приводимое в движение флюидом ударное устройство и его применение

Формула изобретения

1. Приводимое в движение флюидом ударное устройство, содержащее внешнюю втулку (2); струйный элемент (9), установленный внутри внешней втулки (2) и имеющий множество выпускных отверстий (90); цилиндр (10), установленный внутри внешней втулки (2) и имеющий внутреннюю полость, причем внутренняя полость цилиндра (10) разделена поршнем (11) на верхнюю полость (15) и нижнюю полость (16); верхнюю отклоняющую флюид крышку (8) и нижнюю крышку (13); силовой передаточный механизм (20), отличающееся тем, что цилиндр (10) имеет в его наружной стенке боковой проход (17), который приводит одно из выпускных отверстий (90) струйного элемента (9) в сообщение с нижней полостью (16); причем боковой проход (17) образован в наружной стенке цилиндра (10) и изолирован от поверхности внутренней стенки внешней втулки водонепроницаемым образом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковой проход (17) образован в наружной стенке цилиндра (10) с образованием С-образной канавки в наружной стенке цилиндра (10), которая герметизирована при помощи дуговидной металлической детали, приваренной к канавке снаружи, причем контур металлической детали совпадает с контуром канавки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковой проход (17) образован в наружной стенке цилиндра (10) при помощи литья, причем наружная стенка действует в качестве границы раздела для бокового прохода (17).

4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что между струйным элементом (9) и верхней отклоняющей флюид крышкой (8) цилиндра (10) предусмотрена металлическая прокладка для осевого уплотнения сжатием.

5. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что в центральном отверстии нижней крышки (13) цилиндра (10) установлена медная втулка (18), которая плотно охватывает шток поршня (12),

6. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке (8), установлено с возможностью замены сопло (21), причем сопло (21) выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С Роквелла>60.

7. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что силовой передаточный механизм (20) содержит внутренне-призматическую втулку (5) с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы (4) за счет соединения наружной резьбы на верхнем конце внутренне-призматической втулки (5) с внутренней резьбой на нижнем конце наружной трубы (4); внешне-призматическую опору (6) с внешним многоугольным профилем, установленную с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутренне-призматической втулки (5), причем несколько промывочных канавок образованы у верхнего конца опоры (6), при этом промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешне-призматической опоры (6), причем у нижнего конца опоры (6) образовано отверстие с внешней резьбой для сопряжения с внутренней резьбой инструмента, таким образом, что отверстие имеет флюидальное сообщение с полым проходом, так что буровой раствор может протекать через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке (8) установлено с возможностью замены сопло (21), причем сопло (21) выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С Роквелла>60.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что сопло (21) установлено в отклоняющем флюид отверстии при помощи скобы.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что выпускной внутренний диаметр Н и впускной внутренний диаметр L сопла (21) соответствуют выражению 0<H L.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что верхний конец внешне-призматической опоры (6) имеет вид кругового усеченного конуса, а верхняя часть опоры (6) с ее наружной поверхностью, смежной с верхним концом, имеет вид полого цилиндра, причем нижняя часть опоры (6) имеет вид полого тела с внешним многоугольным профилем для входа в зацепление с внутренним отверстием внутренне-призматической втулки (5), при этом в цилиндрической самой нижней части опоры (6) предусмотрено отверстие, причем верхний конец внутренне-призматической втулки (5) имеет резьбовое соединение с наружной трубой (4).

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что верхняя часть внешне-призматической опоры (6) снабжена открытой втулкой (19), образованной из двух полукруглых зажимных деталей, причем открытая втулка (19) входит в зацепление с наружной трубой (4) с зазором.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что поперечное сечение внутренне-призматической втулки (5) и поперечное сечение нижней части внешне-призматической опоры (6) представляет собой правильный n-угольник, в котором п имеет численное значение от 3 до 10.

14. Устройство по одному из пп.11 и 12, отличающееся тем, что отношение длины внутреннего отверстия внутренне-призматической втулки (5) к диаметру описанной окружности многоугольника в поперечном сечении внутренне-призматической втулки (5) составляет от 0,7 до 1,1.

15. Устройство по одному из пп.11 и 12, отличающееся тем, что профиль внутреннего отверстия внутренне-призматической втулки (5) представляет

собой восьмиугольник, причем внешний профиль средней нижней части внешне-призматической опоры (6) также представляет собой восьмиугольник.

16. Устройство по п.11, отличающееся тем, что коническая верхняя часть внешне-призматической опоры (6) имеет наклон от 25° до 75°.

17. Устройство по одному из пп.11 и 12, отличающееся тем, что в опоре (6) предусмотрены четыре промывочные канавки.

18. Устройство по п.12, отличающееся тем, что предусмотрен работающий в режиме холостого хода предохранительный механизм, таким образом, что образуется горизонтальное кольцевое пространство между внутренне-призматической втулкой (5) и открытой втулкой (19), причем смещение по оси внешне-призматической опоры (6) контролируется при помощи внутренне-призматической втулки (5), таким образом, что инструмент и внешне-призматическая опора (6) автоматически скользят вниз вместе с ударником, чтобы прекратить подачу питания и за счет этого предотвратить соударение ударника с внешне-призматической опорой (6) во время холостой работы.

19. Устройство по п.11, отличающееся тем, что коническая верхняя часть внешне-призматической опоры (6) имеет наклон от 45 до 75°, причем отношение длины внутреннего отверстия внутренне-призматической втулки (5) к диаметру описанной окружности многоугольника в поперечном сечении внутренне-призматической втулки (5) составляет от 0,8 до 1,0.

