RU2109124C1

RU2109124C1 - Immersible percussive machine for drilling bore-holes in annular cutting face

Info

Publication number: RU2109124C1
Application number: RU96117221/03A
Authority: RU
Inventors: А.А. Липин; С.А. Зима
Original assignee: Институт горного дела СО РАН
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: mining industry; drilling machinery and equipment. SUBSTANCE: this machine can be used in geological prospecting, hydrogeology, mining industry. Increased impact capacity with ensuring possibility of operation with various energy-carriers ranging from dry air to gas-liquid mixture in the form of foam or aerated liquid, possibility of performing reversal of cleaning agent flow with direct back washing are achieved due to fact that immersible percussive machine has body with bore in its upper part, and sleeve located in its lower part. Also provided are sludge carrying pipe and distribution rod which are installed coaxially to create energy delivering passage between each other. Besides, there are following components: drilling tool, striker with axial passage and bore in its upper part, controlled chambers of working stroke and idle stroke, and energy-carrier distribution system having supply and exhaust ducts. Machine is provided with self-contained (for working stroke chamber) feeding-discharging device containing stepped-type valve installed on distribution rod, discharge duct made in the form of radial holes in rod and in sludge-carrying pipe in valve location zone, command duct made in the form of radial holes in upper part of striker which periodically connect working stroke chamber with supply duct through bores in striker and body. In addition, installed in discharge duct between distribution rod and sludge-carrying pipe is non-return valve made in the form of flanged collar. EFFECT: higher efficiency. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин и может найти применение в геологоразведке, гидрогеологии, горной промышленности. The invention relates to a device for drilling wells and may find application in geological exploration, hydrogeology, mining.

Известен пневмоударник для бурения скважин [1], включающий корпус, кольцевой буровой инструмент, ударник с центральным сквозным каналом, шламотранспортную трубу и систему распределения сжатого воздуха по рабочим камерам. Наряду с достоинствами (повышенная энергия удара за счет продленного впуска сжатого воздуха при рабочем ходе ударника) этот пневмоударник не может обеспечить эффективное бурение при повышенном водопритоке и в сложных геологических структурах, так как в пневмотранспортной магистрали образуются сальниковые пробки, которые не ликвидируются сжатым воздухом. Known hammer for drilling wells [1], including a housing, an annular drilling tool, a hammer with a central through channel, a slurry transport pipe and a compressed air distribution system for working chambers. Along with the advantages (increased impact energy due to the extended intake of compressed air during the working stroke of the hammer), this hammer cannot provide effective drilling with increased water inflow and in complex geological structures, since stuffing plugs are formed in the pneumatic transport line that are not eliminated by compressed air.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемому изобретению является кольцевой пневмоударник для бурения скважин [2], включающий корпус, ступенчатый ударник со сквозным осевым каналом, камеры холостого и рабочего хода, кольцевой породоразрушающий инструмент, шламотранспортную трубу и распределительную трубу, установленные коаксиально и образующие между собой воздухоподводящий канал с системой распределения сжатого воздуха по рабочим камерам. The closest in technical essence to the analogue of the invention is an annular hammer for drilling wells [2], comprising a housing, a step hammer with a through axial channel, idle and working chambers, an annular rock cutting tool, a slurry transport pipe and a distribution pipe installed coaxially and forming between an air supply channel with a compressed air distribution system for working chambers.

