Виброударный механизм для бурения скважины

Виброударный механизм для бурения скважины

Реферат

 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин ударным способом, а именно к устройствам, предназначенным для вибровоздействия на бурильный инструмент. Механизм состоит из полого цилиндрического корпуса, вихревого элемента, выполненного в виде тангенциального патрубка, открывающегося в вибрационную камеру, имеющую вибрационную полость со свободно перемещающейся шаровой массой. Вибрационная камера размещена симметрично и перпендикулярно относительно оси механизма и представляет собой шар, усеченный фронтальными ограничителями, имеющими в центральной части отверстия. Угол наклона к оси механизма тангенциального патрубка равен углу наклона к оси механизма образующих конического расширения внутренней полости переводника и определяется из математического выражения. Вибрационная камера жестко закреплена в верхней части горизонтальной пластиной, а в нижней – вертикальной пластиной. Радиус шаровой массы определяется по математической формуле. Изобретение обеспечивает повышение эффективности бурения и надежности работы. 4 ил.

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин ударным способом, а именно к устройствам, предназначенным для вибровоздействия на бурильный инструмент.

Анализ существующего уровня техники показал следующее:

известен забойный пульсатор, относящийся к забойным генераторам импульсов (см. патент РФ № 2071544 от 17.12.93 г. по кл. Е 21 В 28/00, опубл. в ОБ № 1, 1997 г.). В нем имеется полый цилиндрический корпус с установленным в его полости со стороны выходного конца ограничителем в форме решетки с боковыми отверстиями и центральной площадкой для перекатывания шара (шаровой массы). Центральная площадка выступает над поверхностью решетки. Над шаром с зазором установлен диск со сферически-вогнутой внутренней поверхностью и боковым отверстием. Радиус сферической поверхности диска равен диаметру шара. Собственно с помощью указанных конструктивных элементов образована камера для создания гидравлического удара, генерирующего осевую силу, периодически воздействующую на конец бурильной колонны.

Недостатком известной конструкции забойного пульсатора является низкая эффективность бурения и ненадежность в работе. Принцип работы пульсатора отличен от заявляемого и связан с образованием гидравлического удара, а не механических ударных импульсов со стороны шаровой массы. При этом размеры шара и камеры несоизмеримы для получения последнего. Так как шар движется хаотически, то маловероятно полное закупоривание бокового отверстия шаром. Образующиеся щели между шаром и кромками бокового отверстия, а авторами указано в столбце 6 описания к патенту, что возникает “... ситуация почти полного перекрытия...”, значительно снижают перепад давления - основу гидравлического удара. Это находит подтверждение, например, в обзоре Гидроударные буровые машины и их характеристики. Серия “Машины и оборудование нефтегазовой промышленности”, Москва, ВНИИОЭНГ, 1970, с. 79. К тому же, механический КПД гидроудара невысок за счет рассеивания значительной части энергии в виде упругих волн, распространяющихся в жидкости, ниже и выше источника гидроудара;

известен виброударный механизм для бурения скважины, содержащий вибрационную камеру с шаровой массой (пневматический шариковый вибратор), цилиндр с циклически движущимся в нем поршнем, а также буровую коронку (см. а.с. № 501152 от 15.05.73 г. по кл. Е 21 С 3/24, опубл. в ОБ №4, 1976 г.). Вибрационная камера размещена между цилиндром и коронкой на ее хвостовике и через канал в последнем сообщена с источником сжатого воздуха (газообразным очистным агентом).

Недостатком известного виброударного механизма является низкая эффективность бурения и ненадежность в работе. Ось вибрационной камеры совпадает с осью механизма, т.е. шаровая масса перекатывается в горизонтальной плоскости, генерируя вибрации буровой коронки только в радиальных направлениях. При этом радиальная вибрация практически не передается вглубь забоя, а некоторое увеличение проходки происходит только за счет дополнительного истирания породы забоя, вызываемого боковыми движениями коронки. Каналы, по которым газообразный очистной агент подается в вибрационную камеру, направлены относительно ее оси под углом, а не лежат в плоскости движения шаровой массы. Поэтому одна часть энергии струи закручивает поток, вызывая вибрации шаровой массы, а другая - наоборот, проходя через закрученный поток и отражаясь от днища, тормозит его. В результате лишь незначительная часть энергии струи преобразуется в вибрации. Кроме того, в днище вибрационной камеры находятся выпускные отверстия, в которых возможно западание шаровой массы, прижимаемой перепадом давлений внутри и снаружи механизма. Такое западание приводит к прекращению движения шаровой массы. Перераспределение потоков газообразного очистного агента не оптимально, т.к. поток последнего, попавшего в вибрационную камеру, не участвует в процессе бурения. Полость вибрационной камеры имеет небольшие размеры, что снижает степень свободы шаровой массы, уменьшает величину механических ударных импульсов и, как следствие, снижает показатели бурения;

