БУРИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2014 года по МПК E21B4/16 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Приоритет данной заявки заявляется по предварительной заявке на патент Австралии №2008904823, описание которой целиком включено в данный документ.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к бурильной установке. Более конкретно, данное изобретение относится к гидравлической бурильной установке с погружным ударным перфоратором (ПУП), предназначенной для бурения скважин в земной поверхности.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как правило, наиболее экономичный способ бурения скважин в прочных горных породах и через них обеспечивается установками ударного бурения. Эти установки разделяются на две категории - установки, в которых ударный механизм расположен снаружи скважины (установки с выносным ударным перфоратором), или установки, в которых ударный механизм расположен в скважине (установки с погружным ударным перфоратором (ПУП)). Установки с выносным перфоратором требуют использования колонны ударных буровых штанг для передачи усилия к поверхности горной породы. Передача ударных волн через последовательность штанг создает ограничения как по глубине скважины, и/или по точности бурения, особенно в скважинах большого размера, так и по обеспечению надежности. Бурение ПУП установками решает проблемы, связанные с установками с выносным перфоратором, путем создания ударных волн в забое скважины, где они воздействуют непосредственно на буровое долото, входящее в контакт с горной породой. Подобные ПУП установки, обычно приводимые в действие пневматическим способом, используют сжатый воздух для передачи энергии через погружные буровые штанги к ударному механизму, расположенному в забое. Подобные бурильные установки обычно обладают недостаточной мощностью и скоростью работы по сравнению с бурильными установками с выносными гидравлическими перфораторами, особенно при небольших размерах и/или небольших глубинах скважины. В попытке объединить преимущества установок с выносным перфоратором и установок с погружным перфоратором были разработаны ПУП установки, приводимые в действие водой. Однако эти установки не нашли широкого применения в силу их ненадежности и экономических ограничений, а также из-за использования несмазочной и потенциально коррозионной среды (т.е. воды) для передачи энергии к ударному механизму.

В Европейском патентном документе ЕР 0233038 и патенте США №5092411 описана концепция ПУП бурильной установки, приводимой в действие маслом. Обе предложенные установки используют гидравлическую подачу перфораторов с помощью наружных гидравлических шлангов, прикрепленных к сторонам соответствующих буровых штанг. Несмотря на то что использование приводимого в действии маслом перфоратора повышает эффективность использования энергии и надежность бурения, устройства, описанные в этих документах, обладают недостатком, который заключается в предрасположенности наружных шлангов к повреждению при работе перфоратора в забое скважины, что приводит к недостаточной надежности и снижению эффективности вследствие потери масла и увеличения эксплуатационных затрат. На эффективности эксплуатации также отрицательно сказывается сложность повторного присоединения гидравлических шлангов при добавлении и удалении буровых штанг.

Также потеря масла в известных бурильных установках, работающих на масле, тип которых описан в патенте США №5375670 и международной публикации WO 96086332, происходит во время присоединения и отсоединения штанг, подающих масло под давлением к перфоратору и получающих от него масло обратно, во время перемещения перфоратора в буровую скважину и из нее.

Еще одна потеря эффективности в известных гидравлических бурильных установках, тип которых описан в Японском патентном документе JP 06313391, может быть обусловлена уменьшением циклической скорости, создаваемой и/или уменьшаемой с помощью энергии удара, когда гидравлический аккумулятор, компенсирующий изменение требуемого потока во время цикла прямого и обратного хода поршня, расположен на удалении от перфоратора.

Другой недостаток известных гидравлических бурильных установок заключается в дорогостоящем производстве и восстановлении при повреждении, так как перфоратор является неразборной конструкцией.

Целью данного изобретения является устранение вышеизложенных проблем или, по меньшей мере, обеспечение полезного выбора.

Другие аспекты и преимущества данного изобретения будут очевидны из последующего описания, которое приводится только в качестве примера.

Все ссылочные материалы, приведенные в данном описании, в том числе любые патенты или заявки на патент, включены в данный документ посредством ссылки. Не предполагается, что любая ссылка является предшествующим уровнем техники. При обсуждении ссылочных материалов описано то, что их авторы утверждают, а заявители сохраняют право оспаривать точность и уместность процитированных документов. Следует ясно понимать, что, хотя в данном документе сделана ссылка на ряд публикаций предшествующего уровня техники, эта ссылка не является признанием того факта, что любой из этих документов составляет часть общих знаний в данной области в Австралии или любой другой стране.

