Погружная ударная машина

 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к погружным устройствам для ударно-вращательного бурения скважин и может найти применение в геологоразведке, гидрогеологии и горном деле. Сущность изобретения: ударная машина универсальна по энергоносителю и надежно работает на газожидкостной смеси, в том числе на аэрированной жидкости, воде, запесоченом глиностом растворе высокой плотности, что расширяет ее технонологические возможности. Машина содержит корпус с гильзой, переходник со штоком, муфту с наковальней, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя по камерам, включающую ступенчатый питающе-разрядный клапан с уплотняющим элементом в виде упруго-эластичного кольца, закрепленного на штоке и опирающегося в торец клапана, питающий, сливной, разрядный и командный тракты. При этом клапан снабжен направляющими ребрами, выполненными на его наружной поверхности, опирающимися на внутреннюю поверхность корпуса. 2 ил.

Предлагаемая ударная машина относится к буровой технике, а именно к погружным устройствам для ударно-вращательного бурения скважин и может найти применение в геологоразведке, бурения на воду, в горном деле.

Известна погружная ударная машина для бурения скважин (а.с. N 1654564), содержащая корпус с гильзой, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую кольцевой питающе-разрядный клапан, шток с разрядными каналами, гильзу с питающим и командным трактом и сливной канал в ударнике и наковальне.

Наличие в распределительной системе машины питающе-разрядного клапана предполагает снижение противодавления в камере при движении ударника на всем пути обратного хода. Это обуславливает повышение ударной мощности и коэффициента полезного действия машины. Однако ей присущи такие недостатки, как низкая надежность работы клапана при наличии инородных твердых частиц в виде пыли, песка, например, в энергоносителе, так как разделение полостей высокого и низкого давления осуществляется сопряжением двух цилиндрических поверхностей (клапана и гильзы). Кроме того, отсчета потока энергоносителя в камеру рабочего хода клапаном осуществляется наружной поверхностью последнего, путем перекрытия отверстий в гильзе, что обуславливает большой ход клапана и повышенный расход энергоносителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является погружная ударная машина по патенту N 2034983, включающая корпус, гильзу с наружными пазами, окнами и расточкой, муфту, наковальню с центральным сливным отверстием, переходник, шток с разрядными каналами, ступенчатый питающе-разрядный клапан, установленный на штоке, ударник с центральным сливным каналом, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода. Недостатком этой машины является низкая надежность ее работы вследствие заклинивания клапана при попадании частиц пыли мелкого песка в уплотняющее сопряжение цилиндрической поверхности клапана и штока, разделяющее полости высокого и низкого давления. Исключить попадание инородных частиц в напорную магистраль практически невозможно, особенно при работе машины на воздушно-водяной смеси. Эта машина надежно работает только на сжатом воздухе, что ограничивает ее технологические возможности: бурение не глубоких и не обводненных скважин.

Техническая задача, решаемая в предполагаемом изобретении, заключается в расширении технологических возможностей за счет применения различных энергоносителей (сжатый воздух, воздушно-водяная смесь, вода, глинистый раствор) в качестве рабочего тела ударной машины и очистного агента, при повышении надежности работы за счет исключения заклинивания распределительного клапана в местах сопряжения его с другими деталями устройства.

Достигается это тем, что предлагаемая машина включает корпус с гильзой, муфту с наковальней, переходник со штоком, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, распределительную систему, содержащую питающий, сливной, разрядный и командный тракты и ступенчатый питающе-разрядный клапан, который снабжен направляющими ребрами, выполненными на его наружной поверхности, опирающимися на внутреннюю поверхность корпуса. При этом на штоке, со стороны сетевого давления, установлен и закреплен упруго-эластичный элемент в виде плоского кольца, опирающегося в торец клапана.

Перенос уплотняющей поверхности, разделяющей камеры сетевого и разрядного давлений, на торец клапана за счет упруго-эластичного кольца, обеспечивает надежную работу машины не только на воздушно-водяной смеси, но и на глинистом растворе высокой плотности. Это расширяет технологические возможности машины. Становится возможным бурение скважины с креплением ее стенок глинистым раствором. Такими возможностями на обладают известные устройства.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства в положении ударника на инструменте (момент удара), на фиг. 2 - местный вид; ударник - в крайнем верхнем положении (начало прямого хода), распределительный клапан - в положении питания камеры прямого хода.