Этот пневмоударник имеет повышенную производительность бурения за счет увеличения ударной мощности. Однако он может работать только на сухом сжатом воздухе и это значительно ограничивает технологические возможности пневмоударника по глубине бурения скважины, водопритоку, геологическим структурам, а именно:
1. По глубине - из-за требования высокой скорости восходящего потока воздуха в шламотранспортной магистрали, что создает повышенное гидростатическое противодавление на забое и, следовательно, снижает энергетические параметры пневомударника, вплоть до полной его остановки;
2. Повышенный водоприток в скважине также создает повышенное противодавление на забое со всеми вытекающими негативными явлениями: снижение скорости бурения, ограничение глубины бурения;
3. Сложные геологические структуры (наличие глинистых прослоек, галечника и т.д.) создает в пневмотранспортной магистрали сальниковые пробки, неликвидирующиеся воздухом, нарушающие нормальную работу пневмоударника.This hammer has increased drilling performance by increasing impact power. However, it can only work on dry compressed air and this significantly limits the technological capabilities of the hammer in the depth of well drilling, water inflow, and geological structures, namely:
1. In depth - due to the requirement of a high speed of upward air flow in the sludge transport line, which creates increased hydrostatic backpressure at the bottom and, therefore, reduces the energy parameters of the hammer, until it stops completely;
2. The increased water inflow in the well also creates increased backpressure at the bottom with all the ensuing negative phenomena: a decrease in the drilling speed, a limitation of the depth of drilling;
3. Complex geological structures (the presence of clay interlayers, pebbles, etc.) create stuffing plugs in the pneumatic transport line that are not liquidated by air and interfere with the normal operation of the hammer.

Применение другого, более эффективного энергоносителя, например, аэрированной жидкости, в данной машине не представляется возможным, так как бесклапанная система распределения обеспечивает нормальную работу машины только на сжатом воздухе. А аэрированная жидкость - слабосжимаемое рабочее тело по сравнению со сжатым воздухом. The use of another, more efficient energy carrier, for example, aerated liquid, in this machine is not possible, since a valveless distribution system ensures the normal operation of the machine only in compressed air. And aerated fluid is a slightly compressible working fluid compared to compressed air.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении - повышение ударной мощности при обеспечении возможности работы на различных энергоносителя: от сухого сжатого воздуха до газожидкостной смеси в виде пен или аэрированной жидкости, возможности осуществления реверса потока очистного агента с обратной промывки на прямую. The technical problem to be solved in the present invention is to increase the impact power while enabling operation on various energy carriers: from dry compressed air to a gas-liquid mixture in the form of foams or aerated liquid, and the possibility of reversing the flow of the cleaning agent from backwashing to direct.

Поставленная задача решается посредством того, что предлагаемая погружная ударная машина включает корпус с расточкой в верхней его части и гильзой, расположенной в нижней части корпуса, буровой инструмент, шламотранспортную трубу и распределительный шток, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал, ударник с осевым каналом и расточкой в верхней его части, управляемые камеры рабочего и холостого хода и систему распределения энергоносителя, содержащую питающие и выхлопные тракты. Машина снабжена автономным для камеры рабочего хода питающе-разрядным устройством, содержащим ступенчатый клапан, установленный на распределительном штоке, разрядный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в штоке и в шламотранспортной трубе в зоне размещения клапана, командный тракт, выполненный в виде радиальных отверстий в верхней части ударника, периодически соединяющих камеру рабочего хода с питающим трактом через расточки в ударнике и в корпусе. Кроме того, в разрядном тракте между распределительным штоком и шламотранспортной трбой установлен обратный клапан, выполненный в виде воротниковой манжеты. The problem is solved by the fact that the proposed submersible impact machine includes a housing with a bore in its upper part and a sleeve located in the lower part of the housing, a drilling tool, a slurry transport pipe and a distribution rod installed coaxially and forming an energy-supplying channel between themselves, a drummer with an axial channel and a bore in its upper part, controlled chambers for working and idling and an energy distribution system containing supply and exhaust paths. The machine is equipped with a power-discharge device, autonomous for the working chamber, containing a step valve installed on the distribution rod, a discharge path made in the form of radial holes in the stem and in a sludge transport pipe in the valve placement area, a command path made in the form of radial holes in the upper parts of the drummer periodically connecting the working chamber to the feed path through the bores in the drummer and in the housing. In addition, a check valve made in the form of a collar cuff is installed in the discharge path between the distribution rod and the slurry transport pipe.

