПК E21B4/14 

Изобретение относится к горному делу, а именно к бурению скважин.

Известен гидроударник прямого действия, состоящий из корпуса, клапана, пружины клапана, ударника, пружины ударника и наковальни [1] . Принцип действия гидроударника основан на преобразовании энергии гидравлического удара в энергию механического удара ударника по наковальне. Естественно, что при таком преобразовании энергии значительная часть ее затрачивается на преодоление сопротивления сжатия обоих пружин, сил трения в сальниковом уплотнении и при движении ударника в промывочной жидкости, а также потерь волновой энергии. Для устранения последнего недостатка применяют различные по конструкции отражатели гидравлических волн. Отраженная гидравлическая волна увеличивает скорость разгона ударника и повышает КПД машины. Однако, даже в этом случае не используются колебательные процессы, неизбежно возникающие при движении ударной волны в системе клапан-отражатель.

Известно также устройство для генерирования гидравлических ударов, включающее полый цилиндрический корпус, клапанную камеру, наковальню с центральным каналом для прохода промывочной жидкости и уплотнениями, установленную в корпусе с возможностью осевого перемещения и клапан-ударник, причем клапан-ударник выполнен в виде поршня с хвостовиком, поршень уплотнен относительно боковых стенок клапанной камеры, которая гидравлически связана с входным каналом для прохода промывочной жидкости. При этом клапан-ударник размещен в клапанной камере с возможностью осевого перемещения. При прокачивании через устройство промывочной жидкости в нем генерируются гидроудары, которые через наковальню передаются на породоразрушающий инструмент [2] .

Недостатком этого устройства является то, что для создания условий его безотказной работы необходим дополнительный источник энергии для обеспечения колебательных движений бойка. Таким источником могут быть либо пульсирующая подача промывочной жидкости, либо создаваемые дополнительно колебания колонны бурильных труб. Источником последних могут быть возникающие в некоторых случаях в процессе бурения продольные колебания колонны бурильных труб. Однако, при твердосплавном колонковом и алмазном бурении, особенно с применением антивибрационных средств, эти колебания практически отсутствуют. В результате этого при определенном зазоре между бойком и наковальней устанавливается равновесие между силами, действующими на дополнительный и основной поршни. В этих условиях боек не совершает колебательных движений, а само устройство действует лишь как источник дополнительной статической нагрузки на породоразрушающий инструмент. Даже при наличии благоприятных условий для создания колебательных движений клапана-ударника, в силу конструктивных особенностей устройства, нагрузка на породоразрушающий инструмент должна быть строго регламентирована. При несоблюдении этого условия устройство не работает (при повышенных нагрузках и недостаточной мощности гидравлических насосов клапан-ударник запирается, а при пониженных совершает колебательные движения, не доходя до наковальни и не издавая гидравлического удара). Практически при бурении скважин даже в пределах одного рейса или долбления в зависимости от твердости пород и состояния породоразрушающего инструмента нагрузка на последний может изменяться в довольно широких пределах. Кроме того, стандартные приборы, применяемые при бурении, не отражают фактическую нагрузку на породоразрушающий инструмент, которая по данным некоторых исследователей составляет 30-60% от показаний приборов. В устройстве такой конструкции совершенно не используется волновая энергия в силу того, что открытие клапана происходит сразу же после гидравлического удара.

Цель изобретения - повышение эффективности и надежности работы гидроударника, что существенно повышает КПД машины.

Для этого используется энергия отраженных гидроволн, воздействующих непосредственно через наковальню на породоразрушающий инструмент.

Для повышения эффективности работы гидроударника путем создания дополнительных ударных импульсов и возможности регулирования величины и частоты гидроударников клапан-ударник снабжен поршневым и регулировочными прокладками, а наковальня - съемным седлом. При этом поршень установлен с возможностью осевого перемещения относительно штока клапана-ударника, в верхней части которого имеется ограничитель, подпружиненный относительно поршня. Кроме того, движение поршня ограничивается относительно корпуса клапанной камеры уступом в последней. Поршень взаимодействует с верхней поверхностью клапанной камеры через упругий элемент. Кольцевая ступенчатая полость клапанной камеры гидравлически сообщается с затрубным пространством. Наличие поршня и ограничителя на штоке обеспечивает отрыв клапана ударника от съемного седла, а пружина ограничителя обеспечивает полное открытие осевого канала. Движение клапана-ударника вниз обеспечивается упругим элементом. Регулировочные прокладки определяют заданный режим работы гидроударника.

На чертеже показан предлагаемый гидроударник.

В корпусе 1 гидроударника расположен корпус клапанного устройства 2, в котором установлен поршень 3, клапан-ударник 4 с штоком 5, ограничитель 6 движения поршня относительно штока, пружина 7 поршня и пружина 8 клапана-ударника. Для создания условий для регулирования частоты гидравлических ударов движение поршня ограничивается уступом 9 в корпусе клапанного устройства 2. Для устранения возможности отскакивания клапана-ударника 4 при закрытии и уменьшении гидравлических сопротивлений при движении его вниз запирающая часть его выполнена в виде конуса. Для регулирования силы дополнительного ударного импульса, возникающего при открытии клапана-ударника, седло 10 клапана выполнено в наковальне 11 съемным. Регулировка частоты гидравлических ударов производится регулировочными прокладками 12. Над корпусом 1 гидроударника расположен отражатель 13 гидравлических волн. Верхняя часть кольцевой ступенчатой полости корпуса клапанного устройства 2 гидравлически связана с затрубным пространством через отверстие 14 в отражателе 13. (56) Авторское свидетельство СССР N 1006693, кл. Е 21 В 4/14, 1982.

Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. Под ред. Козловского Е. А. М. : Недра, 1984, т. 1, с. 402, рис. XIV, 8.

Использование: бурение скважин. Сущность изобретения: гидроударник содержит отражатель гидравлических волн, полый цилиндрический корпус, внутри размещены клапан-ударник и ступенчатая наковальня с седлом. Клапан-ударник выполнен с штоком, на нем установлен подпружиненный подвижный поршень, а на верхнем его конце - подпружиненный относительно поршня ограничитель . Запорный элемент поршня-ударника выполнен коническим, а седло наковальни - съемным. Частоту ударных импульсов определяют регулировочные прокладки, которые размещены между запорным элементом клапана и нижним торцом поверхности поршня. Элементы клапана-ударника образуют кольцевую ступенчатую полость, надпоршневая часть полости гидравлически связана с затрубным пространством. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ГИДРОУДАРНИК, содержащий полый цилиндрический корпус, ступенчатую ноковальню с осевым каналом и коническим соплом и клапан-ударник со штоком, поршнем, образующих кольцевую ступенчатую полость, коническим запорным элементом под поршнем и полость над поршнем, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности в работе гидроударника путем более полного использования энергии отраженных волн, он снабжен закрепленным в верхней части штока ограничителем, подпружиненным относительно поршня, а поршень закреплен в верхней части относительно корпуса пружиной сжатия, при этом верхняя часть кольцевой ступенчатой полости гидравлически сообщена с затрубным пространством. 2. Гидроударник по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности в работе за счет регулирования частоты ударных импульсов, он снабжен регулированными прокладками, установленными между запорным элементом клапана-ударника и нижней торцевой поверхностью поршня. 3. Гидроударник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что седло наковальни выполнено съемным.