УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН - ШАРОУДАРНИК Российский патент 2004 года по МПК E21B7/00 E21B4/16 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения скважин, а также в строительстве и в металлообрабатывающей промышленности.

Известен гидравлический вибратор по а.с. №209350 (МКИ Е 21 В...), включающий корпус с отверстиями для ввода и выпуска промывочной жидкости и шар, расположенный в возможностью ограниченного перемещения в полости корпуса.

Основным недостатком гидравлического вибратора является неуправляемое, хаотическое нанесение ударов дара практически во все стороны. Отсутствие возможности приложения динамических импульсов только вниз по вертикальной оси устройства не позволяет получить более высокую механическую скорость бурения.

Негативное влияние отмеченного недостатка в определенной мере снижено в устройстве для ударно-вращательного бурения скважин по патенту РФ №2005157 С1, 1993 (кл. Е 21 С 3/24), содержащем корпус, нижний переходник, объединенные в замкнутый контур верхним наконечником и наковальней, соединенной с корпусом с возможностью ограниченного осевого перемещения, направляющие трубки с отверстиями для впуска и выпуска очистного агента, расположенный с возможностью свободного перемещения в замкнутей контуре ударный шар, при этом каналы, выполненные в верхнем наконечнике и наковальне и объединяющие направляющие трубки в замкнутый контур, имеют одинаковое с полостью трубок поперечное сечение, причем канал в верхнем наконечнике представляет собой 1/2 часть тора с образующим радиусом R.

Однако и этому устройству присущи недостатки, снижающие эффективность его работы.

1. В связи с тем, что замкнутый кольцевой контур и в верхней и в нижней частях имеет одинаковые закругления с дугой сопряжения 180°, продольное воздействие шара на эти закругления при движении его под действием струи сжатого воздуха малоэффективно, причем энергия воздействия вверх и вниз приблизительно равна, тогда как для получения высокой механической скорости бурения нужны мощные осевые продольные удары о наковальню. В рассматриваемом устройстве, являющемся вибратором, но не шароударником, наблюдается практически лишь "возмущающая центробежная сила", которая не может обеспечить существенный прирост механической скорости бурения.

2. В связи с тем, что нижний переходник и наковальня не связаны жестко с породоразрушающим инструментом (ПРИ), снижается эффективность и без того слабых продольных ударных импульсов на ПРИ.

3. На привод шара в движение по замкнутому контуру используется только часть сжатого воздуха от компрессора, другая часть направляется непосредственно к забою скважины, что не только не способствует повышению скорости движения шара в замкнутом контуре, но и может послужить причиной его остановки в многофакторной реальной обстановке бурения скважины, особенно при использовании довольно сложной и недостаточно эффективной системы воздухораспределения, состоящей из множества каналов, полостей, сопел.

4. В связи с расположением впускных и выпускных каналов для сжатого воздуха на одних и тех же участках каналов скорость движения шара вверх и вниз и, соответственно, энергия его воздействия вверх и вниз мало отличаются, тогда как для получения прироста механической скорости бурения и повышения долговечности устройства нужно, чтобы воздействие (ударные импульсы) вниз - на наковальню и через нее к ПРИ - было максимальным, а вверх - минимальным.

5. В связи с тем, что дар в кольцевом канале располагается с большим зазором, затруднен запуск механизма в работу и резко снижается коэффициент полезного действия струи сжатого воздуха из-за обтекания вара подвижной воздушной средой.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности работы устройства для ударно-вращательного бурения скважин.

Поставленная цель достигается тем, что:

- наковальня, являющаяся нижней частью замкнутого контура, жестко соединена с нижним переходником и через него с породоразрушающим инструментом;

- весь объем очистного агента (вжатого воздуха от компрессора) циркулирует в замкнутом кольцевом контуре, причем отверстия для впуска и выпуска очистного агента размещены в разных каналах (направляющих трубках): впуск очистного агента производится во впускную направляющую трубку, по которой ударный шар при работе устройства перемещается вниз, а выпуск очистного агента производится через отверстия в выпускной направляющей трубке, по которой при работе ударный шар потоком очистного агента перемещается вверх;

- в наковальне канал выполнен в виде такого же тора, что и в верхнем наконечнике, но в нем под впускной направляющей трубкой вписан участок другого тора с образующим радиусом

где r_к - радиус канала,

таким образом, канал в наковальне состоит из нескольких участков: 1/4 тора с образующим радиусом R, который расположен под выпускной направляющей трубкой, 1/4 тора с образующим радиусом r, который расположен непосредственно под впускной направляющей трубкой, вертикальный участок, сопрягающий последний участок тора с полостью впускной направляющей трубки, и горизонтальный участок, сопрягающий оба тора между собой;

- диаметр полости замкнутого контура (d_к) превышает диаметр шара (d_ш) на небольшую величину δ (т.е. d_к=d_ш+δ), которая тем меньше, чем меньше вязкость прокачиваемого очистного агента;

- отверстия для выпуска очистного агента расположены на выпускной направляющей трубке тем выше, чем больше масса ударного шара и чем меньше вязкость очистного агента.

