БУРИЛЬНАЯ МАШИНА ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН И СПОСОБ БУРЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ Российский патент 2021 года по МПК E21B4/14 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к бурильной машине для бурения скважин, содержащей ударное устройство, и, в особенности, к перемещению и направлению текучей среды внутри ударного устройства. Бурильная машина содержит ударный поршень возвратно-поступательного хода, который перемещается путем управления подачей текучей среды под давлением в рабочие камеры и выпуском текучей среды из рабочих камер, в которых расположены рабочие поверхности поршня. Поршень выполнен с возможностью выполнения удара по буровой головке, соединенной непосредственно с бурильной машиной.

Изобретение также относится к способу бурения горной породы.

Более подробно область изобретения описана в ограничительной части независимых пунктов формулы изобретения.

Скважины в горной породе могут быть пробурены с использованием различных бурильных машин. Бурение может осуществляться способом, сочетающим в себе ударное воздействие и вращение. Поэтому такое бурение называют ударно-вращательным бурением. Кроме того, ударно-вращательное бурение может быть классифицировано в зависимости от нахождения ударного устройства при бурении снаружи буровой скважины или в буровой скважине. Когда ударное устройство находится внутри буровой скважины, то бурение обычно называют погружным бурением (DTH). Поскольку ударное устройство находится в бурильной машине для бурения скважин, расположенной в буровой скважине, то ударное устройство должно быть компактным.

В известных бурильных машинах для бурения скважин ударные устройства имеют неудовлетворительную производительность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью данного изобретения является создание новой и усовершенствованной бурильной машины и способа бурения горной породы.

Бурильная машина, выполненная в соответствии с изобретением, характеризуется отличительными признаками независимого пункта формулы изобретения на устройство.

Способ, выполненный в соответствии с изобретением, характеризуется отличительными признаками независимого пункта формулы изобретения на способ.

Идея раскрытого решения состоит в том, что бурильная машина для бурения скважин содержит удлиненный корпус, внутри которого находится распределительная гильза. Внутри распределительной гильзы расположен поршень возвратно-поступательного хода ударного устройства бурильной машины, приводимый в действие текучей средой. Иными словами, корпус окружает распределительную гильзу, а распределительная гильза окружает поршень. На обеих торцевых сторонах поршня расположены рабочие камеры, а именно верхняя рабочая камера и нижняя рабочая камера, в которые подается текучая среда под давлением и из которых выпускается текучая среда в соответствии с рабочим циклом поршня. Подаваемые потоки в обе рабочие камеры и выпускаемые потоки из обеих рабочих камер перемещаются по каналам для текучей среды, расположенным между наружной поверхностью распределительной гильзы и внутренней поверхностью корпуса. Иными словами, подаваемые и выпускаемые потоки перемещаются по проточным путям, расположенным между поверхностями распределительной гильзы и корпуса. Каналы для текучей среды или проточные пути расположены снаружи поршня.

Преимущество раскрытого решения заключается в простоте конструкции и в небольшом количестве компонентов. Поэтому техническое обслуживание является простым, а производственные затраты могут быть низкими. Отсутствует необходимость в отдельных подвижных управляющих элементах, вместо этого, в управляющем элементе предусмотрены каналы для текучей среды и отверстия, при этом поршень управляет проходящими по ним потоками текучей среды.

Преимущество описанного перенаправления текучей среды, осуществляемого снаружи поршня, позволяет максимально увеличить рабочие поверхности поршня в верхней и нижней рабочих камерах. Увеличенный размер рабочих поверхностей при воздействии текучей среды под давлением означает получение более сильных ударных импульсов. Таким образом, эффективность ударного устройства может быть повышена без существенного увеличения внешних размеров самого ударного устройства.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что поршень удерживается только внутренними поверхностями распределительной гильзы и плотно прижимается к ним в радиальном направлении. Иными словами, опорные поверхности и уплотнения поршня находятся между поршнем и распределительной гильзой. Преимущество такого решения заключается в том, что опорные поверхности и уплотнения поршня проще сформировать на более мелких отдельных элементах, таких, как поршень и распределительная гильза, чем на корпусе или на другой более крупной части корпуса. Кроме того, поршень и распределительная гильза являются отдельными компонентами, что позволяет осуществлять их замену при износе.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность распределительной гильзы находятся в физическом контакте друг с другом. Иными словами, поверхности расположены в контакте друг с другом, за исключением мест, в которых расположены каналы для текучей среды.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что верхняя рабочая камера полностью расположена внутри верхнего конца распределительной гильзы.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что распределительная гильза является неподвижным управляющим элементом. Распределительная гильза во время рабочего цикла не перемещается в аксиальном направлении и не поворачивается. Таким образом, распределительная гильза может быть соединена с корпусом без возможности перемещения. Поршень перемещается относительно распределительной гильзы и обеспечивает открытие и закрытие каналов для текучей среды.

