RU2607843C2 - High-frequency drilling hammer with hydraulic drive, intended for hard rocks percussion drilling - Google Patents

High-frequency drilling hammer with hydraulic drive, intended for hard rocks percussion drilling Download PDF

Info

Publication number
RU2607843C2
RU2607843C2 RU2014108528A RU2014108528A RU2607843C2 RU 2607843 C2 RU2607843 C2 RU 2607843C2 RU 2014108528 A RU2014108528 A RU 2014108528A RU 2014108528 A RU2014108528 A RU 2014108528A RU 2607843 C2 RU2607843 C2 RU 2607843C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hammer
valve
piston
valve stem
plug
Prior art date
Application number
RU2014108528A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014108528A (en
Inventor
Пер А. Ватне
Original Assignee
Хаммергю Ас
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Хаммергю Ас filed Critical Хаммергю Ас
Publication of RU2014108528A publication Critical patent/RU2014108528A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2607843C2 publication Critical patent/RU2607843C2/en

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14Fluid operated hammers

Abstract

FIELD: mining.
SUBSTANCE: invention relates to hard rocks drilling. High-frequency impact hammer with hydraulic drive contains housing (8, 9, 10), at one end of which there is drilling head (11), intended to act directly on solid rock, Hammer piston (20) installed with possibility to move in said housing (8, 9, 10) and acting on drilling head (11). Hammer piston (20) has longitudinal flowing channel (41) with specified throughput capacity, which is made with possibility of closing valve in ascending direction with plug (23), partially following hammer piston (20) during its stroke. Valve plug (23) is controlled by means of connected valve stem (49) installed with possibility of sliding by valve stem bushing (51). Valve stem (49) of consists of locking devices (50, 51), made with possibility to abruptly stop valve plug (23) at level, making specified percentage of hammer piston (20) stroke total length, and able to separate valve plug (23) from sealing seat (40) on hammer piston (20), which provides opening said channel (41) with possibility to allow channel fluid medium passage through it, wherein valve stem (49) has properties of tension spring, providing valve plug (23) return with high speed by means of mechanical recoil.
EFFECT: enabling higher drilling speed and reduced power consumption.
9 cl, 34 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к высокочастотному ударному молотку с гидравлическим приводом, предназначенному для бурения твердых пород, содержащему корпус, один конец которого снабжен буровой головкой, предназначенной для воздействия непосредственно на твердую породу, кроме того, ударный молоток содержит поршень молотка, установленный с возможностью перемещения в указанном корпусе и воздействующий на буровую головку, причем поршень молотка имеет продольно проходящий канал с заданной пропускной способностью, который выполнен с возможностью закрытия в восходящем направлении посредством заглушки клапана, частично следующей за поршнем молотка во время его хода.The present invention relates to a high-frequency hammer with a hydraulic drive, designed for drilling hard rock, containing a housing, one end of which is equipped with a drill head designed to act directly on the hard rock, in addition, the hammer includes a piston of a hammer mounted to move in the specified case and acting on the drill head, and the piston of the hammer has a longitudinally extending channel with a given throughput, which is made with the possibility of closing in the upward direction by means of a valve plug partially following the piston of the hammer during its stroke.

Ударные молотки с гидравлическим приводом, предназначенные для бурения скальных пород, находятся в коммерческой эксплуатации более 30 лет. Их используют вместе с соединяемыми бурильными штангами, при этом глубина бурения ограничивается тем обстоятельством, что ударная энергия гаснет, проходя через соединения, вдобавок к тому, что вес бурильной штанги становится слишком тяжелым, так что в итоге лишь небольшое количество энергии достигает буровой головки.Hydraulic driven impact hammers designed for rock drilling have been in commercial use for over 30 years. They are used together with connected drill rods, and the drilling depth is limited by the fact that the shock energy is extinguished by passing through the joints, in addition to the weight of the drill rod becoming too heavy, so that only a small amount of energy reaches the drill head.

Забойные бурильные молотки, т.е. бурильные молотки, установленные непосредственно над буровой головкой, намного более эффективны, их применяют в значительной степени для бурения скважин глубиной 2-300 метров. Они приводятся в действие посредством сжатого воздуха и характеризуются давлением до приблизительно 22 бар, что ограничивает глубину бурения приблизительно до 20 метров, если в скважину проникает вода. К настоящему времени уже более 10 лет коммерчески применимы гидравлические бурильные молотки, приводимые в действие водой высокого давления, однако существует ограничение по размерам, это значит, что диаметр отверстия доходит до примерно 130 мм. Вдобавок, они известны ограниченным сроком службы и чувствительностью к примесям в воде. Их применяют в значительной степени в горной промышленности, благодаря эффективности бурения и вертикальности буровых скважин. В ограниченной степени их применяют для бурения вертикальных скважин глубиной до 1000-1500 метров, без какого-либо управления направлением.BOTH hammers, i.e. drill hammers installed directly above the drill head are much more efficient, they are used to a large extent for drilling wells with a depth of 2-300 meters. They are driven by compressed air and are characterized by a pressure of up to approximately 22 bar, which limits the drilling depth to approximately 20 meters if water enters the well. To date, hydraulic drill hammers driven by high-pressure water have been commercially applicable for more than 10 years, but there is a size limit, which means that the hole diameter reaches about 130 mm. In addition, they are known for their limited service life and sensitivity to impurities in water. They are used to a large extent in the mining industry, due to the efficiency of drilling and vertical boreholes. To a limited extent, they are used for drilling vertical wells with a depth of up to 1000-1500 meters, without any directional control.

Требуется изготавливать забойные бурильные молотки с гидравлическим приводом, которые можно применять совместно с направляющим оборудованием, имеющие высокую эффективность, в которых в качестве буровой текучей среды может использоваться вода, а также может использоваться буровая текучая среда на водной основе с добавками, и которые имеют экономически выгодный срок службы. Это предполагает широкое применение как в области глубоководного бурения для получения геотермальной энергии, так и для доступа к труднодоступным нефтяным и газовым источникам. В ударном бурении используют бурильные головки со вставленными твердосплавными зубцами, так называемыми «инденторами». Их выполняют из карбида вольфрама, обычно они имеют диаметр от 8 до 14 мм и сферическое или коническое окончание. В идеале, каждый индентор должен ударять с оптимальной ударной энергией в зависимости от твердости и компрессионной прочности скальной породы так, чтобы образовать небольшую лунку или ямку в скальной породе. Буровую головку вращают таким образом, чтобы следующий удар, в идеале, образовал новую лунку, имеющую соединение с предыдущей. Диаметр и геометрия бурения определяют количество инденторов.It is required to produce hydraulic driven downhole hammers that can be used in conjunction with high-performance guiding equipment, in which water can be used as a drilling fluid, and water-based drilling fluid with additives can be used, and which are cost-effective life time. This implies widespread use both in the field of deepwater drilling for geothermal energy and for access to hard-to-reach oil and gas sources. In percussion drilling use drill heads with inserted carbide tines, the so-called "indenters". They are made of tungsten carbide, usually they have a diameter of 8 to 14 mm and a spherical or conical end. Ideally, each indenter should strike with optimal impact energy depending on the hardness and compression strength of the rock so as to form a small hole or hole in the rock. The drill head is rotated so that the next blow, ideally, forms a new hole, having a connection with the previous one. The diameter and geometry of the drilling determine the number of indenters.

Оптимальная ударная энергия определяется прочностью на сжатие скальной породы, бурению могут подвергаться скальные породы, имеющие прочность на сжатие более 300 МПа. Потребление ударной энергии выше оптимального значения представляется потерей энергии, так как она не используется на разрушение скальной породы, а лишь распространяется в виде энергетических волн. Слишком маленькая ударная энергия вообще не образует лунки. Когда известна ударная энергия, приходящаяся на индентор, и определено количество инденторов, тогда на буровую головку подается оптимальная ударная энергия. Тяга, или скорость бурения, (скорость проходки при бурении) может быть увеличена путем увеличения частоты ударов.The optimal impact energy is determined by the compressive strength of the rock, rock can be drilled with a compressive strength of more than 300 MPa. The consumption of shock energy above the optimal value seems to be a loss of energy, since it is not used to destroy rock, but only spreads in the form of energy waves. Too small impact energy does not form a hole at all. When the shock energy per indenter is known, and the number of indenters is determined, then the optimal shock energy is supplied to the drill head. Thrust, or drilling speed, (drilling penetration rate) can be increased by increasing the frequency of impacts.