в качестве прототипа взят виброударный механизм для бурения скважин, содержащий полый цилиндрический корпус, соединенный в нижней части с буровой коронкой, снабженной промывочной системой, вибрационную полость (кольцевую полость) вибрационной камеры (шарового вибратора) со свободно перемещающейся шаровой массой и открывающимся в нее вихревым элементом - соплами, ориентированными на беговую дорожку (см. а.с. № 791901 от 31.07.78 г. по кл. Е 21 В 10/36, опубл. в ОБ № 48, 1980 г.). Вибрационная полость образована корпусом, перекрыта крышкой с соплами, а внутри ограничена центральным полым стержнем с обводной системой. Боковая дорожка выполнена в ниппеле.

Недостатком известного виброударного механизма является низкая эффективность бурения и ненадежность в работе. Ось вибрационной камеры совпадает с осью механизма, т.е. шаровая масса перекатывается в горизонтальной плоскости, генерируя вибрации боковой коронки только в радиальных направлениях. При этом, радиальная вибрация практически не передается вглубь забоя, а некоторое увеличение проходки происходит только за счет дополнительного истирания породы забоя, вызываемого боковыми движениями коронки. Сопла, по которым очистной агент (энергоноситель) подается в вибрационную камеру, направлены относительно ее оси под углом, а не лежат в плоскости движения шаровой массы. Поэтому одна часть энергии струи закручивает поток, вызывая вибрации шаровой массы, а другая - наоборот, проходя через закрученный поток и отражаясь от днища, тормозит его. В результате лишь незначительная часть энергии струи преобразуется в вибрации. В днище вибрационной камеры находятся вертикальные промывочные каналы, в которых возможно западание шаровой массы, прижимаемой перепадом давлений внутри и снаружи механизма. Такое западание приведет к прекращению движения шаровой массы. Полость вибрационной камеры имеет небольшие размеры, что снижает степень свободы шаровой массы, уменьшает величину механических ударных импульсов и, как следствие, снижает показатели бурения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

- повышается эффективность бурения: за счет конструктивных особенностей вибрационной камеры и тангенциального патрубка, способствующих максимальному использованию энергии потока промывочной жидкости в процессе бурения; за счет оптимального подбора размера шаровой массы относительно размера вибрационной камеры, что обеспечивает создание максимальных механических виброударных импульсов;

- повышается надежность работы виброударного механизма за счет оптимального перераспределения потоков промывочной жидкости между вибрационной камерой и обводным элементом.

Технический результат достигается с помощью известного виброударного механизма, включающего полый цилиндрический корпус, соединенный в нижней части с буровой коронкой, снабженной промывочной системой, вибрационную полость со свободно перемещающейся шаровой массой и открывающимся в нее вихревым элементом. При этом, по заявляемой конструкции виброударного механизма полый цилиндрический корпус в верхней части соединен с переводником, а в средней части имеет внутренний кольцевой выступ. Внутренняя полость переводника в нижней части конически расширена под вихревой элемент, выполненный в виде тангенциального патрубка. Вибрационная полость расположена внутри вибрационной камеры, представляющей собой шар, усеченный фронтальными ограничителями с отверстиями в центральной части. Вибрационная камера размещена симметрично и перпендикулярно оси виброударного механизма. При этом ее наружный радиус равен внутреннему радиусу полого цилиндрического корпуса. Радиус шаровой массы определен из условия

r_ш = kR,

где r_ш - радиус шаровой массы, м;

k - коэффициент пропорциональности, равный 0,62;

R - внутренний радиус вибрационной камеры, м.