Идея одного варианта выполнения заключается в возможности регулирования аксиального положения распределительной гильзы относительно корпуса. Преимущество этого решения заключается в том, что согласование во времени подаваемых и выпускаемых потоков может быть обеспечено путем точного регулирования аксиального положения распределительной гильзы. Таким образом, в бурильной машине можно обеспечить, например, асимметричную циркуляцию текучей среды. Регулирование положения можно выполнить посредством отдельных регулирующих элементов, например, регулирующих винтов.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что корпус представляет собой цельный элемент, благодаря чему конструкция может быть надежной и простой.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что корпус представляет собой простую трубкообразную раму, без сложных высверливаний и механической обработки форм. Корпус может быть выполнен без поперечных сквозных отверстий, а внутренняя поверхность корпуса может быть гладкой.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что наружная поверхность распределительной гильзы имеет несколько каналов для текучей среды, или проточных путей. Каналы преимущественно направлены аксиально и проточно соединены с поперечными сквозными отверстиями. Поперечные отверстия обеспечивают поток текучей среды между наружной поверхностью и внутренней поверхностью распределительной гильзы. Учитывая относительно небольшие размеры распределительной гильзы, в ней несложно выполнить необходимые проточные пути в аксиальном и поперечном направлениях.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что распределительная гильза на своей наружной поверхности имеет несколько канавок. Канавки выполняют функцию аксиальных каналов для текучей среды. Иными словами, упомянутые каналы для текучей среды ограничены канавками и внутренней поверхностью корпуса. Канавки легко выполнить на наружной поверхности распределительной гильзы, например, с помощью фрезерного станка.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что на наружной периферии распределительной гильзы имеется несколько канавкообразных верхних приемных каналов для соединения верхней рабочей камеры с источником текучей среды. На наружной периферии может также иметься несколько канавкообразных нижних приемных каналов для соединения нижней рабочей камеры с источником текучей среды, а также несколько канавкообразных выпускных каналов для выпуска текучей среды из рабочих камер. Таким образом, распределительная гильза может содержать два или большее количество одинаковых каналов для текучей среды, равномерно распределенных по наружной периферии гильзы. Использование нескольких одинаковых каналов для текучей среды по периферии распределительной гильзы гарантирует, что они вместе могут перемещать необходимый поток текучей среды.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что каналы для текучей среды между корпусом и регулировочной гильзой выполнены на внутренней поверхности корпуса, а не на регулировочной гильзе, как в предыдущих вариантах выполнения. Таким образом, внутренняя поверхность корпуса может иметь несколько канавок, которые образуют аксиальные участки каналов для текучей среды. Наружная поверхность распределительной гильзы может в этом случае представлять собой гладкую поверхность без каких-либо канавок. Однако при этом распределительная гильза содержит сквозные отверстия, соединяющие внутреннее и наружное пространства. В этом варианте выполнения аксиальные участки каналов для текучей среды ограничены канавками и гладкой наружной поверхностью распределительной гильзы.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что каналы для текучей среды между корпусом и распределительной гильзой содержат аксиальные участки, образованные из совмещенных канавок распределительной гильзы и корпуса. Таким образом, наружная поверхность распределительной гильзы и внутренняя поверхность корпуса могут содержать половины канавок, совмещенных таким образом, что вместе они образуют необходимые каналы для текучей среды.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что поршень имеет сплошную наружную поверхность или стенку. Таким образом, поршень выполнен без поперечных сквозных отверстий. Когда поршень не имеет поперечных отверстий, конструкция может быть надежной и простой. Однако поршень может иметь, а может и не иметь, по меньшей мере одно аксиальное отверстие, проходящее в продольном направлении от одного конца поршня до другого конца поршня. В случае бурения с обратной циркуляцией поршень имеет центральное отверстие, через которое установлена центральная собирающая трубка. В данном решении поршень представляет собой гильзообразный элемент без поперечных отверстий.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что поршень выполнен сплошным без аксиальных или поперечных отверстий. Когда поршень не имеет ни аксиальных, ни центральных отверстий, и выполнен без поперечных отверстий и любых сквозных отверстий, то конструкция поршня является надежной и простой. Кроме того, сплошной поршень является простым в изготовлении.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что поршень имеет плоский верхний конец. Иными словами, верхний конец не содержит углублений или выступов.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что верхний конец поршня имеет углубление, выполняющее функцию части объема верхней рабочей камеры. При этом углубление выполнено глухим, то есть без отдельного канала для текучей среды.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что поршень имеет верхний конец, площадь которого соответствует площади поперечного сечения внутренней поверхности распределительной гильзы. Иными словами, внутренний диаметр распределительной гильзы определяет максимальную рабочую площадь поверхности поршня, действующую в направлении удара.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что верхний конец поршня содержит суммарную первую рабочую площадь поверхности, обращенной к верхней рабочей камере, а нижний конец поршня содержит суммарную вторую рабочую площадь поверхности, обращенной к нижней рабочей камере. Первая и вторая рабочие площади поверхности имеют одинаковые размеры. Однако в альтернативном решении размеры рабочих площадей поверхности отличаются, обеспечивая правильный запуск рабочего цикла поршня после его остановки.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что буровая головка имеет центральное углубление, имеющее первый открытый конец, обращенный к поршню, и второй закрытый конец, обращенный от поршня. Углубление буровой головки выполнено с возможностью формирования дополнительного пространства для текучей среды и представляет собой часть нижней рабочей камеры. Иными словами, часть объема нижней рабочей камеры расположена внутри буровой головки. Когда нижняя рабочая камера частично находится внутри распределительной гильзы и частично внутри буровой головки, объем нижней рабочей камеры может быть увеличен, без увеличения внешних размеров бурильной машины.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что буровая головка имеет углубление, которое служит дополнительным пространством для нижней рабочей камеры. Дополнительное пространство для текучей среды выполнено так, что находящаяся в нем текучая среда может выпускаться через открытый первый конец углубления к боковым сторонам буровой головки и далее через отдельные промывочные каналы, соединяющие боковые стороны и переднюю поверхность буровой головки. Таким образом, выпускаемая текучая среда может быть направлена к передней поверхности буровой головки посредством промывочных каналов буровой головки.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что буровая головка имеет углубление, которое служит дополнительным пространством для нижней рабочей камеры. Дополнительное пространство для текучей среды может содержать один или несколько поперечных выпускных каналов, расположенных вблизи закрытого конца углубления и проходящих к боковой стороне буровой головки.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что ударное устройство имеет кольцевую центральную приемную камеру. Приемная камера расположена между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью распределительной гильзы. Центральная приемная камера находится в постоянном проточном соединении с впускным отверстием во время рабочего цикла ударного устройства. Таким образом, в центральной приемной камере преобладает давление подачи текучей среды, при этом поршень выполнен с возможностью управления подачей текучей среды из приемной камеры в верхнюю рабочую камеру и нижнюю рабочую камеру. Поршень, перемещающийся во время рабочего цикла, открывает и закрывает поперечные отверстия распределительной гильзы.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что ударное устройство содержит кольцевую центральную приемную камеру, ограниченную средней частью поршня и внутренней поверхностью распределительной гильзы. Средняя часть поршня имеет полость, диаметр которой меньше диаметров торцевых частей поршня. Иными словами, поршень содержит центральную утоненную часть, имеющую меньший диаметр и ограничивающую кольцевую приемную камеру.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что ударное устройство содержит кольцевую центральную приемную камеру между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью распределительной гильзы. Кроме того, между распределительной гильзой и внутренней поверхностью корпуса имеется по меньшей мере один аксиальный верхний приемный канал, проходящий от центральной приемной камеры к верхней рабочей камере. Соответственно, между распределительной гильзой и внутренней поверхностью корпуса имеется по меньшей мере один аксиальный нижний приемный канал, проходящий от центральной приемной камеры к нижней рабочей камере. Аксиальные верхняя и нижняя приемные камеры обеспечивают возможность протекания подаваемых потоков из центральной приемной камеры в рабочие камеры. В обе рабочие камеры текучая среды подается через центральную приемную камеру.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что ударное устройство содержит кольцевую центральную приемную камеру между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью распределительной гильзы. Кроме того, между распределительной гильзой и внутренней поверхностью корпуса имеется по меньшей мере один основной приемный канал, проходящий от верхнего конца распределительной гильзы до центральной приемной камеры. Основные приемные каналы могут содержать канавки на наружной поверхности распределительной гильзы. Посредством основного приемного канала приемный поток может перемещаться из впускного отверстия в центральную приемную камеру, откуда текучая среда может далее перемещаться в рабочие камеры. Посредством основного приемного канала центральная приемная камера находится в постоянном проточном соединении во время рабочего цикла.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что текучая среды из верхней рабочей камеры и из нижней рабочей камеры ударного устройства выпускается через один или несколько совместных аксиальных выпускных каналов. При этом совместный выпускной канал расположен между распределительной гильзой и внутренней поверхностью корпуса. Совместный аксиальный выпускной канал имеет соединение по меньшей мере с одним первым поперечным отверстием в верхней рабочей камере и по меньшей мере с одним вторым поперечным отверстием в нижней рабочей камере. Поршень выполнен с возможностью поочередного открытия и закрытия выпускных отверстий верхней и нижней рабочих камер при своем перемещении. Совместный аксиальный выпускной канал может доходить до буровой головки, которая может иметь по меньшей мере одну выпускную канавку на своей наружной поверхности.