Общепризнано, что термин «содержащий» может при различных юрисдикциях характеризоваться объединяющим или исключающим значением. В настоящем описании, и если не указано иное, термин «содержащий» будет иметь объединяющее значение - т.е. подразумевается содержание не только непосредственно перечисленных элементов, но и других не указанных компонентов или элементов. Это объяснение также относится к использованию терминов «включенный» или «включающий» в отношении одного или более этапов способа или процесса.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым аспектом данного изобретения предлагается бурильная установка, содержащая

гидравлический перфоратор, содержащий поршень, предназначенный для воздействия на буровое долото, маятниковый клапан для управления возвратно-поступательным движением поршня, аккумулятор для гидравлической жидкости и соединительный клапан перфоратора,

по меньшей мере одну буровую штангу, содержащую первый соединительный клапан, предназначенный для соединения буровой штанги с перфоратором, и второй соединительный клапан, предназначенный для соединения буровой штанги с первым соединительным клапаном подобной буровой штанги или с механизмом вращения,

причем поршень и маятниковый клапан расположены, по существу, в одну линию с осью перемещения перфоратора, аккумулятор расположен вблизи маятникового клапана, а соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан содержат по меньшей мере один тарельчатый клапан, расположенный вблизи соответствующего седла клапана.

Таким образом, соединительные клапаны выполнены с возможностью обеспечения удержания гидравлической жидкости в соответствующем элементе, когда он не используется.

В данном описании термин «маятниковый клапан» обозначает регулирующий клапан, сообщающийся с гидравлической жидкостью и используемый для управления исполнительным механизмом.

Предпочтительно буровое долото, поршень, маятниковый клапан, аккумулятор и соединительные клапаны соединены друг с другом, по существу, в одну линию.

Предпочтительнее буровое долото, поршень, маятниковый клапан, аккумулятор и соединительные клапаны являются модульными блоками, соединенными со смежным присоединенным элементом с помощью установочных отверстий и, если требуется угловое выравнивание, с помощью стопорных штифтов.

Предпочтительно соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан выполнены с возможностью индивидуальной замены.

Предпочтительно соединительный клапан перфоратора и второй соединительный клапан содержат внутреннее уплотнение и наружное уплотнение, причем указанные уплотнения выполнены с обеспечением минимизации потери гидравлической жидкости, соответственно, из напорного маслопровода и обратного маслопровода во время эксплуатации бурильной установки, а также во время присоединения и отсоединения каждой буровой штанги.

Предпочтительно соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан выполнены таким образом, что во время соединения осевое перемещение первого соединительного клапана на одной буровой штанге или на механизме вращения относительно второго соединительного клапана на другой буровой штанге или соединительного клапана перфоратора на перфораторе составляет не более 50% диаметра буровой штанги.

Предпочтительнее соединительный клапан перфоратора и второй соединительный клапан выполнены таким образом, что во время соединения осевое перемещение внутреннего уплотнения соединительного клапана и наружного уплотнения соединительного клапана по приемному элементу (элементам) первого соединительного клапана присоединенной буровой штанги или механизма вращения составляет не более 20% диаметра буровой штанги.

Предпочтительно буровая штанга также содержит напорный канал, предназначенный для подачи гидравлической жидкости под давлением из наружного резервуара к маятниковому клапану, обратный канал, предназначенный для подачи возвратной гидравлической жидкости от маятникового клапана обратно к наружному резервуару, и промывочный канал, предназначенный для подачи промывочной среды под давлением к буровому долоту.

Предпочтительно обратный канал является кольцевым каналом, расположенным вокруг напорного канала.

Предпочтительно промывочный канал является кольцевым каналом, расположенным вокруг обратного канала.

Предпочтительно напорный канал и обратный канал являются свободно плавающими независимо друг от друга внутри каждой буровой штанги.

Предпочтительно напорный канал и обратный канал внутри каждой буровой штанги выполнены с возможностью индивидуальной замены.

Предпочтительно соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан выполнены с обеспечением предотвращения обратного потока возвратной гидравлической жидкости.

Предпочтительно промывочная среда является воздухом.

Предпочтительно перфоратор также содержит наружный корпус, выполненный с возможностью двусторонней установки.

В соответствии со вторым аспектом данного изобретения предлагается способ сборки бурильной установки, включающий следующие этапы:

а) сборка гидравлического перфоратора из модульных блоков, которые содержат буровое долото, поршень, маятниковый клапан, предназначенный для управления возвратно-поступательным движением поршня, аккумулятор и соединительный клапан перфоратора, содержащий по меньшей мере одну тарелку, расположенную вблизи соответствующего седла клапана, и предназначенный для присоединения перфоратора к первому соединительному клапану буровой штанги;

b) присоединение одной или более буровой штанги (штанг) к перфоратору, причем каждая буровая штанга содержит

первый соединительный клапан, содержащий по меньшей мере одну тарелку, расположенную вблизи соответствующего седла клапана, и

второй соединительный клапан, содержащий по меньшей мере одну тарелку, расположенную вблизи соответствующего седла клапана, и предназначенный для присоединения буровой штанги к первому соединительному клапану подобной буровой штанги или к механизму вращения;

с) присоединение механизма вращения ко второму соединительному клапану последней присоединенной буровой штанги, причем указанный механизм вращения сообщает вращательное движение по меньшей мере одной буровой штанге и перфоратору.

