Погружная ударная машина

(51) 21 1/12 (2010.01) 21 1/26 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ наковальне в нижнем положении и по ограничителю обратного хода в верхнем исходном положении,клапан-поршень с цилиндром и устройством возврата в исходное верхнее положение,ограничитель обратного хода снабжн поршнем,расположенным на верхнем его торце и установленным с возможностью периодического взаимодействия с цилиндром, выполненным в донной части переходника, устройство возврата ударника в верхнее исходное положение имеет, по меньшей мере одну ступень преобразователя направления движения потока рабочей среды с прямого на обратное, выполненного в виде аксиально расположенных каналов -образной формы, оппозитно выходным концам которых на ударнике образована парусная поверхность,цилиндр клапан-поршня расположен над блокировочным узлом, между наковальней которой и нижним торцом ударника расположена с возможностью осевого перемещения выключательнаковальня,ударник имеет скальчатую конструкцию и, по меньшей мере, упомянутую выше одну парусную поверхность.(73) Латыпов Авис Самигуллинович Латыпова Юлия Ависовна(56) Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками. - М. Недра,рис.24(57) Изобретение относится к области горного дела,в частности к погружным ударным машинам для ударно-вращательного бурения скважин. Технический результат изобретения - повышение эффективности формирования ударного импульса,передаваемого на долото и расширение области применения. Для этого в погружной ударной машины,содержащей снабженный блокировочным узлом снизу и переходником сверху корпус, внутри которого расположен ударник с устройством возврата в верхнее исходное положение, имеющий возможность возвратно-поступательного перемещение, завершающегося нанесением удара по 23023 Изобретение относится к области горного дела, в частности к погружным устройствам для ударновращательного бурения скважин. Известна погружная ударная машина (Патент 12625, Е 21 В 1/26, опуб. 15.01.2009), включающая размещенные внутри корпуса, оканчивающегося внизу блокировочным узлом, а сверху переходником,дифференциальный поршеньударник, клапаны прямого и обратного ходов,установленные с возможностью поочередного перемещения совместно с поршнем- ударником между наковальней узла блокировки и ограничителем обратного хода. Основным недостатком известной погружной ударной машины является то обстоятельство, что часть энергии гидравлического удара,приобретаемого ударником при прямом ходе теряется во время свободного хода после отсечки клапана. Известна погружная ударная машина (Эпштейн Е.Ф., Ясов В. Г Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками.- М. Недра, рис. 24),содержащая снабженный блокировочным узлом снизу и переводником снизу корпус, внутри которого расположен подпружиненный ударник,установленный с возможностью возвратнопоступательного перемещения и взаимодействия с подпружиненным клапан-поршнем,цилиндр которого расположен в наковальне блокировочного узла. Основным недостатком известной погружной ударной машины является то обстоятельство, что часть энергии гидравлического удара расходуется на сжатие жесткой пружины ударника, вследствие чего снижается коэффициент полезного действия ударной машины, то есть снижается эффективность формирования ударного импульса, передаваемого долоту. Кроме того, известная погружная ударная машина не может быть использована при использовании в качестве рабочей среды сжатый газ. Задачей изобретения является разработка погружной ударной машины,позволяющей повысить эффективность формирования ударного импульса, передаваемого на долото для повышения эффективности бурения, а также расширить область применения. Для этого в погружной ударной машины,содержащей снабженный блокировочным узлом снизу и переходником сверху корпус, внутри которого расположен ударник с устройством возврата в верхнее исходное положение, имеющий возможность возвратно-поступательного перемещения, завершающегося нанесением удара по наковальне в нижнем положении и по ограничителю обратного хода в верхнем исходном положении,клапан-поршень с цилиндром и устройством возврата