Гидроударник является погружной машиной, устанавливаемой непосредственно над долотом или колонковый снарядом, и предназначен, как было сказано во введении, для генерирования ударов определенной силы и частоты. Наряду с пневмоударниками гидроударные машины позволяет осуществлять ударно-вращательный способ бурения скважин. Ударно-вращательный способ бурения геологоразведочных скважин современными гидроударниками, или сокращенно гидроударное бурение, как и всякий другой не универсален, и наиболее эффективен в твердых, хрупких породах невысокой абразивности . В более твердых породах (УП-IX категории по буримости ) используют специальные буровые коронки; в более мягких (У-У1 и частично УП категории) - обычные твердосплавные коронки с вертикально расположенными резцами в сочетании с высокочастотными гидроударниками, развивающими малую энергии удара (гидроударник ГВ-5). При возрастании вязко-пластических свойств твердых горных пород эффективность гидроударного бурения заметно снижается. Опыт последнего времени свидетельствует об эффективности применения в определенных геолого-технических условиях высокочастотных гидроударников в сочетании с мелкоалмазными коронками. Гидроударники могут применяться для ликвидации прихватов. Повышение механической скорости при бурении с гидроударниками обусловливается: во-первых, изменением механизма разрушения горной породы и увеличением мощности, передаваемой единице площади забоя скважины (за счет вращения и удара), а во-вторых, уменьшением подклинки керна и возникновением других физических явлений порождаемых гидроударом и вибрацией низа бурового инструмента.
Рассмотрим работу гидроударника на примере машины прямого действия (рис. 3.1). Основными деталями любого гидроударника являются боек - И, клапан - 2, наковальня - 6. Боек 4 при работе гидроударника возвратно-поступательно перемещается на длине хода бойка Л% , клапан - на длине Хл . Причем Х< ^ Хк В своем нижнем положении боек ударяет по наковальне, совершая полезную работу. Ход бойка, на котором он набирает скорость для удара по наковальне называется рабочим; обратный ход называется холостым. Наковальня б соединена с корпусом при помощи шлицев и может продольно перемещаться на некоторой длине по отношению к корпусу. При постановке долота 7 на забой наковальня б досылается в крайнее верхнее положение, и взаиморасположение деталей гидроу¬дарника, соответствуете этому состоянию, показано на рис.4. Предположим, что гидроударник спущен в скважину, и долото 7 не касается забоя. Боек Ч находится в опущенном состоянии и не сомкнут с клапаном 2. Промывочная жидкость свободно протекает через гидроударник, обтекая клапан, далее проходит по центральному каналу бойка и наковальни и, выходя из отверстий долота, поднимается по кольцевому пространству скважины.
Рис. 1. Гидроударник прямого действия. Г-пружина клапана, 2-клапан, 3-уплотнения, 4-боек, 5-пружина бойка, 6-наковальня, 7-долото. Лг - ход клапана, Х{ - ход бойка.
При резкой постановке долота на забой боек 4 получает внеш¬ний импульс со стороны наковальни, пружиной 5 отбрасывается вверх и смыкается с клапаном. Происходит гидравлический удар. При этом давление жидкости над клапаном повышается, а под клапаном уменьшается. За счет возникшего перепада давления, действующего на поршень бойка диаметром Вп , боек в сомкнутом с клапаном положением отбрасывается вниз и движется на пути Хк . Это фаза разгона, на которой боен набирает скорость, а следовательно, кинетическая энергия его возрастает. Отбираемая на фазе разгона от потока жидкости анергия расходуется также на сжатие пружин I и 5 в на преодоление работы внешних сил механического и гидравлического сопротивления.
После отсечки клапана открывается канал в бойке, и жидкость, набирая снорость, вновь начинает протекать через гидроударник. Перепад давления на клапане снимается, и он устанавливается в исходное положение пружиной I. От момента отсечки клапана до удара по наковальне имеет место фаза свободного хода, на которой на боек действует иная система сил. Эта фаза необходима для обеспечения возврата клапана в исходное положение. Перемещение бойка на этой фазе обеспечивается, за счет снижения его кинетической энергии, поэтому скорость бойка в момент удара меньше, нежели в конце фазы разгона.