Альтернативное решение для предыдущего варианта выполнения состоит в том, что как верхняя рабочая камера, так и нижняя рабочая камера имеет свой собственный выпускной канал.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что в бурильной машине используется принцип обратной циркуляции, при котором буровой шлам перемещается от передней поверхности буровой головки по внутренней трубе, расположенной внутри центрального отверстия поршня. Таким образом, поршень в данном решении представляет собой гильзообразный элемент без поперечных сквозных отверстий. Внутренняя труба проходит от буровой головки до верхней торцевой части бурильной машины. Текучая среда из обеих рабочих камер может выпускаться через по меньшей мере один поперечный выпускной канал к боковой стороне буровой головки и далее через по меньшей мере один выпускной канал к передней поверхности буровой головки. Буровая головка имеет центральное отверстие, проходящее от одного конца до другого конца буровой головки. Внутренняя труба проточно соединена с верхним концом центрального отверстия буровой головки, обеспечивая, тем самым, перемещение бурового шлама от передней поверхности буровой головки по внутренней трубе и наружу из бурильной машины. В этом решении размеры верхней и нижней рабочих площадей поверхности поршня ограничены как внутренним диаметром распределительной гильзы в рабочих камерах, так и наружным диаметром внутренней трубы.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что бурильная машина представляет собой пневматически управляемое устройство, а текучая среда представляет собой сжатый газ, например, сжатый воздух.

