Ударная машина

 

Использование: изобретение относится к устройствам для бурения скважин и может найти предпочтительное применение в геологоразведке, гидрогеологии, горной промышленности. Сущность изобретения: расширение технологических возможностей погружных ударных машин с центральным шламотранспортом по двойной бурильной колонне, заключающихся в обеспечении бурения глубоких, обводненных скважин в сложных геологических структурах без потерь керношламового материала. Поставленная задача решается за счет использования газожидкостной смеси в качестве энергоносителя и очистного агента в виде аэрированной жидкости или пен, кольцевого забоя, центрального гидротранспорта шламового материала, герметизации забойного пространства. При этом машина включает корпус с гильзой и втулкой с продольными каналами, установленной в передней части гильзы, ударник с центральным сквозным каналом, кольцевой буровой инструмент, центральную шламотранспортную трубу, разделяющие полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя, содержащую автономные для камер прямого и обратного хода питающе-разрядные клапанные устройства с командными и разрядными трактами. Шламотранспортная труба установлена в канале ударника с кольцевым зазором образующим выхлопной тракт камеры прямого хода, а питающе-разрядный клапан камеры обратного хода - в корпусе с возможностью торцевого воздействия с втулкой. Кроме этого, машина снабжена передним покером, установленным на буровом инструменте с возможностью свободного вращения. 2 з. п. ф - лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин и может найти применение в геологоразведке, гидрогеологии, горной промышленности.

Известен кольцевой пневмоударник для бурения скважин преимущественно в вечномерзлых грунтах, включающий корпус, ступенчатый ударник со сквозным осевым каналом, камеры холостого и рабочего хода, кольцевой породоразрушающий инструмент, керношламоприемную трубу и распределительную трубку, установленные коаксиально и образующие между собой воздухоподводящий канал с системой распределения энергоносителя по рабочим камерам [1] Известный кольцевой пневмоударник имеет бесклапанную распределительную систему и работает на сухом сжатом воздухе, поэтому технологическая возможность его ограничена бурением неглубоких и сухих скважин в устойчивых породах.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к изобретению является пневмоударник для бурения скважин, включающий корпус, кольцевой буровой инструмент, ударник с центральным сквозным каналом, шламотранспортную трубу, разделяющие полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, и систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую питающие и выхлопные тракты [2] Этот пневмоударник имеет повышенную энергию удара за счет продленного впуска сжатого воздуха на рабочем ходе ударника, что способствует бурению скважин с повышенным водопритоком. Однако он также, как и первый аналог, может работать только на сухом сжатом воздухе, так как имеет бесклапанную систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, характеризующуюся предварением впуска воздуха в рабочие камеры и расширения его после отсечки до начала выхлопа. Использование воздуха в качестве энергоносителя в погружной ударной машине ограничивает ее технологические возможности по глубине бурения скважины, водопритоку, геологическим структурам, а именно: по глубине из-за требования высокой скорости восходящего потока воздуха в шламотранспортной магистрали, что создает повышенное гидростатическое противодавление на забое и стало быть снижает энергетические параметры ударной машины, вплоть до полной остановки машины; повышенный водоприток в скважине также создает повышенное противодавление на забое со всеми вытекающими негативными явлениями: снижается скорость бурения, ограничивается глубина бурения; сложные геологические структуры (наличие глинистых прослоек, галечника и т.п.) создают в пневмотранспортной магистрали сальниковые пробки, не ликвидирующиеся воздухом, нарушающие нормальную работу ударной машины.

Использование другого энергоносителя, например, газожидкостной смеси в виде аэрированной жидкости более эффективного очистного агента (на порядок выше сухого сжатого воздуха) и более энергонасыщенного рабочего тела, в данной машине не представляется возможным по описанным причинам бесклапанной системы распределения энергоносителя по рабочим камерам. Аэрированная жидкость слабосжимаемое рабочее тело по сравнению со сжатым воздухом.

Техническая задача, решаемая в изобретении, расширение технологических возможностей погружных ударных машин с центральным транспортированием выбуренной породы, а именно: обеспечение бурения глубоких, обводненных скважин в разрезах с неоднородным составом пород, с глинистыми прослойками, без потерь керношламового материала и без образования сальниковых пробок в шламотранспортной трубе за счет применения аэрированной жидкости с добавками ПАВ в качестве энергоносителя и очистного агента, надежности работы призабойного пакера.