Ось тангенциального патрубка находится в плоскости, перпендикулярной оси вибрационной камеры, а угол ее наклона к оси виброударного механизма равен углу наклона к оси последнего образующих конического расширения внутренней полости переводника и определен по формуле

где - угол наклона тангенциального патрубка к оси виброударного механизма или угол наклона образующих конического расширения внутренней полости переводника к оси виброударного механизма, град;

r_п - внутренний радиус тангенциального патрубка, м;

h - высота тангенциального патрубка, м;

- толщина стенки вибрационной камеры, м.

Вибрационная камера в верхней части жестко закреплена горизонтальной пластиной, радиус которой равен внутреннему радиусу полого цилиндрического корпуса. Горизонтальная пластина имеет центральное отверстие под вибрационную камеру и расположена под внутренним кольцевым выступом полого цилиндрического корпуса. Фронтальные части пластины имеют обводной элемент в виде отверстий. В нижней части вибрационная камера жестко закреплена вертикальной пластиной с центральным седловидным вырезом под последнюю. Длина вертикальной пластины равна внутреннему диаметру полого цилиндрического корпуса. Отверстия фронтальных ограничителей вибрационной камеры, а также отверстия горизонтальной пластины открываются в полости, образованной внутренней стенкой корпуса, наружной поверхностью фронтальных ограничителей и боковыми поверхностями вертикальной пластины, сообщающиеся с промывочной системой буровой коронки.

Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие конструкции виброударных механизмов, способствующие максимальному использованию энергии потока промывочной жидкости и создающие максимальный механический виброударный импульс. Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого виброударного механизма и связями между ними. Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.

Конструкция заявляемого механизма поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 представлен фронтальный разрез механизма;

на фиг.2 представлен профильный разрез механизма, выполненный по сечению А-А;

на фиг.3 представлен горизонтальный разрез механизма в плоскости

Б-Б;

на фиг.4 схематически представлен фронтальный разрез механизма в области вибрационной камеры.

Виброударный механизм для бурения скважины состоит из полого цилиндрического корпуса 1, на обоих концах которого выполнена внутренняя резьба для соединения в верхней части с переводником 2 и в нижней части с буровой коронкой 3. Корпус 1 имеет в средней части внутренний кольцевой выступ 4. Внутренняя полость “а” переводника 2 в нижней части имеет коническое расширение “б” под вихревой элемент, выполненный в виде тангенциального патрубка 5, открывающегося в вибрационную камеру 6, имеющую вибрационную полость “в” со свободно перемещающейся шаровой массой 7. Вибрационная камера 6 размещена симметрично и перпендикулярно относительно оси механизма и представляет собой шар, усеченный фронтальными ограничителями 8. Фронтальные ограничители 8 имеют в центральной части отверстия 9. Наружный радиус вибрационной камеры 6 равен внутреннему радиусу полого цилиндрического корпуса 1. Угол наклона к оси механизма тангенциального патрубка 5 равен углу наклона к оси механизма образующих конического расширения “б” внутренней полости “а” переводника 2. Вибрационная камера 6 в верхней части жестко закреплена горизонтальной пластиной 10. Радиус последней равен внутреннему радиусу корпуса 1. Горизонтальная пластина 10 имеет центральное отверстие под вибрационную камеру 6 и расположена под внутренним кольцевым выступом 4 полого цилиндрического корпуса 1. Фронтальные части горизонтальной пластины 10 имеют обводной элемент в виде отверстий 11. В нижней части вибрационная камера 6 жестко закреплена вертикальной пластиной 12 с центральным седловидным вырезом под последнюю. Длина вертикальной пластины 12 равна внутреннему диаметру полого цилиндрического корпуса 1. Отверстия 9 фронтальных ограничителей 8 вибрационной камеры 6, а также отверстия 11 горизонтальной пластины 10 открываются в полости “г” и “д”, образованные внутренней стенкой корпуса 1, наружной поверхностью фронтальных ограничителей 8 и боковыми поверхностями вертикальной пластины 12. Полости “г” и “д” сообщаются с промывочной системой “е” буровой коронки 3, содержащей гидромониторную насадку 13.