Количество нагнетаемой буровой текучей среды определяется минимальной необходимой скоростью отвода (скоростью восходящего потока) в кольцевом пространстве между буровой штангой и стенкой ствола скважины. Она должна составлять, по меньшей мере, более 1 м/с, предпочтительно - 2 м/с, чтобы выбуренный материал, буровой шлам, транспортировался на поверхность. Чем более твердая и хрупкая скальная порода, и выше обеспечиваемая ударная частота, тем более мелкий буровой шлам можно получить, и может быть принята более медленная скорость отвода. Твердая скальная порода и высокая частота будут образовывать буровой шлам в виде пыли или мелкого песка.The amount of injected drilling fluid is determined by the minimum required tap speed (upstream velocity) in the annular space between the drill rod and the borehole wall. It should be at least more than 1 m / s, preferably 2 m / s, so that the drilled material, drill cuttings, is transported to the surface. The harder and more brittle the rock, and the higher the impact frequency, the finer the drill cuttings can be obtained and the slower retraction speed can be adopted. Hard rock and high frequency will form drill cuttings in the form of dust or fine sand.

Гидравлическое воздействие, прикладываемое к бурильному молотку, определяется перепадом давления, умноженным на количество перекачиваемого материала в единицу времени.The hydraulic action applied to the drill hammer is determined by the pressure drop multiplied by the amount of material pumped per unit time.

Данное воздействие обеспечивает ударная энергия за один удар, умноженная на частоту. Если рассмотреть воображаемый пример, в котором бурение осуществляют в гранитной породе с прочностью на сжатие 260 МПа, диаметр буровой скважины составляет 190 мм, подача воды с поверхности составляет 750 л/мин (12,5 л/с), то рассчитанное значение оптимальной ударной энергии составляет, приблизительно, 900 Дж.This effect provides shock energy per shock multiplied by frequency. If we consider an imaginary example in which drilling is carried out in granite rock with a compressive strength of 260 MPa, the diameter of the borehole is 190 mm, the water supply from the surface is 750 l / min (12.5 l / s), then the calculated value of the optimal impact energy is approximately 900 joules.

На основании известных данных для аналогичных буровых скважин, но с меньшими диаметрами, можно ожидать скорость проходки при бурении 22 м/ч (метров в час) при ударной частоте 60 Гц. При увеличении ударной частоты до 95 Гц, скорость проходки при бурении соответственно составит 35 м/ч. Требуемое суммарное воздействие на буровую головку тогда составит: 0,9 кДж × 95=86 кВт. Мы подразумеваем, что конструкция настоящего молотка имеет механико-гидравлический КПД 0,89, который обеспечивает необходимый перепад давления 7,7 МПа на молотке.Based on the known data for similar boreholes, but with smaller diameters, one can expect a drilling speed of 22 m / h (meters per hour) at a shock frequency of 60 Hz. If the shock frequency increases to 95 Hz, the penetration rate during drilling will be 35 m / h, respectively. The required total impact on the drill head will then be: 0.9 kJ × 95 = 86 kW. We mean that the design of this hammer has a mechanical-hydraulic efficiency of 0.89, which provides the necessary pressure drop of 7.7 MPa on the hammer.

Этот бурильный молоток тогда будет бурить на 60% быстрее, и потреблять энергии на 60% меньше, чем известные доступные приводимые в действие водой ударные молотки.This drill hammer will then drill 60% faster, and consume 60% less energy than the well-known available water-driven percussion hammers.

Это достигается благодаря ударному молотку такого типа, как раскрыто во вводной части, отличающемуся тем, что заглушкой клапана управляют посредством связанного с ней штока клапана, выполненного с возможностью скольжения во втулке штока клапана, при этом указанный шток клапана содержит стопорные средства, способные остановить заглушку клапана на уровне, составляющем заданный процент от полной длины хода поршня молотка, и позволяет отделить заглушку клапана от уплотняющего седла на поршне молотка, указанный канал, таким образом, открывается и позволяет канальной текучей среде протекать через данный канал.This is achieved thanks to an impact hammer of the type disclosed in the inlet part, characterized in that the valve plug is controlled by a valve stem connected thereto, which is slidable in the valve stem bushing, said valve stem comprising locking means capable of stopping the valve plug at a level comprising a predetermined percentage of the total piston stroke of the hammer, and allows you to separate the valve plug from the sealing seat on the hammer piston, the specified channel, thus opening etsya channel and allows fluid to flow through the active channel.

Предпочтительно, стопорные средства содержат стопорную тарелку на верхнем по потоку конце штока клапана и взаимодействующую внутреннюю стопорную поверхность во втулке штока клапана.Preferably, the locking means comprises a locking plate at the upstream end of the valve stem and an interacting internal locking surface in the valve stem bushing.

В одном варианте осуществления заданный процент от длины хода поршня клапана может составлять величину порядка 75%.In one embodiment, a predetermined percentage of the valve piston stroke length may be of the order of 75%.

Удобно, что заглушку клапана возвращают свойства пружины натяжения, присущие штоку клапана, который является длинным и тонким.Conveniently, the valve plug returns the properties of the tension spring inherent in the valve stem, which is long and thin.

Предпочтительно, ударный молоток дополнительно содержит впускной клапанный узел, который не открывается для действия поршня молотка до тех пор, пока давление не достигнет значения, составляющего приблизительно 95% от полного рабочего давления, причем указанный впускной клапанный узел выполнен с возможностью закрытия основного прохода, при этом боковой проход внутри корпуса молотка создает избыточное давление в кольцевом пространстве между поршнем молотка и корпусом, поднимая поршень молотка так, чтобы он плотно прилегал к заглушке клапана.Preferably, the impact hammer further comprises an inlet valve assembly that does not open for the action of the piston of the hammer until the pressure reaches a value of approximately 95% of the total working pressure, said inlet valve assembly being configured to close the main passage, wherein the side passage inside the hammer body creates excess pressure in the annular space between the hammer piston and the body, raising the hammer piston so that it fits snugly against the valve plug Pan.

Удобно, что поршень молотка и клапанный узел могут быть возвращены отскоком, при этом и поршень молотка, и клапанный узел имеют гидравлическое демпфирование, управляющее замедлением обратного хода до остановки. Удобно, что гидравлическое демпфирование имеет место благодаря кольцевому поршню, который вдавливается в соответствующий кольцевой цилиндр с регулируемыми зазорами, и тем самым ограничивает или подавляет выход захваченной текучей среды.Conveniently, the hammer piston and valve assembly can be returned by rebound, while the hammer piston and valve assembly have hydraulic damping, which controls the deceleration of the reverse stroke to a stop. Conveniently, hydraulic damping takes place due to an annular piston which is pressed into the corresponding annular cylinder with adjustable gaps, and thereby limits or suppresses the output of the trapped fluid.

Кроме того, на верху втулки штока клапана может быть расположено отверстие, в которое способна войти стопорная тарелка штока клапана, радиальная часть которой может плотно прижиматься к внутренней стороне отверстия с относительно узким радиальным зазором.In addition, a hole may be located at the top of the valve stem bushing, into which a valve stem retainer plate can be inserted, the radial part of which can be tightly pressed against the inside of the hole with a relatively narrow radial clearance.

Кроме того, в кольцевой канавке под отверстием может быть расположен кольцевой подпорный клапан, выполненный с возможностью открытия и повторного наполнения текучей средой через каналы втулки штока клапана.In addition, in the annular groove under the opening, an annular backup valve may be arranged to open and refill fluid through the channels of the valve stem bushing.

Корпус ударного молотка может быть разделен на корпус впускного клапана, корпус клапана и корпус молотка.The hammer body can be divided into the intake valve body, valve body, and hammer body.

Конструкция бурильного молотка согласно настоящему изобретению относится к типу, называемому «молоток прямого действия», т.е. поршень молотка имеет расположенный на нем закрывающий клапан, который в закрытом положении позволяет давлению продвигать поршень вперед, а в открытом положении позволяет поршню клапана подвергаться отскоку. Предыдущий вариант гидравлического молотка имеет клапанную систему, которая посредством давления продвигает поршень молотка в обоих направлениях. Это обеспечивает невысокую эффективность, но более точное управление поршнем.The design of the drill hammer according to the present invention relates to a type called a "direct-acting hammer", i.e. the hammer piston has a closing valve located on it, which in the closed position allows pressure to advance the piston forward, and in the open position allows the valve piston to rebound. The previous version of the hydraulic hammer has a valve system that, by means of pressure, propels the piston of the hammer in both directions. This provides low efficiency, but more precise piston control.

