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. Погружная ударная машина включает корпус, гильзу со сливным трактом, установленную в нижней части корпуса, буровой инструмент с каналами, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал, ударник с осевым каналом и расточкой в верхней его части, управляемую камеру рабочего хода с питающеразрядным устройством, содержащим ступенчатый клапан с полостью пониженного давления и разрядный тракт. При этом в ее корпусе в зоне размещения ступенчатого клапана установлена верхняя гильза, а разрядный тракт , выполненный в ней в виде наружных продольных пазов и радиальных отверстий, сообщен со сливным трактом гильзы, установленной в нижней части корпуса, и полостью пониженного давления ступенчатого клапана, которая образована наружной поверхностью его меньшей ступени и внутренней поверхностью верхней гильзы. Изобретение обеспечивает повышение надежности в работе машины. 2 ил.

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

Известен кольцевой пневмоударник для бурения скважины, а.с. СССР N 1671836, кл. E 21 B 4/14, 3/24, опубл. в БИ N 31, 1991 г., включающий корпус, ступенчатый ударник со сквозным осевым каналом, камеры холостого и рабочего хода, кольцевой породоразрушающий инструмент, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой воздухоподводящий канал с системой распределения сжатого воздуха по рабочим камерам.

Недостатком такого пневмоударника является то, что он может работать только на сухом сжатом воздухе и это значительно ограничивает область его применения по глубине бурения скважины, особенно в сложных геологических структурах с большими водопритоками. Применение другого, более эффективного, энергоносителя, например воды или глинистого раствора, в данном пневмоударнике не представляется возможным, так как в нем использована бесклапанная система распределения энергоносителя, которая обеспечивает нормальную работу машины только на сжатом воздухе.

Кроме того, при бурении скважин в сложных геологических условиях с прослоями глины и галечников в шламотранспортной трубе образуются сальниковые пробки, не устраняемые воздухом, что нарушает нормальную работу пневмоударника.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем по патенту РФ N 2109124, кл. E 21 B 4/14, E 21 C 3/24, опубл. в БИ N 11, 1998 г., включающая корпус, гильзу, установленную 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 ступенчатый питающе-разрядный клапан с полостью пониженного давления и разрядный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в штоке и шламотранспортной трубе, сообщающий полость пониженного давления ступенчатого клапана с внутренней полостью шламотранспортной трубы. Кроме того, в разрядном тракте установлен обратный клапан, выполненный в виде воротниковой манжеты.

Эта машина, благодаря наличию питающе-разрядного клапана для камеры рабочего хода, работает как на сухом сжатом воздухе, так и на газожидкостной смеси, что существенно расширяет область ее применения. Однако она тоже имеет недостатки. Главным конструктивным недостатком ее является то, что полость пониженного давления ступенчатого клапана, используемого в системе распределения энергоносителя, образована внутренней поверхностью его и наружной поверхностью распределительного штока. При таком исполнении постоянная разрядка полости пониженного давления может быть осуществлена только через внутреннюю полость шламотранспортной трубы. При этом частицы шламового потока, проходя через зону отверстий разрядного тракта, попадают под воротниковую манжету, изнашивают ее, засоряют разрядный тракт и полость пониженного давления ступенчатого клапана, что снижает надежность работы ударной машины.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, - повышение надежности работы машины за счет устранения возможности проникновения шлама в разрядный тракт и в полость пониженного давления ступенчатого клапана питающе-разрядного устройства.

Поставленная задача решается посредством того, что в предлагаемой погружной ударной машине для бурения скважин кольцевым забоем, включающей корпус, гильзу со сливным трактом, установленную в нижней части корпуса, буровой инструмент с каналами, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал, ударник с осевым каналом и расточкой в верхней его части, управляемую камеру рабочего хода с питающе-разрядным устройством, содержащим ступенчатый клапан с полостью пониженного давления и разрядный тракт, согласно предлагаемому решению в корпусе, в зоне размещения ступенчатого клапана, установлена верхняя гильза, а разрядный тракт, выполненный в ней в виде наружных продольных пазов и радиальных отверстий, сообщен со сливным трактом гильзы, установленной в нижней части корпуса, и полостью пониженного давления ступенчатого клапана, которая образована наружной поверхностью его меньшей ступени и внутренней поверхностью верхней гильзы.