Скважина № 24 Пелагиадской площади Северо-Ставропольского ПХГ подлежала ликвидации ввиду окончания сроков эксплуатации. Ликвидацию предполагалось производить путем закачки цементного раствора в газовый пласт. В ходе работ по установке цементного моста из-за несоблюдения регламента работ был оставлен цементный раствор в колонне НКТ 73 мм. После ОЗЦ уровень цементного камня в колонне составил 848 м. Для восстановления прерванной связи с пластом в таких случаях обычно разбуривают цементный камень вместе с НКТ. Однако сделать это в данной скважине не удалось, поскольку эксплуатационная колонна в скважине недопустимо прокорродировала и при таких работах разрушалась. Разбурить камень в НКТ обычными методами не представлялось возможным ввиду малого внутреннего диаметра НКТ, равного 62 мм.

Было принято решение использовать агрегат для капитального ремонта скважин с гибкими трубами М 10 38 мм. Однако, этот агрегат не позволяет осуществлять вращение, ввиду этого невозможно использовать буровое долото. Применение насадок с гидромониторными струями неэффективно, вследствие частых посадок инструмента, вызванных тем, что струя жидкости разрушает цементный камень неравномерно. В центральной части образуются лунки, в которых гасится энергия струи, в то время как в периферийных областях остаются языки цементного камня, на которые и садится насадка. Подъем на небольшую высоту и последующий спуск инструмента не дает нужного результата. Для успешного разрушения кромок лунки целесообразно использовать комбинацию виброударного воздействия и гидромониторного эффекта. Применение в данной ситуации виброударного механизма заявляемой конструкции позволяет существенно улучшить процесс разрушения камня за счет комплексного воздействия вертикальных и горизонтальных колебаний, т.е. механического разрушения кромок цементного камня, а также смещения струи при каждом отрыве инструмента от забоя. В результате наложения механического воздействия и отклонения струи происходит разрушение камня в периферийных областях.

Изготовлен и испытан виброударный механизм, основные параметры которого следующие:

наружный диаметр виброударного механизма 45 мм

длина механизма 250 мм

внутренний радиус вибрационной камеры 16 мм

радиус шаровой массы 10 мм

диаметр обводных отверстий 7 мм

внутренний диаметр гидромониторной насадки буровой коронки 9 мм

масса механизма 3,5 кг

Серийный выпуск буровых коронок данного типоразмера с гидромониторной насадкой не существует. В связи с этим, буровую коронку, как составляющую часть виброударного механизма, сконструировали и изготовляют в механическом цехе ОАО “СевКавНИПИгаз”.

Механизм работает следующим образом.

Рассмотрим случай, когда ось вибрационной камеры 6 совпадает с осью механизма, и процесс проходит при отсутствии других сил, воздействующих на шаровую массу 7, кроме равномерно закрученного потока жидкости. Наблюдается плавное перекатывание шаровой массы 7 по внутренней сферической поверхности вибрационной камеры 6 в горизонтальной плоскости с последующим появлением гармонических колебаний.

В случае, когда ось вибрационной камеры 6 перпендикулярна оси механизма, т.е. так, как заявлено в формуле изобретения, наблюдаются те же гармонические колебания шаровой массы 7, но во фронтальной плоскости, т.е. по двум направлениям: вертикальном и горизонтальном.

В реальных условиях траектория движения шаровой массы 7 изменяется. В первую очередь на движение последней влияет геометрия тангенциального патрубка 5. Промывочная жидкость, входящая в вибрационную камеру 6 из тангенциального патрубка 5, создающая закрученное ядро потока, отталкивает шаровую массу 7 от внутренней сферической поверхности вибрационной камеры 6 при прохождении ею входного отверстия для тангенциального патрубка 5, что способствует усилению вибраций во фронтальной плоскости, т.е. возникновению механических ударных импульсов со стороны шаровой массы 7 в двух направлениях: горизонтальном и вертикальном.

Помимо этого, сила тяжести, стремящаяся вернуть шаровую массу 7 в крайнее нижнее положение, также изменяет траекторию движения последней и увеличивает виброудары шаровой массы 7 в вертикальном направлении. В свою очередь наличие отверстий 9 во фронтальных ограничителях 8 увеличивает радиальную толщину закрученного ядра потока промывочной жидкости, способствует созданию значительных радиальных перетоков в приторцевых областях фронтальных ограничителей за счет трения закрученного ядра потока о последние. При этом шаровая масса 7 преимущественно вибрирует в направлении, перпендикулярном фронтальной плоскости с последующей генерацией виброударов в горизонтальном направлении профильной плоскости.

Таким образом, конструктивные особенности заявляемого механизма способствуют генерации виброударов шаровой массы 7 в трех направлениях.

