Погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем

 

Изобретение относится к погружным устройствам для бурения скважин и может быть применено в геологоразведке, гидрогеологии, горном деле. Техническая задача - повышение ударной мощности при обеспечении возможности работы на различных энергоносителях от сухого воздуха до газожидкостной смеси в виде пен или аэрированной жидкости, возможности осуществления реверса потока очистного агента с обратной промывки на прямую, задача решается тем, что погружная ударная машина включает корпус с расточкой в верхней его части и гильзой, расположенной в нижней его части, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал, буровой инструмент, ударник с осевым каналом и расточкой в верхней его части, управляемые камеры рабочего и холостого хода и систему распределения энергоносителя, содержащую питающие и выхлопные тракты. Машина снабжена автономным (для камеры рабочего хода) питающе-разрядным устройством, содержащим ступенчатый клапан, установленный на распределительном штоке, разрядный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в штоке и в шламотранспортной трубе в зоне размещения клапана, командный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в верхней части ударника, периодически соединяющих камеру рабочего хода с питающим трактом через расточки в ударнике и корпусе. Кроме того, в разрядном тракте между распределительным штоком и шламотранспортной трубой установлен обратный клапан, выполненный в виде воротниковой манжеты. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

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

Известен пневмоударник для бурения скважин [1], включающий корпус, кольцевой буровой инструмент, ударник с центральным сквозным каналом, шламотранспортную трубу и систему распределения сжатого воздуха по рабочим камерам. Наряду с достоинствами (повышенная энергия удара за счет продленного впуска сжатого воздуха при рабочем ходе ударника) этот пневмоударник не может обеспечить эффективное бурение при повышенном водопритоке и в сложных геологических структурах, так как в пневмотранспортной магистрали образуются сальниковые пробки, которые не ликвидируются сжатым воздухом.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемому изобретению является кольцевой пневмоударник для бурения скважин [2], включающий корпус, ступенчатый ударник со сквозным осевым каналом, камеры холостого и рабочего хода, кольцевой породоразрушающий инструмент, шламотранспортную трубу и распределительную трубу, установленные коаксиально и образующие между собой воздухоподводящий канал с системой распределения сжатого воздуха по рабочим камерам.

Этот пневмоударник имеет повышенную производительность бурения за счет увеличения ударной мощности. Однако он может работать только на сухом сжатом воздухе и это значительно ограничивает технологические возможности пневмоударника по глубине бурения скважины, водопритоку, геологическим структурам, а именно: 1. По глубине - из-за требования высокой скорости восходящего потока воздуха в шламотранспортной магистрали, что создает повышенное гидростатическое противодавление на забое и, следовательно, снижает энергетические параметры пневомударника, вплоть до полной его остановки; 2. Повышенный водоприток в скважине также создает повышенное противодавление на забое со всеми вытекающими негативными явлениями: снижение скорости бурения, ограничение глубины бурения; 3. Сложные геологические структуры (наличие глинистых прослоек, галечника и т.д.) создает в пневмотранспортной магистрали сальниковые пробки, неликвидирующиеся воздухом, нарушающие нормальную работу пневмоударника.

Применение другого, более эффективного энергоносителя, например, аэрированной жидкости, в данной машине не представляется возможным, так как бесклапанная система распределения обеспечивает нормальную работу машины только на сжатом воздухе. А аэрированная жидкость - слабосжимаемое рабочее тело по сравнению со сжатым воздухом.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении - повышение ударной мощности при обеспечении возможности работы на различных энергоносителя: от сухого сжатого воздуха до газожидкостной смеси в виде пен или аэрированной жидкости, возможности осуществления реверса потока очистного агента с обратной промывки на прямую.

Поставленная задача решается посредством того, что предлагаемая погружная ударная машина включает корпус с расточкой в верхней его части и гильзой, расположенной в нижней части корпуса, буровой инструмент, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал, ударник с осевым каналом и расточкой в верхней его части, управляемые камеры рабочего и холостого хода и систему распределения энергоносителя, содержащую питающие и выхлопные тракты. Машина снабжена автономным для камеры рабочего хода питающе-разрядным устройством, содержащим ступенчатый клапан, установленный на распределительном штоке, разрядный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в штоке и в шламотранспортной трубе в зоне размещения клапана, командный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в верхней части ударника, периодически соединяющих камеру рабочего хода с питающим трактом через расточки в ударнике и в корпусе. Кроме того, в разрядном тракте между распределительным штоком и шламотранспортной трбой установлен обратный клапан, выполненный в виде воротниковой манжеты.

