Гидроударник двойного действия

(51) 21 1/12 (2009.01) 21 1/26 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Для этого в гидроударнике двойного действия,состоящем из корпуса, включающего снизу узел блокировки, корпусную трубу и сверху переводник,внутри корпуса расположен размещенный в нижнем и верхнем цилиндрах его дифференциальный поршень-молоток с центральным проходным каналом, над которым расположен подпружиненный клапан и дроссельного устройства, расположенного в донной части нижнего цилиндра,подпружиненный клапан выполнен трубчатой конструкции, в канале которого расположен хвостовик тарельчатого клапана, установленного с возможностью перемещения относительно подпружиненного клапана и перекрытия в верхнем исходном положении канала переводника.(73) Латыпов Авис Самигуллинович Латыпова Юлия Ависовна(57) Изобретение относится к области бурения скважин,в частности к гидроударникам,используемым при бурении скважин ударновращательным способом. Технический результат изобретения - повышение эксплуатационной надежности, энергии единичного удара и коэффициента полезного действия. 23524 Изобретение относится к области бурения скважин,в частности к гидроударникам,используемым при бурении скважин ударновращательным способом. Известен гидроударник двойного действия(Воскресенский Ф.Ф., Кичигин А.В. и др. Вибрационное и ударно-вращательное бурение.- М. 1961, рис. 119, стр. 174-175), состоящий из корпуса,включающего снизу узел блокировки, корпусную трубу и сверху переводник, внутри корпуса расположен размещенный в нижнем и верхнем цилиндрах его дифференциальный поршеньмолоток с центральным проходным каналом, над которым расположен подпружиненный клапан и дроссельного устройства, расположенного в донной части нижнего цилиндра. К основным недостаткам известного гидроударника двойного действия (в дальнейшем гидроударник) следует отнести- по мере увеличения глубины скважины длина кавитационного пространства, образующегося в канале молотка при прямом его ходе снижается, что приводит к более бранней отсечке клапана,приводящей к снижению скорости молотка,вследствие чего снижается эффективность бурения- наличие уплотнительных элементов на нижнем поршне дифференциального поршень-молотка (в дальнейшем - молотка), снижающем прочность головки упомянутого поршня, особенно при изготовлении гидроударников для бурения скважин малого диаметра, то есть снижается его эксплуатационная наджность- подъмная сила, действующая на молоток,ограничивается разностью площадей поперечного сечения поршней и давлением над дроссельным устройством, что ограничивает число ударов молотка, снижающих эффективность ударновращательного бурения- возникают значительные сопротивления прямому ходу молотка при вытеснении рабочей жидкости из рабочей полости нижнего цилиндра через отверстие малого сечение дроссельного устройства, что способствует снижению энергии единичного удара молотка и КПД (коэффициент полезного действия) гидроударника Задачей изобретения является разработка гидроударника двойного действия, обладающего большей эксплуатационной надежностью, большей энергией единичного удара и более высоким КПД. Для этого в гидроударнике двойного действия,включающем корпус, имеющий снизу узел блокировки, корпусную трубу и сверху переводник,внутри которого расположен размещенный в нижнем и верхнем цилиндрах его дифференциальный поршень-молоток с центральным проходным каналом, над которым расположен подпружиненный клапан и дроссельное устройство, расположенное в донной части нижнего цилиндра, подпружиненный клапан выполнен трубчатой конструкции, в канале которого расположен хвостовик тарельчатого клапана,установленного с возможностью перемещения относительно подпружиненного клапана и 2 перекрытия в верхнем исходном положении канала переводника. В частных случаях исполнения- в канале дифференциального поршень-молотка расположен струйный насос,каналы инжектирования которого выведены в полость низкого давления, связанную с замолотковым пространством- дроссельное устройство выполнено в виде кольцевого канала,образованного между внутренней стенкой нижнего цилиндра и наружной поверхностью нижнего поршня- внутренняя стенка нижнего цилиндра имеет канавки конусообразной формы в поперечном сечении, сужающиеся в верхнем направлении, а на поверхности нижнего поршня дифференциального поршень-молотка выполнены канавки упомянутой формы, расположенные оппозитно конусообразным канавкам нижнего цилиндра Изобретение поясняется графическими приложениями,где на фиг.1 представлен продольный разрез гидроударника по п.1 формулы изобретения на фиг.2 - конструкция струйного насоса, встроенного в поршень-молоток (по п.2 формулы