20. Применение приводимого в движение флюидом ударного устройства по одному из пп.1-19 для бурения твердых и хрупких земных формаций, которые имеют твердость свыше 5, прочность на сжатие 150 МПа и буримость породы свыше 5.

Описание изобретения к патенту

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию ударно-вращательного инструмента для бурения, а более конкретно к созданию силового передаточного механизма, приводимого в движение флюидом ударного устройства и к их использованию.

Предпосылки к созданию изобретения

Приводимое в движение флюидом ударное устройство представляет собой один из инструментов ВНА (оборудования низа бурильной колонны), питание на который подают скважинно в процессе роторного бурения и в процессе ударно-вращательного бурения, причем такой процесс бурения представляет собой новый процесс по сравнению с известными ранее процессами. Принцип работы с использованием ударно-вращательного бурения заключается в следующем: приводимое в движение флюидом ударное устройство устанавливают у верхней части долота или колонковой трубы. В ходе бурения долото вращается вместе с бурильной колонной под заданным давлением долота. Тем временем, буровое долото подвергается воздействию ударов высокой частоты от ударного устройства, так что горная порода разрушается за счет совместного действия вращательного движения и ударного движения, в результате чего существенно повышается скорость проходки при бурении.

В патенте CN 2385068 Y раскрыт приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое, как это показано на фиг.1, содержит: верхнее сочленение 1; внешнюю втулку 2, соединенную с нижним резьбовым участком верхнего сочленения 1 на своем верхнем конце; среднее сочленение 3, соединенное с нижним резьбовым участком внешней втулки 2 на своем верхнем конце и имеющее центральное отверстие; внешнюю трубу 4, соединенную с нижним концом среднего сочленения 3 при помощи резьбы; внутреннепризматическую втулку 5, имеющую внутреннее отверстие с многоугольным профилем, соединенную с нижним резьбовым участком наружной трубы 4 и имеющую центральное отверстие; опору 6, установленную внутри втулки 5 и имеющую наружную резьбу у ее нижнего конца; нижнее сочленение 7, имеющее, у своего верхнего конца, отверстие с внутренней резьбой, в которое ввинчен нижний конец опоры 6, и имеющее, у своего нижнего конца, резьбовое отверстие для установки инструментов, таких как буровое долото. В ударном устройстве центральное отверстие среднего сочленения сообщается с внутренней полостью наружной трубы. Ударное устройство также содержит верхнюю отклоняющую флюид крышку 8 с центральным отверстием и множеством отклоняющих (рассеивающих) флюид отверстий; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90; цилиндр 10 с внутренней полостью; поршень 11, установленный во внутренней полости цилиндра 10; шток поршня 12, соединенный с поршнем 11; нижнюю крышку цилиндра 13, установленную у нижнего конца цилиндра 10 и снабженную центральным отверстием для пропускания штока поршня 12; и ударник 14, соединенный со штоком поршня 12 и оказывающий ударное воздействие на верхнюю часть опоры 6, которые последовательно установлены во внешней втулке 2, среднем сочленении 3 и во внешней трубе 4. Флюид, нежелательный для операции ударного воздействия, отводится через отклоняющие флюид отверстия в верхней отклоняющей флюид крышке 8, после чего поступает в поток бурового раствора. Внутренняя полость цилиндра 10 разделена на верхнюю полость 15 и нижнюю полость 16. Одно из указанных выпускных отверстий струйного элемента 9 сообщается с нижней полостью 16 при помощи бокового прохода (прохода в боковой стенке) 17. Внутренняя стенка внешней втулки 2 и наружная стенка цилиндра 10 образуют границы бокового прохода 17. Другими словами, боковой проход 17 образован между внутренней стенкой внешней втулки 2 и наружной стенкой цилиндра 10 таким образом, что образуется щель, имеющая С-образное поперечное сечение, в наружной стенке цилиндра 10, причем щель открыта к внутренней стенке внешней втулки. Описание струйного элемента 9 для большей четкости изложения опущено, так как этот элемент известен сам по себе и описан, например, в патенте CN 2385068 Y.

Приводимое в движение флюидом ударное устройство работает следующим образом.

Рабочая среда (флюид) из центрального отверстия верхней отклоняющей флюид крышки 8 входит в верхнюю полость 15 и нижнюю полость 16 через струйный элемент 9 и его выпускные отверстия. Поршень 11 и затем шток поршня 12 и ударник 14 совершают возвратно-поступательное движение внутри полостей за счет перепада давлений между верхней полостью 15 и нижней полостью 16, для того чтобы передать ударное усилие к верхней части опоры 6, к нижнему сочленению и, следовательно, к буровому долоту. Тем временем вращающий момент от бурильной колонны передается к опоре 6, а затем к нижнему сочленению 7 и к буровому долоту через внутреннепризматическую втулку 5, в результате чего буровой элемент, такой как буровое долото, соединенное с нижним сочленением, будет производить бурение вперед под действием силы вращения и ударного воздействия. Такое приводимое в движение флюидом ударное устройство позволяет существенно повысить производительность бурения и одновременно понизить стоимость бурения. Отметим, что обычно силовой передаточный механизм ударного устройства содержит опору, внутреннепризматическую втулку и нижнее сочленение.

Однако приводимое в движение флюидом ударное устройство и его силовой передаточный механизм, раскрытые в патенте CN 2385068 Y, имеют некоторые недостатки.

