Пневмоэжекционное устройство для удаления бурового шлама
PNEUMO-EJECTION DEVICE FOR REMOVAL OF DRILL CUTTINGS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении взрывных скважин, с применением для удаления буровой мелочи из забоя скважины сжатого воздуха.
Известно устройство для эвакуации бурового шлама из скважины, включающее шнековые штанги, соединенные друг с другом с помощью замкового механизма [Сафохин М.С., Катанов Б.В. Машинист буровой установки на карьерах. - М.: Недра, 1992, с. 54, рис. 3.13а].
К недостаткам этого устройства относится ограничение механической скорости бурения за счет недостаточной транспортирующей способности бурового става, состоящего из шнековых штанг.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство для удаления бурового шлама из скважины, включающее буровой став, состоящий из долота с продувочным каналом, и концевой и основных буровых штанг с центральным каналом для прохода воздуха, при этом, буровой став снабжен шнековым забурником-эвакуатором, имеющим центральный канал для подачи сжатого воздуха в призабойную зону, и верхним и нижним конусами, образующими со стенками скважины соответственно диффузорный и конфузорный участки для эжекции воздушно-шламового потока, основные и концевая буровые штанги выполнены гладкоствольными, причем нижний конус присоединен к долоту, а верхний конус присоединен к концевой буровой гладкоствольной штанге, при этом в верхнем конусе шнекового забурника-эвакуатора выполнены эжекционные каналы и смонтирован механизм управления для разделения потока сжатого воздуха и регулирования его параметров. [Патент RU №2281378, МПК Е21В 10/44, опубликовано 2006].
Недостаток известного устройства состоит в недостаточной эффективности удаления буровой мелочи ввиду потери скорости потока воздуха в эжекционных каналах, возникающие из-за поворота на 90° направления движения воздушного потока.
Задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективности процесса удаления буровой мелочи и снижение удельных затрат на бурение скважин, путем саморегулирования клапаном поступления сжатого воздуха в эжекционные каналы.
Достигается это тем, что в пневмоэжекционном устройстве для удаления буровой мелочи, включающем буровой став, состоящий из долота с продувочным каналом, и концевой и основных буровых штанг, причем, буровой став снабжен шнековым забурником-эвакуатором, с закрепленным ниппелем, центральным каналом для подачи сжатого воздуха в призабойную зону, верхним и нижним конусами, причем нижний конус присоединен к долоту, а верхний конус присоединен к концевой буровой штанге, при этом в верхнем конусе шнекового забурника-эвакуатора выполнены эжекционные каналы и смонтирован механизм управления, содержащий клапан с проходными каналами согласно изобретению, клапан снабжен цилиндрическим корпусом, а в верхней части рассекателем воздушного потока, при этом, на равном удалении от оси клапана, расположены сопряженные между собой трубки, расположенные соосно с эжекционными каналами, а в месте пересечения осей эжекционных каналов с окружностями трубок, по касательной трубки выполнены с изгибом, причем, трубки снабжены сверху и снизу обтекателями, а, в нижней части клапана расположено коническое кольцо, выполненное из одинаковых шарнирно закрепленных сегментов, расположенных по всему периметру кольца.
Обтекатели сверху имеют выпуклую форму, а снизу клиновидную.
Трубки могут быть выполнены, например, с расширением входной части для дополнительного ускорения скорости потока воздуха.
Между существенными признаками заявляемого устройства существует причинно-следственная связь, которая приводит к новому техническому результату.
Регулирование поступления сжатого воздуха в эжекционные каналы перед забуриванием скважины осуществляет механизм управления, включающий в себя клапан, цилиндрические трубки которого изогнуты таким образом, чтобы не нарушать течение потока воздуха, конец которых соосно расположен с эжекционными каналами. На трубках имеется обтекатель, имеющий в верхней части выпуклую форму, а в нижней клиновидную. Такая форма обусловлена тем, что обтекатели выполнены на трубке круглого сечения. Обтекатели необходимы для сохранения ламинарного течения воздуха и снижения возникновения турбулентного течения. Также на верхней части клапана расположен рассекатель воздуха, для снижения воздействия потока воздуха на клапан. Кольцо, выполненное из сегментов, закрепленных на шарнирах, обеспечивает поступление воздуха в центральный канал с меньшим сопротивлением, а при повышении давления под клапаном, сегменты занимают в горизонтальное положение и увеличивают воздействие этого давления на коническое кольцо.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 изображено пневмоэжекционное устройство (общий вид); на фиг. 2 - пневмоэжекционное устройство (в разрезе); на фиг. 3 - вид сверху на клапан механизма управления пневмоэжекционного устройства (с альтернативным исполнением трубок); на фиг. 4 - разрез А-А фиг 3; на фиг. 5 - разрез Б-Б фиг. 3; на фиг. 6 - выноска В фиг. 4; на фиг. 7 - клапан механизма управления пневмоэжекционного устройства, находящийся в нижнем крайнем положении, при котором эжекционные каналы открыты; на фиг. 8 - клапан механизма управления пневмоэжекционного устройства, находящийся в верхнем крайнем положении, при котором эжекционные каналы закрыты.