Установка в корпусе предлагаемой машины верхней гильзы, размещенной в зоне расположения ступенчатого клапана и снабженной разрядным трактом, который сообщает полость пониженного давления ступенчатого клапана со сливным трактом гильзы, установленной в нижней части корпуса, предотвращает попадание частиц шлама в разрядный тракт, что повышает надежность работы машины.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез погружной ударной машины, выполненный в 3-х частях, а на фиг. 2 - местный вид III зоны размещения ступенчатого клапана и верхней гильзы в увеличенном масштабе.

Погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем (фиг. 1) состоит из корпуса 1, в котором размещены верхняя гильза 2 с разрядным трактом в виде наружных продольных пазов 3 и радиальных отверстий 4 (фиг. 2) и гильза 5 со сливным трактом в виде радиальных отверстий 6 и продольных каналов 7, установленная в нижней части корпуса 1 (фиг. 1). В верхней части машины размещен приемный переходник 8 с обратным клапаном 9. В центральной части машины размещены шламотранспортная труба 10 и распределительный шток 11, установленные в переходнике 8 коаксиально и образующие между собой кольцевой энергоподводящий канал 12. Коаксиально относительно штока 11 и трубы 10 размещен ударник 13 с осевым каналом 14, расточкой 15 и продольными пазами 16 в верхней его части. Верхний торец ударника 13 ограничивает управляемую камеру 17 рабочего хода, а нижний - камеру 18 холостого хода, постоянно сообщенную с магистралью энергоносителя через кольцевой энергоподводящий канал 12 и осевой канал 14 ударника 13. В нижней части машины размещена муфта 19 с внутренними шлицами 20, которые входят в зацепление с наружными шлицами (поз. не обозначены) хвостовика 21 с закрепленным на нем буровым инструментом 22, имеющим сливные каналы 23.

Автономное для камеры 17 рабочего хода ударника 13 питающе-разрядное устройство (поз. не обозначено) выделено местным видом III (фиг. 1, 2), содержит ступенчатый клапан 24, установленный на распределительном штоке 11, на наружной поверхности которого выполнены местные командные каналы 25. Полость 26 пониженного давления ступенчатого клапана 24 образована наружной поверхностью его меньшей ступени и внутренней поверхностью верхней гильзы 2 (фиг. 2), которая поджата к переходнику 8 через опорную мембрану 27. Полость 26 пониженного давления ступенчатого клапана 24 постоянно сообщена с забойным пространством и шламотранспортной трубой 10 через сливной тракт: радиальные отверстия 6, продольные каналы 7 гильзы 5, шлицы 20 муфты 19 и сливные каналы 23 бурового инструмента 22, промежуточную полость 28, образованную корпусом 1, гильзой 5, ударником 13 и верхней гильзой 2, и разрядный тракт - продольные пазы 3 и радиальные отверстия 4 верхней гильзы 2.

Машина работает следующим образом.

