При бурении геологоразведочных скважин в сложных горно-геологических условиях Донбасса одним из наиболее распространенных видов аварий является прихват бурового снаряда.
Для извлечения из скважины прихваченного инструмента используют поверхностные домкраты и выбивные бабы. При отрицательном результате их применения колонну бурильных труб разворачивают до места прихвата и оставшуюся часть пытаются выбить механическим или гидравлическим вибратором. Подобные работы характеризуются большой трудоемкостью и значительными затратами времени. В связи с этим актуальным является разработка вибратора, который включался бы в состав бурового снаряда, не мешая процессу бурения, а в случае возникновения аварийной ситуации использовался незамедлительно по целевому назначению.
Как перспективная для разработки авторами принята схема гидроударника одинарного действия с обратным активным ходом бойка. Преимуществом подобных механизмов является возможность получения значительной скорости удара бойка по наковальне, определяющей энергию волны деформации, которая распространяется в прихваченной части бурового снаряда.
Устройство (рис.1) состоит из корпуса 2, в верхней части соединенного с переходником 1 на колонну бурильных труб. В корпусе установлен клапан 3 с перепускными (байпасными) каналами 5, подпружиненный посредством пружины 4, и боек 10 с боковыми каналами 9 и 12, подпружиненный посредством пружины 11. В клапане 3 и бойке 10 имеется осевой канал 6 для прохода жидкости. В хвостовике бойка расположен пусковой клапан 13 с пружиной 15. Фиксируется пусковой клапан срезным штифтом 16. В нижней части корпус 2 присоединяется к переходнику 19 на колонковую трубу.
Рис. 1. Гидравлическое устройство, включаемое в состав бурового снаряда
Переходник 19 имеет выводные каналы 18 для выхода рабочей (промывочной) жидкости в затрубное пространство.
При возникновении в скважине прихвата для срабатывания пускового клапана 13 устройства увеличивают подачу промывочной жидкости. Пусковой клапан 13 перекрывает проходное отверстие и боек 10 сжимая пружину 11 начинает двигаться вниз, при этом втулка 14 пускового клапана срезает штифт 15 и садится на упор 17 хвостовика бойка 10. Боковые каналы 12 бойка открываются, давление в системе падает и боек 10 за счет пружины 11 возвращается в исходное положение. С поверхности сбрасывают шарик 8, который перекрывает осевой канал 6 бойка 10. Над клапаном 3 возрастает давление и клапан 3 вместе бойком 10 начинает двигаться вниз, сжимая пружины 4 и 11. При попадании перепускных каналов 5 клапана в полость низкого давления. Давление над клапаном падает и посредством пружины 4 клапан 3 возвращается в исходное положение. Боек 10 по инерции продолжает свое движение вниз до полной остановки. После чего пружиной 11 боек возвращается вверх и в конце рабочего хода наносит удар по наковальне 7. Над клапаном 3 возрастает давление и цикл повторяется.
Рабочий цикл предложенного устройства можно представить в виде трех фаз (рис.2).
Рис. 2. Фазы рабочего цикла гидравлического устройства: 1 – клапан, 2 – пружина клапана, 3 – шарик, 4 – боек, 5 – пружина бойка, 6 – корпус
Фаза 1. Клапан с бойком в сомкнутом положении двигаются вниз до начала сообщения через перепускные каналы полости высокого давления с полостью бойка.
Фаза 2. Остановка клапана. Боек отрывается от клапана и по инерции продолжает движение вниз до полной остановки. В этот же период времени клапан возвращается в исходное положение.
Фаза 3. Рабочий ход бойка под действием силы разжимающейся пружины. В конце хода боек наносит удар по наковальне и контактирует с клапаном. Вследствие малой длины бойка принимается, что удар происходит мгновенно.