Колонковый пневмоударный бур Советский патент 1981 года по МПК E21B7/24 E21D1/06 

. , , ; . . . изобретение относится к средствам бурения шурфов и скважин большого диаметра с получением керна. Известен колонковый пневмоударный бур для бурения скважин большого диаметра с отбором керна, включающий корпус. керноприемную камеру, ударники и долота, в котором корпус не герметизирован и имеет выхлопные окна неограниченного размера, расположенные со стороны стенки скважины В местах прилегания пневмоударников Такой бур не обеспечивает качественной очистки забоя Скважины от шлама, так как основная часть отработанного в пневмоударниках воздуха теряется через окна в зазорах между буром и стенкой скважины, не дохо дя до забоя; снижается надежность конструкции, так как из-за негермети ности корпуса и неограниченности раз меров выхлопных окон давление воздуха внутри корпуса незначительно отли чается от давления в скважине, что ведет к проникновению шлама внутрь корпуса, повышенному износу н заклин ванию внутренних деталей бура. Известен также колонковый пневмоударный бур, содержащий корпус,керно приемную камеру, пнеемоударники и долота, в KOTOpCMd частично устранены , указанные «tempCT Ticii за счет герметизации Kopnyi ia путем вьтолнеиия его в виде сшккшюй воэдвцгхонепроницаемой оболочки со с(1е альшфш выхлоп1шми , окнами для направления отработанного воздуха во сторойы йернсшриемной трубы этот щшвмоударный бур наиболее близок по TeKtetiecKoft суадности и достигаемому реэультату к изобретению 121. Недостаток этого бура заключается а том, что клшопиые окна размещены со стороны кер8(р{}емной трубы, в результате чего обработанный в пневмоударнйке х в&эяук, имеквдйй пульсирующий ха{)акте{ из юнения расхода и давления, непосредственно воэдейстаует не нарушая его структуру , особенно при бурении рыхлых мно-. голетних мерэлпдх . Воздух распределяется по всему кольцевому зазору между кернсвЧИ керноприемнрй трубой, в результате чего, его скорость во всем сечении, образуемом торцом бура и забоем скважины, равномерно распределена по периметру бура и, как правило, недостаточна для выноса в кольцевой зазор между буром и стенкой скважины крупных частиц шлама, получаемых при ударных способах разрушения. Отсутствие качественной очистки забоя приводит к накоплению шлама, непроизводительным затратам энергии на его переизмельчение, осложнениям процессе бурения, частым остановкам для продувки скважин и тем самым к снижению производительности бурения. Отсутствие ограничений на размер сечений выхлопных окон не позволяет создать достаточный перепад давления между внутренней частью корпуса бура и скважиной, что приводит.к зашламо ванию внутренних частей корпуса бура через эти окна, повышенному износу и заклиниванию внутренних деталей бгра Целью изобретения является повышение эффективности очистки забоя скважины от шлама. Указанная цель достигается тем, что в известном пневмоударном буре, имеющем корпус в виде сплснаной кольцевой вохдухонепроницаемой оболочки с выхлопными окнами со стороны керно приемной KaMejMj для каправления отра вотанного воздуха, пневмоударники и долота, выхлопные окна выполнены в торцовой части корпуса на минимально расстоянии от долот со стороны, прот воположной направлению движения доло при вращении бура, и направлены в ст року долота, а суммарная-площадь сеч НИИ выхлопного окна ограничена соотн биением . S Fj 4 РЗ S - площадь сечения выхлопного окна VVS тъ , G - весовой расход воздуха через А. - коэффициент расхода; g - ускорение свободного падения - удельный вес воздуха на забОе скважины; Ро - давление воздуха в корпусе и, бура; ft. - давление воздуха на забое i скважины; Л PL - минимально допустимый перепа давления воздуха между корпу сом бура и забоем С1 важины; -поправочный множитель, на расширение струи воздуха, зависящий от расстояния между вы хлопным окном и линией конта та долота с забоем скважины Ц - коэффициент скольжения; d,j- размер частиц шлама; Tf удельный вес частиц шлама. На чертеже показан предлагаемый бур. Колонковый пневмоударный бур содержит корпус 1, пневмоударники 2 с выхлопными отверстиями 3 и долота 4. Корпус выполнен в виде сплошной воздухонепроницаемой оболочки, а в его торцовой нижней части имеются выхлопные.,окна 5 для направления отработанного воздуха, расположенщде на минимальном расстоянии от долот 4 со стороны, противоположной направлению движения долот 4 при вращении бура, (показано стрелками), и направленные в зону контакта долот с забоем скважины. , Очистка забоя от шлама осуществляется, . следукнцим образом. Отработанный в пневмоударниках 2 воздух , из выхлопных отверстий 3 поступает сначала в корпус 1, а затем через выхлопные окна 5 направляются в зону контакта долот 4 с забоем скважины со стороны, противоположной направлению вращения. Выхлопные окна 5 выполняются ограниченного размера из расчета получения скорости истечения воздуха из них, обеспечивающей необходимый скоростной напор в зоне контакта долота с забоем скважины, и создания требуемого перепада давлений воздуха между внутренней частью бура и скважиной. Скорость истечения воздуха должна обеспечивать перемещение частиц разрушенной долотом породы в кольцевой зазор между корпусом бура и стенкой скважины и определяется из условия (см. Лактионов А.