Идея одного варианта выполнения заключается в том, что бурильная машина представляет собой гидравлическое устройство. Устройство может работать с использованием, например, воды под давлением.

Вышеописанные варианты выполнения и их особенности могут быть объединены.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Некоторые варианты выполнения будут объяснены более подробно на прилагаемых чертежах, на которых

Фиг. 1 схематически изображает бурильную установку, имеющую бурильную машину для бурения скважин (DTH),

Фиг. 2 схематически изображает бурильную машину для бурения скважин, расположенную на дне буровой скважины,

Фиг. 3а и 3b схематически изображают два разных вида в разрезе бурильной машины для бурения скважин,

Фиг. 4а и 4b схематически изображают два разных вида в частичном разрезе бурильной машины для бурения скважин и иллюстрируют согласование во времени подачи текучей среды в нижнюю рабочую камеру.

Фиг. 5а и 5b схематически изображают два разных вида в частичном разрезе бурильной машины для бурения скважин и иллюстрируют согласование во времени выпуска текучей среды из верхней рабочей камеры.

Фиг. 6а и 6b схематически изображают два разных вида в частичном разрезе бурильной машины для бурения скважин и иллюстрируют согласование во времени выпуска текучей среды из нижней рабочей камеры,

Фиг. 7а и 7b схематически изображают два разных вида в частичном разрезе бурильной машины для бурения скважин и иллюстрируют согласование во времени подачи текучей среды в верхнюю рабочую камеру,

Фиг. 8 схематически изображает вид сбоку сплошного поршня бурильной машины для бурения скважин, а Фиг. 9 изображает его вид в разрезе,

Фиг. 10 схематически изображает распределительную гильзу бурильной машины для бурения скважин,

Фиг. 11 и 12 схематически в разрезе изображают принципы двух альтернативных способов формирования каналов для текучей среды между корпусом и распределительной гильзой,

Фиг. 13 схематически в разрезе изображает часть бурильной машины для бурения скважин, использующей принцип бурения с обратной циркуляцией, и

Фиг. 14 и 15 схематически в разрезе изображают два альтернативных решения для размещения отдельных уплотнительных элементов между поршнем и внутренней поверхностью распределительной гильзы.

Некоторые варианты выполнения на чертежах для ясности показаны упрощенными. Одинаковые номера позиций на чертежах относятся к одинаковым элементам.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 изображает бурильную установку 1, содержащую подвижную опору 2 с буровым манипулятором 3. Манипулятор 3 имеет буровой агрегат 4, содержащий направляющую 5, приводное устройство 6 и вращатель 7. Вращатель 7 может содержать зубчатую передачу и один или несколько вращающихся двигателей. Вращатель 7 может быть установлен на каретке 8, вместе с которой он с возможностью перемещения установлен на направляющей 5. Вращатель 7 может иметь буровое оборудование 9, которое может содержать одну или несколько бурильных труб 10, соединенных друг с другом, и бурильную машину 11 для бурения скважин, расположенную на наиболее удаленном конце бурового оборудования 9. При бурении бурильная машина 11 расположена в пробуриваемой скважине 12.

На Фиг. 2 показано, что бурильная машина 11 содержит ударное устройство 13. Ударное устройство 13 расположено на противоположном конце бурового оборудования 9 относительно вращателя 7. При бурении буровая головка 14 соединена непосредственно с ударным устройством 13, в результате чего ударные воздействия Р, генерируемые ударным устройством 13, передаются на буровую головку 14. Буровое оборудование 9 вращается вокруг своей продольной оси в направлении R с помощью вращателя 7, показанного на Фиг. 1, и, одновременно, вращатель 7 и соединенное с ним буровое оборудование 9 приводятся в действие приводной силой F в направлении А бурения посредством приводного устройства 6. При этом буровая головка 14 разрушает породу за счет эффекта вращения R, приводной силы F и ударного воздействия Р. Текучая среда под давлением подается от источника PS давления к бурильной машине 11 по бурильным трубам 10. Текучая среда под давлением может представлять собой сжатый воздух, а источник PS давления может представлять собой компрессор. Текучая среда под давлением направляется для воздействия на рабочие поверхности ударного поршня бурильной машины, что приводит к совершению поршнем возвратно-поступательного перемещения и к ударам по ударной поверхности буровой головки. После использования в рабочем цикле бурильной машины 11 обеспечивается выпуск сжатого воздуха из бурильной машины 11 и, тем самым, обеспечивается продувка буровой головки 14. Кроме того, выпускаемый воздух продвигает выбуренную горную породу из буровой скважины в кольцевое пространство между буровой скважиной и буровым оборудованием 9. В качестве альтернативы, буровой шлам удаляется из забоя внутри центральной внутренней трубы, проходящей через ударное устройство. Этот способ называется бурением с обратной циркуляцией.

