ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК

Техническое решение относится к горному делу и строительству, а именно - к буровой технике, и может найти применение при бурении скважин ударно-вращательным способом.
Известен погружной пневмоударник по а.с. СССР №184761, кл. 5а, 14/10; 5b, 9/01; E21b; E21c, опубл. в БИ №16, 1966 г., включающий цилиндр, выполненный без радиальных и продольных каналов в его теле, поршень, воздухораспределительное устройство с центральным трубчатым штоком-золотником, входящим в отверстие поршня, осуществляющее распределение энергоносителя через радиальные каналы в поршне и продольные вырезы на его наружной поверхности, и инструмент с центральным каналом для выхлопа отработанного энергоносителя на забой скважины. Шток-золотник выполнен с радиальными каналами для подвода энергоносителя в радиальные каналы поршня.
Недостатком этого погружного пневмоударника является то, что он не имеет шламозащитного обратного клапана, поэтому при бурении скважин в обводненных породах после выключения подачи энергоносителя вода из скважины вместе со шламом может проникать в погружной пневмоударник, что снижает надежность его работы. Кроме того, центральный трубчатый шток-золотник закреплен в переходнике упорным кольцом, что не позволяет устранять радиальные биения, возникающие при износе трущихся поверхностей цилиндра и поршня. Это также снижает надежность работы погружного пневмоударника.
Известен погружной пневмоударник по патенту РФ №2252996, кл. Е21В 4/14, опубл. в БИ №15, 2005 г., включающий корпус, ударник с центральным сквозным каналом, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, воздухораспределительную систему, содержащую ступенчатый питающе-разрядный клапан, клапанное седло с отверстиями для питания камеры прямого хода, центральную трубку, отверстия в корпусе/ соединенные с заклапанной полостью, сообщенной со щелевым каналом. Воздухораспределительная система дополнительно содержит разрядный канал, расположенный между клапанным седлом и торцом большей ступени питающе-разрядного клапана, сообщенный, с одной стороны, с камерой прямого хода через отверстия клапанного седла, а с другой стороны, со щелевым каналом через кольцевой канал, образованный между корпусом и наружной поверхностью большей ступени питающе-разрядного клапана.
Недостатком известного погружного пневмоударника является то, что в блокировочном режиме при подъеме машины от забоя центральная трубка перемещается вниз вместе с ударником и буровым инструментом, при этом впускные пазы центральной трубки для впуска энергоносителя в камеру обратного хода и расточка ударника сообщаются, поэтому впуск энергоносителя в камеру обратного хода не перекрывается, что ухудшает блокировку и снижает надежность работы.
Известно также устройство для подавления пыли при бурении (А.И.Федулов и др. Штанговые влагоотделители для буровых станков, Новосибирск, 1985 г., С.25, рис.1.11), включающее буровое долото с центральным продувочным соплом, трубу с фланцем и радиальными отверстиями, водо-отражатель и каналы для выброса отделенной воды.
Известное устройство не защищено от проникновения шлама из затрубного пространства скважины, что снижает надежность его работы.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является устройство для отделения воды в погружном пневмоударнике по патенту ФРГ DD286642, кл. Е21С 3/24, приоритет от 03.07.89 г., включающее корпус с выхлопными каналами, переходник с напорным каналом, ударный поршень, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, воздухораспределительную трубку с центральным каналом, установленную с возможностью осевого перемещения в корпусе и в напорном канале переходника. В центральном канале воздухораспределительной трубки установлен вкладыш, который своим верхним торцом занимает по меньшей мере 30% диаметра центрального канала. Кольцевое пространство между вкладышем и внутренней стенкой центральной воздухораспределительной трубки соединено через каналы с камерой обратного хода и через дополнительные каналы соединено с выхлопными каналами в корпусе.
Недостатком этого устройства является то, что отделяемая вода поступает в камеру обратного хода, заполняя ее объем, а удаление воды из камеры обратного хода при бурении нисходящих скважин через верхние каналы затруднено тем, что плотность воды в 1000 раз больше плотности воздуха. Это снижает надежность работы погружного пневмоударника.