Такая конструкция машины обеспечивает наилучшее наполнение камеры рабочего хода по пути ударника и, следовательно, значительно повышается ее ударная мощность. Автономное питание камеры рабочего хода с помощью ступенчатого клапана позволяет применять в качестве энергоносителя не только сухой сжатый воздух, но и газожидкостные смеси, что дает возможность увеличить глубину скважин и бурить более широкий диапазон геологических структур. Кроме того, конструкция ударной машины позволяет осуществлять реверс потока очистного агента с обратной промывки на прямую, что необходимо при укреплении стенок буримой скважины. This design of the machine provides the best filling of the working chamber along the path of the hammer and, consequently, its impact power is significantly increased. Autonomous power supply of the working chamber with a step valve allows not only dry compressed air, but also gas-liquid mixtures to be used as an energy carrier, which makes it possible to increase the depth of wells and drill a wider range of geological structures. In addition, the design of the percussion machine allows you to reverse the flow of the cleaning agent from backwashing to direct, which is necessary when strengthening the walls of the borehole.

На фиг. 1 представлен продольный разрез ударной машины; на фиг. 2 - местный вид зоны размещения клапана. In FIG. 1 is a longitudinal section through a percussion machine; in FIG. 2 is a partial view of the valve placement zone.

Погружная ударная машина состоит из корпуса 1 с расточкой 2 в верхней его части и гильзой 3, расположенной в нижней части корпуса 1.В верхней части машины размещен приемный переходник 4 с обратным клапаном 5. В центральной части машины размещены шламотранспортная труба 6 и распределительный шток 7, установленные коаксиально и образующие между собой энергоподводящий канал 8. Коаксиально относительно штока 7 и трубы 6 размещен ударник 9 с осевым каналом 10, продольными пазами 11 и расточкой 12 в верхней его части. Верхний торец ударника 9 ограничивает камеру рабочего хода 13, а нижний - камеру холостого хода 14. В нижней части корпуса 1 на резьбе установлена букса 15 с внутренними шлицами 16, которые входят в зацепление с наружными шлицами хвостовика 17. На конце хвостовика, на резьбе, закреплен буровой инструмент 18, имеющий радиальные отверстия 19 и наклонные 20. Система распределения энергоносителя содержит питающие и выхлопные тракты. Питающий тракт камеры холостого хода 14 состоит из радиальных отверстий 21 в распределительном штоке 7, энергоподводящего канала 8, радиальных отверстий 22 в нижней части штока 7, расточки 12 ударника 9 и его осевого канала 10. Автономное для камеры рабочего хода 13 питающе-разрядное устройство содержит ступенчатый клапан 23, установленный на распределительном штоке 7. Разрядный тракт выполнен в виде радиальных отверстий 24 в штоке 7 и радиальных отверстий 25 в шламотранспортной трубе 6, а также отверстий 26 в опорной втулке 27 клапана 23 и кольцевого зазора 28 этого же клапана. В разрядном тракте, выше клапана 23, между распределительным штоком 7 и шламотранспортной трубой 6 установлен обратный клапан 29, выполненный в виде воротниковой манжеты. Командный тракт выполнен в виде радиальных отверстий 30 в верхней части ударника 9. Выхлопной тракт состоит из кольцевого зазора 31 между наружной проточкой ударника 9 и внутренней поверхностью гильзы 3 (если выхлоп происходит из камеры рабочего хода), отверстий 32 в стенке гильзы 3, кольцевого зазора 33 между наружной поверхностью гильзы 3 и корпуса 1, радиальных отверстий 34 в нижней части гильзы 3, и далее по шлицам 16 выхлопной тракт переходит в наружные продольные пазы 35 бурового инструмента 18 и его отверстия 19 и 20, связанные с центральным каналом машины. В нижней части распределительного штока 7 выполнен ряд радиальных отверстий 36, обеспечивающих блокировку машины. Submersible impact machine consists of a housing 1 with a bore 2 in its upper part and a sleeve 3 located in the lower part of the housing 1. In the upper part of the machine there is a receiving adapter 4 with a check valve 5. In the central part of the machine there is a slurry transfer pipe 6 and a distribution rod 7 mounted coaxially and forming an energy-supplying channel 8. The coaxial relative to the rod 7 and pipe 6 is a hammer 9 with an axial channel 10, longitudinal grooves 11 and a bore 12 in its upper part. The upper end of the striker 9 limits the chamber of the working stroke 13, and the lower - the chamber of idle 14. In the lower part of the housing 1 on the thread there is an axle box 15 with internal splines 16, which engage with the external splines of the shank 17. At the end of the shank, on the thread, a drilling tool 18 is fixed, having radial holes 19 and inclined 20. The energy distribution system contains supply and exhaust paths. The feed path of the idle chamber 14 consists of radial holes 21 in the distribution rod 7, an energy supply channel 8, radial holes 22 in the lower part of the rod 7, a bore 12 of the hammer 9 and its axial channel 10. A self-contained discharge-discharge device for the working chamber 13 a stepped valve 23 mounted on the distribution rod 7. The discharge path is made in the form of radial holes 24 in the rod 7 and radial holes 25 in the slurry transport pipe 6, as well as holes 26 in the supporting sleeve 27 of the valve 23 and the annular gap ora 28 of the same valve. In the discharge path, above the valve 23, between the distribution rod 7 and the slurry transfer pipe 6, a check valve 29 is made in the form of a collar cuff. The command path is made in the form of radial holes 30 in the upper part of the striker 9. The exhaust path consists of an annular gap 31 between the outer groove of the striker 9 and the inner surface of the sleeve 3 (if the exhaust comes from the working chamber), holes 32 in the wall of the sleeve 3, an annular gap 33 between the outer surface of the sleeve 3 and the housing 1, the radial holes 34 in the lower part of the sleeve 3, and further along the slots 16, the exhaust path passes into the outer longitudinal grooves 35 of the drilling tool 18 and its holes 19 and 20 associated with the central channel m cars. In the lower part of the distribution rod 7, a series of radial holes 36 are provided to lock the machine.