Во-первых, подверженные абразивному износу элементы в приводимом в движение флюидом ударном устройстве приходится заменять по причине их износа, что сокращает срок службы приводимого в движение флюидом ударного устройства. Имеются два абразивных элемента: отклоняющие флюид отверстия в верхней отклоняющей флюид крышке и резиновое уплотнительное кольцо, установленное между наружной поверхностью цилиндра и внутренней стенкой внешней втулки. Резиновое уплотнительное кольцо используют для уплотнения бокового прохода, чтобы позволить флюиду от струйного элемента входить в нижнюю полость цилиндра. Уплотнительное кольцо, которое называют первичным уплотнением, на практике имеет срок службы меньше чем 30 часов, так что в результате срок службы приводимого в движение флюидом ударного устройства также составляет меньше, чем 30 часов.

Причина, по которой резиновое уплотнительное кольцо (первичное уплотнение) подвержено абразивному износу, заключается в том, что скорость потока бурового раствора, протекающего мимо уплотнительного кольца, является очень высокой, а конфигурации различных компонентов ударного устройства являются неправильными, что приводит к образованию завихрений или водоворотов, абразивно воздействующих непосредственно на уплотнительное кольцо. Более того, первичное уплотнение преждевременно разрушается или повреждается за счет высокой температуры и давления коррозионного скважинного бурового раствора и за счет промывания и коррозии основных внутренних частей ударного устройства. Кроме того, причина, по которой отклоняющее флюид отверстие подвержено абразивному износу, заключается в том, что верхняя отклоняющая флюид крышка обычно изготовлена из конструкционной стали с относительно низкой твердостью по шкале С. Роквелла, составляющей от 28 до 32, например, из стали марки 40Cr и 35CrMo. Следовательно, имеющий высокую скорость флюид при промывании легко вызывает абразивный износ отверстий. Обычно срок службы отклоняющего флюид отверстия составляет около 30 часов.

Во-вторых, приводимое в движение флюидом ударное устройство не позволяет существенно повысить скорость бурения, так как при передаче ударной мощности на долото 60% ударной мощности теряется, так что только 40% ударной мощности прикладывается к буровому долоту. Следовательно, производительность бурения, осуществляемого как ударным, так и вращательным образом, существенно снижается.

Наконец, приходится часто заменять верхнюю отклоняющую флюид крышку, так как отклоняющие флюид отверстия, как уже было упомянуто здесь ранее, подвержены абразивному износу; кроме того, размеры отклоняющих флюид отверстий являются постоянными, так что для обработки различных потоков флюида приходится пересверливать отклоняющие флюид отверстия под другие размеры или использовать набор верхних отклоняющих флюид крышек с отклоняющими флюид отверстиями различных размеров. Следовательно, повышается стоимость эксплуатации верхних отклоняющих флюид крышек, однако без повышения производительности.

Указанные выше недостатки существенно снижают срок службы и производительность приводимого в движение флюидом ударного устройства, что препятствует широкому применению техники ударно-вращательного бурения и получению экономических и технологических преимуществ.

Краткое изложение изобретения

Первой задачей настоящего изобретения является создание приводимого в движение флюидом ударного устройства, который позволяет преодолеть недостатки известных устройств, такие как низкий срок службы ударного устройства, и в результате повысить его производительность.

Другой задачей настоящего изобретения является создание силового передаточного механизма для приводимого в движение флюидом ударного устройства, который имеет более высокую эффективность передачи ударной энергии.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание приводимого в движение флюидом ударного устройства, которое имеет более высокую эффективность использования ударной энергии и позволяет повысить скорость бурения и производительность за счет использования усовершенствованного силового передаточного механизма.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание приводимого в движение флюидом ударного устройства, в котором стоимость верхней отклоняющей флюид крышки снижена и повышена производительность, так как теперь нет необходимости заменять всю верхнюю отклоняющую флюид крышку целиком.

Наконец, еще одной задачей настоящего изобретения является создание приводимого в движение флюидом ударного устройства, применимого для бурения твердых и хрупких горных пород.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку; струйный элемент, установленный внутри внешней втулки и имеющий множество выпускных отверстий; цилиндр, установленный внутри внешней втулки и имеющий внутреннюю полость; верхнюю отклоняющую флюид крышку с множеством отклоняющих флюид отверстий; поршень, расположенный во внутренней полости цилиндра, который разделяет внутреннюю полость на верхнюю полость и нижнюю полость; шток поршня, соединенный с поршнем; нижнюю крышку цилиндра с отверстием в ее центре; ударник, соединенный со штоком поршня; и силовой передаточный механизм. В приводимом в движение флюидом ударном устройстве цилиндр в его наружной стенке имеет боковой проход, при помощи которого одно из выпускных отверстий струйного элемента сообщается с нижней полостью. Боковой проход образован в наружной стенке цилиндра таким образом, что этот боковой проход изолирован от поверхности внутренней стенки внешней втулки водонепроницаемым образом.

В соответствии с этим вариантом изменена конфигурация бокового прохода приводимого в движение флюидом ударного устройства, что позволяет исключить использование резинового первичного уплотнения, так что преждевременный износ уплотнения ударного устройства полностью исключен, за счет чего повышается скорость бурения и производительность, так что срок службы ударного устройства повышается более чем в 2 раза.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, боковой проход образован в наружной стенке цилиндра таким образом, что образуется главным образом С-образная канавка в наружной стенке цилиндра, которая закрыта дуговидной металлической деталью, приваренной снаружи, причем конфигурация металлической детали соответствует контуру кромки канавки. Альтернативно, боковой проход может быть образован при помощи литья в наружной стенке, таким образом, что наружная стенка цилиндра действует в качестве границы раздела для бокового прохода.