Предпочтительно данный способ также включает этап

d) присоединения указанной установки к гидравлическому устройству подачи, выполненному с обеспечением перемещения установки прямолинейно вдоль ее оси.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные аспекты данного изобретения будут более очевидны из последующего описания, которое приведено только в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает разрез предпочтительного варианта выполнения бурильной установки по данному изобретению;

Фиг.2 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1;

Фиг.3 показывает разрез первого и второго соединительных клапанов буровой штанги для варианта выполнения, показанного на фиг.1;

Фиг.4 показывает разрез двух смежных буровых штанг для варианта выполнения, показанного на фиг.1, причем первый и второй соединительные клапаны соединены;

Фиг.5 показывает разрез механизма вращения для варианта выполнения, показанного на фиг.1;

Фиг.6 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1, иллюстрирующий канал прохождения гидравлической жидкости под давлением к маятниковому клапану;

Фиг.7 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1, иллюстрирующий канал прохождения возвратной гидравлической жидкости от маятникового клапана и других выпускных точек в перфораторе;

Фиг.8 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1, иллюстрирующий канал прохождения промывочной среды к буровому долоту;

Фиг.9 показывает разрез двух соединенных буровых штанг для варианта выполнения, показанного на фиг.4, и расположение внутренних уплотнений соединительного клапана, отделяющих напорный канал гидравлической жидкости от обратного канала гидравлической жидкости;

Фиг.10 показывает разрез двух соединенных буровых штанг для варианта выполнения, показанного на фиг.4, и расположение наружных уплотнений соединительного клапана, отделяющих обратный канал гидравлической жидкости от канала промывочной среды;

Фиг.11 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1, иллюстрирующий канал прохождения гидравлической жидкости под давлением между маятниковым клапаном к поршню во время движения поршня вверх;

Фиг.12 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1, иллюстрирующий канал прохождения гидравлической жидкости под давлением между маятниковым клапаном к поршню во время движения поршня вниз;

Фиг.13 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1, иллюстрирующий канал обратной подачи гидравлической жидкости от поршня к маятниковому клапану во время перемещения поршня вверх; и

Фиг.14 показывает разрез перфоратора для варианта выполнения, показанного на фиг.1, иллюстрирующий канал обратной подачи гидравлической жидкости от поршня к маятниковому клапану во время перемещения поршня вниз.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее приведено описание настоящего изобретения в отношении одного предпочтительного варианта выполнения, как показано на фиг.1-14.

Для ясности взаимная связь текучих сред между различными компонентами бурильной установки на чертежах показана избирательно.

Фиг.1 показывает разрез предпочтительного варианта выполнения бурильной установки, обозначенной стрелкой (1). Бурильная установка (1) является установкой, работающей на гидравлическом масле и предназначенной для бурения с погружным ударным перфоратором (ПУП). Данная установка содержит ряд соответствующих модульных компонентов, которые соединены друг с другом в одну линию. В этом способе установка (1) имеет конструкцию с малым профилем для обеспечения минимального диаметра перфоратора (2), что дает возможность удобной работы установки (1) в закрытых пространствах и позволяет бурить в земной поверхности скважины с широким диапазоном размеров.

Бурильная установка (1) содержит перфоратор (2), по меньшей мере одну буровую штангу (3, 4) и механизм (5) вращения. Специалистам в данной области техники следует понимать, что можно обойтись без буровых штанг (3, 4) в тех случаях, когда отсутствует необходимость в каком-либо расстоянии между механизмом (5) вращения и перфоратором (2). И наоборот, можно использовать любое количество штанг для увеличения длины установки (1), в соответствии с требованиями конкретного случая. Механизм (5) вращения выполнен с возможностью присоединения к двигателю и редуктору (не показан) для передачи вращательного движения к валу (5А) механизма (5), перфоратору (2) и буровым штангам (3, 4) известным способом. Бурильная установка (1) может непрерывно совершать вращение в обоих направлениях (т.е. по часовой стрелке и против часовой стрелки) с помощью двигателя и редуктора, как показано стрелкой А.