изобретения),совмещнная с конструкцией кольцевого дросселя (по п. 3 формулы изобретения) на фиг.3 - конструкция нижнего цилиндро-поршневого узла по п. 4 формулы изобретения Гидроударник(фиг.1) состоит из узла блокировки 1, ввернутого в корпусную трубу 2, на которую навинчен переводник 3, имеющий канал 4 для пропуска рабочей жидкости. Корпусная труба 2 имеет нижний 5 и верхний 6 цилиндры, в которых расположены нижний 7 и верхний 8 (называемый в дальнейшем штоком) поршни молотка 9. Над верхним торцом штока 8 расположен подпружиненный трубчатый клапан 10,(упомянутой в дальнейшем - клапан 10), имеющий выполненные на верхнем торце опорные выступы для пружины 11 и ограничительное кольцо 12, а на верхнем торце верхнего цилиндра 6 ответные ему ограничительные выступы 13. В канале клапана 10 расположен хвостовик 14 тарельчатого клапана 15,установленного с возможностью перекрытия канала 4 при отсутствии потока рабочей жидкости. Ограничительные выступы 13 с внутренней стороны имеют центрирующие клапан 10 пояски, а нижний цилиндр 5 на верхнем торце имеет выступы для центрации нижнего цилиндра 5, имеющего дроссель 16 выполненный в виде центрального отверстия или в виде кольцевого зазора 17 (фиг.2), образованного между внутренней стенкой 18 нижнего цилиндра 5 и наружной поверхностью нижнего поршня 7. Площадь поперечного сечения зазора 17 выбирается равной площади поперечного сечения дроссельного устройства прототипа. Нижний цилиндр 5 имеет центральный канал 19, равный по площади поперечного сечения таковому нижнего поршня 7,нижние центрирующие пояски 20 и продольные перепускные каналы 21, а так же опорные участки 22, расположенные над верхней расточкой ниппеля 23 узла блокировки 1 на конструктивно заданном 23524 расстоянии. Донная часть 24 нижнего цилиндра 5 в рабочем положении гидроударника контактирует с клапанной поверхностью 25 наковальни 26,являющейся частью вала 27 узла блокировки 1. Вал 27 имеет возможность продольного перемещения относительно ниппеля 23 на конструктивно заданную величину и передачи крутящего момента долоту (не показанному на фигурах чертежей) через шпонку 28, установленную в пазах ниппеля 23, а также каналы для перепуска рабочей жидкости к забою скважины. Для формирования дополнительного динамического усилия,действующего на молоток снизу в верхнем направлении (фиг.3) на внутренней стенке 18 нижнего цилиндра 5 имеются канавки 29 конусообразной формы в поперечном сечении, на наружной поверхности 19 нижнего поршня 7 имеются канавки 30, расположенные оппозитно упомянутым канавкам 29. Молоток 9 имеет участок, выполненный в виде струйного насоса (фиг.2),состоящего из сопла 31 и камеры смешения 32,оканчивающейся диффузором 33 и соединнной каналами 34 для инжектирования жидкости из полости 35, расположенной между наружной поверхностью молотка 9 и внутренней стенкой корпусной трубы 2 и сообщающейся через каналы узла блокировки и долота с затрубным пространством. На фиг. 1 приняты следующие обозначения-ход клапана У-ход молотка -ход нижнего цилиндра при блокировке Н-ход вала узла блокировки -величина поджатия пружины клапана напором рабочей жидкости (в дальнейшем жидкости). Эксплуатация гидроударника происходит следующим образом. Собранный в соответствии с выбранным вариантом гидроударник общепринятым способом опускают на забой скважины. При этом тарельчатый клапан 15 ввиду воздействия пружины на клапан 10 занимает верхнее положение и перекрывает канал 4,препятствуя перетоку жидкости из ствола скважины внутрь колонны бурильных труб, навернутых на переводник 3. По мере подачи жидкости тарельчатый клапан 15 под действием напора е опускается на величинуи осуществляет предварительное поджатие пружины клапана 10, что позволяет поступлению жидкости в рабочие полости гидроударника. До момента постановки долота на забой скважины жидкость свободно проходит по каналам гидроударника и долота на забой скважины, так как вал 27 под действием силы тяжести самого вала и долота, а также динамического воздействия потока жидкости на клапанную поверхность 25 наковальни 26 занимает нижнее положение, опускаясь на величину Н. Вследствие этого возникает зазор между торцами наковальни и нижнего цилиндра 5, так как ход последнего в нижнем направлениизначительно меньше хода вала 27, поэтому во всех полостях гидроударника устанавливается одинаковое давление и молоток 9 останется в нижнем положении, то есть работа гидроударника будет заблокирована. По мере достижения долотом забоя скважины детали гидроударника примут положения,показанные на фиг. 1, то есть клапан 10 под действием пружины будет находиться в верхнем положении, молоток 9 - в нижнем положении,нижний цилиндр