ГИДРОУДАРНИК Российский патент 1994 года по МПК E21B4/14 

Изобретение относится к области горного дела, а именно к гидроударникам разведочного бурения скважин.

Гидроударники бывают различной конструкции, но в практике получили наибольшее распространение гидроударники прямого действия, как наиболее простые по устройству и надежные в эксплуатации.

Известный гидроударник, принятый за прототип, содержит полый цилиндрический корпус, внутри которого установлены верхний переходник, нижний шлицевой переходник с наковальней, подпружиненный относительно наковальни боек с полым штоком и размещенный в верхней его части подпружиненный бойковый клапан.

Работа гидроударника связана с управлением потоком нагнетательной жидкости и формированием гидроударного давления, за счет которого создаются силы для возвратно-поступательного перемещения бойка и нанесения полезных ударов по наковальне. Это происходит за счет автоматического закрытия бойкового клапана в верхней и открытия в нижней позициях бойка. После открытия клапана боек двигается по инерции до соударения с наковальней. Этот интервал движения называется свободным ходом бойка, который в современных гидроударниках составляет 3-5 мм. Энергия соударения бойка и наковальни формирует полезную энергию удара гидроударника.

Недостатком известного гидроударника являются низкая эффективность гидроударника за счет возрастания общей массы возбуждения гидроударной волны и не производительный расход рабочей жидкости в период обратного хода бойка.

Целью изобретения является повышение эффективности гидроударника при малом расходе промывочной жидкости.

Указанная цель достигается тем, что гидроударник, содержащий полый цилиндрический корпус, внутри которого установлены верхний переходник, нижний шлицевой переходник с наковальней, подпружиненный относительно наковальни боек с полым штоком и размещенный в верхней его части подпружиненный бойковый клапан, снабжен установленным в полом корпусе над верхним переходником нагнетательным клапаном, подпружиненным относительно седла, толкателем, подпружиненным сверху поршнем и полым штоком, при этом поршень размещен на штоке, нижний конец которого закреплен на верхнем торце нагнетательного клапана с возможностью ограниченного осевого перемещения, причем один конец толкателя соединен с бойковым клапаном, а другой конец толкателя установлен внутри нагнетательного клапана с возможностью ограниченного осевого перемещения, в седле нагнетательного клапана и в нижней части штока выполнены радиальные каналы для прохода промывочной жидкости, а в верхней части корпуса выполнены радиальные каналы, сообщающие полость над поршнем с затрубным пространством скважины.

В результате такого технического решения возникает возможность значительно увеличить эффективную мощность гидроударника при малых расходах промывочной жидкости по сравнению с прототипом. Это достигается тем, что в нагнетательной системе в непосредственной близости к гидроударнику происходит разрыв единой циркуляционной системы потока жидкости своеобразным пружинным аккумулятором потенциальной энергии при обратном ходе бойка и преобразование ее в кинетическую при прямом активном ходе.

Расчеты показывают, что предлагаемое техническое решение позволяет при прочих равных условиях повысить энергию единичного удара по сравнению с прототипом в 1,3-1,5 раза с соответствующим общим повышением эффективной мощности гидроударника и КПД. Эффект значительно увеличивается, если гидроударник устанавливать над долотом при бескерновом бурении.

На фиг. 1 изображен продольный разрез гидроударника; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1.

Гидроударник включает шлицевой переходник 1, шлицевую муфту 2, наковальню 3, боек 4 с пружиной 5, шток 6 бойка, средний переходник 7 с уплотнительной манжетой 8, бойковый клапан 9 с пружиной 10, верхний переходник 11, нагнетательный клапан 12 с пружиной 13, гнезда 14 клапана с проходными отверстиями 15, толкатель 16, штифты 17 для ограничения нижнего хода толкателя 16, а также нагнетательную камеру, выполненную в виде цилиндра 18 с боковыми отверстиями 19, головку 26 со штоком 20, кольцевой поршень 21 с манжетами 22 и силовой пружиной 23 и соединительный корпус 24. В штоке 20 имеется канал 25, соединяющий нижнюю часть нагнетательной камеры с полостью бурильных труб.

