Погружной пневмоударник Советский патент 1981 года по МПК E21B4/14 

(54) ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК

Изобретение относится к горному делу,, а именно к погружным пневмоударникам для бурения скважин.. Известны погружные пневмоударники с внутренней породоразрушающей коронкой и охватывающей ее наружной съемной насадкой, снабженной на торце упирающимися в забой скважины уто щенными армированными выступами, пре дназначенной для восприятия осевого статического давления на забои.Это позволяет увеличить срок службы породоразрушающей коронки, так как она загружена от осевого статического давления на забой, в связи с чем при повороте уменьшается сила ее трения о забой скважины, и коронка меньше изнащивается. Наивыгоднейшим режимом работы любого пневмоударника являются условия, когда коронка прои водит односторонний скол породы, так как двухсторонний скол возможен лишь в частных случаях. Для обеспечения работы с односторонним сколом породы необходимо, чтобы после каждого удара по забою коронка поворачивалась на определенный угол 5 , зависящий от свойств породы и силы удара на единицу длины лезвия коронки. Недостатком указанного пневмоударника является то, что при уменьшении жесткости буровых штанг по мере увеличения глубины скважины упорная насадка, зацепляясь своими выступами за неровности забоя скважины, препятствует плавному повороту пневмоударника; В результате этого угол поворота коронки после удара может быть меньше или больше оптималъного, а в крайних случаях - равным нулю или вдвое превьш1ать оптимальный. В результате этого средняя энергоемкость разрушения породы выше, чём при одностороннем сколе.. При этом снижается и скорость бурения. Кроме того, в извест ном пневмоударнике часть ударной мощности теряется при передаче от поршня-ударника к породоразрушающей коронке, а также быстро изнашивается насадка.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является погружной пнемоударник, содержащий корпус, упорну насадку с выступами, передающую осевое усилие подачи на забой скважины, ударник, соединенный с породоразрушающей коронкой, и воздухораспределительный механизм. Данный погружной пневмоударник позволяет полностью передать ударную мощность от ударника к породоразрушающей коронке f2j,

Недостатком указанного погружного пневмоударника является то, что разрушение породы под упорной головкой происходит в результате чисто вращательного бурения, скоростькоторого намного ниже ударно-вращательноIo. Поэтому скорость бурения скважины здесь зависит от скорости разрушения породы под упорной головкой. При.большом осевом давлении возможно, что упорная головка будет раздавливать со скосом выступающий из забоя скважины столбик породы, на который она опирается. Однако это приведет к смещению упорного выступа с центра скважины и заклиниванию всего пневмоударника. В результате этого не только уменьшится сила удара за счет торможения коронки о стенки скважины, но и возникает препятствие равномерному вращению пневмоударника. Выдержать в таких условиях оптимальный угол no-i ворота коронки после каждого удара будет невозможно. Все это приводит к существенному снижению скорости бу рения. Кроме этого, так как пневмоударник вращается непрерывно, то в момент внедрения лезвия породоразрушающей коронки в породу оно испытывает срезающие усилия, что приводит к его дополнительному износу и снижению скорости бурения.

Целью изобретения является повьш1ение скорости бурения.

Указанная цель достигается тем, что погружной пневмоударник имеет пневматический поворотный механизм, имеющий воздухораспределительные каналы, статор и ротор, при этом упорная насадка жестко соединена со стопором, а ударник соединен с ротором с возможностью перемещения в продольном осевом направлении, причем возду.хораспредёлительные каналы поворотного механизма выполнены в ударнике, а поверхности выступов упорной насадки скошены под острым углом к продольной оси пневмоударника.

Угол скоса поверхности выступов упорной насадки определяется выражением

1 Н Р

--60

где ct угол скоса поверхности выступов упорной насадки.;

ннаружный диаметр упорной насад;ки; угол поворота породоразрушающей коронки: L - ход ударника. В связи с этим породоразрушающйя коронка и упорная насадка совершают в течение одного цикла поочередное ступенчатое вращательное движение , поворачиваясь строго на угол, р , который определяется условием эффективного разрзшения конкретной горной породы. Сам же пневмоударник не вращается.

На фиг. 1 изображен погружной пневмоударник,: продольнь1й разрез; на фиг. 2 - поперечньтй разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг.I; на фиг. 5-8 схема цикличной работы упорной насадки и породоразрушающей коронки.

