ПОГРУЖНАЯ УДАРНАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК E21B4/14 E21C3/24 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к погружным устройствам для ударно-вращательного бурения скважин и может найти применение в геологоразведке и в горной промышленности.

Известна погружная ударная машина, включающая корпус, размещенный в корпусе ударник, делящий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, при этом камера обратного хода находится в зоне размещения штока ударника и ограничена ступенью головки ударника [1]
Известная погружная ударная машина, включающая корпус с гильзой, ударник, разделяющий полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую ступенчатый питающе-разрядный клапан, большая ступень которого обращена в сторону переходника, и образует вместе с корпусом и переходником надклапанную полость, при этом ударник выполнен ступенчатым с головкой и штоком, переходник с трубкой [2]
Недостатком приведенных выше устройств является то, что они не могут работать на несжимаемых энергоносителях, например, воде, так как, в частности, в наиболее близком аналоге вытеснение энергоносителя в магистраль при равных площадях и давлениях в рабочих камерах невозможно.

Предлагаемая машина по использованию энергоносителя является универсальной и, стало быть, обладает расширенными технологическими возможностями, так как она может работать на сжатом воздухе, как пневмоударник, на смеси воздуха с жидкостью, в том числе и на аэрированной, и на жидкости, как гидроударник. Она проста по конструкции и по сравнению с прототипом имеет более высокую надежность.

Это достигается тем, что предлагаемая машина включает переходник с трубкой, корпус с гильзой, ударник с осевым сквозным каналом, разделяющий полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, которая содержит ступенчатый питающе-разрядный клапан, большая ступень которого обращена в сторону переходника и образует вместе с корпусом и переходником надклапанную полость, а нижняя площадка клапана обращена в сторону камеры прямого хода, питающий, сливной, разрядный и командный тракты камеры прямого хода. При этом ударник выполнен ступенчатым с головкой и штоком, ступень которых ограничивает камеру обратного хода, постоянно соединенную каналами в гильзе с надклапанной полостью, а нижняя площадка клапана ограничивает камеру прямого хода. Причем площадь большей ступени клапана f_k и площадь ступени ударника f_y удовлетворяют соотношению:
f_k (0,8 ^oC 1,2)f_y
При таком выполнении устройства особенно значительные преимущества эта машина имеет при работе на жидкости.

В известных гидроударниках импульсного типа, работающих на эффекте гидроудара, возникающего при перекрытии потока жидкости, энергия единичного удара ударника по инструменту обусловлена временем действия гидроудара. Вся остальная (большая) часть времени цикла связана с непроизводительным расходом жидкости, следовательно определяет сравнительно низкий КПД этих машин.

В предлагаемой машине гидравлический удар, возникающий при покрытии клапаном потока жидкости в конце прямого хода, воздействует на ударник при его обратном ходе. Это приводит к увеличению энергии единичного удара и частоты ударов, т. е. мощности. Кроме того, увеличивается КПД машины, так как исключается непроизводительный расход жидкости.

На фиг. 1 показано устройство в момент соударения ударника с буровым инструментом, продольный разрез; на фиг. 2 то же, в момент положения ударника в конце обратного хода (начало прямого хода).

Погружная ударная машина, изображенная на фиг. 1 и 2, состоит из переходника 1 с трубкой 2, корпуса 3, гильзы 4, внутри которой размещен ступенчатый ударник 5 с головкой 6, штоком 7, ступенью 8 и осевым сквозным каналом 9, разделяющий полость корпуса 3 на рабочие камеры прямого 10 и обратного 11 хода. Система распределения энергоносителя содержит ступенчатый питающе-разрядный клапан 12 с надклапанной полостью 13, образованной большой ступенью 14 клапана 12, корпусом 3 и внутренней поверхностью переходника 1. Нижняя площадка 15 клапана 12 обращена в сторону камеры прямого хода 10. В верхней части переходника 1 выполнены наклонные отверстия 16, а в гильзе 4 - продольные каналы 17 и радиальные отверстия 18 и 19. Питающий тракт камеры прямого хода 10 состоит из кольцевого зазора 20 (фиг. 2), образованного нижней площадкой 15 клапана 12 и верхним торцом гильзы 4. Сливной тракт состоит из осевого сквозного канала 9 ударника 5 и осевого канала 21 хвостовика 22 бурового инструмента. Разрядный тракт состоит из кольцевого зазора 23 клапана 12, наклонных отверстий 24 и осевого канала 25 трубки 2. Командный тракт состоит из расточки 26, выполненной в верхней части гильзы 4. Большая ступень 14 клапана 12 составляет площадь f_k, а ступень 8 ударника 5 составляет площадь f_y.

