Латыпов А.С., Мырзахметов Б.А.,Айтореева Г.К.

Казахский национальный технический университет имени К.И.Сатпаева, г.Алматы, Казахстан

Перспективы совершенствования гидроударных машин

История практического применения гидроударного бурения в Казахстане имеет начало с 1959 года при бурении разведочных скважин на Джезказганском и Чатыркульском месторождениях [1,2]. А уже в 1962 году на Джезказганском месторождении весь объем разведочного бурения был переведен на гидроударное бурение, которое позволило повысить месячную производительность с 280 до 780-800м. При этом рекордная производительность составила 1180м на станко-месяц при глубине скважин до 600 м. В тот период гидроударное бурение использовалось, преимущественно, для замены малопроизводительного дробового бурения на ударно-вращательное. С появлением алмазного породоразрушающего инструмента объем гидроударного бурения пошел на спад. С развалом СССР гидроударное бурение практически прекратилось, так как полностью была разрушена отработанная годами организация геологоразведочного бурения при поисках и разведке твердых полезных ископаемых.

В те годы использовались различные типы гидроударников при бурении скважин различного назначения - нефтегазовых, взрывных, геолого-разведочных на твердые полезные ископаемые и воду. В дальнейшем для бурения нефтегазовых скважин использование гидроударников прекратилось в связи с широким применением вращательного роторного бурения. Для бурения же взрывных скважин (глубина которых обычно не более 30м) стали использовать так называемые «выносные» гидроударники. При бурении геологоразведочных скважин перешли на высокочастотные гидроударники с малой энергией удара, позволяющие использовать породоразрушающий инструмент вращательного бурения. Было установлено, что наиболее перспективными для бурения таких типов скважин являются гидроударники с клапанным распределением жидкости. Причем в результате проведенных в лаборатории ударно-вращательного бурения Казахского научно-исследовательского института минерального сырья (КазНИИМС) поверхностных и скважинных (до 500 м) исследований гидроударников различных конструкций со съемкой на фотопленке рабочего процесса было установлено, что наиболее устойчивый цикл наблюдается у гидроударников дроссельного типа, [5].

Для ударно-вращательного бурения характерны малая частота вращения инструмента и усилие подачи, что способствует повышению срока службы колонны бурильных труб и снижению интенсивности искривления скважин. В связи с этим наблюдается тенденция к использованию погружных гидроударников и при бурении скважин в более слабых горных породах. В связи с этим вновь возрос интерес к ударно-вращательному бурению с использованием гидроударников. Кроме того, гидроударники успешно используют при освоении скважин и ликвидации прихватов бурового инструмента.

В зависимости от цикла, при котором используют явление гидроудара, гидроударники подразделяют на гидроударники прямого действия, гидроударники обратного действия и гидроударники двойного действия,[3]. В гидроударниках первого и третьего типов энергия потока жидкости используется для осуществления разгона поршня-ударника для нанесения удара, а у гидроударников второго типа – для сжатия рабочей пружины, осуществляющей разгон поршня-ударника для нанесения удара. Эффективность воздействия гидроудара на поршень-ударник определяется скоростью заполнения поршневой полости, то есть работа осуществляется в объемном режиме.

Гидроударники обратного действия для бурения скважин в последние годы не использовались, так как долговечность пружин при малом диаметре корпуса оказалась недостаточной, поэтому в последние годы велись разработки гидроударников прямого и двойного действия, которые могут быть отнесены к машинам прямого или замедленного удара. Клапанные узлы машин прямого и двойного действия идентичны. Возврат их в исходное верхнее положение в известных машинах осуществляется за счет энергии сжатой при прямом ходе пружины (см. рис. 31«в», [3]), или дифференциально-поршневой системы (см. рис. 31«г», [3]). Известны конструкции гидроударников прямого и двойного действия, в которых клапан выполнен заодно с поршнем (см. рис. 31«а» и «б», [3]). В машинах прямого действия поршень может быть выполнен в виде отдельной детали, расположенной между ударником и клапаном.

Более разнообразна конструкция систем возврата ударника в верхнее исходное положение гидроударников двойного действия. Наиболее простой является дроссельная система (см. рис. 28, [3]), в котором нижняя камера имеет дроссель, создающий избыточное давление в рабочих камерах по сравнению с затрубным пространством. Другая система имеет два клапана, то есть при обратном ходе формируется второй гидроудар, [4]. Недостатком этой системы является снижение прочности ударника.

Перспективным направлением является использование динамических свойств текучей среды (инновационные патенты РК № 23023 и № 23024), которые характеризуются тем, что могут создавать при отражении от неподвижных преград за счет парусного эффекта значительные динамические нагрузки, определяемые по равенству

Р = ρ·n·f·u²,

где Р - усилие потока;

ρ - плотность текучей среды;

n - число сопел;

f - площадь сечения сопла;

u - скорость потока.

При работе клапанных ударных машин при прямом ходе поток жидкости периодически прерывается, а после отсечки клапана поток жидкости восстанавливается, то есть появляется возможность использования энергии этого потока для возврата в исходное положение ударника и клапана после осуществления прямого хода.

