ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК
SUBMERSIBLE AIR HAMMER

Изобретение относится к горному делу и строительству, а именно к буровой технике, и может найти применение при бурении скважин ударно-вращательным способом.
Известно ударное буровое устройство по патенту США №3,229,776, кл. 173-17, приоритет от 11.03.1963 г., включающее цилиндрический корпус с буксой, размещенной в его верхней части и имеющей продольные каналы, ступенчатый ударный поршень с расточкой в его сквозной центральной полости, буровое долото с центральным выхлопным каналом и распределительный шток с напорными и выхлопными каналами, состоящий их двух коаксиально установленных труб и размещенный в буксе и в ступенчатом ударном поршне, образующем с корпусом камеры прямого и обратного хода.
Недостатком этого ударного бурового устройства является то, что после выхлопа из камеры обратного хода и при дальнейшем движении ступенчатого ударного поршня назад в камере обратного хода образуется пониженное (по сравнению с затрубным) давление, которое приводит к всасыванию шламового материала из затрубного пространства в камеру обратного хода, при этом шламовый материал оседает на ударных торцах бурового долота и ступенчатого ударного поршня, в результате резко ухудшаются условия передачи энергии удара ступенчатым ударным поршнем на буровое долото, что снижает эффективность и ресурс работы бурового устройства.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является погружной пневмоударник по патенту РФ №2360092, кл. Е21В 4/14, опубл. в БИ №18, 2009 г., включающий корпус с буксой, размещенной в его верхней части и имеющей продольные каналы, сообщенные с напорным трактом, ступенчатый ударник с расточкой в его сквозной центральной полости, буровое долото с центральным выхлопным каналом и распределительный шток с напорными и выхлопными каналами, состоящий из двух коаксиально установленных труб и размещенный в буксе и в ступенчатом ударнике, образующем в корпусе камеры прямого и обратного хода. Между наружной поверхностью буксы и внутренней поверхностью корпуса образована кольцевая выхлопная камера, которая соединена с выхлопными каналами распределительного штока через радиальные отверстия, выполненные в верхней части буксы, и периодически сообщена с камерой прямого хода через радиальные отверстия, выполненные в нижней части буксы.
Этот погружной пневмоударник имеет недостаток в том, что после выхлопа из камеры обратного хода при обратном ходе ступенчатого ударника в ней образуется пониженное (по сравнению с затрубным) давление, которое приводит к всасыванию шламового материала из затрубного пространства в камеру обратного хода через центральный выхлопной канал бурового долота, что неизбежно приводит к абразивному износу уплотняющих контактных поверхностей ступенчатого ударника и корпуса. Шламовый материал оседает на ударных торцах бурового долота и ступенчатого ударника, что приводит к резкому ухудшению условий передачи энергии удара ступенчатым ударником на буровое долото из-за изменения контактной жесткости и пластической деформации контактных поверхностей, дробления шламовых частиц и внедрения их в контактные поверхности. Этот недостаток, за счет ухудшения условий передачи энергии удара ступенчатым ударником на буровое долото, приводит к снижению ударной мощности и уменьшению ресурса погружного пневмоударника, а также к снижению эффективности работы погружного пневмоударника.
Техническая задача предлагаемого решения заключается в повышении эффективности работы за счет повышения ударной мощности машины и ее ресурса путем предотвращения всасывания шламового материала из затрубного пространства в камеру обратного хода.
Поставленная задача решается тем, что в погружном пневмоударнике, включающем корпус с буксой, размещенной в его верхней части и образующей с корпусом кольцевую выхлопную камеру, ступенчатый ударник со сквозной центральной полостью, образующий с корпусом камеры прямого и обратного хода, распределительный шток, имеющий напорный и выхлопной каналы, и буровое долото с центральным выхлопным каналом, согласно техническому решению между верхней ступенью ударника и корпусом, ниже буксы, образована промежуточная выхлопная камера, а в нижней части буксы выполнены наружные продольные пазы, через которые промежуточная и кольцевая выхлопные камеры сообщены между собой и с выхлопным каналом распределительного штока.