в исходное верхнее положение,ограничитель обратного хода снабжн поршнем,расположенным на нижнем его торце и установленным с возможностью периодического взаимодействия с цилиндром, выполненным в донной части переходника, устройство возврата 2 ударника в верхнее исходное положение имеет, по меньшей мере одну ступень преобразователя направления движения потока текучей среды с прямого на обратное, выполненного в виде аксиально расположенных каналов -образной формы, оппозитно выходным концам которых на ударнике образована парусная поверхность,цилиндр клапан-поршня расположен над блокировочным узлом, между наковальней которой и нижним торцом ударника расположена с возможностью осевого перемещения выключательнаковальня,ударник имеет скальчатую конструкцию и, по меньшей мере, упомянутую выше одну парусную поверхность. В частных случаях исполнения устройство возврата в исходное положение клапан-поршня выполнено в виде набора пластинчатых пружин,вмонтированных в паз выключатель-наковальни, в виде дифференциально-поршневого клапан-поршня или в виде одной ступени преобразователя направления движения потока рабочей среды с прямого на обратное. Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез погружной ударной машины на фиг. 2 сечение по линии А-А фиг. 1 на фиг. 3 - элементы устройства возврата в исходное верхнее положение клапан-поршня с пластинчатыми пружинами на фиг.4 - элементы устройства возврата в верхнее исходное положение клапан-поршня с дифференциально-поршневой системой на фиг. 5 элементы устройства возврата в верхнее исходное положение клапан-поршня с преобразователем направления движения рабочей среды с прямого на обратное на фиг.6 -сечение по линии Б-Б фиг. 6. Погружная ударная машина (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из корпуса, образованного блокировочным узлом 2 снизу и переходником 3 сверху,соединнных посредством трубчатой части 4. На нижнем торце корпуса 1 имеется цилиндр 5,который имеет возможность периодического взаимодействия с поршнем 6 ограничителя 7 обратного хода,имеющего направляющий хвостовик 8, расположенный в канале 9 подачи рабочей среды. Ограничитель 7 опирается на выступы 10 корпуса 1, расположенные над ступенью 11 преобразователя направления движения потока рабочей среды с прямого на обратный, который имеет аксиально расположенные в трубчатой части 4 каналы 12 -образной формы. Против выходных концов 13 каналов 12 расположена парусная поверхность 14 ударника 15(ступеней 11 и парусных поверхностей 14 может быть более одного в зависимости от массы ударника 15), имеющего скальчатую конструкцию с плоскими ударными торцами 16 и 17, соответственно сверху и снизу 12 верхний из которых предназначен для взаимодействия с ограничителем 7, а нижний - с верхним торцом 18 выключатель-наковальни 19,установленной над наковальней 20 блокировочного узла 2 и установленной с возможностью взаимодействия нижним торцом 21 с торцом наковальни 20 при работе и уступом 22 корпуса 1 23023 при блокировке. В нижней части корпуса имеется цилиндр 23, в котором расположен клапан-поршень 24 трубчатой конструкции с устройством возврата в верхнее исходное положение в виде цилиндрической пружины 25. Для использования устройства возврата в верхнее исходное положение клапан-поршня в виде пластинчатых пружин (фиг.3) в теле выключатель-наковальни 19 имеется поперечное гнездо 26, в котором расположены опорная скоба 27, набор пластинчатых пружин 28 и перекладина 29, на которую опирается нижний торец клапан-поршня 24. Для использования устройства возврата в верхнее исходное положение клапан-поршня дифференциально-поршневой системы (фиг.4) нижний торец клапан-поршня выполнен в виде поршня 30, имеющего больший диаметр по сравнению с диаметром поршневой части верхнего торца его. Полость 31,образовавшаяся над поршнем 30, соединена отверстием 32, имеющимся в трубчатой части 4 корпуса 1 с затрубным пространством, то есть в этой полости давление всегда будет ниже такового по сравнению внутренней полостью машины. При использовании для возврата в исходное верхнее положение клапан-поршня устройства в виде преобразователя направления