Поставленная задача решается посредством того, что предлагаемая ударная машина включает корпус, кольцевой буровой инструмент, ударник с центральным сквозным каналом, шламотранспортную трубу, разделяющие полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, и систему распределения энергоносителя, содержащую питающие и выхлопные тракты. Машина снабжена автономными для камер прямого и обратного хода питающе-разрядными клапанными устройствами, разрядными и командными трактами, размещенными в системе распределения энергоносителя, и шламотранспортная труба установлена в осевом канале ударника с кольцевым зазором, образующим выхлопной тракт камеры прямого хода. При этом корпус снабжен гильзой, а питающе-разрядное клапанное устройство камеры обратного хода втулкой с продольными отверстиями, установленной в нижней части гильзы, причем питающе-разрядный клапан камеры обратного хода установлен в корпусе с возможностью торцевого взаимодействия с втулкой. Кроме того, машина снабжена передним пакером, установленным на буровом инструменте с возможностью свободного вращения.

Такая конструкция машины обладает минимальной длиной рабочих трактов: питающих, сливных, командных и разрядных, обеспечивающих наполнение и опорожнение камер прямого и обратного хода, при использовании энергонасыщенного, но "жесткого", по сравнению с воздухом, энергоносителя аэрированной жидкости, обеспечивает высокие энергетические параметры: энергию удара, ударную мощность при больших глубинах скважин и значительных водопритоках.

Наличие переднего пакера в кольцевых ударных машинах надежно препятствует выходу шлама в затрубное пространство и повышает процент выхода через шламотранспортную трубу. Однако жесткое крепление его на корпусе машины создает дополнительные нагрузки по моменту вращения и разрушает стенки скважины. Размещение пакера на буровом инструменте и с возможностью свободного вращения снимает дополнительные нагрузки, а проходящие ударные импульсы по инструменту предотвращают заклинивание пакера в условиях интенсивной абразивности.

Новые конструктивные решения совместно с известными позволили разработать ударную машину с центральным транспортированием шлама, работающей на газожидкостной смеси в виде аэрированной жидкости или пен, что дает возможность увеличить глубину буримых скважин и бурить более широкий диапазон геологических структур.

На чертеже представлен продольный разрез ударной машины, причем левая часть соответствует моменту соударения ударника с буровым инструментом, а правая часть началу прямого хода ударника.

Ударная машина состоит из корпуса 1, гильзы 2, приемного переходника 3, в котором размещен обратный клапан 4, передней буксы 5, внутри которой на резьбе установлена втулка 6, внутренними шлицами 7 соединенная с хвостовиком 8, на конце которого закреплен на резьбе буровой инструмент 9 с центральным отверстием 10. В центральной части корпуса 1 установлена шламотранспортная труба 11, которая нижним концом входит в центральный канал 12 хвостовика 8. Внутри гильзы 2 размещен ударник 13, разделяющий полость гильзы 2 на камеру 14 прямого хода и камеру 15 обратного хода. Система распределения энергоносителя, состоящая из верхнего и нижнего клапанных устройств, обеспечивает питание и разрядку камер 14 и 15. Верхнее клапанное устройство включает шток 16, установленный в верхней стенке гильзы 2. Шток 16 имеет разрядные кольцевой 17 и радиальные 18 каналы. На штоке 16 установлен верхний питающе-разрядный клапан 19, образующий с штоком 16 разрядный тракт в виде кольцевого 20 и торцевого 21 каналов, а с верхней стенкой гильзы 2 верхний питающий тракт, в виде расточки 22, продольных отверстий 23 и торцевого канала 24. Нижнее клапанное устройство включает нижний питающе-разрядный клапан 25, выполненный в виде втулки, установленный между кольцами 26 и 27, образующий с кольцом 27 кольцевой разрядный канал 28, а с втулкой 29, имеющей продольные отверстия 30, торцевой канал 31. Нижний разрядный тракт состоит из торцевых выборок 32 и отверстий 33 передней буксы 5, далее из продольных пазов 34 ударника 13, кольцевого зазора 35 между хвостовиком 8 и кольцом 36, шлицами 7 и отверстиями 37 в буровом инструменте 9. Нижний питающий тракт включает наружные продольные пазы 38 гильзы 2, радиальные окна 39 и 40, продольные пазы 41 гильзы 2, торцевой канал 31 клапана 25 и отверстия 30 втулки 29. Сливные тракты камеры 14 прямого хода и камеры 15 обратного хода, образованы кольцевым зазором 42 относительно сквозного осевого канала ударника 13 и наружной поверхностью шламотранспортной трубы 11 и далее кольцевым зазором 35, шлицами 7 и отверстиями 37 в буровом инструменте 9. Командные тракты образованы проточкой 43 ударника 13, местными выборками 44 и 45 по концам гильзы 2 и распределительными верхним 46 и нижним 47 поясками ударника 13. В зоне корпуса бурового инструмента 9 размещен пакер 48, выполненный в виде втулки, установленной с возможностью свободного вращения, который препятствует попаданию шлама в пространство между наружной поверхностью корпуса машины и стенками скважины.