Влияние радиальных виброударов на увеличение скорости проходки во фронтальной и профильной плоскостях обусловлено рядом причин:

- снижением кулонова трения при наложении дополнительного движения, в данном случае виброударного (см. Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин. М., Недра, 1974, с. 53);

- появлением дополнительных радиальных вибродвижений зубцов буровой коронки, способствующих интенсивному истиранию породы забоя.

Влияние вертикальных виброударов на увеличение скорости проходки обусловлено следующим рядом причин:

- под воздействием вертикального удара механизм приобретает запас дополнительной кинетической энергии, которая расходуется на разрушение породы забоя;

- повышается подвижность грунта под торцом буровой коронки за счет:

колебательных движений частиц забоя и снижения кулонова трения;

освобождения некоторой доли воды, адсорбированной на поверхности частиц, которая действует как смазка (см. Ребрик Б.М. Вибрационное бурение скважин. М., Недра, 1974, с. 54, 55).

В конечном итоге эти факторы облегчают работу гидромониторной струи по разрушению и очистке забоя.

Математический вывод значения k, равного 0,62.

Определим, при каких соотношениях радиуса камеры R и радиуса шаровой массы r_ш сила, возникающая при перекатывании шаровой массы 7 и воздействующая на стенки вибрационной камеры 6, имела бы максимальное значение. Пусть коэффициент пропорциональности между R и r_ш будет k.

Тогда:

r_ш=kR. (1)

Центробежная сила, возникающая при круговом движении шара, равна

где - ускорение центра тяжести шаровой массы, м/с²;

m - масса последней, кг.

a_c=w²(R-r_ш) (3)

где w - угловая скорость вращения центра тяжести шаровой массы вокруг оси вибрационной камеры, 1/с.

С учетом (1):

a_с=w²R(1-k). (4)

Масса стального шара

где - плотность стали, кг/м³.

С учетом (1)

Сделаем предположение, что w не зависит от r_ш, тогда:

С учетом (1):

Считая k переменной, находим производную этой функции

Приравняв это к нулю, находим k, при котором F максимальна:

k=0,75.

Однако, как показал опыт, это значение несколько завышено, так как в действительности с увеличением радиуса шаровой массы угловая скорость несколько уменьшается. Поэтому с учетом серии проведенных опытов принимается:

k=0,62.

Определяют радиус шаровой массы 7 для конкретного механизма

R_ш=0,6216=10 мм.

Определяют угол наклона тангенциального патрубка 5 к оси виброударного механизма, пользуясь фиг.4. На последней С - точка пересечения оси виброударного механизма с осью тангенциального патрубка 5; А - точка пересечения оси вибрационной камеры 6 с фронтальной плоскостью, секущей виброударный механизм; Д - точка пересечения оси тангенциального патрубка 5 и радиуса вибрационной камеры 6, построенного от точки А к касательной, образованной вхождением тангенциального патрубка 5 в вибрационную камеру 6.

Рассмотрим прямоугольный треугольник АСД.

Из фиг.4 вытекает, что АД=R-r_п, а СА= h+ R +. При высоте патрубка h=16 мм, толщине стенки вибрационной камеры =3,5 мм и радиусе тангенциального патрубка r_п=4,5 мм

Крепят механизм к гибким трубам посредством ленточной резьбы диаметром 30 мм и спускают в колонну НКТ до посадки на цементный камень. Подача воды осуществляется с расходом 5,05 л/с, при этом давление на устье 30 МПа. За 10,5 часов было разрушено 48 м цементного камня. Далее инструмент поднимают на поверхность. Колонну перфорируют. После чего скважину ликвидируют путем закачки в газоносный пласт тампонажной смеси.