На Фиг. 2 стрелкой ТЕ показан верхний край или верхний конец бурильной машины 11, а стрелкой BE показан нижний край или нижний конец бурильной машины.

На Фиг. 3а и 3b показана бурильная машина 11 и ее ударное устройство 13. В различных точках на Фиг. 3а и 3b изображены разрезы для показа отверстий и каналов для текучей среды, расположенных по всей внутренней конструкции. Бурильная машина 11 содержит удлиненный корпус 15, который может представлять собой достаточно простую гильзообразную раму. На верхнем конце ТЕ корпуса 15 установлен соединительный элемент 16, с помощью которого бурильная машина 11 может быть соединена с бурильной трубой. Соединительный элемент 16 может содержать резьбовые соединительные поверхности 17. Впускное отверстие 18 соединено с соединительным элементом 16 для подачи текучей среды под давлением в ударное устройство 13. Впускное отверстие 18 может содержать клапанные средства 18а, которые обеспечивают подачу текучей среды к ударному устройству, но при этом препятствуют перемещению потока в противоположном направлении. Ударное устройство 13 содержит поршень 19, установленный с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения во время рабочего цикла. На нижнем конце BE поршня имеется ударная поверхность ISA, выполнения с возможностью совершения удара по ударной поверхности ISB на верхнем конце буровой головки 14. Как можно видеть, поршень 19 представляет собой сплошной элемент без сквозных каналов или отверстий в аксиальном и поперечном направлениях. Между корпусом 15 и поршнем 19 расположена распределительная гильза 20, которая во время рабочего цикла не перемещается. Со стороны верхнего конца ТЕ поршня 19 расположена верхняя рабочая камера 21, а со стороны противоположного конца расположена нижняя рабочая камера 22. Перемещение поршня 19 обеспечивает возможность открытия и закрытия каналов для текучей среды для подачи текучей среды в рабочие камеры 21, 22 и ее выпуска из рабочих камер 21, 22 и, тем самым, приводит к перемещению поршня 19 в направлении А удара и в обратном направлении В. На Фиг. 3а, 3b поршень 19 находится в точке выполнения удара, в которой ударная поверхность ISA ударяет в буровую головку 14. Перенаправление текучей среды осуществляется между внутренней поверхностью корпуса 15 и наружной поверхностью распределительной гильзы 20. На наружной периферии распределительной гильзы 20 может быть расположено несколько канавок, выполняющих функцию каналов для текучей среды. Поперечные отверстия могут соединять канавки с рабочими камерами, впускным отверстием и выпускными каналами.

Поскольку поршень 19 находится внутри распределительной гильзы 20, внутренний диаметр распределительной гильзы определяет максимальный наружный диаметр верхней рабочей поверхности 23 и нижней рабочей поверхности 24. Верхняя рабочая камера 21 находится внутри распределительной гильзы 20, тогда как нижняя рабочая камера 22 частично ограничена центральным углублением 25 буровой головки 14.

В центральной части поршня 19 имеется утонченная часть 26 меньшего диаметра, так что между утонченной частью и распределительной гильзой 20 имеется кольцевая центральная приемная камера 27. Приемная камера 27 находится в постоянном проточном соединении с впускным отверстием 18 посредством одного или более основных приемных каналов 28. Основной приемный канал 28 соединен с впускным отверстием 18 через поперечное отверстие 41, а с центральной приемной камерой 27 - через поперечное отверстие 42. Подача текучей среды в верхнюю рабочую камеру 21 и в нижнюю рабочую камеру 22 осуществляется путем перемещения текучей среды из центральной приемной камеры 27 по одному или нескольким верхним приемным каналам 29 и нижним приемным каналам 30. Кроме того, текучая среды из рабочих камер 21, 22 может быть выпущена через один или несколько выпускных каналов 31, которые могут быть общими для обеих рабочих камер 21, 22. Приемные каналы 28, 29, 30 и совместный выпускной канал 31, а также их поперечные отверстия лучше всего видны на Фиг. 10, на котором показана распределительная гильза 20.