Фиг.2 показывает разрез ПУП перфоратора (2) бурильной установки (1). Перфоратор (2) содержит буровое долото (6), поршень (7) и корпус (7А) поршня, маятниковый клапан (8) и корпус (8А) маятникового клапана для смещения поршня (7) под действием давления гидравлической жидкости, аккумулятор (9) для гидравлической жидкости, например масла, и соединительный клапан (10) перфоратора. Все элементы перфоратора (2) можно соединить друг с другом в линию с помощью установочных отверстий, а при необходимости углового выравнивания и с помощью стопорных штифтов (11). Различные каналы внутри каждого компонента соединены с соответствующими каналами смежного компонента (компонентов) с помощью просверленных отверстий и уплотнений на границе компонентов. Все указанные компоненты размещены в наружном износостойком корпусе (1А). Модульная конструкция перфоратора (2) обеспечивает снижение расходов на техническое обслуживание за счет возможности замены отдельных компонентов, а не всего перфоратора (2) целиком.

Компоненты (7-9) в сборке удерживаются в износостойком корпусе (1А) с помощью резьбы, которая выполнена на каждом конце корпуса (1А) и в которую завинчены узел (6) бурового долота и соединительный клапан (10) перфоратора. Таким образом, внутренние компоненты (7-9) удерживаются в прочном контакте за счет силы, обусловленной противоположными резьбовыми соединениями на каждом конце перфоратора (2). Корпус (1А) может быть перевернут задом наперед с целью увеличения срока службы перфоратора (2) для предотвращения локализованного эрозионного повреждения корпуса (1А), обусловленного столкновением с обломками горной породы во время работы установки (1).

Буровое долото (6) под воздействием поршня (7) совершает возвратно-поступательное перемещение в максимальном диапазоне, составляющем приблизительно 20 мм. Головка (6А) бурового долота (6) содержит диски (6В), которые входят в контакт с горной породой и образуют режущую поверхность долота. Для создания скважин различных диаметров, в зависимости от различного применения и местности, могут известным способом использоваться буровые долота с различными длинами и диаметрами.

Фиг.3 показывает разрез первого и второго соединительных клапанов (17, 18), соответственно, буровых штанг (3, 4). Каждая буровая штанга (3, 4) имеет внутреннюю трубчатую конструкцию для обеспечения проточного соединения механизма (5) вращения с перфоратором (2) (через другую буровую штангу, если имеется последовательное соединение нескольких буровых штанг). Напорный маслопровод (14) переносит масло к маятниковому клапану (8) перфоратора (2). Обратный маслопровод (15) переносит масло обратно от маятникового клапана 8 к механизму (5) вращения. Канал (12) прохождения промывочной среды переносит промывочную среду, обычно в виде воздуха под давлением, к перфоратору (2). Специалистам в данной области техники следует понимать, что возможно использование других типов промывочной среды под давлением, без отклонения от объема настоящего изобретения, например воды или двуокиси углерода. Буровые штанги (3), (4) имеют различную длину не менее 1,8 м в зависимости от конкретного случая.

Каждая буровая штанга (3, 4) на первом и втором конце содержит первый (17) и второй (18) соединительные клапаны. Первый соединительный клапан (17) сдержит подпружиненный тарельчатый клапан (19) и седло (20) на конце напорного маслопровода (14), а также подпружиненные охватывающие тарельчатые клапаны (21) и седла (22) на конце обратного маслопровода (15). Подобным образом, соединительный клапан (18) сдержит подпружиненный тарельчатый клапан (23) и седло (24) на конце напорного маслопровода (14) и подпружиненное охватываемое кольцо (25) тарельчатого клапана и седло (26) у конца обратного маслопровода (15). Расположение тарельчатых клапанов (19, 21, 23 и 25) вблизи соответствующих седел (20, 22, 24 и 26) минимизирует потерю масла из буровых штанг при разъединении клапанов (17, 18) для установки новой буровой штанги для увеличения длины колонны буровых штанг в скважине или для демонтажа штанг (3, 4). Последующая экономия масла является весьма важной, так как указанная конструкция ограничивает потерю только масла, требуемого для смазки резьбы и уплотнений во время соединения и разъединения, значительно экономя затраты и снижая воздействие на окружающую среду до абсолютного минимума.