Пневмоэжекционное устройство для удаления буровой мелочи содержит буровой став, состоящий из буровых штанг 1 и шнекового забурника-эвакуатора 2. Шнековый забурник-эвакуатор снабжен нижним 3 и верхним 4 конусами и шнековой штангой 5. В нижний конус 3 устанавливается долото 6. Верхний конус 4 состоит из механизма управления 7. Буровая штанга 1 содержит центральный канал 8 и муфту 9, в которой закреплен шнековый забурник-эвакуатор 2 с помощью ниппеля 10. В верхнем конусе 4 шнекового забурника-эвакуатора 2 установлен механизм управления 7, содержащий клапан 11, трубки 12 имеющие изгиб, соосно сопрягаются с эжекционными каналами 13. Клапан 11 фиксируется горизонтально ориентированными штифтами 14. Клапан 11 снабжен цилиндрическим корпусом 15, а в верхней части рассекателем 16, сопрягаемый с трубками 12, снабженные в свою очередь верхними 17 и нижними 18 обтекателями. В нижней части клапана 11 расположено коническое кольцо 19, выполненное из сегментов 20, закрепленных шарнирами 21.
Вариант исполнения трубок 12 с расширением 22 на входной части у рассекателя для увеличения скорости прохождения воздуха в эжекционных каналах.
Работа пневмоэжекционного устройства для удаления буровой мелочи из забоя скважины осуществляется следующим образом.
1
1
2
2
Сжатый воздух F от компрессора бурового станка подается по буровым штангам 1, которые соединены с шнековым забурником-эвакуатором 2 с помощью муфты 9 и ниппеля 10. Воздух F, проходя по центральному каналу 8, поступает в механизм управления 7 и встречает на своем пути рассекатель воздуха 16, который направляет часть воздуха F в трубки 12. Трубки 12, имеющие изгиб, направляют поток воздуха F в расположенные соосно с эжекционными каналами 13 в корпусе механизма управления 7. Остальная часть потока воздуха F направляется дальше в центральный канал 8, ведущий к забою. Поток воздуха F, при движении через клапан 11, зафиксированный штифтами 14, проходит верхние 17 и нижние 18 обтекатели, которые не позволяют образовываться завихрениям под трубками 12.
2
1
Поток воздуха F, отразившись от забоя скважины, оказывает давление на сегменты конического кольца 19, которые расширяясь, сужают сечение центрального канала 8. Сужение канала происходит за счет поворота сегментов 20 конического кольца 19, на шарнирах 21. При увеличении давления воздуха на забое скважины, оно начинает воздействовать на сегменты 20 конического кольца 19, тем самым поднимая клапан 11. При этом смещаются выходные отверстия трубок 12 и поступление воздуха F в эжекционные каналы 13 прекращается.
1
2
1
2
Клапан 11 в процессе работы может менять свое положение из-за возникающей разницы давлений, воздействующее на коническое кольцо 19, в нижней части цилиндрического корпуса 15, и имеет два положения. Первое положения клапана 11 (фиг. 7 - потоки воздуха F и Fраспределяются равномерно в эжекционные 13 и центральный канал 8). Второе положение (фиг. 8 - клапан 11 находится в верхнем крайнем положении, эжекционные каналы 13 закрыты и весь поток воздуха F направлен в центральный канал 8, коническое кольцо 19 поднято. Объем проходящего воздуха зависит от рабочего положения клапана 11 во время бурения. В процессе работы, один поток воздуха F направлен в эжекционные каналы 13, а другой поток воздуха F движется в центральный канал 8, расположенный в шнековой штанге 5, и далее идущий на забой.
2
Поток воздуха F из центрального канала 8 поступает на забой через продувочные отверстия долота 6. Буровой шлам, подхватываемый воздухом, попадает на шнековую штангу 5, далее воздушно-шламовый поток перемещается вверх. Нижний конус 3 уменьшает скорость выноса воздушно-шламового потока, но увеличивает давление.
1
1
2
Поток воздуха F из эжекционных каналов 13 с большой скоростью поступает в пространство, образуемое верхним конусом 4 и стенкой скважины, в котором давление ниже чем в воздушно-шламовом потоке. При этом, из-за разницы в давлении, повышается скорость выноса шлама, и снижается концентрация твердой фазы (шлама). Далее эвакуация бурового шлама до устья скважины осуществляется энергией объединенных потоков сжатого воздуха F и F.
1
Вариант исполнения трубок с расширением 22 позволяет увеличивать скорость истечения воздуха F на выходе из трубок 12 в эжекционные каналы 13, что повышает эжекционные характеристики устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса эвакуации бурового шлама и снижение удельных затрат на бурение скважин, путем изменения конструкции клапана для облегчения регулирования поступления сжатого воздуха в эжекционные каналы и снижение потери скорости потока воздуха.