Пройдя колонну гибких труб, промывочная жидкость поступает в полость “а”, находящуюся в переводнике 2. Около 50% потока направляется в тангенциальный патрубок 5, остальная часть через кольцевой зазор между наружной кромкой входного отверстия тангенциального патрубка 5 и стенками полости “а” проходит в полость “б”. Откуда через обводные отверстия 11 в горизонтальной пластине 10 поступает в полости “г” и “д”. Пройдя тангенциальный патрубок 5, первая часть потока входит в вибрационную камеру 6 касательно к ее внутренней сферической поверхности. Сильно закручиваясь, поток подхватывает шаровую массу 7 и заставляет ее перемещаться по внутренней сферической поверхности вибрационной камеры. Двигаясь по траектории, близкой к окружности, шаровая масса генерирует механические виброудары, передающиеся через стенки вибрационной камеры 6 на корпус механизма. Закрученный поток, двигаясь по спирали, подходит к отверстиям 9 во фронтальных ограничителях 8 и, пройдя их, попадает в полости “г” и “д”, где соединяется с частями потока, миновавшими вибрационную камеру 6. Двигаясь вниз, части потока сливаются в полости “е”, откуда удаляются через гидромониторную насадку 13. Разделение потока в полости “а” вызвано тем, что при прохождении всего потока через вибрационную камеру 6 скорость движения шаровой массы становится настолько большой, что под действием ударов происходит разрушение стенок вибрационной камеры и фронтальных ограничителей 8 с последующим выходом механизма из строя.

Без переводника 2 виброударный механизм неработоспособен, так как он связывает корпус 1 с колонной гибких труб и направляет поток промывочной жидкости в полость “а”. При этом коническое расширение внутренней полости “б” необходимо для посадки тангенциального патрубка 5. Последняя происходит следующим образом:

на верхнюю резьбу корпуса 1 навинчивают переводник 2. Корпус 1 ставят переводником вниз. Горизонтальную перегородку 10 с отверстием под вибрационную камеру 6 опускают на кольцевой выступ 4. Вибрационную камеру 6 с закрепленным на ней тангенциальным патрубком 5 устанавливают в предназначенное для нее отверстие, после чего устанавливают вертикальную пластину 12 и коронку 3. При затягивании коронки 3 верхняя кромка тангенциального патрубка 5 скользит по коническим образующим полости “б” и точно устанавливается на границе полостей “а” и “б”, фиксируясь в данном положении осевым усилием, возникающим при затягивании коронки 3. После чего, переводник 2 свинчивается и горизонтальная пластина 10 приваривается к вибрационной камере 6.

При угле наклона образующих полости “б” большем, чем угол , снижается вероятность точной установки тангенциального патрубка 5 в нужном положении. Если угол наклона меньше, чем угол , то установка тангенциального патрубка 5 в нужном положении становится невозможной. Кроме того, полость “б” конического расширения является частью обводной системы. Наружный диаметр вибрационной камеры 6 равен внутреннему диаметру корпуса 1, что при установке камеры в корпус позволяет исключить перемещения вибрационной камеры 6 в осевом направлении и добиться максимально большого радиуса камеры. Это немаловажно, так как отклоняющая сила, возникающая при движении шаровой массы 7, пропорциональна радиусу вибрационной камеры 6. Помимо этого, сферическая поверхность, по которой перемещается шаровая масса 7, имеет с последней пятно контакта больших размеров, чем цилиндрическая поверхность. Это позволяет уменьшить опасные контактные напряжения, возникающие при значительных расходах промывочной жидкости через вибрационную камеру 6.

Фронтальные ограничители 8 предназначены для ограничения возможных перемещений шаровой массы 7. Помимо этого они воспринимают удары со стороны последней и отделяют вибрационную полость “в” от полостей “г” и “д” с возможностью частичного сообщения с ними через отверстие 9.

Кроме того, расположение вибрационной камеры 6 внутри корпуса 1 делает невозможным западание шаровой массы 7 в одно из выходных отверстий фронтальных ограничителей 8, так как возникающая при движении шаровой массы 7 центробежная сила отбрасывает ее к стенкам вибрационной камеры 6.

Изготовление вибрационной камеры 6 в виде усеченной сферы позволяет наиболее полно использовать пространство внутри корпуса 1 механизма и исключить обводную систему из вибрационной камеры 6. Это позволяет использовать большую шаровую массу 7, обладающую значительной степенью свободы. Такое сочетание параметров вибрационной камеры 6 и шаровой массы 7 способствует созданию максимальных механических виброударных импульсов и амплитуд колебаний.

При отрыве виброударного механизма от забоя, колебания шаровой массы смещают корпус 1 механизма в сторону, перенаправляя струю, истекающую из гидромониторной насадки 13 в другую точку забоя, разрушая породу там, где виброударное воздействие зубцов коронки не дает должного результата. Таким образом, сочетание гидромониторного и виброударного воздействия значительно увеличивает скорость бурения.

