Работы по созданию комплекса технических средств для бурения разведочных скважин на твердые полезные ископаемые проводят в СКВ Министерства геологии СССР с 1957 г. При выполнении этих работ широко используют опыт и результаты исследований, приведенные в главе I; в основном это работы ВНИИБТ, ДПИ, Института горного дела им. А. А. Скочинского и КазИМС. Кроме того, также .учитываются рекомендации по рациональным параметрам, изложенные в главе II. За прошедший период разработаны, сданы в серийное производство и в настоящее время широко применяются конструкции гидроударников для бурения геологоразведочных скважин в различных условиях. Ниже приведены описания и основные технические данные этих машин.
Гидроударник Г-ЗА является машиной прямого действия с клапанной системой распределения жидкости (рис. 1). В рабочем положении нижний переходник 38 соединяется с колонковой трубой, а верхний 1 — с утяжеленными бурильными трубами. Корпус гидроударника состоит из патрубков 7, 14, 21 и 29. В процессе спуско-подъемных операций гидроударник в скважине находится в подвешенном состоянии, и нижняя его часть в местах шлицевых разъемов опускается под действием собственного веса. При этом шток 19 перемещается до упора гайки 22 в переходник 20 и между клапаном 6 и поршнем 16, который одновременно является седлом клапана, образуется щель. В таком положении жидкость, нагнетаемая через колонну бурильных труб, свободно проходит через гидроударник и колонковый снаряд в скважину, что необходимо при дохождении снаряда до забоя по шламу и для слива жидкости из бурильных труб во время подъема. Кроме того, подобное устройство облегчает запуск гидроударника, так как при этом можно быстро перекрыть поток жидкости.
Г
идроударник
запускают в работу путем постановки его на забой скважины. При этом
нижние 36, 37 и верхние 26, 27 и 28 шлицевые разъемы смыкаются,
клапан 6 перекрывает отверстие в поршне 16 и проход жидкости
прекращается. Под действием резко повысившегося давления жидкости
клапан совместно с поршнем-бойком с нарастающей скоростью
перемещается вниз.
В определенном положении, когда упор 4 регулировочной гайки 2 дойдет до ограничителя 8, клапан останавливается и отрывается от поршня. При этом жидкость получает возможность свободно проходить через гидроударник на забой скважины, давление падает, и клапан усилием сжатой пружины возвращается в исходное положение. Поршень 16, шток 19 и ударник 30 под действием приобретенной кинетической энергии продолжают движение и в конце хода насадка ударника 33 наносит удар по наковальне 35, которая жестко соединена с колонковой трубой и породораз-рушающим инструментом через шлицевой шток 36 и переходник 38. Для улучшения условий передачи удара шток 36 имеет возможность в некоторых пределах перемещаться в шлицах стакана 37, что исключает распространение ударного импульса на корпус гидроударника и буровой снаряд.
После нанесения удара под действием сжатой пружины и отскока ударник 30 со штоком и поршнем возвращаются в исходное положение. При встрече поршня с клапаном поток промывочной жидкости перекрывается, возбуждается гидравлический удар, и цикл повторяется.
Ход клапана и предварительный натяг пружины клапана регулируются при помощи гайки 2 с упором 4, шпонкой 3 и набором прокладок 9. Возвратно-поступательные перемещения клапана осуществляются в направляющей сменной втулке 10, запрессованной в переходник 11. Момент встречи клапана с поршнем регулируется кольцом 13 с упором 12 и прокладками 39. Поршень 16 с уплотнениями 17 перемещается в сменном цилиндре 18, который закреплен в патрубке корпуса 14 при помощи прокладок 15. Предварительный натяг силовой пружины ударника регулируется гайкой 22, упором 24 и шпонкой 23. Нижним направлением ударника 30 служит втулка 32, закрепляемая в корпусе 29 кольцом 31 и упором 34.
Характер изменения основных параметров гидроударника Г-ЗА в зависимости от количества подаваемой жидкости иллюстрируется графиками на рис. 18. Как видно из рисунка, с увеличением расхода жидкости прогрессивно возрастают энергия удара А (кри¬вая /), частота ударов п (кривая 2) и перепад давления (кри¬вая 3); к. п. д. машины (кривая 4) возрастает до величины TI = 27% при Q = 250 л/мин и при дальнейшем увеличении расхода снижается.