В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения, металлическая прокладка для уплотнения за счет осевого сжатия предусмотрена между струйным элементом и верхней отклоняющей флюид крышкой цилиндра, и/или медная втулка, плотно охватывающая шток поршня, установлена в центральном отверстии нижней крышки цилиндра.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, приводимое в движение флюидом ударное устройство содержит силовую передачу, механизм которой содержит: внутреннепризматическую втулку с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы за счет соединения наружной резьбы на верхнем конце внутреннепризматической втулки с внешней резьбой у нижнего конца наружной трубы; и внешнепризматическую опору, установленную с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутреннепризматической втулки. В приводимом в движение флюидом ударном устройстве предусмотрены несколько промывочных канавок у верхней поверхности внешнепризматической опоры, так что промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешнепризматической опоры, и образовано отверстие, снабженное внешней резьбой для сопряжения с внутренней резьбой инструмента; другими словами, отверстие имеет сообщение с полым проходом, так что буровой раствор может проходить через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, сопло установлено с возможностью его замены в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке, причем сопло выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С. Роквелла по меньшей мере в 2 раза выше, чем у верхней отклоняющей флюид крышки.

Сопло преимущественно установлено в отклоняющем флюид отверстии при помощи скобы, причем выпускной внутренний диаметр Н сопла и впускной внутренний диаметр L соответствуют выражению 0<Н L.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предлагается силовой передаточный механизм для приводимого в движение флюидом ударного устройства, которое содержит: внутреннепризматическую втулку с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы за счет соединения верхнего конца внутреннепризматической втулки с наружной трубой; и внешнепризматическую опору, установленную с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутреннепризматической втулки. В приводимом в движение флюидом ударном устройстве несколько промывочных канавок предусмотрены у верхней поверхности внешнепризматической опоры, так что промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешнепризматической опоры у ее нижнего конца, и образовано отверстие с внешней резьбой для сопряжения с внутренней резьбой инструмента; другими словами, отверстие сообщается с полым проходом, так что буровой раствор может проходить через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии. В соответствии с этим вариантом, эффективность передачи мощности повышается на 20% за счет исключения резьбового соединения в результате объединения опоры и нижнего сочленения, еще на 20% за счет сокращения расстояния передачи в результате укорочения внутреннепризматической втулки. Следовательно, эффективность передачи мощности повышается на 40% по сравнению с известными устройствами.

Кроме того, верхний конец внешнепризматической опоры преимущественно имеет вид кругового усеченного конуса, а верхняя часть опоры с ее наружной поверхностью, смежной с верхним концом, имеет вид полого цилиндра, причем нижняя часть опоры представляет собой полое тело с внешним многоугольным профилем для входа в зацепление с внутренним отверстием внутреннепризматической втулки, при этом отверстие предусмотрено в цилиндрической самой нижней части опоры. Более того, верхний конец внутреннепризматической втулки имеет резьбовое соединение с наружной трубой.

В соответствии с еще одним вариантом, в указанном приводимом в движение флюидом ударном устройстве открытая втулка, образованная из двух полукруглых деталей, предусмотрена в верхней части внешнепризматической опоры, которая входит в зацепление с наружной трубой с зазором. Кроме того, поперечное сечение нижней части внешнепризматической опоры и поперечное сечение внутреннепризматической втулки преимущественно представляют собой правильный n-угольник, в котором n составляет от 3 до 10, а преимущественно 8.

Более того, отношение длины внутреннего отверстия внутреннепризматической втулки к диаметру описанной окружности многоугольника в поперечном сечении внутреннепризматической втулки составляет от 0,7 до 1.1, а преимущественно от 0.8 до 1.0.

Более того, коническая самая верхняя часть внешнепризматической опоры (6) имеет наклон от 25° до 75°, а преимущественно от 45° до 75°. Кроме того, четыре промывочные канавки предусмотрены в опоре.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, работающий в режиме холостого хода предохранительный механизм предусмотрен в приводимом в движение флюидом ударном устройстве таким образом, что образуется горизонтальное кольцевое пространство между внутреннепризматической втулкой и открытой втулкой, так что осевое смещение внешнепризматической опоры контролируется при помощи внутреннепризматической втулки таким образом, что инструмент и внешнепризматическая опора автоматически скользят вниз, в результате чего ударник также скользит вниз, чтобы прекратить подачу питания и предотвратить соударение ударника с внешнепризматической опорой во время холостой работы.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку; струйный элемент, установленный внутри внешней втулки и имеющий множество выпускных отверстий; цилиндр, установленный внутри внешней втулки и имеющий внутреннюю полость; верхнюю отклоняющую флюид крышку с множеством отклоняющих флюид отверстий; поршень, расположенный во внутренней полости цилиндра, который разделяет внутреннюю полость на верхнюю полость и нижнюю полость; шток поршня, соединенный с поршнем; нижнюю крышку цилиндра с отверстием в ее центре; ударник, соединенный со штоком поршня; и силовой передаточный механизм; причем цилиндр содержит боковой проход в его наружной стенке, при этом боковой проход позволяет одному из выпускных отверстий струйного элемента иметь сообщение с нижней полостью. В ударном устройстве сопло установлено с возможностью замены в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке, причем сопло выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и сделано из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С. Роквелла по меньшей мере в 2 раза выше, чем у верхней отклоняющей флюид крышки. В соответствии с этим вариантом, срок службы отклоняющих флюид отверстий увеличен и сопло может быть заменено в зависимости от различных потоков (флюида).