Погружная ударная машина работает следующим образом. Энергоноситель в виде аэрированной жидкости или сухого сжатого воздуха подается в приемный переходник 4. Открывается обратный клапан 5 и энергоноситель через отверстия 21, канал 8 и отверстия 22 штока 7 поступает в расточку 12 ударника 9. Далее по осевому каналу 10 ударника 9 энергоноситель поступает в камеру холостого хода 14. В это время камера рабочего хода 13 через выхлопной тракт (кольцевой зазор 31, отверстия 32, кольцевой зазор 33, радиальные отверстия 34, шлицы 16, пазы 35 бурового инструмента 18 и отверстия 19 и 20) соединена с атмосферой через центральный канал машины. Под действием давления энергоносителя ударник 9 начинает перемещаться вверх, совершая обратный ход. После того, как шток 7 перекроет осевой канал 10 ударника 9, подача энергоносителя в камеру холостого хода 14 прекратится. В этот момент камера рабочего хода 13 сообщается с атмосферой через разрядный тракт: отверстия 26 опорной втулки 27, кольцевой зазор 28 клапана 23, радиальные отверстия 24 штока 7, обратный клапан 29 разрядного тракта и отверстия 25 шламотранспортной трубы 6. Submersible impact machine operates as follows. The energy carrier in the form of aerated liquid or dry compressed air is supplied to the receiving adapter 4. The check valve 5 is opened and the energy carrier passes through the holes 21, channel 8 and holes 22 of the rod 7 into the bore 12 of the hammer 9. Then, the energy carrier enters the chamber through the axial channel 10 of the hammer 9. idle 14. At this time, the working chamber 13 through the exhaust path (annular gap 31, holes 32, annular gap 33, radial holes 34, splines 16, grooves 35 of the drilling tool 18 and holes 19 and 20) is connected to the atmosphere through a central th channel of the machine. Under the influence of the pressure of the energy carrier, the striker 9 begins to move upward, making a return stroke. After the rod 7 blocks the axial channel 10 of the striker 9, the energy supply to the idle chamber 14 will stop. At this moment, the working chamber 13 communicates with the atmosphere through the discharge path: openings 26 of the support sleeve 27, annular clearance 28 of the valve 23, radial openings 24 of the rod 7, the check valve 29 of the discharge path and the openings 25 of the transfer tube 6.