движения потока рабочей среды с прямого на обратное (рис.5 и рис.6) в стержневой части выключатель-наковальни выполнены канавки 33,оканчивающиеся углублнными в опорную часть 34 его -образными каналами 12, оппозитно выходным концам 35 которых расположена парусная поверхность 36 клапан-поршня 24. Выключатель наковальня имеет перепускные каналы 37 для перепуска рабочей среды в центральный канал 38 блокировочного узла 2. На фиг.1 с левой стороны детали показаны в нижнем положении после нанесения удара, а с правой стороны - в верхнем крайнем положении после взаимодействия ударника с ограничителем его хода. На фигурах приняты следующие обозначения буквой-обозначен регулируемый ход ударника буквой- регулируемая величина хода ограничителя буквой- величина свободного хода клапан-поршня буквой- диаметр верхнего поршня (цилиндра) клапан-поршня буквойдиаметр нижнего поршня (цилиндра) клапанпоршня буквой-ход вала блокировочного узла буквой- ход выключатель-наковальни стрелками показано направление движения рабочей среды. Погружная ударная машина (в дальнейшем машина) используется следующим образом. К блокировочному узлу 2 машины присоединяют долото (не показанное на фигурах) и опускают известным способом на колонне бурильных труб в скважину. При спуске машины в скважину наковальня 20 опускается под действием силы тяжести долота и вала блокировочного узла 2 вниз на конструктивно установленную величину ,превосходящую величину хода выключательнаковальни , вследствие чего между нижним торцом 17 ударника и верхним урезом цилиндра 23 остается зазор для прохода текучей среды, так как движение вниз выключательнаковальни 19 ограничивается уступом 22 корпуса, на который упирается нижний торец 21 выключательнаковальни. Ввиду опускания указанных выше элементов снижается поджатие цилиндрической пружины 25, поэтому верхний торец клапан-поршня 24 не соприкасается с нижним торцом 17 ударника,а ограничитель 7 под действием втекающей внутрь машины рабочей среды занимает верхнее положение,перекрывая доступ скважинной жидкости внутрь колонны бурильных труб. По мере спуска инструмента до забоя скважины подают рабочую среду, которая до момента перемещения вала блокировочного узла в верхнее положение свободно проходит по каналам машины, а по мере смыкания элементов блокировочного узла 2 при постановке на забой долота клапан-поршень 24 поднимается вверх под действием сжимаемой выключатель-наковальней 19 цилиндрической пружины 25 и торцы ударника и клапан-поршня смыкаются, вследствие чего происходит явление гидроудара и прекращается переток текучей среды через каналы машины. Под действием энергии гидроудара система ударник-клапан-поршень перемещается вниз до момента взаимодействия нижнего торца 17 ударника с верхним торцом 18 выключатель-наковальни 19. В дальнейшем энергия удара передается через наковальню 20 и вал блокировочного узла 2 на вращающееся долото,передающее ударно-вращательную нагрузку на горную породу. В момент нанесения удара поршень-клапан 24 отрывается от нижнего торца 17 ударника и восстанавливается прямой поток рабочей среды через трубчатый клапан-поршень в сторону забоя скважины, вследствие чего рабочая среда в -образных каналах 12 меняет направление движения с прямого на обратное и, вылетая из выходных концов 13, воздействует на парусную поверхность 14 ударника 15 и перемещает его в верхнем направлении. По мере перемещения вверх ударник воздействует верхним торцом 16 на ограничитель 7 и перемещает его вверх на величинудо момента входа поршня 6 в цилиндр 5,вследствие чего прекращается прямой поток рабочей среды в корпусе машины и над поршнем 6 возникает явление гидроудара,которое осуществляет торможение ударника 15,одновременно с этим к нижнему торцу 17 ударника 15 цилиндрическая пружина 25 прижимает верхний торец клапана 24 и цикл прямого хода подвижных элементов машины повторяется. При этом первоначально энергия гидроудара воздействует на площадь поршня 6, а после выхода его за нижний урез цилиндра 5 - на площадь поперечного сечения клапан-поршня 24. Прекращение движения в нижнем направлении ограничителя 7 осуществляется выступами 10, расположенными равномерно в трубчатой части 4 корпуса 1 по периметру верхней части ударника 15. При отрыве клапан-поршня 24 вновь восстанавливается прямой поток текучей среды через перепускные каналы 37 и центральный канал 38 в сторону забоя скважины и рабочий цикл повторяется. 