Р
ис.
2. Графики зависимости параметров гидроударной машины Г-ЗА от
количества подаваемой жидкости. помощи соответствующих
приспособлений, приведенных в описании машины. Приемочные испытания
гидроударника Г-ЗА проходили в Джезказганской геологоразведочной
экспедиции Центрально-Казахстанского геологического управления.
Бурили в песчаниках VI—X категорий с промывкой водой На
основании данных приемочных испытаний гидроударник - Г-ЗА был принят
к серийному производству и с 1962 г. выпускается заводом им.
Дзержинского (г. Сарапул). Необходимо отметить, что область его
применения ограничена. В частности, гидроударник можно использовать
только на тех месторождениях, где бурение ведется с промывкой водой и
обеспечивается подача ее в скважину в количестве 300 л/мин, что
необходимо для нормальной работы машины. Кроме того, при прокачивании
в скважину такого количества жидкости возникают значительные потери
напора, что ведет к снижению к. п. д. системы. Это ограничивает
возможную глубину бурения и требует применения тяжелых колонн
бурильных труб с увеличенным внутренним диаметром, что, в свою
очередь, сни¬жает производительность. Необходимо отметить, что
для повышения эффективности бурения, особенно в породах высокой
крепости и абразивности, сплошным забоем и скважин больших диаметров
целесообразно увеличение энергии единичного удара. Учитывая
изложенное, одновременно с внедрением гидроударников Г-ЗА в
производство в СКВ продолжалась разработка ряда машин новых типов в
целях расширения областей применения и повышения эффективности
гидроударного бурения. Гидроударники двойного действия В
гидроударниках двойного действия (ГДД) энергия потока жидкости
используется для осуществления как прямого, так и обратного хода
молотка; молотковых пружин в этих машинах нет. Клапаны ГДД также
выполня¬ются при возможности по беспружинному варианту.
Отсутствие пружин позволяет разрабатывать гидроударники двойного
действия с высокой скоростью удара молотка и большой частотой ударов.
ГДД могут иметь более высокий к. п. д. по сравнению с гидроударниками
других типов. ГДД относятся к низкорасходным машинам.
В зависимости от конструктивного исполнения известные конструкции ГДД делятся на два принципиально отличающихся типа. К первому из них относится ГДД, конструктивная схема которого показана на рис. Эта машина наиболее проста по устройству. На этом рисунке показан момент подъема молотка под действием перепада давления. Клапан 3 находится в крайнем верхнем положении. Стрелками показано движение• промывочной жидкости. Рабочий цикл ГДД этого типа состоит из трех основных фаз. В течение первой рабочей фазы молоток вместе с клапаном под действием давления гидроудара движется вниз по пути а. Вторая фаза — свободное перемещение молотка после отсечки клапана. В течение третьей фазы молоток под действием перепада давления на дросселе перемещается вверх до смыкания с клапаном, который к этому времени должен успеть переместиться в крайнее верхнее положение. Период одного цикла машины определяется формулой (86), в которой время удара молотка по наковальне. ГДД этого типа имеют две характерные особенности. Первая состоит в том, что я машине используется только один клапан, что заметно упрощает конструкцию и повышает надежность. Вторая заключается в том, что перепад давления на дросселе 10 противодействует разгону молотка, что делает дроссель подобным пружине в гидроударнике прямого действия. Однако в отличие от пружины перепад давления, возрастающий пропорционально квадрату скорости перемещения молотка, создает предпосылки к преждевременному отрыву тарельчатого клапана от молотка на рабочем хбде. Поэтому, например, в гпдроударннке Р-ЗМ, выполненном по данной типовой схеме (см. ниже), установлен дополнительный клапан. В отличие от молотковой пружины ГПД затраченная на дросселе во время рабочего хода гидравлическая энергия обратно в систему не возвращается, что приводит к понижению коэффициента полезного действия.