и наковальня займут верхнее положение, а в рабочих полостях гидроударника установится повышенное дросселем 16 давление. Ввиду того, что площадь поперечного сечения нижнего поршня 7 превосходит таковую верхнего поршня 8 молоток 9 вынужден перемещаться в верхнем направлении до момента смыкания верхнего торца штока 8 с нижним торцом трубчатого клапана 10, сопровождающегося возникновением гидроудара над верхним цилиндром 6, под действием которого система молоток-трубчатый клапан-тарельчатый клапан начинают с ускорением перемещаться вниз. При этом в полости штока 8 жидкость продолжает двигаться в нижнем направлении по инерции,образуя кавитационную полость, при малой длине которой энергию, возникающую при смыкании упомянутой полости воспримет нижний торец хвостовика 14 тарельчатого клапана 15 и переместится в верхнем направлении до момента торможения его движения энергией прямого потока жидкости, поступающего из канала 4 переводника 3. При этом система молоток-трубчатый клапан продолжают свое движение в нижнем направлении,а тарельчатый клапан через некоторый промежуток времени нагонит их. По мере достижения ограничительным кольцом 14 ограничительных выступов 13 движение трубчатого клапана 10 прекращается, а молоток 9 продолжает движение вниз по инерции до нанесения удара по донной части 24 нижнего цилиндра 5, контактирующего с клапанной поверхностью 25 наковальни 26,передающей ударный импульс долоту,навинченному на вал 27, который одновременно передает долоту крутящий момент,воспринимаемый валом 27 от шпонки 28,взаимодействующей с ниппелем 23. В дальнейшем рабочий процесс гидроударника повторяется. Увеличение эффективности обратного хода молотка 9 (фиг.2) достигается за счет струйного насоса,увеличивающего объм жидкости, поступающей в нижний цилиндр за счет инжектирования жидкости из полости 35 через каналы 34. При прямом ходе молотка 9 в пространстве под клапаном 10 скорость потока жидкости снижается до нуля, вследствие чего струйный насос не работает, а через его каналы 34 происходит вытеснение жидкости из нижнего цилиндра. В случае выполнения дроссельного устройства в виде кольцевого зазора 17 (фиг.3) достигается увеличение надежности, так как исключается уплотнительный элемент нижнего поршня 7, для размещения которого на поршне делают канавку, снижающую прочность его. Наличие на внутренней стенке 18 нижнего цилиндра 5 канавок 29, а на наружной поверхности 19 нижнего поршня 7 ответных им оппозитно расположенных канавок 30 (фиг. 3) способствуют преобразованию энергию потока жидкости в 3 23524 дополнительное динамическое воздействие на поршень 7, благодаря тому, что обтекая канавки 29 поток жидкости направляется па выступы ответных оппозитно расположенных канавок 30 нижнего поршня 7, то есть к дифференциальной подъемной силе молотка 9 добавляется динамическое воздействие потока жидкости, что увеличивает скорость подъма молотка 9, вследствие чего повышается число ударов молотка без увеличения расхода жидкости или, уменьшая расход жидкости,можно сохранить неизменной мощность гидроударника. Последнее обстоятельство позволяет повысить КПД гидравлической системы ударно-вращательного бурения с помощью гидроударников. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Гидроударник двойного действия, состоящий из корпуса, включающего снизу узел блокировки,корпусную трубу и сверху переводник, внутри корпуса расположен размещнный в нижнем и верхнем цилиндрах его дифференциальный поршень-молоток с центральным проходным каналом, над которым расположен подпружиненный клапан и дроссельное устройство, расположенное в донной части нижнего цилиндра, отличающийся тем, что подпружиненный клапан выполнен трубчатой конструкции, в канале которого расположен хвостовик тарельчатого клапана,установленного с возможностью перемещения относительно подпружиненного клапана и перекрытия в верхнем положении канала переводника. 2. Гидроударник по п.п. 1, отличающийся тем,что в канале дифференциального поршень - молотка расположен струйный насос,каналы инжектирования которого выведены в полость низкого давления, связанную с затрубным пространством. 3. Гидроударник по п.п. 1 и 2, отличающийся тем, что дроссельное устройство выполнено в виде кольцевого канала,образованного между внутренней стенкой нижнего цилиндра и наружной поверхностью нижнего поршня. 4. Гидроударник по п.п. 1, 2, 3, отличающийся тем, что внутренняя стенка нижнего цилиндра имеет канавки конусообразной формы в поперечном сечении, сужающиеся в верхнем направлении, а на наружной поверхности дифференциального поршень - молотка выполнены канавки упомянутой формы, расположенные оппозитно конусообразным канавкам цилиндра.