Предложена усовершенствованная конструкция устройства для ликвидации прихватов бурового снаряда в скважине (рис. 1). В состав устройства входят: корпус 1 с дренажными отверстиями 2, наковальней 3 и переходником 4, шток 5 с бойком 6, установленные в корпусе 1, и втулка 7, в осевом отверстии которой установлен шток 5 с проточками 8 и 9. Во втулке 7 выполненные радиальные отверстия, в которых установлены фиксаторы 10. Под перегородкой установлен поршень 11. Пружина 12, размещенная под поршнем 11, опирается на переходник 4. В осевом канале 13 поршня 11 установлен полый патрубок 14 с прорезями в верхней части. Между поршнем 11 и патрубком 14 установлено уплотнение 15, а в поршне 11 выполнено седло 16. В наковальне 3 установлены штифты 17, вставленные в прорези 18 штока 5. В седле 16 размещается запорный клапан 19.
Устройство работает таким образом.
При использовании после возникновения прихвата в скважине, он спускается к прихваченному объекту на бурильных трубах, соединенных со штоком 5. При этом промывка скважины осуществляется через осевые каналы устройства. Уплотнение 15 предотвращает переток жидкости в скважину через дренажные отверстия 2. При соединении устройства с прихваченным инструментом переходником 4, к которому может дополнительно крепиться ловильный инструмент, вращение от бурильных труб на корпус 1 передается через штифты 17, вставленные в прорези 18 штока 5. Потом по бурильным трубам сбрасывают запорный клапан 19, который размещается в седле 16 и перекрывает осевой канал 13 в поршне 11.
Далее дают натяжение бурильным трубам и включают буровой насос. Под действием давления поршень 11 перемещается вниз, сжимая пружину 12, при этом жидкость из-под поршня 11 вытесняется в скважину через дренажные отверстия 2. Это дает возможность использовать устройство даже в ситуации, когда при прихвате нет перетока жидкости через забой скважины. Под действием силы со стороны штока 5, обусловленной натягом бурильных труб, фиксаторы 10, перемещаются в отверстиях втулки 7, выходят из проточки 8. Освобожденный шток 5 за счет силы упругой деформации бурильных труб переместится вверх и нанесет бойком 6 мощный удар по наковальне 3. Одновременно запорный клапан 19 контактирует с полым патрубком 14, а седло 16 вместе с поршнем 11 перемещается вниз, открывая доступ промывочной жидкости на забой скважины через прорези и полость патрубка 14. Если нет перетока жидкости через забой, запорный клапан 19 откроется при перемещении поршня 11 еще до контакта с патрубком 14 за счет жидкости в осевом канале 13, которая не сжимается и потому удерживает запорный клапан 19 на месте. Таким образом, жидкость под давлением подается на забой скважины – в этом случае может возобновиться нормальная циркуляция жидкости.
Когда шток 5 двигается вверх, проточка 9 беспрепятственно проходит мимо фиксаторов 10, поскольку поршень 11 либо еще двигается вниз, либо уже удерживается в нижнем положении за счет перепада давления на щели между запорным клапаном 19 и поршнем 11. Кроме того, для перемещения фиксаторов 10 в проточку 9 и заклинивания их там, поршню 11 необходимо переместиться наверх на некоторое расстояние. Однако, поскольку перемещение штока 5 происходит со значительной скоростью, то подбором жесткости пружины 12 и перепада давления на зазоре между клапаном 19 и поршнем 11 нетрудно добиться того, чтобы перемещение поршня 11 за время прохождения проточки 9 мимо фиксаторов 10 было незначительным или вообще отсутствовало.
Для нанесения удара вниз сбрасывают давление жидкости в полости бурильных труб и медленно опускают их до совмещения проточки 9 с отверстиями во втулке 7. При этом за счет пружины 12 поршень 11 переместиться вверх, заводя фиксаторы 10 в проточку 9, и зафиксирует их там. Создают осевую нагрузку на бурильные трубы и включают насос. За счет давления жидкости поршень 11 перемещается вниз, фиксаторы 10 под действием силы со стороны штока 5 выходят из проточки 9. Под действием упругой силы сжатых бурильных труб шток 5 перемещается вниз и наносит мощный удар бойком 6 по втулке 7. При этом поршень 11 за счет перепада давления на зазоре между ним и клапаном 19 будет удерживаться в нижнем положении. Жидкость подается на забой скважины по полости патрубка 14. После этого насос выключают, поршень 11 возвращается в исходное положение, заводя фиксаторы 10 в проточку 8. Потом цикл работы повторяется. Удары, которые передаются на прихваченный снаряд во время работы устройства, приводят к освобождению снаряду от прихвата. В процессе нанесения ударов на забой скважины также периодически подается промывочная жидкость, которая размывает шламовые пробки или породы, которые осыпались, и создает нормальную циркуляцию в скважине.
Для нанесения ударов только в одном из направлений необходимо оставлять насос включенным до возвращения штока 5 в положение, при котором происходит накопление энергии в бурильных трубах для удара в необходимом направлении.
Устройство также может включаться в состав бурового снаряда. При этом в процессе бурения скважины крутящий момент на забой передается штифтами 17, усилие нагрузки - бойком 6 на втулку 7, а усилие разгрузки – фиксаторами 10 на втулку 7. В случае возникновения прихвата запорный клапан 19 сбрасывают по бурильным трубам, и он садится в седло 16. Последующая работа устройства аналогична.
При анализе рабочего цикла ударного механизма использовалась расчетная схема, представленная на рис. 2. В практике разведочного бурения ударные механизмы обычно применяются для ликвидации прихватов колонковых наборов, длина которых на один-два порядка меньше длины бурильных труб. В этом случае справедливо рассматривать их, соответственно, как пружину и упругий стержень с равномерно распределенной массой. Кроме того, в момент соударения бойка с наковальней устройства допускается рассматривать прихваченный снаряд неподвижным, поскольку, за время от момента размыкания замка ударного механизма до удара, колебания в нем практически затухают. Талевая система представлена в виде упругой нити. Масса талевой системы учитывается в виде сосредоточенной массы М1, связанной с верхней частью упругого стержня, а включаемые в состав снаряда утяжеленные бурильные трубы – массой М2, закрепленной на нижнем торце бурильной колонны. Поскольку эффективность применения ударного механизма определяется не только величиной ударной силы, но и возбуждаемыми в колонне волновыми процессами, то рабочий цикл механизма исследуется на всем его протяжении до нарушения контакта между бойком и корпусом в момент прихода отраженной волны растяжения к нижнему торцу колонны бурильных труб.