Погружная ударная машина работает следующим образом (фиг. 1).

Энергоноситель в виде жидкости через проходник 1 и отверстия 16 поступает в надклапанную полость 13 и далее по продольным каналам 17 и радиальным отверстиям 18 гильзы 4 постоянно поступает в камеру обратного хода 11. Ударник 5 совершает обратный ход в сторону переходника 1, так как в это время камера прямого хода 10 через осевой канал 9 ударника 5 и осевой канал 21 хвостовика 22 связана с забойным пространством. После перекрытия канала 9 ударника 5 трубкой 2 (фиг. 2), камера прямого хода 10 связана с затрубным пространством уже через разрядный тракт: кольцевой зазор 23 клапана 12, наклонные отверстия 24 и осевой канал 25 трубки 2. Далее ударник 5 своей головкой 6 входит в зону расточки 26 гильзы 4 командного тракта. Жидкость, через образовавшийся зазор, поступает из камеры обратного хода 11 в камеру прямого хода 10. Под действием давления жидкости со стороны камеры прямого хода 10 на нижнюю площадку 15 клапана 12 (фиг. 1), происходит его перекидка в верхнее положение (фиг. 2). Образуется кольцевой зазор 20 питающего тракта и жидкость через этот зазор интенсивно, сплошным потоком поступает в камеру прямого хода 10. Происходит остановка ударника 5 и он начинает совершать прямой ход в сторону хвостовика 22 бурового инструмента, вытесняя жидкость из камеры обратного хода 11 в начале через расточку 26, а затем через отверстия 18 и продольные каналы 17 гильзы 4 в камеру прямого хода 10. Тем самым компенсирует увеличивающийся расход жидкости из магистрали и поддерживает высокое давление в камере прямого хода 10. Как только ударник 5 сойдет с трубки 2 и откроется сливной тракт (фиг. 1), давление в камере прямого хода резко упадет, а жидкость из камеры прямого хода 10 будет сливаться по осевому сквозному каналу 9 ударника 5 и осевому каналу 21 бурового инструмента на забой. При этом давление под клапаном 10 в кольцевом зазоре 20 также уменьшится и произойдет перекидка клапана из положения "питание" (фиг. 2) в положение "разрядка" (фиг. 1). Ударник наносит удар по инструменту. Закрытие клапана вызывает гидравлический удар в надклапанной полости 13, в бурильных трубах и в камере обратного хода 11, так как последняя постоянно соединена с клапанной полостью 13. Государственное давление, воздействуя на ступень 8 ударника 5 со стороны камеры обратного хода 11, способствует быстрому забросу ударника 5 на большую величину.

Соотношение:
f_k (0,8 ^oC 1,2)f_y
определяет необходимые и достаточные условия работы клапана в зависимости от движения ударника.

При равенстве площадей f_k f_y, учитывая, что давление в надклапанной полости 13 равно давлению в камере обратного хода 11, так как они постоянно соединены продольными каналами 17 и радиальными отверстиями 18 гильзы 4 между собой, силы, действующие на клапан и ударник, тоже равны. Поэтому клапан будет находиться в положении "Разрядка" (фиг. 1) до того момента, пока головка 6 ударника не откроет командный тракт, т.е. не войдет в зону расточки 26. Тогда на нижнюю площадку 15 клапана будет действовать сила со стороны камеры прямого хода и он перекинется в верхнее положение "питание" (фиг. 2). Следовательно, ударник обязательно наберет необходимую скорость и пройдет расчетный путь при его обратном ходе.