Кроме этого, воздухораспределительная трубка установлена на торце хвостовика буровой коронки и в блокировочном режиме перемещается в осевом направлении вниз вместе с ударным поршнем, сохраняя расположение впускных кромок расточки и каналов, соответствующее интенсивному впуску энергоносителя в камеру обратного хода, что ухудшает блокировку, снижает надежность работы, а после прекращения подачи энергоносителя в напорный канал переходника вода из скважины вместе со шламом может проникать в погружной пневмоударник/зашламовывать его, так как в этом устройстве нет обратного клапана. Эти недостатки снижают надежность работы устройства.
Техническая задача предлагаемого решения заключается в повышении надежности работы за счет обеспечения автоматического выключения погружного пневмоударника при подъеме от забоя скважины, улучшения условий шламозащиты и очистки забоя, дополнительного отделения воды от воздушно-водяной смеси, используемой в качестве энергоносителя, в затрубное пространство скважины через камеру прямого хода и за счет более точного центрирования подвижных деталей.
Поставленная задача решается тем, что в погружном пневмоударнике, включающем корпус, в верхней части которого закреплен переходник с напорным каналом, а в нижней части - муфта, в которой установлено буровое долото с хвостовиком и центральным каналом, и размещенные в корпусе ударный поршень с центральным каналом, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, ступенчатый распределительный шток с центральным каналом, установленный с возможностью осевого перемещения в напорном канале переходника и в центральном канале ударного поршня, трубчатый вкладыш, закрепленный в центральном канале ступенчатого распределительного штока, согласно предлагаемому решению трубчатый вкладыш нижним концом размещен в центральном канале бурового долота. Большая ступень ступенчатого распределительного штока в нижней ее части выполнена со сферической поверхностью, сопряженной с конической опорной поверхностью кольца, поджатого пружиной, размещенной в седле, установленном в корпусе и ограничивающем осевое перемещение ступенчатого распределительного штока/ в верхней части которого установлен запорный элемент в виде водоотражательного конуса и выполнены радиальные окна.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить надежность работы за счет:
- улучшения блокировочного режима работы посредством ограничения осевого перемещения ступенчатого распределительного штока к буровому долоту и прекращения подачи энергоносителя в камеру обратного хода при отсутствии опоры под буровым долотом со стороны забоя скважины;
- более точного центрирования ступенчатого распределительного штока в центральном канале ударного поршня посредством выполнения в нижней части большей ступени указанного штока сферической поверхности, сопряженной с конической опорной поверхностью кольца/ поджатого пружиной;
- улучшения условий шламозащиты, дополнительного отделения и удаления воды в затрубное пространство скважины через камеру прямого хода посредством установки в верхней части ступенчатого распределительного штока запорного элемента в виде водоотражательного конуса и выполнения радиальных окон;
- непрерывной продувки забоя осушенным сжатым воздухом в рабочем и блокировочном режимах посредством размещения нижнего конца трубчатого вкладыша в центральном канале бурового долота.
Целесообразно в корпусе на боковой поверхности хвостовика бурового долота установить центрирующую втулку, опертую на торец муфты. Такое исполнение позволяет более точно центрировать хвостовик бурового долота и ударный поршень, что улучшает передачу энергии удара и, как следствие, надежность работы машины.