Такая конструкция машины обеспечивает наилучшее наполнение камеры рабочего хода по пути ударника и, следовательно, значительно повышается ее ударная мощность. Автономное питание камеры рабочего хода с помощью ступенчатого клапана позволяет применять в качестве энергоносителя не только сухой сжатый воздух, но и газожидкостные смеси, что дает возможность увеличить глубину скважин и бурить более широкий диапазон геологических структур. Кроме того, конструкция ударной машины позволяет осуществлять реверс потока очистного агента с обратной промывки на прямую, что необходимо при укреплении стенок буримой скважины.

На фиг. 1 представлен продольный разрез ударной машины; на фиг. 2 - местный вид зоны размещения клапана.

Погружная ударная машина состоит из корпуса 1 с расточкой 2 в верхней его части и гильзой 3, расположенной в нижней части корпуса 1.В верхней части машины размещен приемный переходник 4 с обратным клапаном 5. В центральной части машины размещены шламотранспортная труба 6 и распределительный шток 7, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал 8. Коаксиально относительно штока 7 и трубы 6 размещен ударник 9 с осевым каналом 10, продольными пазами 11 и расточкой 12 в верхней его части. Верхний торец ударника 9 ограничивает камеру рабочего хода 13, а нижний - камеру холостого хода 14. В нижней части корпуса 1 на резьбе установлена букса 15 с внутренними шлицами 16, которые входят в зацепление с наружными шлицами хвостовика 17. На конце хвостовика, на резьбе, закреплен буровой инструмент 18, имеющий радиальные отверстия 19 и наклонные 20. Система распределения энергоносителя содержит питающие и выхлопные тракты. Питающий тракт камеры холостого хода 14 состоит из радиальных отверстий 21 в распределительном штоке 7, энергоподводящего канала 8, радиальных отверстий 22 в нижней части штока 7, расточки 12 ударника 9 и его осевого канала 10. Автономное для камеры рабочего хода 13 питающе-разрядное устройство содержит ступенчатый клапан 23, установленный на распределительном штоке 7. Разрядный тракт выполнен в виде радиальных отверстий 24 в штоке 7 и радиальных отверстий 25 в шламотранспортной трубе 6, а также отверстий 26 в опорной втулке 27 клапана 23 и кольцевого зазора 28 этого же клапана. В разрядном тракте, выше клапана 23, между распределительным штоком 7 и шламотранспортной трубой 6 установлен обратный клапан 29, выполненный в виде воротниковой манжеты. Командный тракт выполнен в виде радиальных отверстий 30 в верхней части ударника 9. Выхлопной тракт состоит из кольцевого зазора 31 между наружной проточкой ударника 9 и внутренней поверхностью гильзы 3 (если выхлоп происходит из камеры рабочего хода), отверстий 32 в стенке гильзы 3, кольцевого зазора 33 между наружной поверхностью гильзы 3 и корпуса 1, радиальных отверстий 34 в нижней части гильзы 3, и далее по шлицам 16 выхлопной тракт переходит в наружные продольные пазы 35 бурового инструмента 18 и его отверстия 19 и 20, связанные с центральным каналом машины. В нижней части распределительного штока 7 выполнен ряд радиальных отверстий 36, обеспечивающих блокировку машины.

Погружная ударная машина работает следующим образом. Энергоноситель в виде аэрированной жидкости или сухого сжатого воздуха подается в приемный переходник 4. Открывается обратный клапан 5 и энергоноситель через отверстия 21, канал 8 и отверстия 22 штока 7 поступает в расточку 12 ударника 9. Далее по осевому каналу 10 ударника 9 энергоноситель поступает в камеру холостого хода 14. В это время камера рабочего хода 13 через выхлопной тракт (кольцевой зазор 31, отверстия 32, кольцевой зазор 33, радиальные отверстия 34, шлицы 16, пазы 35 бурового инструмента 18 и отверстия 19 и 20) соединена с атмосферой через центральный канал машины. Под действием давления энергоносителя ударник 9 начинает перемещаться вверх, совершая обратный ход. После того, как шток 7 перекроет осевой канал 10 ударника 9, подача энергоносителя в камеру холостого хода 14 прекратится. В этот момент камера рабочего хода 13 сообщается с атмосферой через разрядный тракт: отверстия 26 опорной втулки 27, кольцевой зазор 28 клапана 23, радиальные отверстия 24 штока 7, обратный клапан 29 разрядного тракта и отверстия 25 шламотранспортной трубы 6.