Ключ к хорошей эффективности и высокой ударной частоте заключается в конструкции клапана. Клапан должен работать с высокой частотой и иметь хорошие характеристики сквозного потока в открытом положении.The key to good efficiency and high shock frequency is valve design. The valve must operate at high frequency and have good through flow characteristics in the open position.

С большим преимуществом конструкция бурильного молотка также может быть применена в качестве поверхностно устанавливаемого гидравлического молотка для бурения с бурильными штангами, однако его применяют как забойный бурильный молоток, что будет подробно раскрыто в настоящем документе.With great advantage, the design of the drill hammer can also be used as a surface mounted hydraulic hammer for drilling with drill rods, but it is used as a downhole drill hammer, which will be described in detail herein.

Другие объекты, отличительные признаки и преимущества будут понятны из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, приведенных с целью описания, и данных в контексте с прилагаемыми чертежами, где:Other objects, features and advantages will be apparent from the following description of preferred embodiments of the invention, given for the purpose of description, and data in the context of the accompanying drawings, where:

на фиг. 1 схематично показан вид типового гидравлического бурильного молотка согласно изобретению,in FIG. 1 is a schematic view of an exemplary hydraulic hammer drill according to the invention,

на фиг. 2А показан вид сбоку забойного бурильного молотка с буровой головкой,in FIG. 2A shows a side view of a downhole drill hammer with a drill head,

на фиг. 2В показан бурильный молоток с фиг. 2А, повернутый на 90°,in FIG. 2B shows the drill hammer of FIG. 2A rotated 90 °

на фиг. 2С показан вид в направлении стрелок А-А на фиг. 2А,in FIG. 2C is a view in the direction of arrows AA in FIG. 2A,

на фиг. 2D показан вид в направлении стрелок В-В на фиг. 2А,in FIG. 2D shows a view in the direction of arrows BB in FIG. 2A,

на фиг. 3А показан продольный разрез по линии А-А на фиг. 3А,in FIG. 3A is a longitudinal section along line AA in FIG. 3A,

на фиг. 3С показан поперечный разрез по линии В-В на фиг. 3А,in FIG. 3C shows a cross section along line BB in FIG. 3A,

на фиг. 3D показан поперечный разрез по линии С-С на фиг. 3А,in FIG. 3D shows a cross section along the line CC in FIG. 3A,

на фиг. 3Е показан поперечный разрез по линии D-D на фиг. 3А,in FIG. 3E shows a cross section along the line D-D in FIG. 3A,

на фиг. 3F показан выделенный узел Н с фиг. 3А в двукратном увеличении,in FIG. 3F shows the dedicated node H of FIG. 3A in double magnification,

на фиг. 3G показан выделенный узел Н с фиг. 3А в двукратном увеличении,in FIG. 3G shows the dedicated node H of FIG. 3A in double magnification,

на фиг. 3Н показан выделенный узел F с фиг. 3А в пятикратном увеличении,in FIG. 3H shows the dedicated assembly F of FIG. 3A in fivefold magnification,

на фиг. 3I показан выделенный узел G с фиг. 3А в пятикратном увеличении,in FIG. 3I shows the dedicated node G of FIG. 3A in fivefold magnification,

на фиг. 4А показано то, что соответствует изображенному на фиг. 3А, но в конце фазы ускорения,in FIG. 4A shows what corresponds to that depicted in FIG. 3A, but at the end of the acceleration phase,

на фиг. 4В показан вид сбоку клапанного устройства, показанного в разрезе на фиг. 4А,in FIG. 4B is a side view of the valve device shown in section in FIG. 4A,

на фиг. 4С показан поперечный разрез по линии В-В на фиг. 4А,in FIG. 4C shows a cross-section along line BB in FIG. 4A,

на фиг. 4D показан выделенный узел А с фиг. 4А в пятикратном увеличении,in FIG. 4D shows the dedicated node A of FIG. 4A in fivefold magnification,

на фиг. 4Е показан выделенный узел С с фиг. 4А в пятикратном увеличении,in FIG. 4E shows the dedicated node C of FIG. 4A in fivefold magnification,

на фиг. 5А показано то, что соответствует изображенному на фиг. 3А и 4А, но в момент, когда поршень молотка ударяет по ударной поверхности буровой головкой,in FIG. 5A shows what corresponds to that depicted in FIG. 3A and 4A, but at the moment when the hammer of the hammer hits the impact surface with the drill head,

на фиг. 5В показан выделенный узел А с фиг. 5А в пятикратном увеличении,in FIG. 5B shows the highlighted assembly A of FIG. 5A in fivefold magnification,

на фиг. 5С показан выделенный узел В с фиг. 5А в четырехкратном увеличении,in FIG. 5C shows the highlighted assembly B of FIG. 5A in quadruple magnification,

на фиг. 6А показано, соответственно, то же, что и на фиг. 3А, 4А и 5А, но в момент,in FIG. 6A shows, respectively, the same as in FIG. 3A, 4A and 5A, but at the moment,

когда поршень молотка полностью вернулся назад,when the hammer piston is completely back,

на фиг. 6В показан разрез по линии Е-Е на фиг. 6С,in FIG. 6B shows a section along line EE in FIG. 6C,

на фиг. 6С показан выделенный узел А с фиг. 6А в пятикратном увеличении,in FIG. 6C shows the highlighted assembly A of FIG. 6A in fivefold magnification,

на фиг. 6С' показан выделенный узел D с фиг. 6С в 20-кратном увеличении,in FIG. 6C 'shows the dedicated node D of FIG. 6C at 20x magnification,

на фиг. 6D показан выделенный узел С с фиг. 6Е в 20-кратном увеличении,in FIG. 6D shows the dedicated node C of FIG. 6E at 20x magnification,

на фиг. 6Е показан выделенный узел В с фиг. 6А в четырехкратном увеличении,in FIG. 6E shows the highlighted assembly B of FIG. 6A in quadruple magnification,

на фиг. 7А показано, соответственно, то же, что и на фиг. 3А, 4А, 5А и 6А, но в момент, когда поршень клапана находится в финальной части возвращения,in FIG. 7A shows, respectively, the same as in FIG. 3A, 4A, 5A and 6A, but at a time when the valve piston is in the final part of the return,

на фиг. 7В показан выделенный узел В с фиг. 7С в 20-кратном увеличении,in FIG. 7B shows the highlighted assembly B of FIG. 7C at 20x magnification,

на фиг. 7С показан выделенный узел А с фиг. 7А в четырехкратном увеличении,in FIG. 7C shows the dedicated node A of FIG. 7A in quadruple magnification,

на фиг. 8 показаны графики, иллюстрирующие рабочий цикл поршня молотка и клапана,in FIG. 8 is a graph illustrating a duty cycle of a hammer piston and a valve,

на фиг. 9А показана график, иллюстрирующий характеристику резкого закрытия клапана относительно перепада давления, иin FIG. 9A is a graph illustrating a sudden closure characteristic of a valve with respect to a differential pressure, and

на фиг. 9В изображен поток и перепад давления в постепенно закрывающемся клапане.in FIG. 9B shows the flow and pressure drop across a gradually closing valve.