На Фиг. 3а, 3b поршень 19 изображен с поперечными отверстиями 32 открытыми в совместные выпускные каналы 31, в результате чего текучая среда из верхней рабочей камеры 21 выпускается через выпускные каналы 33а, 33b к передней поверхности буровой головки 14. Поперечные отверстия 34 между совместными выпускными каналами 31 и нижней рабочей камерой 22 закрыты поршнем 19. На Фиг. 3а поршень 19 изображен с открытыми поперечными отверстиями 35, в результате чего текучая среда подается из центральной приемной камеры 27 по нижним приемным каналам 30 и поперечным отверстиям 36 в нижнюю рабочую камеру 22. Когда осуществляется выпуск текучей среды из верхней рабочей камеры 21 и текучая среда под давлением подается в нижнюю рабочую камеру 22, поршень 19 начинает перемещение в обратном направлении В.

На Фиг. 3b также показано, что в нижней части углубления 25 буровой головки 14 может иметься поперечное выпускное отверстие 37, обеспечивающее, для промывки пробуренной скважины, выпуск текучей среды на боковую сторону буровой головки при перемещении буровой головки 14 в направлении А удара относительно корпуса 15.

На Фиг. 4а и 4b показан случай, при котором поршень 19 перемещается в направлении А удара, при этом край 38 поршня 19 изображен открывающим поперечное отверстие 35 нижнего приемного канала 30. Затем нижняя рабочая камера 22 соединяется с впускным отверстием 18 через основной приемный канал 28, центральную приемную камеру 27 и нижний приемный канал 30.

На Фиг. 4b также показано, что торцевые части поршня 19 на противоположных сторонах центральной приемной камеры 27 имеют разные диаметры D1, D2, что обеспечивает перемещение поршня 19 после остановки, когда в центральной приемной камере на поверхности давления, имеющие разные размеры, действует давление подачи.

На Фиг. 5а и 5b показано, что поршень 19 перемещается из верхнего положения хода в направлении А удара, при этом край 39 изображен открывающим поперечное отверстие 32 в выпускной канал 31 для выпуска текучей среды из верхней рабочей камеры 21. Край 40 поршня 19 уже закрыл поперечное отверстие 34 между нижней рабочей камерой 22 и выпускным каналом 31.

На Фиг. 6а и 6b показано, что поршень 19 перемещается в обратном направлении В, так как текучая среда под давлением расширяется в закрытой нижней рабочей камере 22. При перемещении поршня 19 в обратном направлении В край 40 поршня открывает поперечное отверстие 35 и соединяет нижнюю рабочую камеру 22 с выпускным каналом 31. Кроме того, край 39 закрыл соединение верхней рабочей камеры 21 с выпускным каналом 31, в результате чего верхняя рабочая камера 21 подготовлена для приема текучей среды.

На Фиг. 7а и 7b показано, что поперечное приемное отверстие 44 открывается краем 45 поршня 19. При этом текучая среда перемещается по верхнему приемному каналу 29 и поперечному отверстию 43 в верхнюю рабочую камеру 21. Выпускное отверстие 34 между нижней рабочей камерой 22 и выпускным каналом 31 открылось.

На Фиг. 8 и 9 показан поршень 19, который может представлять собой сплошной элемент без поперечных или аксиальных отверстий. Как уже упоминалось выше, поршень 19 содержит центральную утонченную часть 26, диаметр D3 которой меньше диаметров D1, D2 на торцевых частях. Поскольку возвратно-поступательное перемещение поршня 19 обеспечивает возможность управления рабочим циклом ударного устройства, поршень 19 имеет края 38, 39, 40 и 45 или управляющие поверхности для открытия и закрытия поперечных отверстий проточных каналов, как описано выше.

На Фиг. 10 изображена распределительная гильза 20, имеющая внутреннюю поверхность IS и наружную поверхность OS. Поршень поддерживается и плотно прижимается к внутренней поверхности IS, при этом наружная поверхность OS соприкасается с внутренней поверхностью корпуса. На наружной поверхности OS имеется несколько канавок G и поперечных отверстий, соединяющих канавки G со стороной внутренней поверхности распределительной гильзы 20. Распределительная гильза 20 содержит один или несколько основных приемных каналов 28 с отверстиями 41 и 42, один или несколько верхних приемных каналов 29 с отверстиями 43 и 44, один или несколько нижних приемных каналов 30 с отверстиями 35 и 36, а также один или несколько выпускных каналов 31 с отверстиями 32, 34 и 46.

При этом вместо совместных выпускных каналов рабочие камеры могут иметь свои собственные выпускные каналы.

На Фиг. 11 изображено решение, в котором корпус 15 имеет канавки G, при этом распределительная гильза 20 имеет гладкую наружную поверхность и отверстия ОР в местах расположения канавок G. На Фиг. 12 показано, что корпус 15 и распределительная гильза 20 имеют половины канавок G1, G2, которые вместе образуют необходимый канал FP для текучей среды.

На Фиг. 13 показана часть бурильной машины 11, которая отличается от раскрытых выше решений тем, что поршень 19 представляет собой гильзообразный элемент, через который проходит внутренняя труба 47. Тем самым, поршень 19 имеет центральное отверстие 48. Внутренняя труба 47 проходит от буровой головки 14 до верхнего конца ТЕ бурильной машины 11. Во внутренней трубе 47 имеется канал 49 для перемещения бурового шлама из пробуренной скважины. Основной принцип работы по существу аналогичен описанному выше. При этом перенаправление текучей среды осуществляется между распределительной гильзой 20 и корпусом 15.