Фиг.4 показывает разрез двух смежных буровых штанг (3, 4), при этом первый соединительный клапан (17) штанги (4) присоединен ко второму соединительному клапану (18) штанги (3). Эти клапаны соединены путем взаимодействия наружной резьбы (не показана) на плече (4А) штанги (4) с внутренней резьбой на плече (3А) и вращения штанги (4) относительно штанги (3) до тех пор, пока наружные плечи (3А, 4А) двух штанг (3, 4) не войдут в прочный контакт. После соединения указанных плеч (3А, 4А) образуются три отдельных канала следующим образом - примыкание тарельчатого клапана (19) к тарельчатому клапану (23) заставляет эти клапана (19 и 23) отрываться от их седел (20 и 24 соответственно), тем самым обеспечивая соединение напорного маслопровода (14) штанги (3) с соответствующим напорным маслопроводом (14) штанги (4). Внутренние уплотнения (27) соединительных клапанов (которые лучше всего видны на фиг.9), расположенные в канавках, окружающих напорный маслопровод (14), препятствуют внутренней протечке масла радиально в смежный обратный маслопровод (15). Другой комплект наружных уплотнений (28) соединительного клапана (которые лучше всего видны на фиг.10), расположенных в канавках, окружающих обратный маслопровод (15), отделяет этот маслопровод (15) от канала (12) промывочной жидкости. Кольцевой тарельчатый клапан (25) и тарельчатые клапаны (21) поджимаются под небольшим воздействием пружины к их соответствующим седлам (26 и 22) в одном направлении, т.е. от штанги (4) к штанге (3). Возвратное масло, проходящее от штанги (3) к штанге (4), будет поднимать эти два тарельчатых клапана от соответствующих седел с минимальным ограничением потока, тем самым соединяя обратный маслопровод (15) штанги (3) с обратным маслопроводом (15) штанги (4), обеспечивая поток масла в одном (обратном) направлении. Каналы (12) прохождения промывочной среды обеих штанг (3, 4) соединены друг с другом вторым кольцевым каналом, образованным между обратным маслопроводом (15) и плечами (3А, 4А) каждой штанги (3, 4).

Специалисты должны понимать, что соединительный клапан (10) перфоратора и второй соединительный клапан (18) буровых штанг (3, 4) имеют одинаковую конструкцию, обеспечивающую простое техническое обслуживание бурильной установки (1) за счет сведения к минимуму количества различных компонентов.

Напорный маслопровод (14) и обратный маслопровод (15) являются «свободно плавающими» независимо друг от друга внутри каждой буровой штанги (3, 4), что обеспечивает возможность теплового расширения во время эксплуатации. Держатель (37) уплотнения и уплотнение (38) напорного маслопровода, прикрепленные к концам напорного маслопровода (14) (как показано на фиг.3), обеспечивают относительное перемещение напорного маслопровода (14) без потери масла под давлением. Подобным образом, держатель (39) уплотнения и уплотнение (40) обратного маслопровода, прикрепленные к концам обратного маслопровода (15) (как показано на фиг.3), обеспечивают относительное перемещение обратного маслопровода (15) без потери возвратного масла. Такая конструкция обеспечивает возможность дифференциального теплового расширения различных компонентов во время эксплуатации. Кроме того, напорный маслопровод (14) и обратный маслопровод (15), а также соединительные клапаны (17, 18) выполнены с возможностью независимой замены, что обеспечивает снижение эксплуатационных расходов благодаря замене отдельных компонентов, а не всей буровой штанги (3, 4) в целом.

Конструкция тарельчатых клапанов (19, 21, 23 и 25) позволяет выполнить гидравлические соединения между каналами (14, 15) соответствующих штанг (3, 4) с относительно небольшим интервалом взаимодействия по оси между штангами (3, 4) во время соединения. Указанный интервал взаимодействия обычно не превышает 50% наружного диаметра буровой штанги. В результате такого конструктивного решения уплотнения (27) (которые лучше всего видны на фиг.9) и уплотнения 28 (которые лучше всего видны на фиг.10) перемещаются на очень малое расстояние в осевом направлении по принимающим участкам первого соединительного клапана (17) во время соединения и отсоединения буровых штанг (3, 4). Указанный интервал взаимодействия уплотнений обычно не превышает 20% наружного диаметра буровой штанги. Такое конструктивное решение сводит к минимуму износ и истирание соединительных клапанов (17, 18) и уплотнений (27, 28) во время соединения и отсоединения элементов установки (1). Помимо этого, на уплотнительных поверхностях отсутствуют отверстия или другие нарушения непрерывности, следовательно, уплотнения (27, 28) во время соединения и отсоединения перемещаются только по гладким поверхностям соответствующей формы, что дополнительно повышает их надежность.

Фиг.5 показывает увеличенный разрез механизма (5) вращения. Вал (5А) соединен с двигателем и редуктором в направлении стрелки А, что обеспечивает передачу крутящего момента к валу (5А) и присоединенным буровым штангам (3, 4), а также перфоратору (2). Ряд из трех отверстий, расположенных на неподвижной части или корпусе (5В) механизма (5) вращения, обеспечивает подачу продувочного воздуха (отверстие 5С), масла под давлением (отверстие 5D) и прием возвратного масла (отверстие 5Е) от вала (5А), который находится в проточном соединении с соединенными буровыми штангами (3, 4) и перфоратором (2). Тарельчатый клапан (5F), аналогичный первому соединительному клапану (17) штанги (3) (описанному выше), препятствует потере гидравлического масла при отсоединении механизма (5) вращения от штанги (4).