На фиг. 1 показан типовой гидравлический бурильный молоток, прикрепляемый на верху соединяемых бурильных штанг, в котором молотковый механизм расположен внутри корпуса 1, выполненного из нескольких корпусных секций, при этом роторный двигатель 2 вращает бурильную штангу через трансмиссию 3, вращая ось, имеющую резьбовую часть 4, подлежащую вкручиванию в бурильную штангу и буровую головку (не показано). Молотковый механизм обычно оборудован фиксирующей пластиной 5 для прикрепления к подающему устройству на буровой установке (не показано). Подача текучей среды гидравлического привода осуществляется через трубы и муфту 6 и гидравлически возвращается через трубы с муфтой 7. На фиг. 2А и 2В показан забойный бурильный молоток с буровой головкой. Они будут рассматриваться в нижеследующем описании. Представленный корпус 1 содержит первую корпусную секцию 8, которая далее будет раскрыта как впускной клапан, в то время как вторая корпусная секция 9 содержит клапан, третья корпусная секция 10 содержит поршень молотка, а номер позиции 11 обозначает буровую головку. Бурильную текучую среду нагнетают через отверстие или основной проход 12, а резьбовая часть 13 соединяет молоток с бурильной штангой (не показана). Плоская часть 14 предназначена для применения тарированного ключа при закручивании/выкручивании молотка и бурильной колонны. Дренажное отверстие 15 требуется для работы раскрытого ниже впускного клапана, выпускное отверстие 16 выполнено для возвращения обратно на поверхность бурильной текучей среды в кольцевом пространстве между стенкой буровой скважины и корпусом бурильного молотка (не показано).In FIG. 1 shows a typical hydraulic drill hammer attached to the top of a drill stem to be connected, in which the hammer mechanism is located inside a housing 1 made of several casing sections, while the rotary motor 2 rotates the drill rod through the transmission 3, rotating an axis having a threaded portion 4 to be screwing into the drill rod and drill head (not shown). The hammer mechanism is usually equipped with a locking plate 5 for attachment to a feed device on a drilling rig (not shown). The hydraulic drive fluid is supplied through pipes and a sleeve 6 and is hydraulically returned through pipes with a sleeve 7. FIG. 2A and 2B show a downhole drill hammer with a drill head. They will be discussed in the following description. The illustrated housing 1 comprises a first housing section 8, which will then be opened as an inlet valve, while a second housing section 9 comprises a valve, a third housing section 10 comprises a hammer piston, and reference numeral 11 denotes a drill head. The drilling fluid is pumped through an opening or main passage 12, and a threaded portion 13 connects the hammer to a drill rod (not shown). The flat part 14 is intended for use with a tared key when twisting / unscrewing the hammer and drill string. A drain hole 15 is required for operation of the inlet valve disclosed below, the outlet 16 is made to return to the surface of the drilling fluid in the annular space between the wall of the borehole and the body of the drill hammer (not shown).

Твердосплавные выступы 17 являются теми элементами, которые разрушают скальную породу, подлежащую бурению. На фиг. 2С показан вид в направлении стрелок А-А на фиг. 2А, а на фиг. 2D показан вид, наблюдаемый в направлении буровой головки 11 в направлении стрелок В-В на фиг. 2А.Carbide projections 17 are those elements that destroy the rock to be drilled. In FIG. 2C is a view in the direction of arrows AA in FIG. 2A, and in FIG. 2D shows the view observed in the direction of the drill head 11 in the direction of the arrows BB in FIG. 2A.

На фиг. 3А показан продольный разрез бурильного молотка, где основными внутренними элементами являются: впускной клапанный узел 18, клапанный узел 19 и поршень 20 молотка. Буровая текучая среда нагнетается через вход 12, проходит впускной клапан 18 в открытом положении через каналы 21, показанные в сечении А-А на фиг. 3В, далее через каналы 22 в сечении В-В на фиг. 3С к заглушке 23 клапана, показанной в сечении С-С на фиг. 3D в закрытом положении относительно поршня 20 молотка, и доводит поршень до упора в нижнюю часть 24 буровой головки. В сечении D-D на фиг. 3Е показана продольно выходящая шлицевая часть 25 в бурильной головке 11 и самая нижняя часть корпуса 10 молотка, передающая крутящий момент в то время, как буровая головка 11 может аксиально перемещаться в пределах допускаемых зазоров, определенных запирающим кольцевым механизмом 26. Благодаря ударам поршня 20 молотка по буровой головке 11, только за счет его массы или веса она смещается вместе с проникновением твердосплавных зубцов 17 в скальную породу. Что позволяет получить ударную энергию, достаточную для разрушения скальной породы, и в то же время минимизирующую потери на смещение массы относительно легкой буровой головки 11.In FIG. 3A shows a longitudinal section through a drill hammer, where the main internal elements are: an intake valve assembly 18, a valve assembly 19, and a hammer piston 20. The drilling fluid is pumped through the inlet 12, and the inlet valve 18 is in the open position through the channels 21 shown in section AA in FIG. 3B, then through channels 22 in section BB in FIG. 3C to the valve plug 23 shown in section CC in FIG. 3D in the closed position relative to the piston 20 of the hammer, and brings the piston to the stop in the lower part 24 of the drill head. In section D-D in FIG. 3E shows a longitudinally extending spline portion 25 in the drill head 11 and the lowermost part of the hammer body 10, transmitting torque while the drill head 11 can axially move within the allowable clearances defined by the locking ring mechanism 26. Due to the impact of the hammer piston 20 on drill head 11, only due to its mass or weight, it is shifted along with the penetration of carbide teeth 17 into the rock. This allows to obtain shock energy sufficient for the destruction of rock, and at the same time minimizing the loss of displacement of the mass relative to the light drill head 11.

Детализированный разрез на фиг. 3F, показывающий впускной клапан 18 в закрытом положении, взят из выделенного узла Н на фиг. 3А. Когда следует инициировать работу молотка, начинается нагнетание буровой текучей среды в проход 12. Боковой или ответвленный канал 27 через стенку корпуса 8 клапана имеет гидравлическое сообщение с направляющим каналом 28 в опорной пластина 29 впускного клапана 18. Опорная пластина 29 неподвижна в корпусе 8 клапана и содержит направляющий клапан 30, который удерживается в открытом положении посредством пружины 31. Буровая текучая среда свободно протекает к первой направляющей камере, расположенной над первым направляющим поршнем 32, диаметр и площадь которой больше площади входа 12. В ходе повышения давления, ограниченно подвижная заглушка 33 клапана будет вынуждена перейти в закрытое положение на седло 34 в корпусе 8. Под действием возрастающего давления на закрытый впускной клапан 18, в кольцевом пространстве 35 между корпусом 10 и поршнем 20 молотка нагнетается давление через боковой канал 27, который через продольно проходящие каналы 36 в корпусе 9 клапана питает вход 37, смотри детализированный вид F.The detailed section in FIG. 3F, showing the intake valve 18 in the closed position, is taken from the highlighted assembly H in FIG. 3A. When it is necessary to initiate the hammer operation, the injection of drilling fluid into the passage 12 begins. The lateral or branch channel 27 through the wall of the valve body 8 is in fluid communication with the guide channel 28 in the support plate 29 of the intake valve 18. The support plate 29 is fixed in the valve body 8 and contains a directional valve 30, which is held open by the spring 31. The drilling fluid flows freely to the first guide chamber located above the first guide piston 32, diameter and plate the area of which is larger than the inlet area 12. During the increase in pressure, the limitedly movable valve plug 33 will be forced to move to the closed position on the seat 34 in the housing 8. Under the action of increasing pressure on the closed intake valve 18, in the annular space 35 between the housing 10 and the piston 20 The hammer is pressurized through the lateral channel 27, which feeds the inlet 37 through the longitudinally extending channels 36 in the valve body 9, see detailed view F.

Детализированные разрезы на фиг. 3Н и фиг. 3I, взятые из F и G на фиг. 3А, показывают контакт поршня 20 молотка и внутренней стенки корпуса 9, 10 молотка. Диаметр поршня 38 несколько больше диаметра второго поршня 39. При использовании бурильного молотка для бурения вертикально вниз, поршень 20 молотка в ненагруженном состоянии, за счет гравитации, очевидно, будет сползать вниз к ударной или рабочей поверхности 24 в бурильной головке 11. В этих условиях между заглушкой 23 клапана и его седлом 40 (смотри детализированный вид F) будет существовать зазор в поршне 20 молотка. Соответственно, буровая текучая среда будет свободно протекать через клапан в заглушке 23, через канал 41 в поршне 20 молотка и каналы 16 (смотри фиг. 2А), и, следовательно, имеет место слишком маленькое повышение давления для приведения молотка в действие.Detailed cuts in FIG. 3H and FIG. 3I taken from F and G in FIG. 3A, show the contact of the hammer piston 20 and the inner wall of the hammer body 9, 10. The diameter of the piston 38 is slightly larger than the diameter of the second piston 39. When using the drill hammer to drill vertically downward, the hammer piston 20 in the unloaded state, due to gravity, will obviously slide down to the impact or working surface 24 in the drill head 11. In these conditions, between the valve plug 23 and its seat 40 (see detailed view F) there will be a gap in the piston 20 of the hammer. Accordingly, the drilling fluid will flow freely through the valve in plug 23, through channel 41 in the hammer piston 20 and channels 16 (see FIG. 2A), and therefore there is too little pressure increase to bring the hammer into action.