3 23023 При использовании других вариантов устройств возврата в исходное положение клапан-поршня прямой ход подвижных элементов машины,завершающийся нанесением удара нижним торцом 17 ударника 15 по верхнему торцу 18 выключательнаковальни 19 одинаков, некоторые отличия имеются только в принципе возврата клапанпоршня. При наличии пластинчатых пружин (фиг.3) существенных отличий в принципе возврата в верхнее исходное положение клапан-поршня 24 не имеется, так как нижний торец его взаимодействует с перекладиной 29, воспринимающей усилие от сжимаемых при прямом ходе пластинчатых пружин 28. При наличии дифференциально-поршневого устройства (фиг.4) возврата верхнее исходное положение клапан-поршня 24 подъемная сила возникает за счет того, в полости 31 давление более низкое, так как оно соединено посредством разгрузочного отверстия 32 с затрубным пространством, то есть внутри корпуса машины имеется избыточная площадь равная 0,785 (22),находящаяся под действием более высокого давления. Под воздействием этой подъемной силы клапан-поршень поднимается вверх до момента взаимодействия его верхнего торца с нижним торцом 17 ударника. При использовании для возврата в исходное верхнее положение клапанпоршня ступени преобразователя направления движения потока рабочей среды с прямого на обратное (фиг.5 и фиг.6) после отрыва клапанпоршня 24 с торца ударника восстанавливается прямой поток текучей среды по канавкам 33. Эти потоки попадают во внутренние ответвления образных каналов 35, имеющихся в опорной части 34 выключатель-наковальни 19 и, выходя из наружних ответвлений, воздействуют на парусную поверхность 36 клапан-поршня, вследствие чего он перемещается вверх до момента взаимодействия с нижним торцом 17 ударника. При прямом ходе ударника и клапан-поршня накопления энергии ни в каком-либо виде не осуществляется, поэтому энергия гидроудара полностью используется для разгона ударника. Рассматриваемая машина может работать как при использовании жидких рабочих сред, так и газообразных сред или их смесей. Этому способствует возможность дожатия газообразной среды в камере, образующейся над поршнем 6 после входа хвостовика 8 полным сечением в канал 9. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Погружная ударная машина, содержащая снабженный блокировочным узлом снизу и переходником сверху корпус, внутри которого расположен ударник с устройством возврата в верхнее исходное положение,имеющий возможность возвратно-поступательного перемещения, завершающегося нанесением удара по наковальне в нижнем положении и по ограничителю обратного хода в верхнем исходном положении,клапан-поршень с цилиндром и устройством возврата в исходное верхнее положение,отличающееся тем, что ограничитель обратного хода снабжн поршнем, расположенным на нижнем его торце и установленным с возможностью периодического взаимодействия с цилиндром,выполненным в донной части переходника,устройство возврата ударника в верхнее исходное положение имеет, по меньшей мере, одну ступень преобразователя направления движения потока рабочей среды с прямого на обратное,выполненного в виде аксиально расположенных каналов -образной формы, оппозитно выходным концам которых на ударнике образована парусная поверхность, цилиндр клапан-поршня расположен над блокировочным узлом, между наковальней которой и нижним торцом ударника расположена с возможностью осевого перемещения выключательнаковальня,ударник имеет скальчатую конструкцию и, по меньшей мере, упомянутую выше одну парусную поверхность. 2. Погружная ударная машина по п.1,отличающаяся тем, что устройство возврата клапан-поршня в верхнее исходное положение выполнено в виде набора пластинчатых пружин,вмонтированных в паз выключатель-наковальни, в виде дифференциально-поршневого клапан-поршня или в виде ступени преобразователя направления движения потока рабочей среды с прямого на обратное.