В соответствии с фиг.6-8 соединительный клапан (10) перфоратора взаимодействует с тремя концентрическими каналами буровой штанги (3) (центральным - напорным маслопроводом (14), первым кольцевым каналом - обратным маслопроводом (15), вторым кольцевым каналом - каналом (12) для промывочной среды) и тремя параллельными каналами перфоратора (2). Фиг.6 иллюстрирует прохождение масла под давлением от центра соединительного клапана (10) перфоратора (от штанги (3) - не показана) к маятниковому клапану (8) через аккумулятор (9). Таким образом, изменения давления масла, подаваемого на маятниковый клапан (8) во время работы бурильной установки (1), сведены к минимуму для улучшения эффективности и скорости бурения. Поршень (7) размещен в корпусе (7А) и, в свою очередь, приводится в возвратно-поступательное движение маятниковым клапаном (8). Фиг.11 показывает напорный маслопровод (29), проходящий от маятникового клапана (8) к поршню (7) при перемещении поршня (7) вверх. Ход поршня вверх обеспечивается путем прохождения масла под давлением из отверстий (31А) в корпусе (8А) маятникового клапана в отверстия (31В) в корпусе (7А) поршня для воздействия на нижнюю часть поршня (7) известным способом. Фиг.12 показывает напорный маслопровод (30), проходящий от маятникового клапана (8) к поршню (7) при перемещении поршня (7) вниз. Как показано на фиг.12, ход поршня (7) вниз обеспечивается путем прохождения масла под давлением из отверстий (32А) в корпусе (8А) маятникового клапана в отверстия (32В) в корпусе (7А) поршня для воздействия на верхнюю часть поршня (7) известным способом. В соответствии с фиг.11 и 12 возвратно-поступательное перемещение поршня (7) осуществляется путем чередования положения маятникового клапана (8) между этими двумя режимами потоков известным способом. Как показано на фиг.13 и 14, изменение положения маятникового клапана (8) регулируется с помощью позиционирующих отверстий (35В, 36В) в корпусе (7А) поршня, которые при открытии за счет движения поршня (7) используют «обратную подачу» масла под давлением для перемещения маятникового клапана (8), с помощью отверстий 35А и 36А, между двумя положениями, соответствующими перемещению поршня (7) вниз, а затем вверх. Таким образом, движение поршня (7) регулируется при фиксированной длине хода поршня с помощью местоположения позиционирующих отверстий (35В и 36В, показаны на фиг.13 и 14). Фиг.13 и 14 показывают положение каналов (33, 34) обратной подачи от поршня (7) к маятниковому клапану (8) для обеспечения движения поршня (7), соответственно, вниз и вверх.

Фиг.7 показывает обратный маслопровод, проходящий от маятникового клапана (8) и других выпускных отверстий в перфораторе через соединительный клапан (10) перфоратора и обратно к обратному маслопроводу (15) буровой штанги (3). Тарельчатый клапан (16), аналогичный второму соединительному клапану (18) штанги (4), препятствует потере гидравлического масла при отсоединении перфоратора (2) от штанги (3) (не показана).

Фиг.8 показывает канал прохождения промывочной среды от канала (12) промывочной среды вниз к верхней части корпуса (7А) поршня. Промывочная среда затем проходит вниз через поршень (7) и буровое долото (6) через продольные каналы (13) в этих компонентах, выходит у торца долота для смывания обломков горной породы в области бурового долота (6).

Специалистам следует понимать, что можно использовать другие внутренние расположения каналов (12, 13, 14 и 15) без отклонения от объема данного изобретения.

В процессе эксплуатации монтаж бурильной установки (1) выполняют способом, включающим следующие этапы:

сборка гидравлического перфоратора (2), содержащего буровое долото (6), поршень (7), маятниковый клапан (8), предназначенный для управления возвратно-поступательным движением поршня (7), аккумулятор (9) и соединительный клапан (10) перфоратора;

присоединение по меньшей мере одной буровой штанги (3, 4) к соединительному клапану (10) перфоратора;

присоединение механизма (5) вращения к концу по меньшей мере одной буровой штанги (3, 4), дистальному по отношению к перфоратору (2);

присоединение источника гидравлической текучей среды, приемника гидравлической текучей среды и источника промывочной среды к механизму (5) вращения;

присоединение двигателя и редуктора к концу механизма (5) вращения, дистальному по отношению к перфоратору (2), причем указанный двигатель сообщает вращательное движение механизму (5) вращения, по меньшей мере одной буровой штанге (3, 4) и перфоратору (2); и

присоединение всей установки к устройству «подачи», обеспечивающему линейное перемещение установки вдоль ее оси. Указанное устройство подачи выполнено с возможностью передачи усилия подачи или отвода величиной не менее 20 кН.