Конструкция, представленная на детализированном сечении на фиг. 3F, при закрытом впускном клапане 18 и давлении, нарастающем в кольцевом пространстве 35, поднимает поршень 20 молотка до прижатия к заглушке 23 клапана. Благодаря требуемому зазору между поверхностью поршня 38 и внутренней стенкой корпуса 9, буровая текучая среда вытекает наружу в пространство над заглушкой 23 клапана через смазочные каналы 42 и каналы 43, как показано стрелками на детализированном виде F. Чтобы этот вытекающий объем не вызвал повышение давления в пространстве над заглушкой 23 клапана, оно дренируется через канал 44 в опорной пластине 29 клапана и через отверстие 45, что обеспечивается направляющим клапаном 30 в этом положении, и далее наружу через дренажное отверстие 15. Когда давление поднимется до значения более 90% от рабочего давления, на которое рассчитан молоток, поршень входит во вторую направляющую камеру 46, пересилив закрывающее усилие пружины 31, а направляющий клапан 30 смещается таким образом, как проиллюстрировано на фиг. 3G.The construction shown in the detailed section in FIG. 3F, with the intake valve 18 closed and the pressure increasing in the annular space 35, raises the hammer piston 20 until it is pressed against the valve plug 23. Due to the required clearance between the surface of the piston 38 and the inner wall of the housing 9, the drilling fluid flows out into the space above the valve plug 23 through the lubricating channels 42 and channels 43, as shown by arrows in the detailed view F. So that this leaky volume does not cause an increase in pressure in the space above the valve plug 23, it is drained through the channel 44 in the valve support plate 29 and through the hole 45, which is provided by the guide valve 30 in this position, and further out through the drain hole 15. When the pressure The pressure rises to more than 90% of the working pressure the hammer is designed for, the piston enters the second guide chamber 46, overpowering the closing force of the spring 31, and the guide valve 30 is displaced in the manner illustrated in FIG. 3G

Первая направляющая камера над направляющим поршнем 32 дренируется и впускной клапан 18 открывается. В то же время отверстие 45 закрыто, так что закрыт дренаж через канал 44, в результате чего в рабочем режиме через этот канал давление не теряется. Давление в камере над поршнем 20 молотка и закрытой заглушкой 23 клапана приводит к началу рабочего цикла с моментальным полным действием. Конструкция с подпорным клапаном 47 и патрубком 48 служит для уменьшения времени дренирования второй направляющей камеры 46, благодаря чему достигается относительно медленное закрытие впускного клапана 18. В результате этого получается, что впускной клапан 18 остается полностью открытым и не создает помех при рабочем режиме, так как давление тогда изменяется в зависимости от ударной частоты.The first guide chamber above the guide piston 32 is drained and the intake valve 18 opens. At the same time, the opening 45 is closed, so that the drainage through the channel 44 is closed, as a result of which, in operating mode, pressure is not lost through this channel. The pressure in the chamber above the piston 20 of the hammer and the closed valve plug 23 leads to the beginning of the working cycle with instant full action. The design with a check valve 47 and a pipe 48 serves to reduce the drainage time of the second guide chamber 46, thereby achieving a relatively slow closing of the inlet valve 18. As a result, the inlet valve 18 remains fully open and does not interfere with operation, since the pressure then varies depending on the shock frequency.

На фиг. 4А показан бурильный молоток в конце фазы ускорения. Поршень 20 молотка в этот момент достиг максимальной скорости, обычно составляющей около 6 м/с.Это является результатом применения доступного давления, которое здесь, в качестве примера, составляет менее 8 МПа, гидравлическая область поршня молотка здесь, в качестве примера, имеет диаметр 130 мм, а вес поршня молотка, также в качестве примера, составляет 49 кг. Заглушка 23 клапана продолжает закрывать отверстие седла поршня молотка, так как гидравлическая область заглушки 23 клапана здесь, в качестве примера, имеет диаметр 95 мм, что немного больше, приблизительно на 4%, чем кольцевая область поршня молотка, показанного на сечении В-В на фиг. 4С, под номерами 23 и 24, соответственно. К этому моменту поршень молотка покрыл около 75% его полного хода - приблизительно 9 мм. Зазор между поршнем 20 молотка и ударной поверхностью 24 буровой головки составляет около 3 мм, что показано на увеличенном детализированном виде С на фиг. 4Е.In FIG. 4A shows a hammer at the end of the acceleration phase. The hammer piston 20 at this point reached a maximum speed of usually about 6 m / s. This is the result of applying the available pressure, which here, as an example, is less than 8 MPa, the hydraulic region of the hammer piston here, as an example, has a diameter of 130 mm, and the weight of the hammer piston, also as an example, is 49 kg. The valve plug 23 continues to close the hole of the hammer piston seat, since the hydraulic region of the valve plug 23 here, as an example, has a diameter of 95 mm, which is slightly larger by about 4% than the annular region of the hammer piston shown in section BB in FIG. 4C, numbered 23 and 24, respectively. At this point, the piston of the hammer covered about 75% of its full stroke - approximately 9 mm. The gap between the hammer piston 20 and the impact surface 24 of the drill head is about 3 mm, which is shown in an enlarged detailed view C in FIG. 4E.

Подвижный шток 49 клапана, имеющий стопорную тарелку 50, приземляется на опорную поверхность неподвижной втулки 51 штока клапана в корпусе 9 и останавливает шток 49 клапана от дальнейшего продвижения, как показано в увеличенном масштабе на детализированном виде А на фиг. 4D, после чего заглушка 23 клапана отделяется от седла 40 в поршне 20 молотка, и, таким образом, открывается. Подвижный клапанный узел 23, 49, 50 показан в вертикальной проекции на фиг. 4В.A movable valve stem 49 having a locking plate 50 lands on the supporting surface of the stationary valve stem sleeve 51 in the housing 9 and stops the valve stem 49 from further advancement, as shown on an enlarged scale in a detail view A in FIG. 4D, after which the valve plug 23 is separated from the seat 40 in the hammer piston 20, and thus opens. The movable valve assembly 23, 49, 50 is shown in vertical view in FIG. 4B.

Кинетическая энергия импульса заглушки 23 клапана за счет ее резкой остановки будет незначительно удлинять относительно длинный и тонкий шток 49 клапана, и поэтому трансформироваться в относительно большую упругую силу, которая очень быстро ускоряет клапан в обратном направлении. Незначительное удлинение штока 49 клапана, рассчитанное здесь в качестве примера, составляет около 0,8 мм, оно должно быть меньше, чем степень использования материала, в данном случае материал представляет собой высокопрочную пружинную сталь. Масса заглушки 23 клапана должна быть минимально возможной, здесь в качестве примера заглушка выполнена из алюминия, длина, диаметр и свойства материала штока 49 клапана вместе определяют естественную частоту клапанного узла.The kinetic energy of the pulse of the valve plug 23 due to its abrupt stop will slightly lengthen the relatively long and thin valve stem 49, and therefore transform into a relatively large elastic force, which very quickly accelerates the valve in the opposite direction. The slight elongation of the valve stem 49, calculated here as an example, is about 0.8 mm, it should be less than the degree of use of the material, in this case the material is a high-strength spring steel. The mass of the valve plug 23 should be as small as possible, here, as an example, the plug is made of aluminum, the length, diameter and material properties of the valve stem 49 together determine the natural frequency of the valve assembly.

Для практического применения, ей следует быть минимум в 8-10 раз больше частоты, подлежащей использованию. Естественную частоту определяют по формулам:For practical use, it should be at least 8-10 times the frequency to be used. The natural frequency is determined by the formulas:

Figure 00000001
где
Figure 00000002
Figure 00000001
Where
Figure 00000002

Наибольшее значение имеют масса и коэффициент жесткости пружины. Естественная частота для показанной конструкции составляет около 1100-1200 Гц, и по этой причине применима для рабочей частоты более 100 Гц. В показанной конструкции в данном примере скорость отскока составляет 93% скорости удара.Of greatest importance are the mass and stiffness coefficient of the spring. The natural frequency for the design shown is about 1100-1200 Hz, and for this reason is applicable for an operating frequency of more than 100 Hz. In the design shown, in this example, the rebound speed is 93% of the impact speed.

На фиг. 5А показано положение и момент, когда поршень 20 клапана ударяет по ударной или опорной поверхности 24 внутри буровой головки 11. Заглушка 23 клапана, содержащая шток 49 и стопорную тарелку 50, находится на полной возвратной скорости, смотри детализированный вид А на фиг. 5В, так что относительно быстро создается большое отверстие между заглушкой 23 клапана и седлом 40 клапана в поршне 20 молотка, при этом буровая текучая среда течет с относительно небольшим сопротивлением через продольный канал 41 в поршне 20 молотка, смотри детализированный вид В на фиг. 5С.In FIG. 5A shows the position and moment when the valve piston 20 hits an impact or abutment surface 24 inside the drill head 11. The valve plug 23 comprising the stem 49 and the retainer plate 50 is at full return speed, see detail view A in FIG. 5B, so that a large hole is created relatively quickly between the valve plug 23 and the valve seat 40 in the hammer piston 20, while the drilling fluid flows with relatively little resistance through the longitudinal channel 41 in the hammer piston 20, see detail view B in FIG. 5C.