Ударная машина работает следующим образом.

Энергоноситель в виде аэрированной жидкости подается в приемный переходник 3 (с. левую часть), открывает обратный клапан 4 и далее по продольным пазам 38, радиальным окнам 39 поступает в проточку 43 ударника 13 и затем поступает в камеру 15 обратного хода. Одновременно в эту же камеру энергоноситель поступает по наружным продольным пазам 38 и 41 гильзы 2, торцевому каналу 31 нижнего клапана 25, который в этот момент находится в нижнем положении и далее по отверстиям 30 втулки 29. В это время разрядный тракт камеры 15 обратного хода перекрыты нижним питающе-разрядным клапаном 25. Камера же 14 прямого хода сообщена с затрубным пространством через сливной тракт: кольцевой канал 42, кольцевой зазор 35, шлицы 7 и отверстия 37 в буровом инструменте 9.

Под действием давления аэрированной жидкости ударник 13 начинает перемещаться вверх, совершая обратный ход. По мере его перемещения, ударник перекрывает своим нижним пояском 47 нижний командный тракт, образованный проточкой 43 ударника 13 и местной выборкой 45 гильзы 2. Питание камеры 15 обратного хода продолжается через питающий тракт: наружные продольные пазы 38 и 41 гильзы 2, торцевой канал 31 нижнего клапана 25 и отверстия 30 втулки 29. При дальнейшем движении ударника 13, шток 16 входит во внутреннюю расточку ударника и перекрывает кольцевой канал 42, но камера 14 прямого хода остаются сообщенной с затрубным пространством через продольные отверстия 23, расточку 22, кольцевого 20, торцевого 21 и радиальных 18 каналов, так как кольцевой канал 17 штока 16 сообщается с кольцевым каналом 42 ударника 13. После того как продольные пазы 34 ударника 13 окажутся в зоне камеры 15 обратного хода, камера через эти пазы сообщится с затрубным пространством через сливной тракт: кольцевой зазор 35, шлицы 7 и отверстия 37 в буровом инструменте 9. Давление в камере 15 обратного хода будет резко падать, так как аэрированная жидкость малорасширяющийся энергоноситель (по сравнению со сжатым воздухом). При этом под действием магистрального давления аэрированной жидкости на нижний питающе-разрядный клапан 25 вследствие разности сил, действующих на него снизу и сверху (из-за разности рабочих площадей), последний переместится вверх до упора в нижний торец втулки 29. Питание камеры обратного хода 15 прекратится (см. правую половину) и камера 15 обратного хода сообщится дополнительно с затрубным пространством через нижний разрядный тракт: отверстия 30 втулки 29, кольцевой разрядный канал 28, торцевые выборки 32 и отверстия 33 передней буксы 5, продольные пазы 34 ударника 13, кольцевой зазор 35, шлицы 7 и отверстия 37 в буровом инструменте 9. Ударник 13 продолжает движение вверх по инерции. По мере его дальнейшего перемещения верхний поясок 46 ударника войдет в зону местной выборки 44 гильзы 2. В камеру прямого хода 14 будет подана команда на перекидку верхнего питающе-разрядного клапана 19 из положения "разрядка" в положение "питание". Аэрированная жидкость из проточки 43 ударника 13, в которую она поступает через отверстия 40, поступит в камеру 14 прямого хода и, несмотря на временный слив через верхний разрядный тракт, создаст быстро нарастающее давление в этой камере. Вследствие разности сил, действующих на верхний питающе-разрядный клапан 19 со стороны магистрального давления и давления в камере прямого хода 14, обусловленных разностью рабочих площадей питающе-разрядного клапана 19, последний перекинется из нижнего положения (см. левую часть) в верхнее положение (см. правую часть). При этом верхний разрядный тракт будет перекрыт, откроется питающий тракт: торцевой канал 24, обусловленный ходом питающе-разрядного клапана 19, расточку 22 и продольные отверстия 23. Ударник 13 резко затормозится и поменяет ход с обратного на прямой. Вначале прямого хода командное питание камеры 14 прямого хода перекрывается ударником 13, а питание ее продолжается через питающе-разрядный клапан 19. Камера 15 обратного хода на всем протяжении прямого хода ударника 13 остается сообщенной с затpубным пространством сначала через нижний сливной тракт и далее до момента подачи команды на срабатывание нижнего питающе-разрядного клапана 25 через разрядный тракт. Это необходимо для снятия противодавления и нежелательного торможения ударника 13 со стороны камеры 15 обратного хода, так как аэрированная жидкость слабосжимаемый энергоноситель.