Благодаря тому, что наковальня жестко соединена с нижним переходником и через него с породоразрушающим инструментом, обеспечивается эффективная передача ударных импульсов породам забоя скважины.

Благодаря тому, что весь объем сжатого воздуха от компрессора направляется в замкнутый кольцевой контур, обеспечиваются высокие надежность запуска и работы механизма и максимально возможная скорость движения ударного шара, причем за счет размещения впускных отверстий во впускной направляющей трубке обеспечивается максимально возможная энергия удара шара о наковальню, а за счет размещения выпускных каналов в верхней части выпускной направляющей трубки удается снизить энергию удара шара вверх, что позволяет обойтись без компенсирующих устройств типа амортизаторов, отражателей и т.д.

Благодаря тому, что в торообразный канал в наковальне под впускной направляющей трубкой вписан участок другого тора с образующим радиусом (r), равным половине радиуса канала (r_к), ударный шар при своем движении вниз наносит удар вдоль оси устройства, при этом энергия удара целиком реализуется в полезную работу по разрушению забоя скважины рабочим инструментом, что обеспечивает существенное увеличение механической скорости бурения.

Благодаря тому, что диаметр полости замкнутого контура (d_к) больше диаметра шара (d_ш) на величину δ, обеспечивается, с одной стороны, возможность свободного перемещения ударного шара в замкнутом контуре, с другой стороны, уменьшение величины δ при уменьшении вязкости очистного агента позволяет исключить "зависание" ударного шара за счет обтекания его текучей средой, каковой является очистной агент.

Благодаря оптимальному размещению отверстий для выпуска очистного агента на выпускной направляющей трубке, а именно: тем выше, чем больше масса ударного шара и чем меньше вязкость очистного агента, ударный шар при своем движении к верхнему наконечнику в связи с выпускам из-под него очистного агента теряет кинетическую энергию и наносит по поверхности канала в верхнем наконечнике минимально возможный ударный импульс.

Благодаря осуществлению описанного комплекса технических решений решается задача существенного повышения эффективности работы устройства для ударно-вращательного бурения скважин - шароударника.

Предлагаемое устройство для ударно-вращательного бурения скважин представлено на фиг.1 и 2 (предельные разрезы во взаимно перпендикулярных плоскостях) и на фиг.3 (схематическое изображение канала для перемещения ударного шара в наковальне).

Устройство для ударно-вращательного бурения - шароударник включает в себя корпус, состоящий из верхнего переходника 1 и трубы 2, направляющие впускную (3) и выпускную (4) направляющие трубки, верхний наконечник 5, наковальню 6, ударный шар 7, нижний переходник 8, соединение для передачи крутящего момента 9 и герметизирующие элементы 10. Направляющие трубки 3 и 4 объединены в единый контур с помощью каналов в верхнем наконечнике 5 и в наковальне 6, имеющих такое же поперечное сечение, что и полости в направляющих трубках.

В одной из направляющих трубок (3) выполнено отверстие 11 для ввода очистного агента, в другой (4) выполнены отверстия 12 для выпуска очистного агента. Наковальня 6 с нижним переходником 8 и через него с буровым инструментом соединена жестко, а переходник 8 с трубой 2 корпуса - посредством специального соединения 9, позволяющего передавать рабочему инструменту крутящий момент при обеспечении возможности ограниченного осевого перемещения ударного устройства (детали 3-10) относительно корпуса (детали 1-2).

Диаметр канала (d_к) в направляющих трубках 3 и 4 и объединяющих их в замкнутый контур каналах в верхнем наконечнике и наковальне (фиг.3) превышает диаметр шара (d_ш) на величину δ (т.е. d_к=d_ш+δ), которая зависит в основном от вязкости прокачиваемого через устройство очистного агента. Канал в верхнем наконечнике 5 представляет собой 1/2 часть тора с образующим радиусом R (радиусом вращения), а в наковальне в таком же торе с образующим радиусом R, равным половине диаметра канала (d_к), под впускной направляющей трубкой вписан участок другого тора с образующим радиусом (радиусом вращения - r), равным половине радиуса канала (r_к), т.е.

Таким образом, канал 4 в наковальне состоит из нескольких участков (фиг.3):

А - 1/4 тора с образующим радиусом (радиусом вращения) R, который расположен под выпускной направляющей трубкой 4;

В - 1/4 тора с образующим радиусом (радиусом вращения) r, который равположен непосредственно под впускной направляющей трубкой 3;

С - горизонтальный участок, сопрягающий тор А с тором В;

Д - вертикальный участок, сопрягающий тор В с полостью впускной направляющей трубки 3.

