способ ударно-вращательного бурения скважин и машина для его осуществления

Формула изобретения

1.Способ ударно-вращательного бурения скважин, заключающийся в подаче в ударную машину энергоносителя в виде смеси газа и жидкости и преобразовании его в ударные импульсы, воздействующие на забой, отличающийся тем, что смесь подают с коэффициентом аэрации

a = = 1-50,

где V_в - объемное содержание газа в смеси;

V_ж - объемное содержание жидкости в смеси.

2. Ударная машина, включающая корпус с гильзой, ударник, разделяющий полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, буровой инструмент и систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую верхний питающе-разрядный клапан, питающий, сливной, разрядный и командный тракты камеры прямого хода, отличающаяся тем, что ударная машина снабжена управляемым нижним питающе-разрядным клапаном, установленным в корпусе со стороны камеры обратного хода и образующим с гильзой командный тракт камеры обратного хода.

3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что нижний питающе-разрядный клапан выполнен в виде установленной в корпусе с возможностью осевого перемещения втулки с внутренней расточкой и буртиком, между внутренней поверхностью которого и буровым инструментом образован кольцевой разрядный канал.

4. Машина по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что нижний питающе-разрядный клапан установлен в корпусе с возможностью торцевого взаимодействия с гильзой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам и устройствам для бурения скважин, и может найти применение в горной промышленности и геологоразведке.

Известен способ ударно-вращательного бурения скважин с использованием в качестве энергоносителя газожидкостной смеси (ТЖС) в виде туманов с коэффициентом аэрации 1000, подаваемой в обычный пневмоударник. Однако работа пневмоударника на этой смеси приводит к снижению ударной мощности машины снижению эффективности бурения, проявляющейся в снижении скорости и глубины бурения (авт. св. СССР N 108651, кл. Е 21 С 3/24, 1954).

Известна гидроударная машина (Граф Л.Э. и Коган Д.И. Гидроударные машины и инструменты. М.: Недра, 1972, с. 59-63), содержащая корпус, присоединяемый к колонне бурильных труб, в котором встроен верхний клапан, дифференциальный поршень-ударник с встроенным обратным клапаном с пружиной и наковальня с центральным каналом, преобразование энергоносителя в ударные импульсы в которой осуществляется посредством возбуждения гидроудара.

Недостатком этой машины является непроизводительный расход жидкости во время разгона энергоносителя, обуславливающий низкий КПД, и невозможность обеспечения высокой энергии единичного удара с целью снижения энергоемкости разрушения горных пород при ударно-вращательном способе бурения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ударное устройство, содержащее корпус с гильзой, ударник, разделяющий полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, буровой инструмент и систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую верхний питающеразрядный клапан, питающий сливной разрядный и командный тракты камеры прямого хода (авт.св. СССР N 1654564, кл. E 21 C 3/24, 1989).

Недостатком этого устройства является малая энергонасыщенность, недостаточное использование мощности потока энергоносителя и низкий КПД машины.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения за счет повышения энергонасыщенности, улучшение использования мощности потока энергоносителя и увеличение КПД машины.

Поставленная цель достигается тем, что в способе ударно-вращательного бурения подают в ударную машину аэрированную жидкость с коэффициентом аэрации 1-50 и преобразуют ее в ударные импульсы, воздействующие на забой. Ударная машина включает корпус с гильзой, ударник, разделяющий полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, буровой инструмент и систему распределения энергоносителя по рабочим камерам.

Камера обратного хода снабжена нижним управляемым питающеразрядным клапаном, размещенным в корпусе в зоне взаимодействия бурового инструмента и ударника, образующего с гильзой командный канал нижнего питающеразрядного клапана. Кроме того, нижний питающеразрядный клапан выполнен в виде втулки с внутренней расточкой и буртиком, между внутренней поверхностью которого и буровым инструментом образован кольцевой разрядный канал, при этом нижний питающеразрядный клапан установлен в корпусе с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с гильзой.

Предлагаемые способ и устройство обладают "существенными отличиями".

На фиг. 1 изображен общий вид ударной машины, работающей на аэрированной жидкости в момент соударения ударника с буровым инструментом; на фиг. 2 - то же, с положением ударника в конце обратного хода (начало прямого хода).

Способ осуществляют следующим образом.

В ударную машину подают энергоноситель в виде аэрированной жидкости, преобразуют его в ударные импульсы, воздействующие на забой. При этом используется аэрированная жидкость с коэффициентом аэрации а = V_в/V_ж= 1-50, где V_в - объемное содержание газа в смеси; V_ж - объемное содержание жидкости в смеси.