Если f_k будет меньше 0,8•f_y, т.е. площадь клапана, а следовательно, и сила, действующая на клапан сверху со стороны надклапанной полости будет немного меньше силы, приложенной к ударнику со стороны камеры обратного хода, то произойдет преждевременное открытие клапана. Так как сила, действующая на клапан со стороны камеры прямого хода, обусловленная противодавлением в ней, может превысить силу, удерживающую клапан в положении "Разрядка". При этом жидкость под давлением из магистрали поступает в камеру прямого хода и ударник, не достигнув расчетного пути, остановится.

Если f_k будет больше 1,2 f_y, то клапан, прижатый сверху значительной силой, может не открыться даже тогда, когда головка ударника войдет в расточку и откроет командный тракт. Силы, действующие на ударник со стороны рабочих камер, уравновесятся и он остановится, так как в камеру прямого хода жидкость через питающий тракт не поступит. Машина при таком выполнении не запустится, т.е. не начнет работать.

Радиальные отверстия 19, выполненные в гильзе 4 (фиг. 1), обеспечивают блокировку машины, т.е. автоматическое прекращение ее работы, когда машина будет поднята над забоем. Радиальные отверстия 18 гильзы 4 будут закрыты головкой 6 ударника, а отверстия 19 открыты, так как ударник опустится вниз за хвостовиком 22, который выйдет из корпуса машины. Жидкость в камеру обратного хода не будет поступать и по каналам 9 ударника и 21 хвостовика будет выливаться и интенсивно промывать забой.

Основным преимуществом предложенной ударной машины, по сравнению с аналогом и прототипом, является ее универсальность. Она может работать на сжатом воздухе, жидкости, в том числе и на аэрированной. Это значительно расширяет ее технологические возможности: бурение глубоких геологоразведочных скважин и бурение технологических скважин в горной и строительной промышленности. Высокий КПД машины, определяемый минимальным непроизводительным расходом энергоносителя при наибольшей мощности, позволяет значительно удешевить бурение скважин.

Использование: изобретение относится к буровой технике, а именно к погружным устройствам для ударно-вращательного бурения скважин и может найти применение в геологоразведке, гидрогеологии и в горной промышленности. Сущность изобретения: ударная машина, в которую подается энергоноситель в виде жидкости, в том числе и аэрированной, или в виде сжатого воздуха, энергия которого преобразуется в ударные импульсы, воздействующие на забой. При этом машина имеет высокий КПД, определяемый минимальным непроизводительным расходом энергоносителя при наибольшей мощности. Ударная машина включает переходник с трубкой, корпус с гильзой, ударник с осевым сквозным каналом, разделяющий полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую ступенчатый питающеразрядный клапан, большая ступень которого обращена в сторону переходника и образует вместе с корпусом и переходником надклапанную полость, а нижняя площадка клапана обращена в сторону камеры прямого хода, питающий, сливной, разрядный и командные тракты. При этом ударник выполнен ступенчатым с головкой и штоком, ступень которых ограничивает камеру обратного хода, постоянно соединенную каналами в гильзе с надклапанной полостью, а нижняя площадка клапана ограничивает камеру прямого хода. Приведено рациональное соотношение ступеней клапана и ударника, обеспечивающее надежный запуск и эффективную работу машины. 2 ил.

Погружная ударная машина, включающая переходник с трубкой, корпус с гильзой, ударник с осевым сквозным каналом, разделяющий полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую ступенчатый питающе-разрядный клапан, большая ступень которого обращена в сторону переходника и образует вместе с корпусом и переходником надклапанную полость, а нижняя площадка клапана обращена в сторону камеры прямого хода, питающий, сливной, разрядный и командный тракты камеры прямого хода, при этом ударник выполнен ступенчатым с головкой и штоком, с ограниченной ступенью ударника камерой обратного хода, отличающаяся тем, что камера обратного хода находится в зоне размещения штока, ограничена ступенью головки ударника и постоянно соединена каналами в гильзе с надклапанной полостью, а площадь большей ступени клапана составляет 0,8 1,2 площади ступени головки ударника.