Т. Основы теории и техники.бурения скважин с очисткой забоя воздухом и газом. Гостоптехиздат 1961) /W V l/3i7 r , откуда получают значение первого граничного условия для определения размеров сечения выхлопных окон В этой формуле поправочный множитель а на расширение струи воздуха, зависит от расстояния между выхлопным окном и линией контакта долота с забоем скважины. Чем больше это расстояние, тем больше величина и тем меньше скорость воздушного потока в месте контакта долота с забоем скваЖИНЫ. ПОЭТОМУ ДЛЯ получения наилучшего эффекта очистка забоя величину расстояния от выхлопного окна до долота необходимо выбирать минимальной. С другой стороны, площадь сечения выхлопных окон необходимо ограничить условиями получения максимально допустимого перепсща давления воздуха при его истечении из выхлопных окон. При определении максимального допустимого перепада U . (Pg - Pg ) давление воздуха в корпусе бура Р определяется разностью давления воздуха в сети PQ и перепадам давления йРпн необходимого для эффективной работы пневмоударника Pg PC пн а давление воздуха на забое скважины расчитывается по известным методикам (см. Лактионов А.Т.Основы теории и техники бурения скважин с очис кой забоя , воздухом и газом. Гостоптехиздат, 1961.) на основе определения потерь давления воздуха в сквагжине в результате выноса шлама от за боя до устья, и различные потери на этом участке. Исходя из известной формулы истечения газа через отверстие, получают значение второго -граничного условия для определения размеров сечения вых пных окон бура: При определении минимально допустимого перепада л необходимо исходить из УСЛОВИЯ создания избыточ ного давления в корпусе бура по срав нению с давлением в скважине, гарантирующего предотвращение проникновения в него ишама и пыли. Значение третьего граничного условия для опре деления размеров сечения выхлопных окон а S ...U , . (Э) Из соотношений (1), (2) и (3) полу чают соотношение для расчета размеро выхлопных окон пневмоударного бура: F, S FI « РЭ (tt) Q i4T, . Выпуск всего воздуха в торцовой i части бура способствует сохранности керна. Соблюдение соотношений (2) и (3) обеспечивает нормальную работу пневмоударников и защиту внутренних частей бура от зашламования. Все это позволяет значительно повысить эксплуатационную надежность бура и улучшить сохранность керна. Применение такого бура при проход ке шурфов и скважин большого диаметра на геологоразведочных работах поз волит получить экономический эффект около 10 тыс. руб. на один комплект, что (при общем объеме шурфовочных ра бот по Министерству геологии СССР около 300 тыс.м) составит годовой экономический эффект более 1 млн.руб Формула изобретения Колонковый пневмоугарный бур, включающий корпус, выполненный в виде воздухонепроницаемой оболочки с выхлопными окнами со стороны керноприёмной камеры, пневмоударники и долота, о тличающийся тем, что, с целью повышения эффективности очистки забоя скважины от шлама, выхлопные окна выполнены в торцовой части корпуса со стороны, противоположной направлению движения долот при вращении бура, и направлены в сторону долота, а суммарная площадь сечений выхлопного. окна ограничена соотношением F S F,j РЗ где i F. - минимально допустимое значение суммарной площади сечений выхлопных окон, обеспечивающее предохранение пыли и шлама внутрь бура за счет создания перепада давлений между забоем скважины и внутренней полостью кольцевой воздухонепро-t ницаемой ЗЪолочки: Afo - минимально допустимое значение суммарной площади сечений выхлопных окон, обеспечиваkttaee перепад давления сжатого воздуха на входе в пневмоударники и на его выхлопе;о - -р. а Ъ ПТ7Г - максималь-. С - | гГгТ82 но допустимое значение суммарной плоади сечений выхлопных окон, обеспеивающее создание скоростного напора промывочного агента в зоне контакта олота с эабоем ри этом G - весовой расход воздуха через окна; Л - коэффициент распадаj - ускорение свободного падения; - удельный вес воздуха на забое скважины; давление воздуха в корпусе бура; Pg, - давление воздуха на забое скважины; а - поправочный множитель на расширение струи воздуха, зависящий от расстояния между выхлопным окном и линией контакта долота с забоем скважины; MWH минимально допустимый перепад давления воздуха между корпусом бура и забоем скважины; Ч - коэффициент скольжения; 7861530 r - размер частиц шлама; - удельный вес частиц ( г ишама. Источники:информации, принятые во внимание при экспертизе . 1. Авторское свидетельство СССР 341936, кл. Е 21 С 13/12, 1969. 2. Авторское свидетельство СССР 564418, кл. Е 21 С 13/12, 1976.