Для привода устройства в работу очистной агент с поверхности по бурильным трубам (не показаны) через канал в верхнем переходнике 1 и далее через отверстие 11 подают во впускную направляющую трубку 3 (фиг.1 и 2). Под действием развиваемого струей очистного агента динамического напора ударный шар 7, находящийся в канале наковальни, перемещается в направляющую трубку 4 и вовлекается в движение по замкнутому контуру. При выходе ударного шара выше выпускных отверстий 12 за счет выпуска очистного агента из-под неге он теряет часть кинетической энергии, в результате чего снижается энергия удара шара о верхний наконечник. При движении шара вниз по впускной направляющей трубке 3 он вводимым через канал 11 потоком очистного агента разгоняется до максимальной скорости и наносит удары по наковальне в месте сопряжения участков В и С канала (на фиг.3 место приложения динамических усилий обозначено стрелкой Р). Удары наносятся вдоль оси устройства, в связи с чем энергия удара целиком реализуется в полезную работу по разрушению забоя скважины рабочим инструментом.

Очистной агент из выпускных отверстий попадает в зазор между направляющими трубками и трубой 2 и далее по каналу 13 направляется к забою скважины. Таким образом, очистной агент в полном объеме используется на привод шара в движение. Для предотвращения утечек очистного агента из устройства предусмотрена герметизация подвижных поверхностей герметизирующими элементами 10.

На всем протяжении замкнутого контура, в котором перемещается ударный шар, обеспечено одно и то же сечение канала. Величина диаметра канала (d_к) с целью свободного перемещения в нем ударного шара превышает диаметр последнего на величину δ. Во избежание "зависания" шара в выпускной направляющей трубке при обтекании его очистным агентом значение δ должно быть тем меньше, чем меньше вязкость очистного агента.

Место расположения выпускных отверстий 12 на выпускной направляющей трубке выбирается с учетом свойств очистного агента и массы ударного шара.

Критическим условием является такое значение скорости движения шара вверх в районе размещения выпускных отверстий, при котором шар при своем движении вверх может преодолеть линию отверстий и затем верхнюю мертвую точку, нанося при этом минимально возможный ударный импульс в поверхность канала в верхнем наконечнике. Следовательно, чем больше масса шара и чем меньше вязкость очистного агента, тем выше должны располагаться выпускные отверстия. Следует иметь в виду, что выбор места расположения и размеров отверстий должен производиться с учетом производительности и рабочего давления, применяемого для подачи очистного агента технического средства (насоса, компрессора и т.п.).

Проведенные испытания макета шароударника свидетельствуют о работоспособности устройства и о достижении поставленных целей.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для бурения скважин, оно может быть также использовано в строительстве и в металлообрабатывающей промышленности. Устройство содержит корпус, нижний переходник, объединенные в замкнутый контур верхним наконечником и наковальней, направляющие трубки с отверстиями для впуска и выпуска очистного агента, ударный шар. Канал в верхнем наконечнике представляет собой 1/2 часть тора с образующим радиусом R. Отверстия для впуска и выпуска очистного агента размещены на разных направляющих трубках: впуск очистного агента производится во впускную направляющую трубку, по которой ударный шар при работе устройства перемещается вниз, а выпуск очистного агента производится через отверстия в выпускной направляющей трубке, по которой при работе ударный шар потоком очистного агента перемещается вверх. В наковальне в таком же торе, что и в верхнем наконечнике, под впускной направляющей трубкой вписан участок другого тора с образующим радиусом, r = r_к/2, где r_к - радиус канала. Канал в наковальне состоит из нескольких участков: 1/4 тора с образующим радиусом R, который расположен под выпускной направляющей трубкой, 1/4 тора с образующим радиусом r, который расположен непосредственно под впускной направляющей трубкой, вертикальный участок, сопрягающий последний тор с полостью впускной направляющей трубки, и горизонтальный участок, сопрягающий оба тора между собой. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы устройства для ударно-вращательного бурения скважин. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для ударно-вращательного бурения скважин - шароударник, содержащее корпус, нижний переходник, объединенные в замкнутый контур верхним наконечником и наковальней, соединенной с корпусом с возможностью ограниченного осевого перемещения, направляющие трубки с отверстиями для впуска и выпуска очистного агента, расположенный с возможностью свободного перемещения в замкнутом контуре ударный шар, при этом каналы, выполненные в верхнем наконечнике и наковальне и объединяющие в замкнутый контур направляющие трубки, имеют одинаковое с полостью трубок поперечное сечение, причем канал в верхнем наконечнике представляет собой 1/2 часть тора с образующим радиусом R, отличающееся тем, что наковальня жестко соединена с нижним переходником, при этом отверстия для впуска и выпуска очистного агента размещены на разных направляющих трубках: впуск очистного агента производится во впускную направляющую трубку, по которой ударный шар при работе устройства перемещается вниз, а выпуск очистного агента производится через отверстия в выпускной направляющей трубке, по которой при работе ударный шар потоком очистного агента перемещается вверх, причем в наковальне в таком же торе, что и в верхнем наконечнике, под впускной направляющей трубкой вписан участок другого тора с образующим радиусом

,

где r_k - радиус канала,

таким образом, канал в наковальне состоит из нескольких участков: 1/4 тора с образующим радиусом R, который расположен под выпускной направляющей трубкой, 1/4 тора с образующим радиусом r, который расположен непосредственно под впускной направляющей трубкой, вертикальный участок, сопрягающий последний тор с полостью впускной направляющей трубки, и горизонтальный участок, сопрягающий оба тора между собой.