Виброударный механизм имеет оригинальную систему крепления внутренних конструктивных элементов.

Кольцевой выступ 4 корпуса 1 служит упором для горизонтальной пластины 10 и жестко связанной с ней вибрационной камерой 6.

Горизонтальная пластина 10 предназначена для жесткой фиксации вибрационной камеры 6 внутри корпуса 1 механизма. Ее наружный диаметр равен внутреннему диаметру корпуса 1, что исключает люфт пластины 10 в радиальном направлении. Осевым перемещениям препятствует усилие, возникающее при затягивании буровой коронки 3 и прижимающее горизонтальную пластину 10 к кольцевому выступу 4. Помимо этого, она отделяет полость “б” от полостей “г” и “д” с возможностью их ограниченного сообщения через обводные отверстия 11.

Вертикальная пластина 12 служит для передачи осевого усилия, направленного вверх, возникающего при затягивании буровой коронки 3 на кольцевой выступ 4. Усилие передается через вибрационную камеру 6 и горизонтальную пластину 10. Образующийся натяг жестко фиксирует вибрационную камеру 6 внутри корпуса 1 виброударного механизма. Центральный седловидный вырез на пластине 12 предназначен для более плотного контакта последней с наружной поверхностью вибрационной камеры 6. При ширине пластины 12, равной внутреннему диаметру корпуса 1, ее боковые грани упираются в стенки корпуса 1, что обеспечивает дополнительную жесткую связь между корпусом 1 и вибрационной камерой 6. Жесткая связь необходима для более полной передачи механических виброударов на корпус 1 виброударного механизма и коронку 3.

Таким образом, доказано соответствие заявляемой конструкции виброударного механизма условиям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости, т.е. техническое решение патентоспособно.

Формула изобретения

Виброударный механизм для бурения скважины, включающий полый цилиндрический корпус, соединенный в нижней части с буровой коронкой, снабженной промывочной системой, вибрационную полость со свободно перемещающейся шаровой массой и открывающимся в нее вихревым элементом, а также не связанный с нею обводной элемент, обеспечивающие движение очистного агента, отличающийся тем, что полый цилиндрический корпус в верхней части соединен с переводником, а в средней части имеет внутренний кольцевой выступ, при этом внутренняя полость переводника в нижней части конически расширена под вихревой элемент, выполненный в виде тангенциального патрубка, а вибрационная полость расположена внутри вибрационной камеры, представляющей собой шар, усеченный фронтальными ограничителями с отверстиями в центральной части, размещенной симметрично и перпендикулярно оси виброударного механизма, при этом наружный радиус вибрационной камеры равен внутреннему радиусу полого цилиндрического корпуса, а радиус шаровой массы определен из условия

r_ш= kR,

где r_ш - радиус шаровой массы, м;

k - коэффициент пропорциональности, равный 0,62;

R - внутренний радиус вибрационной камеры, м,

причем ось тангенциального патрубка находится в плоскости, перпендикулярной оси вибрационной камеры, а угол его наклона к оси виброударного механизма равен углу наклона к оси последнего образующих конического расширения внутренней полости переводника и определен по формуле

где - угол наклона тангенциального патрубка к оси виброударного механизма или угол наклона образующих конического расширения внутренней полости переводника к оси виброударного механизма, град.;

r_п - внутренней радиус тангенциального патрубка, м;

h - высота тангенциального патрубка, м;

- толщина стенки вибрационной камеры, м,

причем вибрационная камера в верхней части жестко закреплена горизонтальной пластиной, радиус которой равен внутреннем радиусу полого цилиндрического корпуса, имеющей центральное отверстие под вибрационную камеру и расположенной под внутренним кольцевым выступом полого цилиндрического корпуса, фронтальные части которой имеют обводной элемент в виде отверстий, а в нижней части вибрационная камера жестко закреплена вертикальной пластиной с центральным седловидным вырезом под последнюю, при этом длина вертикальной пластины равна внутреннему диаметру полого цилиндрического корпуса, причем отверстия фронтальных ограничителей вибрационной камеры, а также отверстия горизонтальной пластины открываются в полости, образованные внутренней стенкой корпуса, наружной поверхностью фронтальных ограничителей и боковыми поверхностями вертикальной пластины, сообщающиеся с промывочной системой буровой коронки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4