При конструировании гидроударника двойного действия прямого удара (согласно патенту РК № 23023) клапан располагается снизу, поэтому верхний торец ударника может быть размещен в тупиковой камере, вокруг которой могут быть сформированы струйные аппараты, каналы эжектирования которых выведены из смесительной камеры в тупиковую, из которой при открытом клапане, когда движение жидкости восстанавливается, рабочая жидкость отсасывается струйными аппаратами, расположенными аксиально тупиковой камере. Вследствие этого, давление в тупиковой камере снижается, а суммарный прямой поток в специальных каналах из прямого преобразуется в обратный и воздействует на парусный поясок ударника, последний под воздействием избыточного давления внутри корпуса гидроударника по сравнению с таковым в тупиковой камере и динамического воздействия суммарного потока жидкости на парусный поясок поднимается в верхнее исходное положение. В дальнейшем, по мере возврата клапана в исходное положение, прямой поток жидкости перекрывается и возникает явление гидроудара, под действием которого происходит прямой ход системы «клапан-поршень-ударник» с прямым нанесением удара и отрывом клапана с седла. В отличие от известных гидроударников двойного действия в рассматриваемой конструкции ударник возвращается в верхнее исходное положение под действием динамической энергии потока жидкости, а не благодаря возникновению гидроудара.

Рассматриваемая технология возврата ударника в исходное положение машины двойного действия обладает еще одним преимуществом, заключающимся в том, что снижается усилие отдачи, которое определяет эффективность работы гидроударника, так как в результате отдачи корпуса увеличивается свободный ход подвижных элементов, что сказывается на рабочих параметрах машины (частоте и скорости ударника), [5]. Для исключения отдачи корпуса приходится увеличивать усилие подачи, что сказывается на долговечности долота. При возврате ударника за счет динамического воздействия потока без его дросселирования в канале наковальни или перекрытия выпускного канала его нижним клапаном усилие отдачи будет незначительным.

Следовательно, возможно создание третьего типа гидроударника двойного действия – имеющего один клапан и гидродинамическую систему возврата ударника в верхнее исходное положение. При этом конструкция клапана существенного влияния на рабочий процесс гидроударника двойного действия не оказывает. С учетом того, что отличия между гидроударниками прямого и двойного действия весьма незначительны, представляется возможным включить их в единую классификационную систему с учетом того, что возможно создание гидроударников, имеющих комбинированную систему возврата поршень-ударника в исходное положение – пружинно-гидродинамическую, [6]. В соответствии с вышеизложенным авторы предлагают один из вариантов классификации гидроударников, представленный в таблице 1.

Таблица 1

Классификация гидроударников прямого удара

Класс гидро-ударника	№№ п/п	Подкласс	Положе-ние клапана	Энергия прямого хода	Энергия обратного хода ударника	Энергия обратного хода клапана	Примергидро-удар-ника
С замед-ленным ударом	1	дроссель-ный	верхнее	гидро-порш-невая	- непол-ного ги-дроудара	- пружинная; - дифференци-ально-поршне-вая; - гидродинами-ческая	[3], рис.28; [4], рис.119; патент РК № 23024
	2	однокла-панный	верхнее	гидро-порш-невая	- гидро-динами-ческая; - пружин-ная; -комби-нирован-ная	- пружинная; - гидродинами-ческая	патент РК № 23024
	3	двухкла-панный	верхнее и верхне-ударнико-вое	гидро-порш-невая	- гидро-порш-невая	Верхний клапан: - пружинная; - гидродинами-ческая. Ударниковый клапан: - пружинный; - инерционный	[3], рис.30; патент РК № 23024
	4	двухкла-панный	верхнее и подудар-никовое	гидро-порш-невая	- гидро-порш-невая	- механическая	Патент РК № 12625
С пря-мым ударом	5	однокла-панный	нижнее	гидро-ударная	- гидро-динами-ческая; - пружин-ная	- пружинная; -дифференци-ально-поршне-вая; - гидродинами-ческая	патент РК № 23023 патент РК № 21475

Выбор того или иного типа гидроударника зависит от его назначения, а так же от технических возможностей завода-изготовителя. При составлении классификации основным классификационным признаком принят характер нанесения удара, а другим признаком - система использования энергии потока текучей среды для формирования ударной энергии поршня-ударника и возврата рабочих элементов в исходное положение.

По всей вероятности наиболее перспективным направлением в совершенствовании гидроударных машин является создание гаммы машин прямого удара, основанных на использовании гидродинамической энергии для возврата рабочих элементов в исходное положение.

Литература

1. Граф Л.Э., Леонтьев О.П. Опытное гидроударное бурение. // Горнодобывающая промышленность Казахстана, № 1, 1961, с.18-20.

2. Сыромятников И.С. Итоги внедрения гидроударного бурения на Джезказганском месторождении. //Разведка и охрана недр, № 4, 1965, с.40-45.

3. Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками. – М.: Недра, 1967, 168 с.

4. Воскресенский Ф.Ф., Кичигин А.В., Славский В.М. и др. Вибрационное и ударно-вращательное бурение. – М.: Гостоптехиздат, 1961, 244 с.

5. Латыпов А.С. Буровые гидроударные машины и основы их проектирования. – А-Ата, КазПТИ, 1986, 57 с.

6. Латыпов А.С. Перспективы совершенствования гидроударников двойного действия. Труды Международного форума «Наука и инженерное образование без границ». Т.1. – Алматы: КазНТУ им. К.И.Сатпаева, 2009, с.306-309.

beibit1959@mail.ru