Указанная совокупность признаков позволяет устранить пониженное (по сравнению с затрубным) давление в камере обратного хода при обратном ходе ступенчатого ударника, что предотвращает всасывание шламового материала из затрубного пространства в камеру обратного хода. При этом улучшаются условия передачи энергии удара ступенчатым ударником на буровое долото и, как следствие, повышается ударная мощность и ресурс погружного пневмоударника, что приводит к повышению эффективности работы погружного пневмоударника.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез погружного пневмоударника, общий вид в статическом состоянии; на фиг.2 - место А на фиг.1 в увеличенном масштабе.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит корпус 1 (фиг.1), в нижней части которого закреплена муфта 2 с буровым долотом 3, имеющие совместное подвижное шлицевое соединение и шпонку 4, ступенчатый ударник 5 с расточкой 6 в его сквозной центральной полости и с наружными продольными пазами 7 в его нижней части. В верхней части корпуса 1 размещена букса 8, образующая с корпусом 1 кольцевую выхлопную камеру 9. Ступенчатый ударник 5 меньшей ступенью установлен в буксе 8 и разделяет полость корпуса 1 на камеру 10 обратного хода, камеру 11 прямого хода, а между верхней ступенью ударника 5 и корпусом 1, ниже буксы 8, образована промежуточная выхлопная камера 12. Последняя сообщена с кольцевой выхлопной камерой 9 через наружные продольные пазы 13 в нижней части буксы 8. Камера 11 прямого хода сообщена с кольцевой выхлопной камерой 9 через радиальные отверстия 14 (фиг.2), выполненные в нижней части буксы 8. В верхней части корпуса 1 установлен переходник 15 (фиг.1), имеющий канал 16 и полость 17 напорного тракта, сообщенную с продольными каналами 18 буксы 8, и обратный клапан 19, установленный в полости 17 напорного тракта.
Распределительный шток с напорным и выхлопным каналами состоит из установленных коаксиально наружной трубы 20 (фиг.2) и внутренней трубы 21 с образованием между ними напорного канала 22 распределительного штока, сообщенного с одной стороны с расточкой 6 в сквозной центральной полости ступенчатого ударника 5, а с другой стороны - с напорным трактом через радиальные окна 23 в верхней части наружной трубы 20 и через продольные каналы 18 буксы 8. Внутренняя труба 21 выполнена с выхлопным каналом 24, который является выхлопным каналом распределительного штока, и установлена в центральном выхлопном канале 25 бурового долота 3 (фиг.1). В нижней части внутренней трубы 21 выполнены наружные продольные пазы 26 для впуска энергоносителя в камеру 10 обратного хода. Для впуска энергоносителя в камеру 11 прямого хода в наружной трубе 20 выполнены продольные пазы 27 и радиальные отверстия 28, а для выхлопа энергоносителя кольцевая выхлопная камера 9 соединена через радиальные отверстия 29, выполненные в верхней части буксы 8, и радиальные отверстия 30 с выхлопным каналом 24 внутренней трубы 21.
Пневмоударник работает следующим образом. Энергоноситель из магистрали подается в канал 16 напорного тракта в переходнике 15 (фиг.1), обратный клапан 19 открывает полость 17 напорного тракта, сообщенную с продольными каналами 18 буксы 8, и энергоноситель через радиальные окна 23, кольцевой канал 22 поступает в расточку 6 ступенчатого ударника 5. При работе пневмоударника расточка 6 постоянно сообщена с напорным трактом и в зависимости от положения ступенчатого ударника 5 относительно наружной трубы 20 и внутренней трубы 21 происходит подача энергоносителя или в камеру 10 обратного хода через наружные продольные пазы 26 (фиг.1) или в камеру 11 прямого хода через продольные пазы 27 (фиг.2).