Использование аэрированной жидкости в специально сконструированной ударной машине позволяет повысить эффективность бурения путем повышения энергонасыщенности, улучшения использования мощности потока энергоносителя и увеличения КПД машин.

Ударная машина состоит из корпуса 1 (см. фиг. 1), гильзы 2, приемного переходника 3, передней буксы 4, ударника 5 с центральным сливным каналом 6 и трубкой 7, разделяющей полость корпуса 1 на камеру 8 прямого хода и камеру 9 обратного хода, бурового инструмента 10, закрепленного в передней буксе 4, и системы распределения энергоносителя, содержащей верхний и нижний клапанные устройства, обеспечивающие питание и разрядку камер 8 и 9. Верхнее клапанное устройство включает шток 11, установленный в задней стенке гильзы 2 и имеющий разрядные осевой 12 и радиальные 13 каналы. На штоке 11 расположен верхний питающеразрядный клапан 14, образующий со штоком 11 разрядный тракт в виде кольцевого 15 и торцевого 16 каналов, а с задней стенкой гильзы 2 - верхний питающий тракт в виде расточки 17, продольных каналов 18 и торцевого канала 19.

Нижнее клапанное устройство включает нижний питающеразрядный клапан 20, выполненный в виде втулки с внутренней расточкой 21 и буртиком 22, установленный между гильзой 2 и буксой 4, образующий с буровым инструментом 10 кольцевой разрядный канал 23, а с буксой 4 торцевой канал 24, составляющие с проточкой 25 в инструменте 10, радиальными каналами 26, проточкой 27 в буксе 4 и окнами 28 в корпусе 1 нижний разрядный тракт. При этом нижний питающеразрядный клапан 20 образует с гильзой 2 торцевой канал 29, составляющий с наружными продольными пазами 30, радиальными окнами 31 и 32, продольными пазами 33, выполненными в гильзе 2, нижний питающий тракт.

Сливные тракты камеры 8 прямого хода и камеры 9 обратного хода образованы центральным каналом 6 ударника 5 и центральным сливным каналом 34 бурового инструмента 10. Командные тракты образованы проточкой 35 ударника 5 местными выборками 36 и 37 по концам гильзы 2 и распределительными верхними 38 и нижними 39 поясками ударника 5.

Ударная машина работает следующим образом.

Энергоноситель в виде аэрированной жидкости с коэффициентом аэрации, например, а = 25 подается в приемный переходник 3 (см. фиг. 1) и далее по продольным пазам 30, радиальным окнам 31 в проточку 35 ударника. Из нее по радиальным окнам 32, продольным пазам 33, торцевому каналу 29, образованному ходом нижнего питающеразрядного клапана 20, поступает в камеру 9 обратного хода. При этом разрядный тракт этой камеры перекрыт нижним питающеразрядным клапаном 20, а сливной тракт - трубкой 7. Камера 9 обратного хода сообщена также с магистралью через нижний командный тракт - местная выборка 37 и проточка 35. Камера 8 хода сообщена с затрубным пространством через сливной тракт - каналы 6 и 34.

