EA005617B1 - Гидробуровая головка - Google Patents

Abstract

Гидробуровая головка имеет множество форсунок (3, 4, 5, 6) во вращающемся блоке (2) форсунок, создающих режущие струи под высоким давлением. Головка снабжена размерным кольцом (10), образующим круговой зазор (11) с вращающимся блоком (2) форсунок, обеспечивающий прохождение частичек породы, разрушенных режущей силой струй (7), в то время как регулируется продвижение буровой головки в буровую скважину и осуществляется контроль над остановкой бура. Ступенчатый вращающийся блок форсунок, разделенный на часть (8) меньшего диаметра и часть (9) большего диаметра для расширения зоны резания разрушающей струи до внешнего диаметра размерного кольца (10), также описан и заявлен.

Description

Настоящее изобретение относится к гидробуровой головке и разработано специально, хотя и не исключительно для использования в гидробуровых машинах, тип которых описан в Австралийском патенте 700032, содержание которого приводится здесь в виде перекрестной ссылки.

Предпосылки создания изобретения

Как правило, в гидробуровых машинах, и в частности в машинах вида, описанного в Австралийском патенте 700032, порода, сквозь которую путем гидроударной эрозии образуется буровая скважина, зачастую бывает твердой и плохо разрезаемой или разрушаемой под действием водной струи.

Проблемой гидробуровых машин такого типа является то, что поступательное продвижение буровой головки трудно регулировать из-за различной природы прорезаемого камня. Обычным явлением для буровых головок является задержка в областях более твердой породы, возникающая из-за разрушения окружающей породы в этой области до тех пор, пока порода перед головкой не станет достаточно раздробленной для обеспечения возможности продвижения головки, после чего буровая головка устремляется вперед, вызывая неустойчивость и неточность диаметра пробуренной скважины.

В практике гидроударного бурения используется бур, идентичный буру, описанному в патенте Австралии 700032. Струи воды под высоким давлением разрезают породу впереди бура, образуя каменные опилки, называемые стружкой. Использованная жидкость затем вытекает обратно из скважины, вопервых, через кольцевой зазор, образованный между корпусом бура и стенками буровой скважины, и затем через еще больший зазор между высоконапорным шлангом и стенками буровой скважины. Стружка выноситься потоком использованной жидкости. Коэффициент объемного расхода водных струй постоянен для заданного сочетания насосного давления и диаметра форсунки, в то время как коэффициент производимой стружки определяется интенсивностью проникновения бура и диаметром буровой скважины.

Для того чтобы использованная вода и стружка выходили через область зазора, образованного корпусом инструмента и стенкой буровой скважины, необходим перепад давления по всей длине инструмента. Следовательно, на область передней поверхности действует более высокое давление, чем на область задней поверхности. Величина этого перепада давлений определяется областью равномерного потока в зазоре, коэффициентом объемного расхода использованной жидкости и стружки, и длиной корпуса инструмента. Если область равномерного потока в зазоре достаточно мала, то результирующий перепад давлений достаточно велик для создания обратными струями реактивно действующей силы, превосходящей полезную прямую силу. Это останавливает продвижение бура, возможно даже приводит к тому, что бур выталкивается назад. Тогда говорят, что бур заглох.

Две разные, но связанные между собой ситуации могут вызвать остановку инструмента. В первую очередь, если диаметр высверливаемой скважины ниже критического значения, то бур заглохнет. Вовторых, если производятся частички стружки размером больше, чем пропускает зазор, то они могут частично заблокировать область зазора, таким образом уменьшая область равномерного потока, что приводит к остановке бура.

Существует расхождение требований в области вращающегося блока форсунок гидробуровой головки между установкой достаточного зазора для частичек породы, раздробленной действием водных струй, для очистки вращающегося блока форсунок и выноса этих частичек назад потоком жидкости, и необходимостью разместить выпуск из форсунок жидкостных струй под высоким давлением как можно ближе к поверхности породы, с целью оптимизировать режущую силу.

Сущность изобретения

Таким образом, настоящее изобретение создает гидробуровую головку, имеющую множеством форсунок во вращающемся блоке форсунок, приспособленных для подачи жидкостных струй под высоким давлением, расположенных для бурения прилежащей породы и наклоненных для обеспечения реактивной силы, вращающая блок форсунок, и размерное кольцо, концентрически расположенное относительно вращающегося блока форсунок, размещенное позади струй относительно направления продвижения буровой головки и имеющее полную периферию такого размера, чтобы прилегать к выбранной части скважины, пробуриваемой гидробуровой головкой.

Предпочтительно, размерное кольцо имеет, в основном, цилиндрическую конфигурацию и круговой зазор с вращающимся блоком форсунок. Зазор имеет размер, позволяющий пропустить поток частичек породы, раздробленных режущим действием водных струй между размерным кольцом и вращающимся блоком форсунок.