Кинетическая энергия импульса поршня 20 молотка частично трансформируется в упругую силу в поршне 20 молотка, так как поршень в некоторой степени сжимается во время удара. Когда энергетические волны удара проходят через поршень 20 молотка к противоположному концу и назад, поршень 20 молотка ускоряется при возвращении. Обратная скорость на старте в этом случае рассчитана и составляет около 3,2 м/с - приблизительно 53% ударной скорости, что происходит потому, что часть энергии расходуется на смещение массы буровой головки 11, в то время как остальное расходуется на то, чтобы вдавить инденторы в скальную породу.The kinetic energy of the pulse of the piston 20 of the hammer is partially transformed into elastic force in the piston 20 of the hammer, since the piston is somewhat compressed during the impact. When the energy waves of the shock pass through the piston 20 of the hammer to the opposite end and back, the piston 20 of the hammer accelerates upon return. The reverse speed at the start in this case is calculated and is about 3.2 m / s - approximately 53% of the impact speed, which is because part of the energy is spent on displacing the mass of the drill head 11, while the rest is spent on pressing indentors in the rock.

На фиг. 6А показан тот момент, когда поршень 20 молотка имеет свою полную возвратную скорость. Заглушка 23 клапана в этот момент времени почти вернулась к конечному упору, на детализированном виде А на фиг. 6С показан шток 49, содержащий стопорную тарелку 50, входящую в отверстие 52 вверху втулки 51 штока клапана.In FIG. 6A shows the moment when the hammer piston 20 has its full return speed. The valve plug 23 at this point in time almost returned to the end stop, in a detailed view A in FIG. 6C shows a stem 49 comprising a retaining plate 50 entering a hole 52 at the top of a valve stem bushing 51.

Детализированный вид D на фиг. 6С' показывает, как радиальная часть стопорной тарелки 50 уплотняет при относительно узком радиальном промежутке внутреннюю сторону отверстия 52. Небольшое отрицательное давление создается в камере под стопорной тарелкой 50, когда стопорная тарелка 50 проходит последние 2 мм до остановки. Кольцевой подпорный клапан 58 открывается и снова наполняется жидкостью через канал 59. Ограниченный или захваченный объем под стопорной тарелкой 50 предотвращает отскакивающее движение заглушки 23 клапана и оставляет ее в таком положении до начала следующего цикла.The detailed view D in FIG. 6C 'shows how the radial portion of the locking plate 50 seals the inside of the opening 52 with a relatively narrow radial gap. A slight negative pressure is created in the chamber under the locking plate 50 when the locking plate 50 passes the last 2 mm before stopping. The annular retaining valve 58 opens and is again filled with fluid through the passage 59. The limited or trapped volume under the retainer plate 50 prevents the valve plug 23 from bouncing and leaves it in that position until the next cycle begins.

Подпорный клапан 58 типа «кольцевой подпорный клапан», который в данном варианте осуществления представляет собой кольцевую пластинчатую пружину, выбран благодаря небольшой массе и относительно большой упругой силе и, соответственно, способности работать с высокой частотой.The check valve 58 of the “annular check valve” type, which in this embodiment is an annular leaf spring, is selected due to its low weight and relatively high elastic force and, accordingly, its ability to operate at a high frequency.

На детализированном виде В на фиг. 6Е показано относительно большое отверстие между заглушкой 23 клапана и седлом 40 клапана в поршне 20 молотка для того, чтобы поток буровой текучей среды имел минимальное сопротивление. Нижняя сторона втулки 51 штока клапана выполнена с кольцевой цилиндрической канавкой 53, показанной на детализированном виде С на фиг. 6D. Верх заглушки 23 клапана выполнен как кольцевой поршень 54, который с относительно узкими зазорами входит в кольцевую цилиндрическую канавку 53. Захваченный объем жидкости при возвращении клапана к конечному упору выходит регулируемым образом через радиальные зазоры между кольцевым поршнем 54 и кольцевым цилиндром 53, а также выпускное отверстие 55. Регулируемый выход действует как напорная сила и останавливает возвращение клапана таким образом, что клапан не совершает отскакивающих движений. Тот же тип демпфирующей конструкции имеется на поршне 20 молотка. На детализированном виде В показан кольцевой поршень 56 наверху поршня 20 молотка в дополнение к кольцевой цилиндрической канавке 57 в нижней части корпуса 9 клапана.In detail view B of FIG. 6E shows a relatively large hole between the valve plug 23 and the valve seat 40 in the hammer piston 20 so that the flow of drilling fluid has minimal resistance. The lower side of the valve stem sleeve 51 is provided with an annular cylindrical groove 53 shown in a detailed view C in FIG. 6D. The top of the valve plug 23 is designed as an annular piston 54, which, with relatively narrow gaps, enters the annular cylindrical groove 53. The trapped fluid volume when the valve returns to the end stop exits in a controlled manner through the radial clearances between the annular piston 54 and the annular cylinder 53, as well as the outlet 55. The adjustable output acts as a pressure force and stops the valve returning so that the valve does not bounce. The same type of damping structure is found on the hammer piston 20. Detailed view B shows an annular piston 56 at the top of the hammer piston 20 in addition to the annular cylindrical groove 57 at the bottom of the valve body 9.

На фиг. 7А показана последняя часть возвращения поршня 20 молотка. Завершение возвратного хода демпфируется регулируемым путем до полной остановки в то самое время, когда седло 40 клапана встречается с заглушкой 23 клапана, показанной на детализированном виде А на фиг. 7С. Детализированный вид В на фиг. 7В иллюстрирует, как ограниченный или захваченный объем жидкости в кольцевой цилиндрической канавке 57 перемещается через радиальные зазоры между кольцевым поршнем 56 и дренажным отверстием 60. Зазор между седлом 40 клапана и заглушкой 23 клапана необходимо не закрывать полностью для того, чтобы нарастало давление, и начинался новый цикл. Расчеты показывают, что при отверстии в 0,5 мм падение давления приблизительно такое же, как величина рабочего давления. Это приводит к тому, что поверхность, давящая на контактную поверхность между заглушкой 23 клапана и седлом 40, становится небольшой, а компоненты могут иметь длительный срок службы.In FIG. 7A shows the last return portion of the hammer piston 20. The completion of the return stroke is damped in an adjustable way until it stops completely at the same time that the valve seat 40 meets the valve plug 23 shown in a detailed view A in FIG. 7C. Detailed view B in FIG. 7B illustrates how a limited or trapped volume of fluid in the annular cylindrical groove 57 moves through radial clearances between the annular piston 56 and the drain hole 60. The gap between the valve seat 40 and the valve plug 23 must not be completely closed so that pressure builds up and a new one begins cycle. Calculations show that with a hole of 0.5 mm the pressure drop is approximately the same as the value of the working pressure. This leads to the fact that the surface pressing on the contact surface between the valve plug 23 and the seat 40, becomes small, and the components can have a long service life.

На фиг. 8 показаны графики, иллюстрирующие рабочий цикл поршня 20 молотка и клапана. График А показывает направление скорости, а график В направление положения в рабочем цикле. Для обоих графиков горизонтальная ось - ось времени, поделенная на микросекунды.In FIG. 8 is a graph illustrating a duty cycle of a hammer piston 20 and a valve. Graph A shows the direction of speed, and graph B the direction of the position in the work cycle. For both graphs, the horizontal axis is the time axis divided by microseconds.

Вертикальная ось для графика А показывает скорость в м/с, направление хода поршня относительно буровой головки 11, так +вверх и -вниз, здесь возвратная скорость.The vertical axis for graph A shows the speed in m / s, the direction of the piston stroke relative to the drill head 11, so + up and down, here the return speed.

Вертикальная ось для графика В показывает расстояние в мм от начального положения. Участок графика 61 показывает фазу ускорения, где точка 62 - это момент, когда останавливается клапан и начинается его обратное движение. Точка 63 - удар поршня 20 молотка по бурильной головке 11.The vertical axis for graph B shows the distance in mm from the starting position. The plot of the graph 61 shows the phase of acceleration, where point 62 is the moment when the valve stops and its reverse movement begins. Point 63 - the impact of the piston 20 of the hammer on the drill head 11.