При бурении долото (6 В, лучше всего видно на фиг.2) вводят в контакт с плоскостью забоя с помощью гидравлического устройства подачи, и подают гидравлическое давление 50-200 бар (в зависимости от местности) к отверстию (5D) механизма (5) вращения. Сразу после начала прохождения вглубь земной поверхности двигатель и редуктор (не показан) приводят во вращение всю установку со скоростью 50-150 об/мин (в зависимости от размера скважины и местности), при этом гидравлическое устройство подачи прикладывает усилие подачи в 2-20 кН (в зависимости от земной поверхности), которое продвигает установку в пробуриваемую скважину. По достижении предела продвижения бурение останавливают, сбрасывая давление в отверстии (5D). При необходимости дополнительного продвижения механизм (5) вращения можно отсоединить от второго соединительного клапана (18) последней буровой штанги и добавить дополнительную буровую штангу. Затем бурение продолжают, повторяя вышеуказанные этапы.

Пример 1

Установка (1) была испытана при бурении скважин диаметром 105 мм в твердой породе известняка при скорости проникновения свыше 1 м/мин. При этом была продемонстрирована надежность с минимальной потерей гидравлического масла.

Пример 2

Испытание на варианте прототипа установки (1) показало, что потеря масла обычно составляла менее 0,008 л на соединение/отсоединение.

Таким образом, предпочтительный вариант выполнения данного изобретения может обладать несколькими преимуществами по сравнению с предшествующим уровнем техники, к которым относятся

улучшенная эффективность использования топлива благодаря эффективной передаче энергии, рециркуляции масла с минимальной потерей масла, что обусловливает снижение эксплуатационных затрат и влияния на окружающую среду,

улучшенный механический кпд за счет меньшего времени реакции на изменение давления масла во время рабочего цикла, с обеспечением более быстрого бурения с прохождением в земную поверхность,

надежная защита масла от загрязнений обломками при бурении (обломками выбуренной породы),

надежная защита обломков от загрязнений маслом (является важной в областях применения, связанных с извлечением проб минералов) благодаря использованию концентрической конструкции трубопроводов с «однонаправленным» обратным маслопроводом,

улучшенная износостойкость соединительных клапанов и уплотнений и, соответственно, улучшенная надежность соединения и отсоединения компонентов бурильной установки,

улучшенная надежность за счет удлиненного срока службы и, соответственно, снижения эксплуатационных затрат, обусловленных модульной конструкцией и двусторонним использованием корпуса штанги, и

сравнительно низкая стоимость производства, обусловленная модульной конструкцией.

Аспекты данного изобретения изложены только в качестве примера, при этом следует понимать, что возможно внесение изменений и дополнений в него без отклонения от объема данного изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Группа изобретений относится к гидравлической бурильной установке с погружным ударным перфоратором, предназначенной для бурения скважин в земной поверхности, и способу ее сборки. Установка содержит гидравлический перфоратор, содержащий поршень, предназначенный для воздействия на буровое долото, маятниковый клапан, предназначенный для управления возвратно-поступательным движением поршня, аккумулятор для гидравлической жидкости и соединительный клапан перфоратора, по меньшей мере одну буровую штангу, содержащую первый соединительный клапан, предназначенный для соединения буровой штанги с перфоратором, и второй соединительный клапан, предназначенный для соединения буровой штанги с первым соединительным клапаном подобной буровой штанги или с механизмом вращения. Поршень и маятниковый клапан расположены, по существу, в одну линию с осью перемещения перфоратора, аккумулятор расположен вблизи маятникового клапана, а соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан содержат по меньшей мере один тарельчатый клапан, расположенный вблизи соответствующего седла клапана. Соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан выполнены с обеспечением предотвращения обратного потока возвратной гидравлической жидкости. Обеспечивается предотвращение потерь масла при вытекании возвратной гидравлической жидкости в скважину в случае повреждения оборудования. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 14 ил., 2 пр.