Предпочтительно, корпус гидробуровой головки расположен позади размерного кольца относительно направления движения буровой головки и снабжен продольными желобками, создающими продольные каналы для прохождения упомянутых частиц породы по всей длине буровой головки.

Предпочтительно, каналы разделены продольными ребрами, обеспечивающие по размеру и конфигурации желательную степень бокового выравнивания буровой головки внутри буровой скважины, созданной под действием буровой головки.

Предпочтительно, вращающийся блок форсунок, в основном, имеет цилиндрическую конфигурацию и разбит на ступени, представляющие собой части разных диаметров, такие, что выпуски из форсу

- 1 005617 нок, находящиеся в разных частях, расположены на разных радиусах от оси вращения вращающегося блока форсунок.

Предпочтительно цилиндрический вращающийся блок форсунок имеет две части разных диаметров, а именно часть меньшего диаметра, примыкающую к передней поверхности вращающегося блока форсунок, и часть большего диаметра, примыкающую к размерному кольцу.

Предпочтительно часть меньшего диаметра вращающегося блока форсунок включает одну или несколько наклоненных вперед форсунок, способных разрушать породу по ходу продвижения вперед гидробуровой головки.

Предпочтительно часть большего диаметра содержит по меньшей мере одну развертывающую форсунку, предназначенную для направления струи жидкости на периметр буровой скважины непосредственно перед движением переднего края размерного кольца.

Краткое описание чертежей

Несмотря на любые другие формы, выходящие за рамки, один из предпочтительных вариантов изобретения далее будет описан на примере, со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее: фиг. 1 - вид сбоку гидробуровой головки в соответствии с изобретением;

фиг. 2 - вид в перспективе гидробуровой головки, показанной на фиг. 1.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

В показанном варианте выполнения изобретения передний конец 1 гидробуровой головки снабжен вращающимся блоком 2 форсунок, как правило, имеющим цилиндрическую конфигурацию, что ясно видно на фиг. 1. Вращающийся блок 2 форсунок содержит несколько форсунок 3, 4, 5, 6, выпускающих под высоким давлением струи 7 жидкости, обычно, воды. Давление струй достаточно для разрушения породы в окрестности буровой головки для бурения скважины сквозь породу способом, описанным в Австралийском патенте 700032.

В данном изобретении, вращающийся блок 2 форсунок разделен на две части, то есть переднюю часть 8 меньшего диаметра и заднюю часть 9 большего диаметра. По желанию было бы предпочтительно, если бы блок форсунок мог быть разделен на большее количество ступенчатых частей разных диаметров.

Таким образом, каждая из струй 7 расположена на разном расстоянии от оси вращающегося блока 2 форсунок, и каждая струя наклонена так, что ее зона эффективного резания накладывается на зоны эффективного резания соседних струй, или в случае, когда самая отдаленная струя выпускается из форсунки 6, зона эффективного резания расширяется до внешнего диаметра размерного кольца 10, описанного далее.

Гидробуровая головка также оборудована размерным кольцом 10, обычно цилиндрической конфигурации, имеющим внутренний круговой зазор 11 с частью 9 наибольшего диаметра вращающегося блока форсунок. Круговой зазор 11 выполнен для сдерживания потока частиц породы, превышающих допустимый размер, разрушаемых действием жидкостных струй 7, между размерным кольцом 10 и вращающимся блоком 2 форсунок.

Корпус гидробуровой головки расположен в области 12 позади размерного кольца 10 относительно направления движения буровой головки, показанного стрелкой 13, имеет продольные желобки. Желобки представляют собой продольные каналы 14, разделенные ребрами 15, проходящими по всей длине гидробуровой головки, тип которой описан в Австралийском патенте 700032. Несмотря на то, что остальная часть гидробуровой головки не показана на прилагаемых чертежах, желательно, чтобы желобчатая структура распространялась дальше далеко за пределы частей, показанных на чертежах; она может иметь прямую, спиралевидную, а также любую другую желаемую конфигурацию.

Продольные каналы 14 обеспечивают свободное прохождение частиц породы, выносимых от буровой головки струями 7 воды, выпрыснутой из форсунок, в то время как ребра 15 не только направляют частицы породы, но также служат для выравнивания буровой головки в скважине, сформированной разрушающим действием струй 7. Таким образом, можно моделировать размер и конфигурацию ребер 15, частично примыкающих к внешнему диаметру размерного кольца 10 с целью ограничить степень наклона буровой головки внутри скважины.