Целесообразно в муфте выполнить дренажный канал для сообщения камеры обратного хода с затрубным пространством скважины. Такое исполнение позволяет при бурении нисходящих скважин устранить заполнение камеры обратного хода водой, что повышает надежность работы машины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показан общий вид погружного пневмоударника, продольный разрез, на котором: правая сторона - в статическом состоянии, а левая сторона - при работе; на фиг.2 - узел А на фиг.1 в увеличенном масштабе; на фиг.3 - узел Б на фиг.2 в увеличенном масштабе; на фиг.4 - нижняя часть погружного пневмоударника в блокировочном режиме, продольный разрез.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит (фиг.1, 2) корпус 1, в верхней части которого закреплен переходник 2 с напорным каналом 3, а в нижней части закреплена муфта 4, в которой установлено буровое долото 5 с хвостовиком 6 и центральным каналом 7. Размещенный в корпусе 1 ударный поршень 8 с центральным каналом разделяет полость корпуса 1 на камеру 9 обратного хода и камеру 10 прямого хода. Ступенчатый распределительный шток 11 с центральным каналом 12 установлен с возможностью осевого перемещения в центральном канале ударного поршня 8 и в напорном канале 3 переходника 2, а в центральном канале 12 ступенчатого распределительного штока 11 закреплен трубчатый вкладыш 13, который нижним концом размещен в центральном канале 7 бурового долота 5. Большая ступень ступенчатого распределительного штока 11 в нижней ее части выполнена (фиг.3) со сферической поверхностью 14 (где R - радиус сферы), сопряженной с конической опорной поверхностью кольца 15, поджатого пружиной 16, размещенной в седле 17, установленном в корпусе 1 и ограничивающем осевое перемещение ступенчатого распределительного штока 11. В верхней части последнего установлен запорный элемент в виде водоотражательного конуса 18 и выполнены радиальные окна 19, которыми напорный канал 3 переходника 2 сообщен с центральным каналом 12 ступенчатого распределительного штока 11. В указанном штоке 11 выполнены продольные каналы 20 и 21, отверстия 22 и радиальные каналы 23.
В корпусе 1 на боковой поверхности хвостовика 6 бурового долота 5 установлена центрирующая втулка 24, опертая на торец муфты 4. В муфте 4 выполнен дренажный канал 25 для сообщения камеры 9 обратного хода с затрубным пространством скважины через зазоры подвижного шлицевого соединения 26 хвостовика 6 и муфты 4. В блокировочном режиме движение бурового долота 5 ограничено шпонкой 27 (фиг.1, 4). На седле 17 размещена распределительная коробка 28, на которой установлен питающий клапан 29 (фиг.2) с возможностью осевого перемещения. Распределительная коробка 28 имеет напорные каналы 30 и разрядные каналы 31 и 32, а в корпусе 1 выполнены разрядные отверстия 33 и выхлопные окна 34. Ударный поршень 8 имеет расточки 35, 36, проточку 37 и каналы 38.
Пневмоударник работает следующим образом. Энергоноситель из магистрали подается в напорный канал 3 переходника 2 (фиг.1, 2, правая сторона), и запорный элемент, выполненный в виде водоотражательного конуса 18, вместе со ступенчатым распределительным штоком 11 перемещаются вниз, сжимая пружину 16, до упора кольца 15 в торец седла 17, останавливая перемещение (фиг.1, 2, левая сторона). При этом сферическая поверхность 14 центрирует ступенчатый распределительный шток 11 в плавающем режиме, сопрягаясь с конической опорной поверхностью кольца 15. Это способствует соосной установке ступенчатого распределительного штока 11 и ударного поршня 8, что снижает силы трения, повышая надежность работы.
Энергоноситель из напорного канала 3 через радиальные окна 19, центральный канал 12 и радиальные каналы 23 ступенчатого распределительного штока 11 поступает в расточку 35 ударного поршня 8. При работе пневмоударника расточка 35 постоянно сообщена с напорным трактом и в зависимости от положения ударного поршня 8 в корпусе 1 происходит подача энергоносителя или в камеру 9 обратного хода через продольные каналы 20 и расточку 36 или в камеру 10 прямого хода через продольные каналы 21 ступенчатого распределительного штока 11.