При нижнем положении ступенчатого ударника 5 энергоноситель из расточки 6 поступает через наружные продольные пазы 26 (фиг.1) в камеру 10 обратного хода и начинается обратный ход. При движении ступенчатого ударника 5 расточка 6 уходит из зоны расположения наружных продольных пазов 26, и подача энергоносителя в камеру 10 обратного хода прекращается. При этом на некотором пути движения ступенчатого ударника 5 энергоноситель в камере 10 обратного хода работает с расширением, обеспечивая увеличение скорости его движения. При дальнейшем перемещении ступенчатого ударника 5 камера 10 обратного хода сообщается с промежуточной выхлопной камерой 12 через наружные продольные пазы 7 ступенчатого ударника 5 и далее через наружные продольные пазы 13 буксы 8, кольцевую выхлопную камеру 9, радиальные отверстия 29 буксы 8 и радиальные отверстия 30 сообщается с выхлопным каналом 24 внутренней трубы 21. Происходит выхлоп энергоносителя через центральный выхлопной канал 25 бурового долота 3. При дальнейшем движении ступенчатого ударника 5 расточка 6 сообщается с продольными пазами 27, выполненными в наружной трубе 20, и энергоноситель поступает в камеру 11 прямого хода.
Ввиду того что результирующая сила, действующая на ступенчатый ударник 5, меняет знак, ударник 5 останавливается и начинается прямой ход. При прямом ходе ступенчатого ударника 5 его расточка 6 уходит из зоны расположения продольных пазов 27 и впуск энергоносителя в камеру 11 прямого хода прекращается, а после открытия ступенчатым ударником 5 радиальных отверстий 14, выполненных в нижней части буксы 8, из камеры 11 прямого хода происходит выхлоп энергоносителя через кольцевую выхлопную камеру 9, радиальные отверстия 29, радиальные отверстия 30 в выхлопной канал 24 внутренней трубы 21. Ступенчатый ударник 5 наносит удар по буровому долоту 3 и цикл повторяется.
При подъеме пневмоударника от забоя скважины буровое долото 3 перемещается до упора в шпонку 4 и вместе с буровым долотом 3 перемещается и ступенчатый ударник 5. При этом энергоноситель через открывшиеся радиальные отверстия 28 (фиг.2) поступает в камеру 11 прямого хода, через радиальные отверстия 14 в нижней части буксы 8 в кольцевую выхлопную камеру 9, через радиальные отверстия 29 и 30 поступает в выхлопной канал 24 внутренней трубы 21 и центральный выхлопной канал 25 бурового долота 3. Происходит интенсивная продувка забоя энергоносителем. Камера 11 прямого хода находится под давлением энергоносителя и пневмоударник выключается из работы.
Ввиду того, что в предлагаемом пневмоударнике между верхней ступенью ступенчатого ударника 5 и корпусом 1, ниже буксы 8, образована промежуточная выхлопная камера 12, которая периодически сообщена с камерой 10 обратного хода, а в буксе 8 в нижней ее части выполнены наружные продольные пазы 13, через которые промежуточная выхлопная камера 12 и кольцевая выхлопная камера 9 сообщены между собой и с выхлопным каналом 24 внутренней трубы 21, происходит перетекание энергоносителя из камеры 10 обратного хода в промежуточную выхлопную камеру 12, давление в них выравнивается. Благодаря принудительному демпферному вытеснению отработанного энергоносителя из промежуточной выхлопной камеры 12 при обратном ходе ступенчатого ударника 5 в камере 10 обратного хода не образуется пониженного (по сравнению с затрубным) давления и не происходит всасывания шламового материала из затрубного пространства. Шламовый материал не оседает на ударных торцах бурового долота 3 и ступенчатого ударника 5, что приводит к улучшению условий передачи энергии удара ступенчатым ударником 5 на буровое долото 3, и, как следствие, повышается ударная мощность и ресурс погружного пневмоударника, что приводит к повышению эффективности работы погружного пневмоударника.
Предлагаемое устройство целесообразно использовать для работы в широком диапазоне давления энергоносителя.