На Фиг. 14 изображен поршень 19, соответствующий поршню 19 на Фиг. 8, за исключением того, что поршень на Фиг. 14 имеет уплотнения S. При этом обе торцевые части с большими диаметрами D1 и D2 могут содержать два уплотнения S, расположенные в канавках под уплотнения, выполненных на их наружной периферии. В аксиальном направлении уплотнения S могут быть расположены вблизи управляющих краев 38, 39, 40 и 45, выполненных с возможностью открытия и закрытия каналов для текучей среды во время работы. Посредством уплотнений S можно снизить утечки текучей среды, а также можно повысить эффективность ударного устройства. При этом уплотнения S поршня 19 можно заменить на уплотнения S на внутренних поверхностях IS распределительной гильзы 20, как показано на Фиг. 15. Для размещения уплотнений канавки SG под уплотнения могут быть выполнены на внутренних поверхностях IS. Уплотнения S расположены аксиально в выбранных положениях между отверстиями, проходящими через распределительную гильзу. В других случаях работа и конструкция распределительной гильзы 20 могут соответствовать тому, что было описано выше.

Чертежи и соответствующее описание предназначены лишь для понимания идеи изобретения. В деталях изобретение может быть изменено в пределах объема формулы изобретения.

Бурильная машина для бурения скважин содержит удлиненный корпус, имеющий верхний конец и нижний конец, поршень, приводимый в действие текучей средой и расположенный с возможностью перемещения внутри корпуса, верхнюю рабочую камеру на верхней стороне поршня, нижнюю рабочую камеру на нижней стороне поршня, каналы для текучей среды и управляющие элементы для управления подачей текучей среды под давлением в рабочие камеры и выпуска этой текучей среды из рабочих камер для создания возвратно-поступательного перемещения поршня, впускное отверстие на верхнем конце для подачи текучей среды под давлением, распределительную гильзу внутри корпуса, имеющую внутреннюю поверхность и наружную поверхность, причем поршень расположен внутри распределительной гильзы, и буровую головку, выполненную с возможностью соединения с нижним концом корпуса и имеющую ударную поверхность, обращенную к поршню, для принятия ударов поршня. Между наружной поверхностью распределительной гильзы и внутренней поверхностью корпуса, окружающего распределительную гильзу, выполнен один или более основных приемных каналов, один или более верхних приемных каналов, один или более нижних приемных каналов и один или более выпускных каналов, в результате чего подаваемые потоки в обе рабочие камеры и выпускаемые потоки из обеих рабочих камер пропускаются между поверхностями распределительной гильзы и корпуса. Обеспечивается повышение эффективности устройства, путем увеличения рабочей поверхности поршня в верхней и нижней рабочих камерах, что при воздействии текучей среды под давлением позволяет получить более сильные ударные импульсы без существенного увеличения внешних размеров самого ударного устройства. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Бурильная машина (11) для бурения скважин, содержащая:

удлиненный корпус (15), имеющий верхний конец (ТЕ) и нижний конец (ВЕ),

поршень (19), приводимый в действие текучей средой и расположенный с возможностью перемещения внутри корпуса (15),

верхнюю рабочую камеру (21) на верхней стороне поршня (19),

нижнюю рабочую камеру (22) на нижней стороне поршня (19),

каналы для текучей среды и управляющие элементы для управления подачей текучей среды под давлением в рабочие камеры (21, 22) и выпуска этой текучей среды из рабочих камер (21, 22) для создания возвратно-поступательного перемещения поршня (19),

впускное отверстие (18) на верхнем конце (TE) для подачи текучей среды под давлением,

распределительную гильзу (20) внутри корпуса (15), имеющую внутреннюю поверхность (IS) и наружную поверхность (OS), причем поршень (19) расположен внутри распределительной гильзы (20), и

буровую головку (14), выполненную с возможностью соединения с нижним концом (BE) корпуса (15) и имеющую ударную поверхность (ISB), обращенную к поршню (19), для принятия ударов поршня (19),

отличающаяся тем, что

между наружной поверхностью распределительной гильзы (20) и внутренней поверхностью корпуса (15), окружающего распределительную гильзу (20), выполнен один или более основных приемных каналов (28), один или более верхних приемных каналов (29), один или более нижних приемных каналов (30) и один или более выпускных каналов (31), в результате чего подаваемые потоки в обе рабочие камеры (21, 22) и выпускаемые потоки из обеих рабочих камер (21, 22) пропускаются между поверхностями распределительной гильзы (20) и корпуса (15).

2. Бурильная машина по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность (OS) распределительной гильзы (20) имеет несколько аксиально направленных каналов (28, 29, 30, 31) для текучей среды и по меньшей мере одно радиальное сквозное отверстие (32, 34, 35, 36, 41, 42, 43, 44, 46), выполненное в каждом из аксиально направленных каналов для текучей среды и обеспечивающее возможность протекания текучей среды между наружной поверхностью (OS) и внутренней поверхностью (IS) распределительной гильзы (20).