Участок графика 64 представляет смещение буровой головки 11 вглубь скальной породы, 65 представляет собой ускорение отскока, 66 - возвратная скорость клапана без глушения и 70 - замедление фазы заглушения для возвращения клапана.The plot portion 64 represents the displacement of the drill head 11 deep into the rock, 65 represents the acceleration of rebound, 66 is the return speed of the valve without jamming, and 70 is the deceleration of the plug phase to return the valve.

На фиг. 9А показан график 71, иллюстрирующий характеристики резкого закрытия клапана в отношении падения давления и отверстия между заглушкой 23 клапана и седлом 40 в поршне молотка. Эта ситуация показана на фиг. 9В. Горизонтальная ось представляет открывающийся проход в мм, а вертикальная ось - расчетное падение давления в барах при номинальном расходе нагнетаемой буровой текучей среды, который здесь, в качестве примера, составляет 12,5 л/с. Как показано, перед тем, как будет достигнуто значительное сопротивление давления, необходимо иметь закрывающийся проход менее 1,5 мм.In FIG. 9A is a graph 71 illustrating abrupt valve closure characteristics with respect to pressure drop and the opening between the valve plug 23 and the seat 40 in the hammer piston. This situation is shown in FIG. 9B. The horizontal axis represents the opening passage in mm, and the vertical axis represents the calculated pressure drop in bars at the nominal flow rate of the pumped drilling fluid, which, as an example, is 12.5 l / s. As shown, before significant pressure resistance is achieved, it is necessary to have a closing passage of less than 1.5 mm.

Claims (9)

1. Высокочастотный ударный молоток с гидравлическим приводом, предназначенный для бурения твердых пород, содержащий корпус (8, 9, 10), на одном конце которого находится буровая головка (11), предназначенная для воздействия непосредственно на твердую породу, причем ударный молоток также содержит поршень (20) молотка, установленный с возможностью перемещения в указанном корпусе (8, 9, 10) и воздействующий на буровую головку (11), при этом поршень (20) молотка имеет продольно идущий канал (41) с заданной пропускной способностью, который выполнен с возможностью закрытия в восходящем направлении посредством заглушки (23) клапана, частично следующей за поршнем (20) молотка во время его хода, отличающийся тем, что заглушка (23) клапана является управляемой посредством присоединенного штока (49) клапана, установленного с возможностью скольжения во втулке (51) штока клапана, причем указанный шток (49) клапана содержит стопорные средства (50, 51), выполненные с возможностью резко останавливать заглушку (23) клапана на уровне, составляющем заданный процент от полной длины хода поршня (20) молотка, и способен отделить заглушку (23) клапана от уплотняющего седла (40) на поршне (20) молотка, что обеспечивает открытие указанного канала (41) с возможностью протекания через него канальной текучей среды, причем штоку (49) клапана присущи свойства пружины растяжения, обеспечивающие возврат заглушки (23) клапана с высокой скоростью посредством механического отскока.1. A high-frequency hammer with hydraulic drive, designed for drilling hard rock, containing a housing (8, 9, 10), at one end of which is a drill head (11), designed to act directly on hard rock, and the hammer also contains a piston (20) a hammer installed with the possibility of movement in the specified housing (8, 9, 10) and acting on the drill head (11), while the piston (20) of the hammer has a longitudinally extending channel (41) with a given throughput, which is made with perhaps closing in the upward direction by means of a valve plug (23) partially following the piston (20) of the hammer during its travel, characterized in that the valve plug (23) is controllable by means of an attached valve stem (49) mounted for sliding in the sleeve (51) a valve stem, said valve stem (49) having locking means (50, 51) configured to abruptly stop the valve plug (23) at a level comprising a predetermined percentage of the total piston stroke length (20) of the hammer, and is capable of where remove the valve plug (23) from the sealing seat (40) on the piston (20) of the hammer, which ensures the opening of the specified channel (41) with the possibility of flow of channel fluid through it, and the valve stem (49) has the properties of a tension spring, which ensures the return of the plug (23) Valves at high speed through mechanical rebound. 2. Ударный молоток по п. 1, отличающийся тем, что стопорные средства (50, 51) содержат стопорную тарелку (50) на верхнем по потоку конце штока (49) клапана и взаимодействующую внутреннюю стопорную поверхность во втулке (51) штока клапана.2. An impact hammer according to claim 1, characterized in that the locking means (50, 51) comprise a locking plate (50) at the upstream end of the valve stem (49) and an interacting internal locking surface in the valve stem bushing (51). 3. Ударный молоток по п. 1, отличающийся тем, что заданный процент от полной длины хода поршня (20) молотка составляет величину порядка 75%.3. An impact hammer according to claim 1, characterized in that the predetermined percentage of the total piston stroke length (20) of the hammer is about 75%. 4. Ударный молоток по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что молоток дополнительно содержит впускной клапанный узел (18), не открывающийся для работы поршня (20) молотка до тех пор, пока давление не достигнет приблизительно 95% от полного рабочего давления, причем указанный впускной клапанный узел (18) выполнен с возможностью закрытия основного прохода (12), при этом боковой проход (27) в корпусе молотка обеспечивает повышенное давление в кольцевом пространстве (35) между поршнем (20) молотка и корпусом (10), поднимая поршень (20) молотка до плотного прижатия к заглушке (23) клапана.4. Hammer hammer according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the hammer further comprises an inlet valve assembly (18) that does not open for operation of the piston (20) of the hammer until the pressure reaches approximately 95% of the total working pressure, said inlet valve assembly (18) ) is configured to close the main passage (12), while the side passage (27) in the hammer body provides increased pressure in the annular space (35) between the hammer piston (20) and the body (10), raising the hammer piston (20) to a tight pressing the valve plug (23). 5. Ударный молоток по п. 4, отличающийся тем, что поршень (20) молотка и клапанный узел (18) выполнены с возможностью возвращения отскоком, при этом и поршень (20) молотка, и клапанный узел (18) оснащены гидравлическим демпфированием, регулирующим обратный ход до остановки.5. An impact hammer according to claim 4, characterized in that the piston (20) of the hammer and the valve assembly (18) are configured to return by rebound, while both the piston (20) of the hammer and the valve assembly (18) are equipped with hydraulic damping that controls return to stop. 6. Ударный молоток по п. 5, отличающийся тем, что гидравлическое демпфирование имеет место благодаря кольцевому поршню (54), вдавливаемому в соответствующий кольцевой цилиндр (53), имеющий регулируемые зазоры, за счет чего происходит ограничение или подавление удаления захваченной текучей среды.6. An impact hammer according to claim 5, characterized in that hydraulic damping takes place due to an annular piston (54) pressed into the corresponding annular cylinder (53) having adjustable gaps, due to which restriction or suppression of removal of entrained fluid occurs. 7. Ударный молоток по любому из пп. 1-3, 5 или 6, отличающийся тем, что наверху втулки (51) штока клапана находится отверстие (52), в которое способна входить стопорная тарелка (50) штока (49) клапана, при этом радиальная часть стопорной тарелки (50) прилегает к внутренней стороне отверстия (52) с радиальным зазором.7. Impact hammer according to any one of paragraphs. 1-3, 5 or 6, characterized in that at the top of the valve stem sleeve (51) there is an opening (52) into which the locking plate (50) of the valve stem (49) is able to enter, while the radial part of the locking plate (50) is adjacent to the inside of the hole (52) with a radial clearance. 8. Ударный молоток по п. 7, отличающийся тем, что кольцевой подпорный клапан (58) расположен в кольцевой канавке под отверстием (52), данный подпорный клапан (58) выполнен с возможностью открытия и повторного наполнения текучей средой через каналы (59) во втулке (51) штока клапана.8. An impact hammer according to claim 7, characterized in that the annular retaining valve (58) is located in the annular groove under the hole (52), this retaining valve (58) is configured to open and refill fluid through channels (59) into valve stem bushing (51). 9. Ударный молоток по любому из пп. 1-3, 5, 6 или 8, отличающийся тем, что корпус (1) ударного молотка разделен на корпус (8) впускного клапана, корпус (9) клапана и корпус (10) молотка.9. Hammer hammer according to any one of paragraphs. 1-3, 5, 6 or 8, characterized in that the hammer housing (1) is divided into an intake valve housing (8), a valve housing (9) and a hammer housing (10).
RU2014108528A 2011-08-19 2012-08-17 High-frequency drilling hammer with hydraulic drive, intended for hard rocks percussion drilling RU2607843C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20111140 2011-08-19
NO20111140A NO334793B1 (en) 2011-08-19 2011-08-19 High frequency liquid driven drill hammer for percussion drilling in hard formations
PCT/NO2012/050148 WO2013028078A1 (en) 2011-08-19 2012-08-17 High frequency fluid driven drill hammer percussion drilling in hard formations