Погружной пневмоударник для бурения скважин содержит корпус 1,упорную насадку 2 с выступами 3, имеющими скошенные поверхности (скосы) 4. В корпусе 1 расположены каналы 5 для подачи сжатого воздуха, выпускные отверстия 6 и 7 и каналы 8. Внутри корпуса 1 установлен статор 9 и ротор 10 пневматического поворотного механизма. Статор 9 закрыт передней крышкой 11, к которой жестко крепится упорная насадка 2. Внутри корпуса 1 расположен также воздухораспределительный механизм - цилиндр 12 с крьшкой 13, центральными выступом 14 и продувочной трубкой 15. В стенках воздухораспределительного цилиндра I2 имеются впускные 16 и выпускные 17 отверстия для сжатого воздуха при рабочем ходе и впускные 18 и ныпускные 19 отверстия при холостом коде работы пневмоударника.

Внутри воздухораспределительного цилиндра 12 находится силовой цилиндр 10 с выступами ,21, впускными 22 и выпускными 23 отверстиями при рабочем ходе, а также выпускньми 24 отверстиями при холостом ходе работы пиевмоударника. Внутри силового цилиндра 20 находится ударник-поршень 25 со штоком 26, внутри которых имеются воздухораспределительные каналы- 27 поворотного механизма и проду вочное отверстие 28. На штоке 26 закреплена породоразрушающая коронка 29, армированная твердым сплавом 30. породоразрушающей коронке 29 имеются отверстия 31 для продувки забоя скважины и отверстия 32 для обдува скошенных поверхностей 4 выступов 3 На шток 26 надета стопорная втулка 33, которая связана с ним и с роторо 10 поворотного механизма шлицевым соединением 34. В стопорной втулке 33 имеются отверстия 35 для подачи сжатого воздуха в- пневматический поворотный механизм через каналы 27 и отверстие 36 в роторе 10 поворотного механизма. Корпус 1 сзади закрыт крьппкой 37 в которой имеются каналы 38 для пода чи сжатого воздуха в каналы 5 и продувочные окна 39. Внутри крьппки 37, закрытой крьш1кой-сальником 40, находится компенсационный поршень 41 и компенсационная пружина 42.. Шток 43 компенсационного поршня 4I соединен с опорным фонарем 44, армированным по наружному диаметру твердым спла вом 1 45. В силовом цилиндре 20 находятся камера рабочего хода 46 и каме ра холостого хода 47 поршня 25. Для сообщения камеры 47 с полостью 48, расположенной между крьш1кой 19 и ста тором 9 поворотного механизма, в кры ке 13 имеются отверстия 49. Для продувки забоя скважины предн значены отверстия 50, проходящие через упорную насадку L и переднюю крышку -1 1 и соединяющиеся с выпускными каналами 8 через кольцевую проточку 51 в корпусе 1. Торцы выступов 4 упорной насадки 3 армированы твердым сплавом 52. Силовой цилиндр 20 крепится к крышке 37 штифтом 53, входящим в зацепление с выступами 21, В крьш1ке 36 имеется также продувочное отверстие 54. Погружной пневмоудапник для бурения скважин работает следующим образом. . Пневмоударник прижат к забою скваины с силой F , находящейся в преелах (), IfdnP где -Г 3,14; диаметр, компенсационного поршня 4; р - давление сжатого воздуха; f - сила максимального сжатия компенсационной прузкины 42. Пневмоударник опирается на забой скважины направляющими выступами 3 упорной наладки 2. При рабочем хо-де поршня 25 воздухораспределительный цилиндр 12 находится в крайнем заднем положении, и фланец стопорной втулки 33 зажат между торцом силового цилиндра 20 и крьш1крй 13, Сжатый воздух через каналы 38 и 5 и впускные отверстия 16 и 22 пос тупает в камеру рабочего хода 46, толкая поршень 25 вперед. Поршень 25 совершает прямолинейное движение за счет шлицевого соединения 34 с зажатой стопорной втулкой 33, вытесняя воздух через выпускные отверстия 23 и 17 и каналы 8, кольцевую проточку 51 и отверстия 50. На поршень 25 действует сила ICdn Р где d - диаметр поршня 25. Такая же сила действует и на дно силового цилиндра 20. Так как d d Fp F т то Пневмоударник начинает обратное поршню движение, т.е. просходит отдача(фиг.5). В момент нанесения породоразрушающей коронкой 29 удара по забою скважины весь Пневмоударник за счеттдачи уже отходит от забоя и проувочная трубка 15 через каналы 27, тверстия 35 и 36 открывает доступ жатого воздуха в поворотный механизм , результате чего статор 9 поворотого механизма вместе с передней крьшг ой 1 и закрепленной на ней упорной акладкой 2 поворачивается в направении общего вращения породоразрушаюей коронни 29 относительно неподижного ротора 10 поворотного механизма, так как он соединен с породеразрушающей коронкой 29, а она внедряется в забой скважины (фиг. 6),Поворот упорной насадки 2 происходит до соприкосновения выступов 3 с перьями породоразрушакЙ1ей коронки 29. В то же время как поршень 25, связанный с породоразрушающей коронкой 29 остается на месте, пневмоударник продолжает движение назад, что приводит к перекрыти поршнем 25 выпускных отверстий 23 и сжатию воздуха в камере холостого хода 47. В момент, когда сила давления сжатого воздуха на фланец стопорной втулки 33 превысит силу давления сжатого возд5гха на центральный выст5Т1 14, воздухораспределительный цилиндр 12 перемещается в крайнее переднее положение. Это приводит к -закрытию впускных 22 и выпускных 23 отверстий соединению выпускных отверстий 24 с внешней средой и каналов 5 с камерой холостого хода 47 через отверстия 18 В каиере рабочего хода 46 и поворотном механизме давление воздуха понижается, а в камере холостого хода 47 - достигает максимума.