Кроме того, сопло установлено в отклоняющем флюид отверстии при помощи скобы или шпильки, причем выпускной внутренний диаметр Н сопла и впускной внутренний диаметр L соответствуют выражению 0<Н L.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку; струйный элемент, установленный внутри внешней втулки и имеющий множество выпускных отверстий; цилиндр, установленный внутри внешней втулки и имеющий внутреннюю полость; верхнюю отклоняющую флюид крышку с множеством отклоняющих флюид отверстий; поршень, расположенный во внутренней полости цилиндра, который делит внутреннюю полость цилиндра на верхнюю полость и нижнюю полость; шток поршня, соединенный с поршнем; нижнюю крышку цилиндра с отверстием в ее центре; ударник, соединенный со штоком поршня; и силовой передаточный механизм; причем цилиндр содержит боковой проход в его наружной стенке, при этом боковой проход позволяет одному из выпускных отверстий струйного элемента сообщаться с нижней полостью; причем силовой передаточный механизм представляет собой механизм, определенный в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения. В соответствии с этим вариантом, эффективность передачи мощности существенно повышается.

В соответствии с другим вариантом, сопло установлено с возможностью замены в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке, причем сопло выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С. Роквелла по меньшей мере в 2 раза выше, чем у верхней отклоняющей флюид крышки.

Сопло преимущественно установлено в отклоняющем флюид отверстии при помощи скобы или шпильки, причем выпускной внутренний диаметр Н сопла и впускной внутренний диаметр L соответствуют выражению 0<Н L.

В соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения, настоящее изобретение направлено на использование приводимого в движение флюидом ударного устройства, выполненного в соответствии с первым, вторым, третьим и четвертыми аспектами настоящего изобретения, для бурения твердой и хрупкой горной породы, которая имеют твердость свыше 5, прочность на сжатие 150 МПа и буримость породы свыше 5.

Краткое описание чертежей

Далее различные предпочтительные варианты настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи. На всех чертежах, элементы или детали, выполняющие аналогичные функции, имеют одинаковые позиционные обозначения.

На фиг.1 показано поперечное сечение известного приводимого в движение флюидом ударного устройства, выполненного в соответствии с CN 2385068 Y.

На фиг.2 показано поперечное сечение приводимого в движение флюидом ударного устройства в соответствии с настоящим изобретением, причем можно видеть область первичного уплотнения.

На фиг.3 показано поперечное сечение цилиндра и бокового прохода, показанных на фиг.2.

На фиг.4 показан вид слева цилиндра, показанного на фиг.2.

На фиг.5 показано поперечное сечение по линии А-А фиг.3.

На фиг.6 показано поперечное сечение по линии В-В фиг.3.

На фиг.7 схематично показано сварное уплотнение металлом бокового прохода фиг.1.

На фиг.8 показано сечение силового передаточного механизма в соответствии с настоящим изобретением;

На фиг.9 показано поперечное сечение по линии А'-А' фиг.8.

На фиг.10 показано поперечное сечение по линии В'-В' фиг.8.

На фиг.11 показано сечение верхней отклоняющей флюид крышки.

На фиг.12 показано сечение сопла.

На фиг.13 показана верхняя отклоняющая флюид крышка с установленным соплом.

Подробное описание изобретения

Для того чтобы получить приводимое в движение флюидом ударное устройство с повышенным сроком службы, усовершенствование было введено в первичное уплотнение приводимого в движение флюидом ударного устройства в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения. Во всех аспектах настоящего изобретения рассматривается приводимое в движение флюидом ударное устройство, идентичное описанному в патенте CN 2385068 Y в том, что касается его конструкции или параметров, причем это ударное устройство имеет улучшенные параметры и включает в себя элементы в соответствии с настоящим изобретением. Поэтому будут рассматриваться только элементы или детали, связанные с первичным уплотнением приводимого в движение флюидом ударного устройства в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку 2; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90; цилиндр 10; верхнюю отклоняющую флюид крышку 8; поршень 11, расположенный во внутренней полости цилиндра 10; шток поршня 12; нижнюю крышку цилиндра 13 с отверстием в ее центре; ударник 14; силовой передаточный механизм; причем поршень делит внутреннюю полость цилиндра на верхнюю полость 15 и нижнюю полость 16; цилиндр 10 имеет боковой проход 17 на участке его внешней стенки, причем боковой проход 17 приводит одно из выпускных отверстий 90 струйного элемента 9 во флюидальное сообщение с нижней полостью 16. В соответствии с этим вариантом, боковой проход 17 выполнен в наружной стенке цилиндра 10 таким образом, что образуется главным образом С-образная канавка в наружной стенке цилиндра 10, однако эта канавка закрыта со стороны поверхности внутренней стенки внешней втулки, так что боковой проход герметично изолирован от поверхности внутренней стенки внешней втулки 2. Следовательно, флюид в боковом проходе 17 не может входить в контакт с внутренней стенкой внешней втулки.

Уплотнение образовано таким образом, что дугообразная металлическая деталь с согласованным контуром приварена сверху на С-образную канавку, так что образуется боковой проход в виде осевого прохода во внутренней стенке внешней втулки. В отличие от решения, раскрытого в патенте CN 2385068 Y, в котором предусмотрены резиновые уплотнительные кольца между внутренней стенкой внешней втулки 2 и наружной стенкой цилиндра 10, решена проблема преждевременного повреждения или разрушения за счет прямой эрозии, вызванной завихрениями или водоворотами, создаваемыми за счет чрезмерно высокой скорости течения бурового раствора. Более того, срок службы приводимого в движение флюидом ударного устройства струйного типа существенно возрастает, так как металл для первичного уплотнения имеет более высокую износостойкость, чем резиновое уплотнение. Проведенные эксперименты показали, что срок службы приводимого в движение флюидом ударного устройства может достигать 70-80 часов при однократном (единичном) применении.