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014108528A RU2014108528A (en) 2015-09-27
RU2607843C2 true RU2607843C2 (en) 2017-01-20

Family

ID=47746666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014108528A RU2607843C2 (en) 2011-08-19 2012-08-17 High-frequency drilling hammer with hydraulic drive, intended for hard rocks percussion drilling

Country Status (11)

Country Link
US (1) US10385617B2 (en)
EP (1) EP2744966B1 (en)
CN (1) CN103998706B (en)
CA (1) CA2845789C (en)
DK (1) DK2744966T3 (en)
ES (1) ES2763384T3 (en)
HU (1) HUE047284T2 (en)
NO (1) NO334793B1 (en)
PL (1) PL2744966T3 (en)
RU (1) RU2607843C2 (en)
WO (1) WO2013028078A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NO335354B1 (en) 2013-02-18 2014-12-01 Pav Holding As High frequency liquid driven drill hammer for percussion drilling in hard formations
CN106948753B (en) * 2017-05-08 2018-12-21 西南石油大学 A kind of pulsed drilling fluid hammer

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU231464A1 (en) * HYDRAULIC DOUBLE ACTION
US3327790A (en) * 1966-10-24 1967-06-27 Pan American Petroleum Corp Liquid percussion motor
US3410353A (en) * 1967-08-21 1968-11-12 Leo A. Martini Percussion tools
US4660658A (en) * 1984-06-25 1987-04-28 Atlas Copco Aktiebolag Hydraulic down-the-hole rock drill
SU1760067A1 (en) * 1989-08-29 1992-09-07 Донецкий политехнический институт Hydraulic percussion unit
US5566771A (en) * 1995-08-30 1996-10-22 Ingersoll-Rand Company Reversible casing for a self-lubricating, fluid-actuated, percussive down-the-hole drill
US6164393A (en) * 1996-10-30 2000-12-26 Bakke Technology As Impact tool

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1096886A (en) * 1914-01-14 1914-05-19 Ingersoll Rand Co Fluid-operated percussive tool.
US2758817A (en) * 1950-10-03 1956-08-14 Bassinger Ross Percussion tools for wells
US2774334A (en) * 1953-05-01 1956-12-18 Hughes Tool Co Reciprocating prime mover
US2873093A (en) * 1956-09-19 1959-02-10 Jersey Prod Res Co Combined rotary and percussion drilling apparatus
US3130799A (en) 1961-01-06 1964-04-28 Jersey Prod Res Co Bounding mass drilling tool
US3387671A (en) * 1965-10-15 1968-06-11 Mission Mfg Co Percussion tool
US3403739A (en) * 1966-11-01 1968-10-01 Bowen Tools Inc Fluid-actuated impact tool
US3570611A (en) * 1968-02-09 1971-03-16 Trustul Deforaj Pitesti Device for freeing seized drill strings
CA1071947A (en) * 1976-10-08 1980-02-19 Abraham Gien Pneumatic hammer drill
AU520087B2 (en) * 1980-08-01 1982-01-14 Abraham Gien Piston for pneumatic percussion machine
ZA814749B (en) * 1981-07-13 1982-07-28 Chamber Of Mines Services Ltd Hydraulic reciprocating machines
US4606408A (en) * 1985-02-20 1986-08-19 Halliburton Company Method and apparatus for gravel-packing a well
WO1988006673A1 (en) * 1987-02-25 1988-09-07 Salzgitter Maschinenbau Gmbh System with a hydraulic lifting generator for earth drilling
US4958691A (en) * 1989-06-16 1990-09-25 James Hipp Fluid operated vibratory jar with rotating bit
US5156223A (en) * 1989-06-16 1992-10-20 Hipp James E Fluid operated vibratory jar with rotating bit
US5065824A (en) * 1989-12-28 1991-11-19 Esco Corporation Hydraulically powered repetitive impact hammer
SE502343C2 (en) * 1991-06-24 1995-10-09 Berema Atlas Copco Ab Safety device for tools for striking hand-held machines
SE505422C2 (en) 1996-05-09 1997-08-25 Sandvik Ab Impedance and length / time parameter range for hammer device and associated drill bit and piston
US6062324A (en) 1998-02-12 2000-05-16 Baker Hughes Incorporated Fluid operated vibratory oil well drilling tool
GB0112261D0 (en) * 2001-05-19 2001-07-11 Rotech Holdings Ltd Downhole tool
CN1177126C (en) * 2002-08-07 2004-11-24 中国地质科学院勘探技术研究所 Hydraulic in-the-hole hammer with dual nozzles and combined valve
SE526252C2 (en) * 2003-03-26 2005-08-09 Wassara Ab Hydraulic drill string device
US7353890B2 (en) * 2006-01-09 2008-04-08 Sandvik Intellectual Property Ab Down-the-hole hammer and components for a down-the-hole hammer, and a method of assembling a down-the-hole hammer
US7422074B2 (en) * 2006-05-19 2008-09-09 Numa Tool Company Delayed compression sleeve hammer
CA3034320C (en) * 2015-08-20 2023-07-04 Impulse Downhole Solutions Ltd. On-bottom downhole bearing assembly

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU231464A1 (en) * HYDRAULIC DOUBLE ACTION
US3327790A (en) * 1966-10-24 1967-06-27 Pan American Petroleum Corp Liquid percussion motor
US3410353A (en) * 1967-08-21 1968-11-12 Leo A. Martini Percussion tools
US4660658A (en) * 1984-06-25 1987-04-28 Atlas Copco Aktiebolag Hydraulic down-the-hole rock drill
SU1760067A1 (en) * 1989-08-29 1992-09-07 Донецкий политехнический институт Hydraulic percussion unit
US5566771A (en) * 1995-08-30 1996-10-22 Ingersoll-Rand Company Reversible casing for a self-lubricating, fluid-actuated, percussive down-the-hole drill
US6164393A (en) * 1996-10-30 2000-12-26 Bakke Technology As Impact tool

Also Published As

Publication number Publication date
CA2845789C (en) 2021-03-09
NO334793B1 (en) 2014-05-26
US20140174779A1 (en) 2014-06-26
EP2744966B1 (en) 2019-10-02
HUE047284T2 (en) 2020-04-28
CN103998706A (en) 2014-08-20
WO2013028078A1 (en) 2013-02-28
RU2014108528A (en) 2015-09-27
EP2744966A4 (en) 2016-07-20
DK2744966T3 (en) 2019-12-16
CA2845789A1 (en) 2013-02-28
US10385617B2 (en) 2019-08-20
EP2744966A1 (en) 2014-06-25
ES2763384T3 (en) 2020-05-28
PL2744966T3 (en) 2020-05-18
NO20111140A1 (en) 2013-02-20
CN103998706B (en) 2016-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7240744B1 (en) Rotary and mud-powered percussive drill bit assembly and method
US6315063B1 (en) Reciprocating rotary drilling motor
NO20110518A1 (en) Pulse Generator
AU2001284263B2 (en) Method and device to free stuck objects
CA2349353C (en) Downhole vibrator
US2580203A (en) Hammer drill
RU2655071C2 (en) High frequency percussion hammer
AU2001284263A1 (en) Method and device to free stuck objects
RU2586122C2 (en) Hydropercussion device
RU2607843C2 (en) High-frequency drilling hammer with hydraulic drive, intended for hard rocks percussion drilling
RU2448230C1 (en) Hydraulic impact device
US3464505A (en) Drilling apparatus
US20180179844A1 (en) Downhole pulsing shock-reach extender method
RU72714U1 (en) HYDRAULIC BREEDING DESTRUCTION TOOL
USRE27434E (en) Liquid percussion motor
RU84910U1 (en) COMBINED NOZZLE
RU2608105C1 (en) Well vibration hammer
RU2481461C1 (en) Method for creating axial load at horizontal well bottom-hole
RU2439271C1 (en) Method of axial load generation for horizontal well hole and device for method implementation
US20180179843A1 (en) Downhole pulsing shock-reach extender system

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 02-2017 FOR TAG: (45)