Поршень 25 начинает холостой ход и одновременно с ним весь пневмоударник перемещается вперед (к забою), причем намного быстрее, чем он отходит от забоя (фиг. 7). Это вызвано тем, что если при давлении от забоя на пневмоударник действует сила К Fpy - F, то при движении к забою на него действует сила

F2 АХ f где FUV сила давления на поршень

25 при холостом ходе и

й()р

Гхх. 4

где duj - диаметр штока 29.

Следователь|1о, сила Fj;, F Упорная насадка 2 своими выступами 3 приходит в соприкосновение с забоем. Породоразрушающая коронка 29, отходя назад и скользя своими перьями по наклонным поверхностям . 4 выступов 3, совершает поворот и п достижении крайнего заднего положения этот поворот составляет угол

Vg-db 360

Р1с а

н

Для предотвращения попадания раздробленной породы в зону контакта коронки 28 и поверхностей выступов 4

последние обдуваются воздухом через отверстия 32.

Одновременно с поступлением сжатого воздуха в камеру холостого хода 47 он по отверстиям 49 поступает в полость 48. Ввиду того, что отверстия 49 малы, давление сжатого воздуха в полости 48 выравнивается с

давлением в камере холостого хода 41 . лишь в конце холостого хода поршня 25, когда он перекрывает выпускные отверстия 24. Дальнейшее движениепоршня 25 приводит к сжатию воздуха

5 в камере рабочего хода 46, и давлением сжатого воздуяа на выступ 14 воздухораспределительный цилиндр 12 перемещается в крайнее заднее положение. Это приводит к перекрытию подачи

0 сжатого воздуха в камеру холостого хода 47, открытие выпускных 23, впускных 22 отверстий и закрытию выпускных отверстий 24. Воздух из полости 48 через отверстия 7, каналы

5 8, кольцевую проточку 51 и отверстия 50 выходит наружу. За счет этого и постоянной подачи сжатого воздуха по продувочной трубке 15 через отверстия 28 и 31 осуществляется

0 продувка забоя скважин.

Так заканчивается цикл и начинается новый.

При отведении пневмоударника от забоя скважины компенсационный поршень 41, переместившись назад, открывает продувочные окна 32. Большая часть сжатого .воздуха выходит через низ в скважину, осуществляя интенсивную ее продувку.

Опорный фонарь 44 предназначен для разгрузки пневмоударника от.веса буровых штанг в направлении, перпендикулярном оси скважины, что облегчает вращение системы упорная насадка - Породоразрушающая коронка. Формула изобретения

Д Погружной пневмоударник, сощйи корпус, упорную насадку с выступами, передающую осевое усилие цодачи на забой скважины, ударник , соединенный с породоразрушающей сорон кой и воздухораспределительный низм отличающийся тем, что, с целью повьшения скорости бурения, он имеет пневматический поворотный механизм имеющий воздухораспределительные каналы, статор и ротор, при этом упорная насадка жестко соединена со статором, а ударник соединен с ротором с возможностью перемещения в продольном осевом направлении, причем воздухораспределительные каналы поворотного механизма вьгг полнены в ударнике, а поверхности выступов упорной насадки скошены под острым углом и продольной оси пневмоударника.

«t-Q-ct -bTi

872747О

где ci- угол скоса поверхности выступов упорной насадки; dj.-наружньй диаметр упорной насадки ; 5 (5- угол поворота породоразрушающей коронки; 1-ход ударника.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

(прототип).

Г BudA

фиг.

s

г..

)

I

(раг5

фиг 6 :(// v

/, Л

6

39

,

ГС -Jf -- -

л

д/г7

г ffJ

М ////Чл/