Под действием давления аэрированной жидкости ударник 5 начинает перемещаться вверх, совершая обратный ход. По мере его перемещения он перекрывает своим нижним пояском 39 нижний командный тракт. Питание камеры 9 продолжается через питающий тракт - проточка 35, окно 32, пазы 33 и торцевой канал 29. При дальнейшем перемещении ударника назад перекрывается сливной тракт камеры 8 прямого хода. В то же время камера 8 остается сообщенной с затрубным пространством через верхний разрядный тракт - продольные каналы 18, расточка 17, кольцевой канал 15, торцевой канал 16, радиальные 13 и осевой 12 каналы. После выхода трубки 7 из бурового инструмента 10 камера 9 обратного хода сообщится с затрубным пространством через сливной канал 34. Давление в ней резко падает, поскольку аэрированная жидкость - малорасширяющийся энергоноситель (по сравнению со сжатым воздухом). При этом под действием магистрального давления аэрированной жидкости на нижний питающеразрядный клапан 20 вследствие разности сил, действующих на него снизу и сверху из-за разности рабочих площадей, последний перемещается вверх до упора в гильзу 2. Питание камеры 9 обратного хода прекращается с перекидкой питающеразрядного клапана 20 (см. фиг. 2), камера 9 обратного хода сообщается дополнительно с затрубным пространством через нижний разрядный тракт - кольцевой канал 23, торцевой канал 24, внутренняя расточка 21, в клапане 20 проточка 25, в инструменте 10 радиальные окна 26, проточка 27 в буксе 4 и окна 28. Ударник 5 продолжит движение назад по инерции. По мере его дальнейшего перемещения верхний поясок 38 входит в зону местной выборки 36 гильзы 2. В камеру 8 прямого хода подается команда на перекидку верхнего питающеразрядного клапана 14 из положения "Разрядки" в положение "Питание". Аэрированная жидкость из проточки 35 находится постоянно под магистральным давлением, через выборку 36 поступает в камеру 8 прямого хода и несмотря на временный слив через верхний разрядный тракт создаст быстро нарастающее давление в этой камере. Вследствие разности сил, действующих на верхний питающеразрядный клапан 14 со стороны магистрального давления и давления камеры 8 прямого хода, обусловленных разностью рабочих площадей питающеразрядного клапана 4, последний перекидывается из нижнего положения (см. фиг. 1) в верхнее положение (см. фиг. 2). При этом верхний разрядный тракт перекрывается, открывается питающий тракт - торцевой канал 19, обусловленный ходом питающеразрядного клапана 14, расточка 17 и продольные каналы 18. Ударник 5 резко тормозится и меняет ход с обратного на прямой. Вначале прямого хода командное питание камеры 8 прямого хода перекрывается ударником 5, а питание ее продолжится через питающеразрядный клапан 14. Камера 9 обратного хода на всем протяжении хода ударника 5 вперед остается сообщенной с затрубным пространством через нижний сливной тракт и далее до момента подачи команды на срабатывание нижнего питающеразрядного клапана 20 - через разрядный тракт. Это необходимо для снятия противодавления и нежелательного торможения ударника 5 со стороны камеры 9 обратного хода, так как аэрированная жидкость - слабосжимаемый энергоноситель.

В момент, предшествующий соударению ударника 5 и бурового инструмента 10, шток 11 выходит из сливного канала 6 и сообщает камеру 8 прямого хода с затрубным пространством. Давление в камере 8 резко падает практически без расширения и в силу разности давлений, действующих на верхний питающеразрядный клапан 14, последний перекидывается из верхнего положения (см. фиг. 2) в нижнее (см. фиг. 1), перекрывая питание камеры 8 и открывая разрядный тракт. Далее в непосредственной близости ударника 5 от бурового инструмента 10 ударник 5 входит своим нижним пояском 39 в зону выборки 37 и подает команду на перекидку нижнего питающеразрядного клапана 20. При этом аэрированная жидкость из проточки 35 поступает в выборку 37 и далее в камеру 9 обратного хода. Давление в ней резко нарастает и нижний питающеразрядный клапан 20 перекидывается из верхнего положения (фиг. 2) в нижнее положение (см. фиг. 1), соответствующее положению "Питания" камеры 9 обратного хода. После этого аэрированная жидкость из проточки 35 через окна 32 и продольные пазы 33, составляющие с торцевым каналом 29, обусловленным ходом нижнего питающеразрядного клапана 20, питающий тракт, наполняет камеру 9 обратного хода. В этот момент происходит соударение ударника 5 с буровым инструментом 10 практически без торможения последнего. Далее цикл повторяется.

Поскольку в предлагаемую машину подают энергоноситель в виде аэрированной жидкости - слабосжимаемое рабочее тело, то в ударной машине для преобразования напора аэрированной жидкости в ударные импульсы необходимо камеру 9 обратного хода снабдить распределительным устройством, обеспечивающим разряд этой камеры на всем протяжении прямого хода ударника 5 до соударения с буровым инструментом 10 без противодавления. В качестве такого устройства предложен нижний питающеразрядный клапан 20 с соответствующей командой на перекидку от ударника 5 в отличие от пневмоударных машин, в которых подача сжатого воздуха в камеру 9 обратного хода производится задолго до удара (с большим упреждением) без существенного проявления в камере 9 обратного хода, так как сжатый воздух - легко сжимаемое рабочее тело. Аэрированная жидкость в предлагаемом способе и устройстве является слабосжимаемым рабочим телом, поэтому упреждение питания камеры 9 обратного хода недопустимо, так как быстро нарастающее давление этого энергоносителя преждевременно тормозится ударником 5 и удара не происходит. Аэрированная жидкость как энергоноситель по сравнению со сжатым воздухом обладает более высокой энергонасыщенностью, а ударная машина, работающая на этом энергоносителе, преобразует его в ударные импульсы с более высоким КПД.