При нижнем положении ударного поршня 8 в корпусе 1 энергоноситель из расточки 35 через продольные каналы 20 и расточку 36 поступает в камеру 9 обратного хода и начинается обратный ход (фиг.1, левая сторона). При движении ударного поршня 8 расточка 35 уходит из зоны расположения продольных каналов 20, и подача энергоносителя в камеру 9 обратного хода прекращается. При этом на некотором пути движения ударного поршня 8 энергоноситель в камере 9 обратного хода работает с расширением, обеспечивая увеличение скорости движения, а в дальнейшем, при открытии ударным поршнем 8 выхлопных окон 34 происходит выхлоп из камеры 9 обратного хода через проточку 37 и каналы 38. При дальнейшем движении ударного поршня 8 продольные каналы 21 сообщаются с расточкой 35, и энергоноситель поступает в камеру 10 прямого хода. Происходит торможение ударного поршня 8 и увеличение результирующей силы, действующей на переднюю торцовую поверхность питающего клапана 29, и так как полость между питающим клапаном 29 и распределительной коробкой 28 постоянно сообщена с атмосферой через разрядные каналы 31, 32 и разрядные отверстия 33, то питающий клапан 29 перекидывается в положение до упора в торцовую поверхность распределительной коробки 28. Происходит подача энергоносителя в камеру 10 прямого хода из напорного канала 3 переходника 2 через напорные каналы 30 распределительной коробки 28 и по образовавшемуся зазору между передним торцом питающего клапана 29 и седлом 17. Ударный поршень 8 останавливается и начинается прямой ход.
После открытия ударным поршнем 8 выхлопных окон 34 из камеры 10 прямого хода происходит выхлоп, давление под передним торцом питающего клапана 29 падает и под действием давления энергоносителя, поступающего через напорные каналы 30 распределительной коробки 28, питающий клапан 29 перекидывается в крайнее нижнее положение, подача энергоносителя в камеру 10 прямого хода прекращается, ударный поршень 8 наносит удар по буровому долоту 5, при этом центрирующая втулка 24 поддерживает хвостовик 6 бурового долота 5 соосно ударному поршню 8, что улучшает передачу энергии удара на забой скважины, повышая надежность работы. После удара камера 9 обратного хода наполняется энергоносителем и цикл повторяется.
В предложенном пневмоударнике при работе на энергоносителе в виде воздушно-водяной смеси вода, как более тяжелая фракция, направляется водоотражательным конусом 18 на стенки напорного канала 3 переходника 2 и часть воды по напорным каналам 30 через зазор между питающим клапаном 29 и седлом 17 поступает в камеру 10 прямого хода и через выхлопные окна 34, расположенные в нижней части камеры 10, удаляется в затрубное пространство скважины. В радиальные окна 19 и в центральный канал 12 ступенчатого распределительного штока 11 энергоноситель поступает уже с уменьшенной концентрацией воды, которая накапливается в кольцевом пространстве, образованном трубчатым вкладышем 13 и поверхностью центрального канала 12, и через отверстия 22, расточку 35, продольный канал 20/ расточку 36 поступает в камеру 9 обратного хода.
При бурении нисходящих скважин вода не накапливается в нижней части камеры 9 обратного хода, а непрерывно удаляется в затрубное пространство скважины через зазоры подвижного шлицевого соединения 26 и дренажный канал 25, выполненный в муфте 4, что повышает надежность работы. При этом осуществляется непрерывная продувка забоя скважины осушенным сжатым воздухом через трубчатый вкладыш 13, что улучшает очистку забоя за счет снижения липкости шлама, повышая надежность работы.
В блокировочном режиме работы (фиг.4) буровое долото 5 выходит из муфты 4 на блокировочный ход и удерживается шпонкой 27, ударный поршень 8 перемещается до упора в центрирующую втулку 24, камера 9 обратного хода сообщается через зазоры подвижного шлицевого соединении 26 с атмосферой, а осевое перемещение ступенчатого распределительного штока 11 ограничено конической опорной поверхностью кольца 15 (фиг.2, левая сторона), поджатого пружиной 16, размещенной в седле 17. При этом подача энергоносителя в камеру 9 обратного хода прекращается, так как расточка 35 не сообщается через продольный канал 20 с расточкой 36, а в камеру 10 прямого хода поступает энергоноситель через радиальные каналы 23. Пневмоударник автоматически выключается, что повышает надежность работы (фиг.4).
В случае прекращения подачи энергоносителя сжатая пружина 16 поднимает кольцо 15 вместе со ступенчатым распределительным штоком 11 до упора запорного элемента, выполненного в виде водоотражательного конуса 18, в коническую поверхность напорного канала 3 переходника 2. При этом в верхней части пневмоударника образуется замкнутый воздушный объем, который препятствует проходу воды из затрубного пространства скважины в верхнюю часть пневмоударника и предохраняет его от зашламовывания.