Работа гидроударника осуществляется следующим образом. Гидроударник устанавливается в составе бурового снаряда над породоразрушающим инструментом (для колонкового бурения - над колонковым набором) и в исходном положении находится в подвешенном состоянии, т. е. породоразрушающий инструмент не соприкасается с забоем скважины. В этом случае шлицевой переходник 1 вместе с бойком 4 опускается вниз и образует щель между торцом штока 6 и клапаном 9. Нагнетательный клапан 12 под действием пружины 13 будет открыт на величину S₃. При нагнетании промывочной жидкости в скважину она свободно проходит через щелевые зазоры между клапаном 9 и гнездом 14, а также клапаном 9 и торцом штока 6 непосредственно на забой скважины. Запуск машины осуществляется с постановкой бурового снаряда на забой скважины. В результате этого шлицевой переходник 1 вместе с бойком 4 поднимется вверх и произойдет сочленение торца штока 6 с клапаном 9. Поток жидкости перекрывается с образованием гидроударного давления, которое создает усилие для перемещения штока 6 с бойком 4 и клапаном 9 вниз. Происходит разгон бойка с одновременным сжатием его пружины и пружины клапана. Процесс разгона бойка 4 - активный ход - продолжается до упора клапана 9 в средний переходник 7. Одновременно произойдет осадка клапана 12 через толкатель 16 за счет упора его в штифты 17. В дальнейшем движение бойка 4 происходит по инерции на величину свободного хода S₂ до соударения с наковальней 3. В этот момент получит свободный проход жидкость на забой скважины со значительным возрастанием скоростного напора, благодаря которому произойдет закрытие клапана 12 и перекрытие потока жидкости с соответствующим гидравлическим ударом. Под действием гидравлического удара возникает усилие для перемещения поршня 21 и сжатия пружины 23 с накоплением потенциальной энергии. Одновременно под клапаном 12 возникает волна разрежения, способствующая возврату клапана 9 под действием пружины 10 в исходное верхнее положение. После соударения с наковальней 3 боек 4 под действием усилия пружины 5 возвратится в исходное верхнее положение. Сочленение штока 6 бойка и клапана 9 будет сопровождаться соударением, под действием которого произойдет открытие клапана 12, и сформировавшееся давление жидкости в нагнетательной камере вызовет перемещение бойка 4 со штоком 6 и клапаном 9 вниз до упора клапана 9 в переходник 7. Цикл повторяется.

Применение предлагаемого гидроударника значительно увеличит эффективность его работы при малых расходах жидкости за счет снижения непроизводительных затрат энергии при обратном ходе бойка и использования потенциальной энергии жидкости, которая аккумулируется непосредственно в нагнетательной камере. Это позволит повысить эффективность гидроударного бурения геологоразведочных скважин.

Использование: горное дело, в частности гидроударники разведочного бурения скважин. Сущность: гидроударник имеет установленный в полом корпусе над верхним переходником нагнетательный клапан, подпружиненный относительно седла, толкатель, подпружиненный сверху поршень с полым штоком. Поршень размещен на штоке. Нижний конец штока закреплен на верхнем торце нагнетательного клапана с возможностью ограниченного осевого перемещения. Один конец толкателя соединен с бойковым клапаном, а другой конец установлен внутри нагнетательного клапана с возможностью ограниченного осевого перемещения. В седле нагнетательного клапана и в нижней части штока имеются каналы для прохода промывочной жидкости. В верхней части корпуса имеются радиальные каналы, сообщающие полость над поршнем с затрубным пространством скважины. 4 ил.

ГИДРОУДАРНИК, содержащий полый цилиндрический корпус, внутри которого установлены верхний переходник, нижний шлицевой переходник с наковальней, подпружиненный относительно наковальни боек с полым штоком и размещенный в верхней его части подпружиненный бойковый клапан, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности в работе гидроударника при малых расходах жидкости, он снабжен установленными в полом корпусе над верхним переходником нагнетательным клапаном, подпружиненным относительно седла, толкателем, подпружиненным сверху поршнем и полым штоком, при этом поршень размещен на штоке, нижний конец которого закреплен на верхнем торце нагнетательного клапана с возможностью ограниченного осевого перемещения, причем один конец толкателя соединен с бойковым клапаном, а другой конец толкателя установлен внутри нагнетательного клапана с возможностью ограниченного осевого перемещения, причем в седле нагнетательного клапана и в нижней части штока выполнены каналы для прохода промывочной жидкости, а верхней части корпуса выполнены радиальные каналы, сообщающие полость над поршнем с затрубным пространством скважины.