ЗАБОЙНЫЙ ГИДРОСИЛОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ УДАРНИК Российский патент 1995 года по МПК E21B4/14 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к гидравлическим забойным ударным средствам для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин.

Известные гидроударные машины непосредственно гидросилового действия, например гидравлический забойный вибратоp ВНИИБТ, содержит корпус, кольцевой золотник и поршень, соединенный через штангу с долотом. Корпус имеет щелевые отверстия, золотник - сквозные пазы скошенной формы, совпадающие с отверстиями в корпусе.

Прокачиваемая жидкость, проходя через отверстия в корпусе вибратора и скошенные пазы золотника, приводит золотник во вращение, поток жидкости периодически перекрывается и возбуждаются высокочастотные гидравлические удары с частотой 60-100 Гц, которые передаются через поршень на долото.

Главным недостатком таких устройств является малая энергия удара, обусловленная большой частотой колебаний. Долото, взаимодействующее с породой, можно рассматривать как колебательную систему с одной степенью свободы, а из теории известно (Яблонский А.А. Курс теоретической механики, часть II, М., 1971), что при увеличении частоты вынужденных колебаний системы, превосходящей частоту собственных колебаний, происходит сглаживание амплитуды колебаний, динамический коэффициент стремится к нулю. Вместе с тем большая частота соответствует малой величине импульса давления на поршень как следствие малого времени приложения нагрузки.

Известно, что эффективное разрушение породы ударным способом происходит при значении удара, превосходящем некоторую критическую величину. При повышении частоты колебаний энергия удара падает, и эффективность разрушения породы снижается.

Кроме того, невозможно остановить вибратор при промывке скважины, что снижает pабочий ресурс машины.

Сущность изобретения состоит в снижении частоты гидравлических ударов до 3-5 Гц, при этом возрастает импульс давления на поршень за счет устройства корпуса из двух звеньев, соединенных телескопически. Нижнее звено корпуса содержит осевую турбину, ротор которой опирается на подшипник качения, служащий также редуктором, золотник с эксцентрично расположенным окном, соединенный с сепаратором подшипника полым валом, поршень с эксцентрично расположенным окном, жестко соединенный через переходник с долотом. В нижнем звене корпуса имеются два ряда отверстий - один выше, другой ниже турбины для пропуска жидкости в затрубное пространство скважины.

На фиг. 1 изображено устройство, в разрезе; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1.

Устройство содержит корпус, состоящий из верхнего 1 и нижнего 2 звена, соединенных телескопически на шлицах. В нижнем звене корпуса имеются два ряда отверстий 3 и 4, между которыми размещаются осевая турбина, состоящая из направляющих лопаток 5 и ротора 6, который опирается на подшипник 7 качения, закрепленный в корпусе и служащий одновременно редуктором с номинальным передаточным числом 2. Золотник 8, опирающийся на поршень 9. соединен с сепаратором подшипника полым валом 10 и имеет эксцентрично расположенное окно 1 (см. фиг.2). Полый вал 10 имеет отверстия 12 для пропуска жидкости в кольцевое пространство между валом и корпусом. Поршень 9 жестко соединен через переходник 13 с долотом и имеет окно 14 для пропуска жидкости на забой скважины (см.фиг.3).

Устройство работает следующим образом.

В подвешенном состоянии в скважине, когда нижнее звено 2 устройства под действием собственного веса и давления прокачиваемой жидкости полностью выдвинуто и отверстия 3 и 4 в корпусе открыты, прокачиваемая жидкость проходит (в основном) через отверстия 3 выше турбины, при этом устройство не работает, осуществляется промывка скважины.

При опускании колонны бурильных труб долото опирается на забой, верхнее звено корпуса надвигается на нижнее, перекрывает отверстия 3, при этом прокачиваемая жидкость проходит через турбину и приводит ее во вращение. Далее жидкость через отверстия 4 поступает в затрубное пространство скважины.

При дальнейшем опускании колонны перекрывается второй ряд отверстий 4 корпуса, жидкость через окна 11 и 14 в золотнике 8 и поршне 9 поступает на забой скважины. При вращении золотника турбиной отверстия периодически перекрываются, возбуждаются гидравлические удары, передающиеся на долото.

Предлагаемое устройство позволяет:
- возбуждать гидравлические удары с частотой 3-5 Гц (низкая частота колебаний обеспечивается за счет подбора угла наклона лопаток турбины и регулирования числа оборотов золотника);
- значительно повысить величину импульса давления на поршень по сравнению с прототипом, максимально приблизить ее до теоретически возможной предельной величины;
- останавливать устройство на время промывки скважины;
- производить многократный запуск турбины в процессе бурения;
- вести бурение как вращательным способом, так и ударным (ударно-поворотным) в зависимости от условий бурения.

Использование: в горной промышленности, а именно в забойных двигателях при бурении скважин. Сущность изобретения: в забойном ударнике корпус выполнен из двух звеньев, соединенных телескопически, с фиксацией от проворота между собой. Ударник снабжен установленной в полости нижнего звена осевой турбиной и имеющим окна полым валом, связанным с турбиной через редуктор в виде подшипника качения. Золотник выполнен с эксцентричным отверстием и закреплен на нижнем торце полого вала. Поршень закреплен в нижней части корпуса и выполнен с отверстием, совпадающим с отверстием в золотнике при вращении последнего относительно поршня. В нижнем звене корпуса выше турбины и на уровне размещения полого вала выполнены окна. 3 ил.

ЗАБОЙНЫЙ ГИДРОСИЛОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ УДАРНИК, включающий полый корпус, золотник и поршень, отличающийся тем, что корпус выполнен из двух звеньев, соединенных телескопически с фиксацией от проворота между собой, причем ударник снабжен установленной в полости нижнего звена осевой турбиной и имеющим окна полым валом, связанным с турбиной через редуктор в виде подшипника качения, а золотник выполнен с эксцентричным отверстием и закреплен на нижнем торце полого вала, поршень закреплен в нижней части корпуса и выполнен с отверстием, совпадающим с отверстием в золотнике при вращении последнего относительно поршня, при этом в нижнем звене корпуса выше турбины и на уровне размещения полого вала выполнены окна.