Далее по мере продвижения ударника 9, радиальные отверстия 30 входят в зону расточки 2 корпуса 1 и энергоноситель по этим отверстиям из расточки 12 ударника 9 поступает в камеру рабочего хода 13. Давление в камере резко нарастает, что приводит к торможению ударника и перекидке клапана 23 в верхнее положение "питания". В этом положении клапана 23 в камеру рабочего хода 13 дополнительно подается энергоноситель по отверстиям 26 втулки 27. В верхнем положении "питание" клапана 23 разрядный тракт закрыт, так как закрыты отверстия 24. Ударник совершает рабочий ход. В это время камера холостого хода 14 сообщена с атмосферой через выхлопной тракт: отверстия 32 гильзы 3, канал 33, отверстия 34 гильзы 3, шлицы 16, продольные пазы 35 бурового инструмента 18 и его отверстия 19 и 20. Further, as the striker 9 advances, the radial holes 30 enter the zone of the bore 2 of the housing 1 and the energy carrier through these holes from the bore 12 of the striker 9 enters the working chamber 13. The pressure in the chamber rises sharply, which leads to braking of the striker and the valve 23 upper position is "power". In this position of the valve 23, the energy carrier is additionally supplied with energy through the openings 26 of the sleeve 27. In the upper position "power" of the valve 23, the discharge path is closed, since the openings are closed 24. The hammer makes a working stroke. At this time, the idling chamber 14 is in communication with the atmosphere through the exhaust path: openings 32 of sleeve 3, channel 33, openings 34 of sleeve 3, splines 16, longitudinal grooves 35 of drilling tool 18 and its openings 19 and 20.

При движении ударника 9 во время рабочего хода его отверстия 30 выходят из зоны проточки 2 и после того, как они перекроются цилиндрической поверхностью корпуса 1, подача энергоносителя в камеру рабочего хода 13 через командный тракт прекратится. Однако питание камеры рабочего хода 13 продолжается через клапан 23. При дальнейшем движении ударника его пазы 11 выйдут из цилиндрической части корпуса 1, и камера рабочего хода 13 соединится с выхлопным трактом: пазы 11, кольцевой канал 31, отверстия 32 гильзы 3, кольцевой канал 33, отверстия 34 и далее шлицы 16, пазы 35 и отверстия 19 и 20. When the striker 9 moves during the working stroke, its holes 30 exit the zone of the groove 2 and after they overlap with the cylindrical surface of the housing 1, the energy supply to the working chamber 13 through the command path will stop. However, the power supply of the working chamber 13 continues through the valve 23. With further movement of the striker, its grooves 11 will come out of the cylindrical part of the housing 1, and the working chamber 13 will connect to the exhaust path: grooves 11, annular channel 31, openings 32 of sleeve 3, annular channel 33 , holes 34 and further slots 16, grooves 35 and holes 19 and 20.