1. Бурильная установка, содержащая
гидравлический перфоратор, содержащий поршень, предназначенный для воздействия на буровое долото, маятниковый клапан, предназначенный для управления возвратно-поступательным движением поршня, аккумулятор для гидравлической жидкости и соединительный клапан перфоратора,
по меньшей мере одну буровую штангу, содержащую первый соединительный клапан, предназначенный для соединения буровой штанги с перфоратором, и второй соединительный клапан, предназначенный для соединения буровой штанги с первым соединительным клапаном подобной буровой штанги или с механизмом вращения,
причем поршень и маятниковый клапан расположены, по существу, в одну линию с осью перемещения перфоратора, аккумулятор расположен вблизи маятникового клапана, а соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан содержат по меньшей мере один тарельчатый клапан, расположенный вблизи соответствующего седла клапана,
причем соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан выполнены с обеспечением предотвращения обратного потока возвратной гидравлической жидкости.

2. Бурильная установка по п.1, в которой буровое долото, поршень, маятниковый клапан, аккумулятор и соединительные клапаны соединены друг с другом, по существу, в одну линию.

3. Бурильная установка по п.2, в которой буровое долото, поршень, маятниковый клапан, аккумулятор и соединительные клапаны являются модульными блоками, соединенными со смежным присоединенным элементом с помощью установочных отверстий и, если требуется угловое выравнивание, с помощью стопорных штифтов.

4. Бурильная установка по п.1, в которой соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан выполнены с возможностью индивидуальной замены.

5. Бурильная установка по п.1, в которой соединительный клапан перфоратора и второй соединительный клапан содержат внутреннее уплотнение и наружное уплотнение, причем указанные уплотнения выполнены с возможностью минимизации потери гидравлической жидкости, соответственно, из напорного маслопровода и обратного маслопровода во время эксплуатации бурильной установки, а также во время присоединения и отсоединения каждой буровой штанги.

6. Бурильная установка по п.1, в которой соединительный клапан перфоратора, первый соединительный клапан и второй соединительный клапан выполнены таким образом, что во время соединения осевое перемещение первого соединительного клапана на одной буровой штанге или на механизме вращения относительно второго соединительного клапана на другой буровой штанге или соединительного клапана перфоратора на перфораторе составляет не более 50% диаметра буровой штанги.

7. Бурильная установка по п.5, в которой соединительный клапан перфоратора и второй соединительный клапан выполнены таким образом, что во время соединения осевое перемещение внутреннего уплотнения соединительного клапана и наружного уплотнения соединительного клапана по приемному элементу (элементам) первого соединительного клапана присоединенной буровой штанги или механизма вращения составляет не более 20% диаметра буровой штанги.

8. Бурильная установка по п.1, в которой буровая штанга также содержит напорный канал, предназначенный для подачи гидравлической жидкости под давлением из наружного резервуара к маятниковому клапану, обратный канал, предназначенный для подачи возвратной гидравлической жидкости от маятникового клапана к наружному резервуару, и промывочный канал, предназначенный для подачи промывочной среды под давлением к буровому долоту.

9. Бурильная установка по п.8, в которой обратный канал является кольцевым каналом, расположенным вокруг напорного канала.

10. Бурильная установка по п.8, в которой промывочный канал является кольцевым каналом, расположенным вокруг обратного канала.

11. Бурильная установка по п.8, в которой напорный канал и обратный канал являются свободно плавающими независимо друг от друга внутри каждой буровой штанги.

12. Бурильная установка по п.8, в которой напорный канал и обратный канал внутри каждой буровой штанги выполнены с возможностью индивидуальной замены.

13. Бурильная установка по любому из пп.8-11, в которой промывочная среда является воздухом.

14. Бурильная установка по любому из пп.1-11, в которой перфоратор также содержит наружный корпус, выполненный с возможностью двусторонней установки.

15. Способ сборки бурильной установки, включающий
а) сборку гидравлического перфоратора из модульных блоков, которые содержат буровое долото, поршень, маятниковый клапан, предназначенный для управления возвратно-поступательным движением поршня, аккумулятор и соединительный клапан перфоратора, содержащий по меньшей мере одну тарелку, расположенную вблизи соответствующего седла клапана, и предназначенный для присоединения перфоратора к первому соединительному клапану буровой штанги;
b) присоединение одной или более буровой штанги (штанг) к перфоратору, причем каждая буровая штанга содержит первый соединительный клапан, содержащий по меньшей мере одну тарелку, расположенную вблизи соответствующего седла клапана, и второй соединительный клапан, содержащий по меньшей мере одну тарелку, расположенную вблизи соответствующего седла клапана, и предназначенный для присоединения буровой штанги к первому соединительному клапану подобной буровой штанги или к механизму вращения;
с) присоединение механизма вращения ко второму соединительному клапану последней присоединенной буровой штанги, причем указанный механизм вращения сообщает вращательное движение по меньшей мере одной буровой штанге и перфоратору.

16. Способ по п.15, в котором дополнительно
d) присоединяют указанную установку к гидравлическому устройству подачи, выполненному с обеспечением перемещения указанной установки линейно вдоль ее оси.