В момент, предшествующий соударению ударника 13 с хвостовиком 8, ударник сойдет со штока 16 и камера 14 прямого хода через кольцевой канал 42 сообщится с затрубным пространством. Давление в камере 14 будет резко падать практически без расширения и в силу разности давлений, действующих на верхний питающе-разрядный клапан 19, последний перекинется из верхнего положения (см. правую часть) в нижнее (см. левую часть), перекрывая питание камеры 14 и открывая разрядный тракт. Далее в непосредственной близости ударника 13 от хвостовика 8 ударник 13 входит своим нижним пояском 47 в зону нижней выборки 45 гильзы 2 и подаст команду на перекидку нижнего питающе-разрядного клапана 25. При этом аэрированная жидкость из проточки 43, в которую она поступает через отверстия 39, проходит в выборку 45 и далее в камеру 15 обратного хода. Давление в ней резко нарастает и нижний питающе-разрядный клапан 25 перекидывается из верхнего положения (см. правую часть) в нижнее положение (см. левую часть), соответствующее положению "питание" камеры 15 обратного хода. После этого, аэрированная жидкость через торцевой канал 31, обусловленный ходом нижнего питающе-разрядного клапана 25, и отверстия 30 втулки 29 наполняет камеру 15 обратного хода. В этот момент происходит соударение ударника 13 с хвостовиком 8 практически без торможения последнего. Далее цикл повторяется.

Разрушенная порода подхватывается потоком аэрированной жидкости, поступающей из машины в зону забоя и выносится через центральное отверстие шламотранспортной трубы 11. Пакер 48 препятствует попаданию аэрированной жидкости и шлама в пространство между наружной поверхностью машины и стенками скважины, тем самым предотвращая обрушение стенок скважины и потери шламового материала.

Формула изобретения

1. УДАРНАЯ МАШИНА, включающая корпус, кольцевой буровой инструмент, ударник с центральным сквозным каналом, шламотранспортную трубу, разделяющие полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, и систему распределения энергоносителя, содержащую питающие и выхлопные тракты, отличающаяся тем, что она снабжена автономными для камер прямого и обратного хода питающе-разрядными клапанными устройствами, разрядными и командными трактами, размещенными в системе распределения энергоносителя, а шламотранспортная труба установлена в осевом канале ударника с кольцевыми зазорами, образующими выхлопной тракт камеры прямого хода.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус снабжен гильзой, а питающе-разрядное клапанное устройство камеры обратного хода втулкой с продольными отверстиями, установленной в нижней части гильзы, причем питающе-разрядный клапан камеры обратного хода установлен в корпусе с возможностью торцевого взаимодействия с втулкой.

3. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена передним пакером, установленным на буровом инструменте с возможностью вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1