3. Бурильная машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанные каналы для текучей среды имеют канавки (G) на наружной поверхности (OS) распределительной гильзы (20), причем указанные каналы ограничены канавками (G) и внутренней поверхностью корпуса (15).

4. Бурильная машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанные каналы для текучей среды имеют канавки (G) на внутренней поверхности корпуса (15), причем указанные каналы ограничены канавками (G) и наружной поверхностью распределительной гильзы (20).

5. Бурильная машина по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что поршень (19) выполнен сплошным без аксиальных или поперечных отверстий.

6. Бурильная машина по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что буровая головка (14) имеет центральное углубление (25), имеющее первый, открытый конец, обращенный к поршню (19), и второй, закрытый конец, обращенный от поршня (19), причем углубление (25) буровой головки (14) выполнено с возможностью формирования дополнительного пространства для текучей среды и представляет собой часть нижней рабочей камеры (22).

7. Бурильная машина по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что

между наружной поверхностью поршня (19) и внутренней поверхностью (IS) распределительной гильзы (20) находится кольцевая центральная приемная камера (27), причем

кольцевая приемная камера (27) проточно соединена с впускным отверстием (18), так что внутри центральной приемной камеры (27) во время рабочего цикла преобладает постоянное давление, и

возвратно-поступательное перемещение поршня (19) обеспечивает открывание и закрывание соединения между центральной приемной камерой (27) и, соответственно, верхней рабочей камерой (21) и нижней рабочей камерой (22) для соединения рабочих камер (21, 22) с центральной приемной камерой (27) и их отсоединения от центральной приемной камеры (27).

8. Бурильная машина по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что верхняя рабочая камера (21) и нижняя рабочая камера (22) имеют по меньшей мере один совместный аксиальный выпускной канал (31), расположенный между распределительной гильзой (20) и внутренней поверхностью корпуса (15), причем совместный аксиальный выпускной канал (31) имеет по меньшей мере одно первое поперечное отверстие (32) в верхнюю рабочую камеру (21) и по меньшей мере одно второе поперечное отверстие (34) в нижнюю рабочую камеру (22), при этом поршень (19) выполнен с возможностью попеременного открывания и закрывания первого и второго поперечных отверстий (32, 34) во время рабочего цикла поршня (19).

9. Бурильная машина по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что

буровая головка (14) имеет центральный сквозной канал,

поршень (19) имеет центральное аксиальное отверстие (48), и

внутри центрального отверстия (48) поршня (19) расположена внутренняя труба (47), которая проходит от центрального отверстия буровой головки (14) до верхнего конца (TE) бурильной машины (11) и проточно соединена с передней поверхностью буровой головки (14) с обеспечением перемещения бурового шлама от передней поверхности буровой головки через буровую головку (14) и внутреннюю трубу (47) наружу из бурильной машины (11),

причем поршень (19) внутри верхней камеры (21) имеет верхнюю рабочую площадь поверхности, а внутри нижней камеры (22) имеет нижнюю рабочую площадь поверхности,

при этом размер верхней и нижней рабочих площадей поверхности поршня (19) ограничен как внутренним диаметром распределительной гильзы (20), так и наружным диаметром внутренней трубы (47).

10. Бурильная машина по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что между наружной поверхностью поршня (19) и внутренней поверхностью (IS) распределительной гильзы (20) имеется несколько уплотнений (S).

11. Бурильная машина по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что она представляет собой пневматически управляемое устройство, а текучая среда представляет собой газ под давлением.

12. Способ бурения горной породы, включающий:

бурение горной породы с помощью бурильной машины (11) для бурения скважин, содержащей по меньшей мере корпус (15), поршень (19) внутри корпуса (15) и буровую головку (14) на нижнем конце (BE) корпуса (15),

совершение поршнем (19) возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса (15) в направлении (A) удара и в обратном направлении (B) путем подачи текучей среды под давлением в верхнюю рабочую камеру (21) и в нижнюю рабочую камеру (22), которые расположены на противоположных сторонах поршня (19), и выпуска из них текучей среды,

управление подачей и выпуском текучей среды путем перемещения поршня (19), и

совершение ударов поршнем (19) по ударной поверхности (ISB) буровой головки (14),

отличающийся тем, что

перемещают поршень (19) внутри распределительной гильзы (20), расположенной в корпусе (15), и

подают текучую среду под давлением в обе рабочие камеры (21, 22) и выпускают текучую среду из обеих рабочих камер (21, 22) по одному или более основным приемным каналам (28), одному или более верхним приемным каналам (29), одному или более нижним приемным каналам (30) и одному или более выпускным каналам (31) между наружной поверхностью распределительной гильзы (20) и внутренней поверхностью корпуса (15), находящейся в физическом контакте с распределительной гильзой (20).