Далее по мере продвижения ударника 9, радиальные отверстия 30 входят в зону расточки 2 корпуса 1 и энергоноситель по этим отверстиям из расточки 12 ударника 9 поступает в камеру рабочего хода 13. Давление в камере резко нарастает, что приводит к торможению ударника и перекидке клапана 23 в верхнее положение "питания". В этом положении клапана 23 в камеру рабочего хода 13 дополнительно подается энергоноситель по отверстиям 26 втулки 27. В верхнем положении "питание" клапана 23 разрядный тракт закрыт, так как закрыты отверстия 24. Ударник совершает рабочий ход. В это время камера холостого хода 14 сообщена с атмосферой через выхлопной тракт: отверстия 32 гильзы 3, канал 33, отверстия 34 гильзы 3, шлицы 16, продольные пазы 35 бурового инструмента 18 и его отверстия 19 и 20.

При движении ударника 9 во время рабочего хода его отверстия 30 выходят из зоны проточки 2 и после того, как они перекроются цилиндрической поверхностью корпуса 1, подача энергоносителя в камеру рабочего хода 13 через командный тракт прекратится. Однако питание камеры рабочего хода 13 продолжается через клапан 23. При дальнейшем движении ударника его пазы 11 выйдут из цилиндрической части корпуса 1, и камера рабочего хода 13 соединится с выхлопным трактом: пазы 11, кольцевой канал 31, отверстия 32 гильзы 3, кольцевой канал 33, отверстия 34 и далее шлицы 16, пазы 35 и отверстия 19 и 20.

Давление в камере рабочего хода 13 резко падает и клапан 23 перекидывается в нижнее положение "разрядка". Энергоноситель поступает в камеру холостого хода 14 и цикл повторится. Разрушенная порода подхватывается потоком энергоносителя, поступающего из машины в зону забоя, и выносится через центральное отверстие шламотранспортной трубы 6. Обратный клапан 29 препятствует попаданию шлама в зону работы клапана 23 через отверстия 25 шламотранспортной трубы 6. Особенно это важно, когда осуществляется прямая промывка скважины, при котором очистной агент подается по шламотранспортной трубе 6 и через зазор между корпусом ударной машины и стенками скважины выносится на поверхность, укрепляя стенки скважины. Надежную блокировку машины, т.е. прекращение ее работы после снятия осевой нагрузки, обеспечивают отверстия 36, выполненные в стенке штока 7. После их открытия ударником, энергоноситель не будет поступать в верхнюю расточку 12 ударника, а будет поступать в камеру рабочего хода 13, и далее через выхлопной тракт проходить в забойную зону бурового инструмента. При этом осуществляется интенсивная промывка (продувка) шламотранспортного канала машины и буровой колонны.

Установка для камеры рабочего хода автономного питающе-разрядного устройства в виде ступенчатого клапана с соответствующими трактами позволяет значительно увеличить ударную мощность, так как противодавление со стороны камеры рабочего хода при движении ударника вверх минимальное, а во время всего рабочего хода ударника на него действует наибольшее, т.е. сетевое давление энергоносителя по всему его пути. Кроме того, клапанное распределение камеры рабочего хода позволяет применять в качестве энергоносителя не только сухой сжатый воздух, но и аэрированную жидкость. Это дает возможность увеличить глубину бурения обводненных скважин и вести бурение в сложных геологических разрезах (водопритоки, глинистые прослойки).

Установка обратного клапана в разрядном тракте между распределительным штоком и шламотранспортной трубой предотвращает попадание шлама в зону клапанного питающе-разрядного устройства. Это дает возможность осуществлять реверс потока очистного агента с обратной промывки на прямую с целью укрепления стенок скважины.

Формула изобретения

1. Погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем, включающая корпус с расточкой в верхней его части и гильзой, расположенной в нижней части корпуса, буровой инструмент, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал, ударник с осевым каналом и расточкой в верхней его части, управляемые камеры рабочего и холостого хода и систему распределения энергоносителя, содержащую питающие и выхлопные тракты, отличающаяся тем, что она снабжена автономным для камеры рабочего хода питающе-разрядным устройством, содержащим ступенчатый клапан, установленный на распределительном штоке, разрядный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в штоке и в шламотранспортной трубе в зоне размещения клапана, командный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в верхней части ударника, периодически соединяющих камеру рабочего хода с питающим трактом через расточки в ударнике и в корпусе.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в разрядном тракте между распределительным штоком и шламотранспортной трубой установлен обратный клапан, выполненный в виде воротниковой манжеты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2