Энергоноситель в виде аэрированной жидкости или воды с пенообразующими добавками подается в приемный переходник 8 (фиг. 1). Открывается обратный клапан 9 и энергоноситель через кольцевой канал 12 поступает в расточку 15 ударника 13. Далее по осевому каналу 14 ударника 13 энергоноситель постоянно поступает в камеру 18 холостого хода. При этом камера 17 рабочего хода сообщена с затрубным пространством и шламотранспортной трубой 10 через сливной тракт, включающий продольные пазы 16 ударника 13, промежуточную полость 28, отверстия 6 и пазы 7 гильзы 5, шлицы 20 муфты 19 и каналы 23 бурового инструмента 22. Под действием давления энергоносителя в камере 18 холостого хода ударник 13 перемещается назад, совершая обратный ход. При этом ступенчатый клапан 24 находится в крайнем переднем положении (положение "разрядка") и прижата к опорному буртику распределительного штока 11 силой давления энергоносителя напорной магистрали через опорную мембрану 27, а камера 17 рабочего хода сообщена с полостью 26 пониженного давления ступенчатого клапана 24 и через разрядный тракт: радиальные отверстия 4, продольные пазы 3 верхней гильзы 2 (фиг. 1, левая половина) со сливным трактом: радиальные отверстия 6, продольные каналы 7 гильзы 5, установленной в нижней части корпуса 1. Из камеры 17 рабочего хода осуществляется дополнительный слив отработанного энергоносителя, вследствие чего противодействие движению ударника 13 оказывается минимальным. При этом полость 26 пониженного давления и разрядный тракт в гильзе 2 активно очищаются чистым энергоносителем.

Далее по мере продвижения ударника 13 его расточка 15 входит в зону командных каналов 25 распределительного штока 11 и энергоноситель из напорной магистрали через канал 12 (фиг. 2) поступает в камеру 17 рабочего хода, давление в ней резко возрастает, что приводит к торможению ударника 13 и перекидке ступенчатого клапана 24 в верхнее положение (положение "питание"). Принудительная разрядка камеры 17 рабочего хода прекращается и в нее, дополнительно к командному питанию, описанному выше, подается энергоноситель через ступенчатый клапан 24. Ударник 13 совершает рабочий ход. По мере продвижения ударника 13 вперед отсекается командное питание камеры 17 через расточку 15, но энергоноситель продолжает поступать в эту камеру через ступенчатый клапан 24. В конце рабочего хода пазы 16 ударника 13 входят в зону промежуточной полости 28, сообщенной постоянно со сливным трактом, и давление в камере 17 рабочего хода резко падает. В это время ступенчатый клапан 24 под действием магистрального давления энергоносителя на опорную мембрану 27 перемещается вперед до упора в буртик распределительного штока 11 и подача энергоносителя в камеру 17 рабочего хода прекращается. Ударник 13 наносит удар по хвостовику 21 (фиг. 2) и далее цикл повторяется.

Разрушенная буровым инструментом 22 порода из забойной зоны подхватывается потоком отработанного энергоносителя, поступающего из каналов 23 (фиг. 1), и выносится наружу через шламотранспортную трубу 10. При этом частицы шлама не могут попасть в полость 26 пониженного давления ступенчатого клапана 24 и разрядный тракт в гильзе 2, так как этот тракт у предлагаемой машины, в отличие от разрядного тракта прототипа, сообщен не с внутренней полостью шламотранспортной трубы 10, а со сливным трактом гильзы 5. Это стало возможным благодаря тому, что в корпусе 1, в зоне размещения ступенчатого клапана 24, установлена верхняя гильза 2 и разрядный тракт выполнен в ней, а полость 26 пониженного давления ступенчатого клапана 24 образована наружной поверхностью его меньшей ступени и внутренней поверхностью верхней гильзы 2, что и повышает надежность работы машины.

Формула изобретения

Погружная ударная машина для бурения скважин кольцевым забоем, включающая корпус, гильзу со сливным трактом, установленную в нижней части корпуса, буровой инструмент с каналами, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал, ударник с осевым каналом и расточкой в верхней его части, управляемую камеру рабочего хода с питающе-разрядным устройством, содержащим ступенчатый клапан с полостью пониженного давления и разрядный тракт, отличающаяся тем, что в корпусе в зоне размещения ступенчатого клапана установлена верхняя гильза, а разрядный тракт, выполненный в ней в виде наружных продольных пазов и радиальных отверстий, сообщен со сливным трактом гильзы, установленной в нижней части корпуса, и полостью пониженного давления ступенчатого клапана, которая образована наружной поверхностью его меньшей ступени и внутренней поверхностью верхней гильзы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2