Снабженная размерным кольцом, гидробуровая головка не может продвигаться внутри скважины пока область скважины не будет достаточно расширена до желательного диаметра путем выпуска струи из форсунок 5 и 6. Струя, выпускаемая из форсунки 6, ориентирована на длину диаметра размерного кольца, и сочетание разрушающих струй и размерного кольца обеспечивает создание очищенной и относительно равномерной скважины в породе.

Позволяя головке более быстро продвигаться, размерное кольцо эффективно контролирует движение вперед буровой головки, предотвращая чрезмерное расширение ствола скважины в области более мягкой породы.

Конструкция размерного кольца, буровой головки и корпуса инструмента предназначена исключить проблемы остановки бура. Внешний диаметр передней поверхности размерного кольца 10 слегка превышает диаметр корпуса бурового инструмента, что увеличивает низкий уровень области равномер

- 2 005617 ного потока в зазоре, сформированном между корпусом бурового инструмента и стенками буровой скважины.

Кроме того, выполнение продольных каналов 14 по длине инструмента увеличивает область эквивалентного потока в зазоре, таким образом снижая вероятность остановки бура.

Зазор, образованный между внутренней поверхностью размерного кольца и частью буровой головки большего диаметра, так же ограничивает размер частиц стружки, перемещающихся через область зазора между корпусом бурового инструмента и стенкой буровой скважины. Слишком крупные частички остаются перед этой областью внутреннего зазора, где впоследствии могут быть раздроблены под действием водных струй, в частности струей 6. Таким способом, надлежащим образом выбирая соответствующий диаметр большей части буровой головки, и внутренней поверхности размерного кольца, можно добиться того, чтобы частички, проходящие вдоль корпуса инструмента, имели подходящий размер, позволяющий им свободно проходить по продольным каналам. Это исключает возможность понижения области равномерного потока в зазоре между буровым инструментом и стенкой буровой скважины.

Обеспечение ступенчатой конструкции вращающегося блока 2 форсунок обеспечивает возможность расположения развертывающей форсунки 6 ближе к разрушаемой поверхности, увеличивая эффективность разрушающей струи и допуская более быстрое и четкое продвижение гидробуровой головки.

Ступенчатый вращающийся блок форсунок также обеспечивает возможность развертывания назад несколько разрушающих струй, как ясно показано на фиг. 1 для струй из форсунок 5 и 6. Это увеличивает переднее усилие буровой головки и помогает нейтрализовать обратные усилия из форсунок 3 и 4.

Claims (8)

1. Гидробуровая головка, содержащая множество форсунок во вращающемся блоке форсунок, приспособленных к подаче жидкостных струй под высоким давлением, расположенных для разрушения близлежащей породы и наклоненных для создания реактивной силы, вращающей блок форсунок, размерное кольцо, концентрически расположенное относительно вращающегося блока форсунок, размещенное позади струй относительно направления движения буровой головки и имеющее полную периферию такого размера, чтобы прилегать к выбранной части скважины, пробуриваемой гидробуровой головкой.

2. Гидробуровая головка по п.1, в которой размерное кольцо имеет в основном, цилиндрическую конфигурацию и круговой зазор с вращающимся блоком форсунок, имеющий размер, позволяющий частичкам породы, раздробленной режущей силой жидкостных струй, проходить между размерным кольцом и вращающимся блоком форсунок.

3. Гидробуровая головка по п.1 или 2, в которой корпус гидробуровой головки расположен позади размерного кольца относительно направления движения буровой головки и снабжен продольными желобками, создающими продольные каналы для прохождения упомянутых частиц породы по всей длине буровой головки.

4. Гидробуровая головка по п.3, в которой каналы разделены продольными ребрами, имеющими размер и конфигурацию, обеспечивающие заданную степень бокового выравнивания буровой головки внутри буровой скважины, созданной под действием буровой головки.

5. Гидробуровая головка по любому из пп.1-4, в которой вращающийся блок форсунок, в основном, имеет цилиндрическую конфигурацию и разделен на ступени, представляющие собой части разных диаметров, такие, что выпуски из форсунок, находящиеся в разных частях, расположены на разных радиусах от оси вращения вращающегося блока форсунок.

6. Гидробуровая головка по п.5, в которой цилиндрический вращающийся блок форсунок имеет две части разных диаметров, а именно часть меньшего диаметра, примыкающую к передней поверхности вращающегося блока форсунок, и часть большего диаметра, примыкающую к размерному кольцу.

7. Гидробуровая головка по п.6, в которой часть меньшего диаметра вращающегося блока форсунок включает одну или несколько наклоненных вперед форсунок, приспособленных разбивать породу по ходу продвижения вперед буровой головки.

8. Гидробуровая головка по п.6 или 7, в которой часть большего диаметра содержит по меньшей мере одну развертывающую форсунку, предназначенную для направления струи жидкости на периферию буровой скважины непосредственно перед движением переднего края размерного кольца.