Давление в камере рабочего хода 13 резко падает и клапан 23 перекидывается в нижнее положение "разрядка". Энергоноситель поступает в камеру холостого хода 14 и цикл повторится. Разрушенная порода подхватывается потоком энергоносителя, поступающего из машины в зону забоя, и выносится через центральное отверстие шламотранспортной трубы 6. Обратный клапан 29 препятствует попаданию шлама в зону работы клапана 23 через отверстия 25 шламотранспортной трубы 6. Особенно это важно, когда осуществляется прямая промывка скважины, при котором очистной агент подается по шламотранспортной трубе 6 и через зазор между корпусом ударной машины и стенками скважины выносится на поверхность, укрепляя стенки скважины. Надежную блокировку машины, т.е. прекращение ее работы после снятия осевой нагрузки, обеспечивают отверстия 36, выполненные в стенке штока 7. После их открытия ударником, энергоноситель не будет поступать в верхнюю расточку 12 ударника, а будет поступать в камеру рабочего хода 13, и далее через выхлопной тракт проходить в забойную зону бурового инструмента. При этом осуществляется интенсивная промывка (продувка) шламотранспортного канала машины и буровой колонны. The pressure in the chamber of the stroke 13 drops sharply and the valve 23 is thrown to the lower position "discharge". The energy source enters the idle chamber 14 and the cycle repeats. The destroyed rock is picked up by the flow of energy coming from the machine to the bottom zone, and is carried out through the central opening of the slurry transfer pipe 6. The check valve 29 prevents sludge from entering the working zone of the valve 23 through the openings 25 of the slurry transfer pipe 6. This is especially important when direct washing of the well is carried out, in which the cleaning agent is fed through the sludge transport pipe 6 and through the gap between the body of the percussion machine and the walls of the well is brought to the surface, strengthening the walls of the well. Safe locking of the machine, i.e. cessation of its work after removing the axial load, provide holes 36 made in the wall of the rod 7. After they are opened by the hammer, the energy source will not enter the upper bore 12 of the hammer, but will enter the working chamber 13, and then pass through the exhaust path to the bottomhole drilling tool area. In this case, intensive washing (purging) of the sludge transport channel of the machine and the drill string is carried out.

Установка для камеры рабочего хода автономного питающе-разрядного устройства в виде ступенчатого клапана с соответствующими трактами позволяет значительно увеличить ударную мощность, так как противодавление со стороны камеры рабочего хода при движении ударника вверх минимальное, а во время всего рабочего хода ударника на него действует наибольшее, т.е. сетевое давление энергоносителя по всему его пути. Кроме того, клапанное распределение камеры рабочего хода позволяет применять в качестве энергоносителя не только сухой сжатый воздух, но и аэрированную жидкость. Это дает возможность увеличить глубину бурения обводненных скважин и вести бурение в сложных геологических разрезах (водопритоки, глинистые прослойки). The installation of a stand-alone feed-discharge device for the working stroke chamber in the form of a step valve with corresponding paths can significantly increase the shock power, since the counterpressure from the side of the working stroke chamber is minimal when the striker moves upward, and during the entire stroke of the striker the greatest impact, t .e. network pressure of the energy carrier along its entire path. In addition, the valve distribution of the working chamber allows not only dry compressed air, but also aerated liquid to be used as an energy carrier. This makes it possible to increase the drilling depth of waterlogged wells and to drill in complex geological sections (water inflows, clay interlayers).

Установка обратного клапана в разрядном тракте между распределительным штоком и шламотранспортной трубой предотвращает попадание шлама в зону клапанного питающе-разрядного устройства. Это дает возможность осуществлять реверс потока очистного агента с обратной промывки на прямую с целью укрепления стенок скважины. Installing a check valve in the discharge path between the distribution rod and the slurry transfer pipe prevents sludge from entering the area of the valve supply-discharge device. This makes it possible to reverse the flow of the cleaning agent from backwash to direct in order to strengthen the walls of the well.

Claims

1. Submersible percussion machine for drilling wells with an annular bottom hole, including a housing with a bore in its upper part and a sleeve located in the lower part of the housing, a drilling tool, a slurry transport pipe and a distribution rod installed coaxially and forming an energy-supplying channel between themselves, a hammer with an axial channel and a bore in its upper part, controlled chambers for working and idling and an energy distribution system containing supply and exhaust paths, characterized in that it is provided with an autonomous system for I working chamber feed-discharge device containing a stepped valve mounted on the distribution rod, a discharge path made in the form of radial holes in the rod and in the sludge transport pipe in the valve placement area, the command path made in the form of radial holes in the upper part of the hammer, periodically connecting the working chamber to the feed path through the bores in the hammer and in the housing.

2. The machine according to claim 1, characterized in that a check valve is made in the form of a collar cuff in the discharge path between the distribution rod and the slurry transfer pipe.