Само собой разумеется, что способ образования и конфигурация бокового прохода 17 не ограничены только описанным выше вариантом. В соответствии с одним из вариантов, боковой проход 17 образован в наружной стенке за счет процесса литья, при этом наружная стенка цилиндра 10 действует в качестве границы раздела бокового прохода 17. Следовательно, этот вариант преимущественно позволяет легко выполнять боковой проход 17, в результате чего снижается стоимость.

В соответствии с другими аспектами настоящего изобретения, как это показано на фиг.2, в дополнение к усовершенствованиям первичного уплотнения, металлическая прокладка для осевого уплотнения предусмотрена между струйным элементом 9 и верхней отклоняющей флюид крышкой цилиндра 10, причем металлическая прокладка имеет гладкую поверхность. В соответствии с другим вариантом, медная втулка 18, плотно охватывающая шток поршня 12, установлена в центральном отверстии нижней крышки цилиндра 13. Когда шток поршня движется вверх и вниз и сообщает ударнику движение соударения, медная втулка имеет герметичное уплотнение со штоком поршня, за счет чего исключается утечка бурового раствора вдоль штока поршня, который мог бы промывать ударник и приводить к его эрозии.

В соответствии со вторым аспектом, предлагается силовой передаточный механизм 200 для повышения эффективности передачи ударной энергии, который содержит: внутреннепризматическую втулку 5 с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы 4 за счет соединения верхнего конца внутреннепризматической втулки 5 с наружной трубой 4; внешнепризматическую опору 6 с внешним многоугольным профилем, установленную с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутреннепризматической втулки 5; несколько промывочных канавок, предусмотренных у верхней поверхности внешнепризматической опоры 6, таким образом, что промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешнепризматической опоры 6; и отверстие, образованное у нижнего конца опоры 6, с внешней резьбой для сопряжения с внутренней резьбой инструмента, такого как долото или колонковая труба; другими словами, отверстие имеет флюидальное сообщение с полым проходом, так что буровой раствор может проходить через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии.

В соответствии с теорией распространения волн, ударная волна отражается на границах раздела и теряет при этом около 20% мощности. Более того, ослабление ударной волны главным образом пропорционально расстоянию распространения. Для того, чтобы повысить эффективность передачи мощности, принимая во внимание снижение числа передаточных элементов и уменьшение расстояния передачи, в соответствии с настоящим изобретением проведено существенное усовершенствование, связанное с тем, что опора и нижнее сочленение, применяемые в известных ранее устройствах, объединены вместе, причем внутреннепризматическая втулка соответственно укорочена, что позволяет повысить эффективность передачи мощности в соответствии с теорией распространения волн. В результате, эффективность передачи мощности повышена на 20%, так как ударная волна в соответствии с настоящим изобретением пересекает на одну резьбовую границу меньше, чем в известных ранее устройствах, поскольку опора и нижнее сочленение объединены вместе, и повышена еще на 20%, так как расстояние передачи уменьшено за счет укорочения внутреннепризматической втулки. Следовательно, эффективность передачи мощности суммарно повышена более чем на 40% по сравнению с известными ранее устройствами.

Для того чтобы создать приводимое в движение флюидом ударное устройство, в котором нет необходимости в замене целиком всей верхней отклоняющей флюид крышки, что позволяет снизить стоимость эксплуатации ударного устройства и повысить производительность, в соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предусмотрено приводимое в движение флюидом ударное устройство, показанное на фиг.11-13, который содержит: внешнюю втулку 2; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90, цилиндр 10; верхнюю отклоняющую флюид крышку 8; поршень 11, расположенный во внутренней полости цилиндра 10; шток поршня 12; нижнюю крышку цилиндра 13 с отверстием в ее центре; ударник 14; и силовой передаточный механизм 200, в котором сопло 21 установлено с возможностью замены в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке 8, причем сопло 21 выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С. Роквелла>60, такой как сталь марок YG8, YG11, у которой твердость по шкале С. Роквелла по меньшей мере в 2 раза выше, чем у верхней отклоняющей флюид крышки 8, в результате чего сопло имеет более высокую стойкость к абразивному износу, чем верхняя отклоняющая флюид крышка. Выпускной внутренний диаметр Н и впускной внутренний диаметр L сопла 21 соответствуют выражению 0<Н L.

В зависимости от различных потоков флюида, сопла с различными внутренними диаметрами могут быть установлены по желанию в отклоняющем флюид отверстии одной и той же верхней отклоняющей флюид крышки 8. Отсутствуют ограничения по способу крепления сопла в отклоняющем флюид отверстии, при условии, что сопло может быть легко снято и заменено. Например, сопло 21 может быть установлено в отклоняющем флюид отверстии при помощи скобы 22 или шпильки. Использование сменных сопел повышает срок службы отклоняющих флюид отверстий за счет снижения абразивного износа отверстий. Кроме того, легко может быть проведена замена сопел для адаптации к различным потокам флюида.