В конце фазы свободного хода боек ударяет по наковальне (фаза удара), на которой кинетическая энергия бойка передается частично (при наличии откоса) или полностью наковальне и далее долоту и породе. При этом имеет место волновые явления как в промежуточном звене (в колонковом снаряде),так и в породоразрушающем инструменте и горной породе. После удара боек перемещается вверх до соприкосновения с клапаном под действием усилия сжатой пружины и частично отскока, и цикл повторяется. Можно считать, что путь пробега бойка на первых двух фазах и фазе холостого хода одинаков. Для обеспечения стабильности работы гидроударника необходимо, чтобы при подходе к клапану боек обладал определенной скоростью и кинетической энергией, обеспечивавшей быстрое перекрытие потока. Опыты показывают, что практически сразу после запуска гидроударник выводится на периодический режим работы. Работа любого гидроударника характеризуется периодичностью отбора энергии от источника. Это порождает колебания скорости и давления жидкости в машине, которые затем в виде волн распространяются по колонне бурильных труб и затрубному кольцевому пространству. Таким образом имеет место неустановившийся режим течения жидкости.
Анализ показывает, что при используемой компоновке бурового инструмента определяющим волноводом является колонна бурильных труб, т.е. подводящий промывочную жидкость турбопровод. Волна, проходя по трубопроводу со скоростью звука, затухает, а также отражается от различных неоднородностей. К последним относятся, в частности, места перехода с одного диаметра на другой и т.п. Колонна бурильных труб в разведочном бурении является достаточно однородным трубопроводом.
В общем случае измененная по амплитуде и форме гидроударная волна достигает компенсатора, от которого она с определенными потерями отражается. Характер отраженной волны определяется типом отражателя. Отраженная волна при движении к гидроударнику снова подвергается диссипации. При небольшом расстоянии от гидроудар¬ника до концевого отражателя она достигает гидроударника. В первом приближении можно считать, что прямые и отраженные (обратные) волны движутся независимо, т.е. соблюдается принцип суперпозиции. В зависимости от фазового сдвига обратной волны по отношению к прямой может произойти усиление или ослабление давления на фазе разгона. Во втором случае работа гидроударника будет нарушена. Таким образом синфазное наложение обратной волны у гидроударника обеспечивает стабильную работу машины. Такое состояние необходимо поддерживать при бурении скважины. Гидроударники прямого действия (сокращенно ГТЩ) являются наиболее простыми машинами. По этой схеме разработаны все гидроударники, серийно выпускаемые промышленностью (машины Г-7 и ГВ-5). Наряду с ГПД различают также гидроударники обратного и двойного действия. В гидроударниках обратного действия (ГОД) имеет место противоположное по сравнению с ГПД явление, а именно энергия от потока жидкости отбирается на холостом ходе бойка и накапливается в пружине в виде потенциальной энергии сжатия. При рабочем ходе пружина, разжимаясь, разгоняет боек, который в конце рабочего хода производит удар по наковальне. В ГОД как и в ГПД имеется один клапан.В гидроударнинах двойного действия (ГДД). рабочий и холостой ход обеспечиваются за счет давления жидкости. В этих машинах два клапана, один из которых может быть заменен соплом - дросселем. Пружина бойка отсутствует.
Историческая справка. Первые гидроударные погружные машины для бурения глубоких скважин были разработаны в 1900-1907 гг.На этом этапе, начало которому положили работы Вольского, гидроударные устройства предназначались в основном для замены ударно-штангового бурения. В последующие годы были предложены десятки конструкций гидроударников, однако ни одна из них не была внедрена в производство. Ударно-вращательный способ сперва был внедрен в горной промышленности с использованием пневмоударников. Основанием для разработки этого способа дослужили экспериментальные и теоретические исследования, выполненные в Днепропетровском горном институте в 1934-37 гг под руководством Е.Ф.Эпштейна Успехи внедрения способа в горном деле снова активизировали исследования по гидроударным машинам как в СССР, так и других странах. В 50-е годы наряду с машинами прямого действия, разрабатываются гидроударники обратного и двойного действия. Начало внедрения гидроударников в геологоразведочной промышленности относится к 1961-62 гг, когда в СКБ Министерства геологии СССР с использованием результатов исследовательских и кон¬структорских работ, проведенных другими организациями и прежде всего ДГИ, был разработан серийный гидроударник прямого действия Г-ЗА.