Погружная ударная машина состоит из корпуса 1 с гильзой 2, переходника 3 со штоком 4, муфты 5 с наковальней 6, имеющей центральный канал 7. Внутри корпуса 1 размещен ступенчатый ударник 8 с центральным каналом 9, разделяющий полость корпуса на камеры прямого 10 и обратного 11 хода. Между переходником 3 и гильзой 2 размещен ступенчатый питающе-разрядный клапан 12 с направляющими наружными ребрами 13. На штоке 4 установлено и закреплено плоское упруго-эластичное кольцо 14, опирающееся в клапан 12 в любом из него положений. Между кольцом 14 и переходником 3 образована камера 15 магистрального давления энергоносителя. Шток 4 снабжен осевым 16 и радиальными 17 разрядными каналами. Гильза 2 имеет продольные пазы 18 и радиальные окна 19, соединяющие камеру 11 обратного хода с магистральной камерой 15, а также блокировочные окна 20 и командную расточку 21. Питающий тракт камеры 10 прямого хода представлен торцевым зазором 22 (фиг. 2), образующимся между клапаном 13 и гильзой 2 при всех положениях клапана, кроме крайнего нижнего. Разрядный тракт состоит из кольцевого зазора 23 (см. фиг. 1), образующемся между клапаном и штоком 4, при всех положениях клапана, кроме крайнего верхнего, осевого 16 и радиальных 17 каналов в штоке 4. Сливной тракт отработанного энергоносителя состоит из канала 9 в ударнике и канала 7 в наковальне.

Погружная ударная машина работает следующим образом. Запуск машины в положении "вертикально вниз", фиг. 1. Энергоноситель (вода, глинистый раствор) поступает в камеру 15 и далее по каналам между ребрами 13 на клапане, пазам 18 и окнам 19 в гильзе 2 в камеру 11 обратного хода. При этом камера 10 прямого хода соединена со сливом. Давление в камере 11 нарастает и ударник 8 перемещается вверх, совершая обратный ход. По мере перемещения ударника сливной канал 9 в нем перекрывается штоком 4, но камера 10 остается сообщенной со сливным трактом через кольцевой зазор 23 между клапаном 12 и штоком, радиальные 17 и осевой 16 каналы, образующие разрядный тракт, в результате чего ударник испытывает минимальное противодавление со стороны камеры 10. Далее ударник 8 своей головкой входит в зону командной расточки 21 гильзы 2. Через образовавшийся зазор между головкой ударника и гильзой энергоноситель из камеры 11 обратного хода поступает в камеру 10 прямого хода, и давление в ней начинает расти, так как пропускная способность разрядного канала 23 ограничена. Под действием нарастающего давления в камере 10 на нижнюю площадку клапана 12 (фиг. 1) он перекидывается в верхнее положение (фиг. 2). Образуется торцевой зазор 22 питающего тракта. При этом разрядный канал 23 перекрывается клапаном. Энергоноситель из камеры 15 магистрального давления поступает в камеру 10 через зазор 22.

Давление в камерах 11, 10, 15 выравнивается, достигает магистрального значения и даже выше, вследствие проявления гидроудара в момент перекидки клапана 12. Ударник 8 интенсивно тормозится, так как его рабочая площадь со стороны камеры 10 много больше площади со стороны камеры 11. Происходит остановка ударника 8 и смена направления движения - с обратного на прямой, в сторону наковальни 6. В начале движения ударника 8 энергоноситель из камеры 11 вытесняется в камеру 10 через командную расточку 21 в гильзе 2. После перекрытия командного тракта 21, энергоноситель из камеры 11 продолжает вытесняться ударником 8 в камеру 10 через окна 19, пазы 18 в гильзе и питающий тракт 22 между гильзой и клапаном 12. Компенсируется увеличивающийся расход энергоносителя из магистрали и поддерживается высокое давление в камере 10 прямого хода. В момент схода ударника со штоком 4 открывается сливной тракт (фиг. 1), давление в камере 10 резко падает. Под действием разницы сил со стороны магистральной камеры 15 и камеры 10, обусловленной как разницей давлений, так и упругой силой кольца 14, клапан 12 перекинется в нижнее положение. Произойдет отсечка питания камеры 10 и соединение ее с разрядным трактом: каналы 23, 17, 16. Ударник 8 наносит удар по наковальне 6. Закрытие клапана 12 приводит к резкому перекрытию потока жидкости, вследствие чего возникает гидроудар в магистральной камере 15 и камере 11 обратного хода. Совместное действие гидростатического и гидроударного давлений в камере 11 обратного хода способствует быстрому забросу ударника 8 на заданную величину.

Введение в распределительный механизм уплотняющего элемента в виде упруго-эластичного кольца, опирающегося на торец клапана и перенос базирования клапана со штока на корпус посредством наружных направляющих ребер устраняет заклинивание клапана при подаче в машину запесоченного энергоносителя, так как обеспечивается практически беззазорное уплотнение поверхности, разделяющей камеры магистрального и сливного давлений и исключается попадание песка и других инородных частиц в уплотняющую поверхность. Предлагаемая конструкция машины существенно повышает надежность ее работы на различных энергоносителях и расширяет технологические возможности.

Формула изобретения

Погружная ударная машина, включающая корпус с гильзой, муфту с наковальней, переходник со штоком, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, систему распределителя энергоносителя по камерам, содержащую ступенчатый питающе-разрядный клапан, питающий, сливной, разрядный и командный тракты, отличающаяся тем, что питающе-разрядный клапан снабжен направляющими ребрами, выполненными на его наружной поверхности, опирающимися на внутреннюю поверхность корпуса, а на штоке со стороны сетевого давления установлен и закреплен упругоэластичный элемент в виде плоского кольца, опирающийся в торец клапана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2