Кроме того, в соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, позволяющее улучшить эффективность передачи энергии и, следовательно, повысить скорость бурения за счет использования усовершенствованного силового передаточного механизма, причем ударное устройство содержит: внешнюю втулку 2; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90; цилиндр 10; верхнюю отклоняющую флюид крышку 8; поршень 11, расположенный во внутренней полости цилиндра 10; шток поршня 12; нижнюю крышку цилиндра 13 с отверстием в ее центре; ударник 14; и силовой передаточный механизм 200. Силовой передаточный механизм содержит: внутреннепризматическую втулку 5 с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы 4 за счет сопряжения внутренней резьбы у верхнего конца внутреннепризматической втулки 5 с внешней резьбой у нижнего конца наружной трубы 4; и внешнепризматическую опору 6, установленную с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутреннепризматической втулки 5. В силовом передаточном механизме предусмотрены несколько промывочных канавок на верхней поверхности внешнепризматической опоры 6, так что промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешнепризматической опоры 6. Отверстие образовано у нижнего конца опоры 6, с внешней резьбой для сопряжения с внутренней резьбой инструмента; другими словами, отверстие имеет флюидальное сообщение с полым проходом, так что буровой раствор может проходить через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии. По сравнению с силовым передаточным механизмом, раскрытом в патенте CN 2385068 Y, потери при передаче мощности снижены и эффективность (передачи мощности) повышена за счет исключения нижнего сочленения.

Кроме того, в соответствии со вторым и/или четвертым аспектом, вместе с использованием опоры и нижнего сочленения, объединенных вместе, в соответствии с другим вариантом используют открытую втулку 19, образованную из двух полукруглых зажимных деталей, которую зажимают у верхней части опоры 6, с зазором от внешней трубы 4. Открытая втулка 19 работает следующим образом: ударник 14 толкает опору 6 вниз для передачи ударной волны к таким инструментам, как буровое долото. Внутреннепризматическая втулка 5 облегчает передачу вращающего момента в ходе бурения. Когда буровое долото поднимают от дна скважины, то так как внутреннепризматическая втулка 5 ограничивает смещение по оси (осевое смещение) опоры 6, буровое долото и опора 6 свободно скользят вниз до тех пор, пока открытая втулка 19 не ляжет на верхнюю торцевую поверхность с помощью внутреннепризматической втулки 5. В свою очередь поршень 11 и ударник 14 скользят вниз для того чтобы остановить работу силового механизма, чтобы исключить холостой ход опоры. Открытая втулка 19 облегчает фиксацию и защиту, исключает холостой ход и предохраняет внешнюю трубу 4 от повреждения и деформации.

Кроме того, аналогично раскрытому в патенте CN 2385068 Y, верхний конец опоры 6 имеет форму кругового усеченного конуса или другую подходящую форму, например, грибовидную форму, с четырьмя промывочными канавками, которые сообщаются с полым проходом в опоре. С другой стороны, резиновое уплотнительное кольцо 20 установлено между опорой и внутреннепризматической втулкой 5.

Более того, верхняя часть внешнепризматической опоры, смежная с верхним концом, представляет собой полое цилиндрическое тело. Средняя и нижняя части опоры представляют собой призматическое тело для входа в зацепление с внутренним отверстием внутреннепризматической втулки 5. Самая нижняя часть опоры представляет собой полое цилиндрическое тело с отверстием. В соответствии с другим вариантом, поперечное сечение нижней части внешнепризматической опоры 6 и поперечное сечение внутреннепризматической втулки 5 преимущественно представляет собой правильный n-угольник, в котором п составляет от 3 до 10, а преимущественно равно 8.

Более того, отношение длины внутреннего отверстия внутреннепризматической втулки к диаметру описанной окружности многоугольника в поперечном сечении внутреннепризматической втулки составляет от 0.7 до 1.1, а преимущественно от 0.8 до 1.0. Коническая самая верхняя часть внешнепризматической опоры (6) имеет наклон от 25° до 75°, а преимущественно от 45° до 75°.

Несмотря на то, что были описаны четыре аспекта настоящего изобретения со ссылкой на чертежи, совершенно ясно, что специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения в приводимое в движение флюидом ударное устройство, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Например, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку 2; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90, цилиндр 10; верхнюю отклоняющую флюид крышку 8; поршень 11, расположенный во внутренней полости цилиндра 10, который разделяет внутреннюю полость цилиндра 10 на две полости, а именно на верхнюю полость 15 и нижнюю полость 16; шток поршня 12; нижнюю крышку цилиндра 13 с отверстием в ее центре; ударник 14; и силовой передаточный механизм 200; причем цилиндр 10 имеет боковой проход 17 в части его наружной стенки, при этом боковой проход 17 позволяет одному из выпускных отверстий 90 струйного элемента 9 иметь флюидальное сообщение с нижней полостью 16. В ударном устройстве боковой проход 17 образован в наружной стенке цилиндра 10, таким образом, что образуется главным образом С-образная канавка, закрытая со стороны поверхности внутренней стенки внешней втулки, в наружной стенке цилиндра, так что боковой проход 17 герметично изолирован от внутренней стенки внешней втулки 2.

Силовой передаточный механизм содержит: внутреннепризматическую втулку 5 с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы 4 за счет соединения внутренней резьбы у верхнего конца внутреннепризматической втулки 5 с внешней резьбой у нижнего конца наружной трубы 4; внешнепризматическую опору 6 с внешним многоугольным профилем, установленную с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутреннепризматической втулки 5; несколько промывочных канавок, предусмотренных у верхнего конца внешнепризматической опоры 6, таким образом, что промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешнепризматической опоры 6; и отверстие, образованное у нижнего конца опоры 6, с внутренней резьбой для сопряжения с внешней резьбой инструмента; другими словами, отверстие имеет флюидальное сообщение с полым проходом, так что буровой раствор может проходить через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии. В указанном механизме повышены производительность и эффективность передачи энергии за счет улучшения первичного уплотнения.

В соответствии с другим вариантом, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку 2; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90; цилиндр 10; верхнюю отклоняющую флюид крышку 8; поршень 11, расположенный во внутренней полости цилиндра 10, который разделяет внутреннюю полость цилиндра 10 на верхнюю полость 5 и нижнюю полость 16; шток поршня 12; нижнюю крышку цилиндра 13 с отверстием в ее центре; ударник 14; и силовой передаточный механизм 200; причем цилиндр 10 имеет боковой проход 17 в части его наружной стенки, при этом боковой проход 17 позволяет одному из выпускных отверстий 90 струйного элемента 9 иметь флюидальное сообщение с нижней полостью 16. В ударном устройстве боковой проход 17 образован в наружной стенке цилиндра 10 таким образом, что главным образом С-образная канавка, закрытая со стороны поверхности внутренней стенки внешней втулки, образуется в наружной стенке цилиндра, так что боковой проход 17 герметично изолирован от внутренней стенки внешней втулки 2. Сопло 21 установлено с возможностью замены в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке 8, причем сопло 21 выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С. Роквелла по меньшей мере в 2 раза выше, чем у верхней отклоняющей флюид крышки 8. Следовательно, срок службы первичного уплотнения повышен, причем сопла могут быть заменены в соответствии с потоком флюида, что позволяет поднять производительность.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку 2; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90; цилиндр 10; верхнюю отклоняющую флюид крышку 8; поршень 11, расположенный во внутренней полости цилиндра 10; шток поршня 12; нижнюю крышку цилиндра 13 с отверстием в ее центре; ударник 14; и силовой передаточный механизм 200. Силовой передаточный механизм содержит: внутреннепризматическую втулку 5 с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы 4 за счет соединения внутренней резьбы у верхнего конца внутреннепризматической втулки 5 с внешней резьбой у нижнего конца наружной трубы 4; внешнепризматическую опору 6, установленную с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутреннепризматической втулки 5; несколько промывочных канавок, предусмотренных у верхнего конца внешнепризматической опоры 6, таким образом, что промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешнепризматической опоры 6; и отверстие, образованное у нижнего конца опоры 6, с внешней резьбой для сопряжения с внутренней резьбой инструмента; другими словами, отверстие имеет флюидальное сообщение с полым проходом, так что буровой раствор может проходить через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии.

Сопло 21 установлено с возможностью замены в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке 8, причем сопло 21 выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С. Роквелла по меньшей мере в 2 раза выше, чем у верхней отклоняющей флюид крышки 8. Следовательно, срок службы отклоняющего флюид отверстия повышен, причем сопла могут быть заменены в соответствии с потоком флюида, что позволяет повысить эффективность передачи энергии и поднять производительность.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, предлагается приводимое в движение флюидом ударное устройство, которое содержит: внешнюю втулку 2; струйный элемент 9 с множеством выпускных отверстий 90; цилиндр 10; верхнюю отклоняющую флюид крышку 8; поршень 11, расположенный во внутренней полости цилиндра 10; шток поршня 12; нижнюю крышку цилиндра 13 с отверстием в ее центре; ударник 14; и силовой передаточный механизм 200. Силовой передаточный механизм содержит: внутреннепризматическую втулку 5 с внутренним отверстием, имеющим многоугольный профиль, установленную внутри наружной трубы 4 за счет соединения внутренней резьбы у верхнего конца внутреннепризматической втулки 5 с внешней резьбой у нижнего конца наружной трубы 4; внешнепризматическую опору 6, установленная с возможностью скольжения во внутреннем отверстии внутреннепризматической втулки. 5; несколько промывочных канавок, предусмотренных у верхнего конца внешнепризматической опоры 6, так что промывочные канавки сообщаются с полым проходом внутри внешнепризматической опоры 6; и отверстие, образованное у нижнего конца опоры 6, с внешней резьбой для сопряжения с внутренней резьбой инструмента; другими словами, отверстие имеет флюидальное сообщение с полым проходом, так что буровой раствор может проходить через указанные промывочные канавки и полый проход к инструменту, установленному в отверстии.

Сопло 21 установлено с возможностью замены в одном из отклоняющих флюид отверстий в верхней отклоняющей флюид крышке 8, причем сопло 21 выбрано из ряда сопел с различными внутренними диаметрами и изготовлено из легированной стали, которая имеет твердость по шкале С. Роквелла по меньшей мере в 2 раза выше, чем у верхней отклоняющей флюид крышки 8.

В ударном устройстве боковой проход 17 образован на периметре цилиндра 10, таким образом, что главным образом С-образная канавка, закрытая со стороны поверхности внутренней стенки внешней втулки, образуется в наружной стенке цилиндра, так что боковой проход 17 герметично изолирован от внутренней стенки внешней втулки 2. Следовательно, срок службы как первичного уплотнения, так и отклоняющего флюид отверстия увеличен, причем сопла могут быть заменены в соответствии с потоком флюида, что позволяет поднять производительность.

Кроме того, в соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения, предлагается использование приводимого в движение флюидом ударного устройства для бурения твердой и хрупкой горной породы, которая имеет твердость свыше 5, прочность на сжатие 150 МРа и буримость породы свыше 5. Так как приводимое в движение флюидом ударное устройство струйного типа в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает более высокую эффективность передачи ударной энергии и имеет больший срок службы для единичного применения, то такое ударное устройство особенно хорошо подходит для разработки указанной горной породы.

Промышленная применимость

Приводимое в движение флюидом ударное устройство в соответствии с настоящим изобретением особенно хорошо подходит для использования в таких областях, как добыча нефти. Силовой передаточный механизм в соответствии с настоящим изобретением может быть использован в ударном устройстве струйного типа, в ударном устройстве с жесткой передачей, в ударном устройстве с мягкой передачей, в вентильном ударном устройстве со сдвоенным приводом, в ударном устройстве с контролем струи и всасывания, а также и в других ударных устройствах.