КЕРНОЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель «Кернозахватное устройство» относится к горному делу, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна.
При бурении скважин в широко распространенных несвязных горных породах (галечники, гравийно-галечные и песчано-гравийные отложения и т.п.) большую трудность представляет захват и подъем дезинтегрированного кернового материала.
Решение этой проблемы возможно при использовании достаточно сложных и дорогих двойных колонковых снарядов, в частности двойных колонковых снарядов с принудительным захватом керна (например, по а.с. СССР №1411431, свидетельствам и патентам на полезные модели №№10770, 10771, 74951, 77335, 77336, 80888, патенту на изобретение №2351744).
Известные же более простые кернозахватные устройства и кернозахватные элементы, используемые в одинарных колонковых снарядах, предназначены в основном для захвата и удержания монолитного, кускового и крупнообломочного керна и не обеспечивают подъема кернового материала при бурении в несвязных горных породах.
Под кернозахватным элементом (КЗЭ) понимается «рабочий орган кернозахватного устройства (КЗУ), непосредственно взаимодействующий с керном с целью его отделения (отрыва) от забоя, захвата и удержания при подъеме бурового снаряда из скважины» (см. Н.Г.Егоров - Бурение скважин в сложных геологических условиях.- Тула: ИПП «Гриф и К», 2006, с.206; Н.Г.Егоров - Колонковые снаряды с кернозахватными устройствами. М.. 1997, Обзор «Техн., технол. и организация геол.-развед. работ», АОЗТ «Геоинформмарк», с.9, 10).
Под кернозахватным устройством(КЗУ) понимается «механизм, состоящий из кернозахватного элемента (элементов) и приспособления для привода его(их) в действие с целью захвата, отрыва от забоя и удержания керна» (см. там же).
Из известных КЗУ и КЗЭ, применяемых в одинарных колонковых снарядах, для захвата дезинтегрированного кернового материала предназначены пружинящие упругие элементы в виде проволочек и пластин, направленных вверх, и в виде поворотных рычажков. Однако проволочные упругие элементы очень ненадежны, а для размещения в колонковом наборе поворотных рычажков требуется достаточно большое конструктивное пространство, в связи с чем увеличивается толщина матрицы буровой коронки и, следовательно, увеличивается площадь разрушаемого кольцевого забоя при уменьшении диаметра керна, что нерационально.
Известно кернозахватное устройство с кернозахватными элементами в виде упругих пластин (лепестков), направленных вверх (С.С.Сулакшин - Способы, средства и технология получения представительных образцов пород и полезных ископаемых при бурении геологоразведочных скважин, Издательство научно-технической литературы, Томск, 2000, с.118, рис.3.7,в).
Рассматриваемое кернозахватное устройство, содержащее кернозахватные элементы в виде направленных вверх упругих лепестков на втулке, размещенной между торцами буровой коронки и колонковой трубы, имеет ряд существенных недостатков:
1. В связи с тем, что лепестки прикреплены к внутренней поверхности втулки, они могут при вхождении керна внутрь КЗУ в лучшем случае прилегать к внутренней поверхности колонковой трубы, взаимодействуя при этом с керном, в результате чего могут деформироваться сами и разрушать при этом керн; такое исполнение также благоприятствует попаданию частиц керна за тыльную сторону лепестков, что будет препятствовать продвижению кернового материала внутрь колонковой трубы.
2. Втулка зажата между торцем колонковой трубы и уступом в корпусе коронки, в связи с чем не имеет возможности оставаться невращающейся при вращении колонкового набора. Однако и в случае, если втулка будет размещена в зазоре свободно, она, оставаясь открытой для попадания в зазор мелких частиц керна и шлама, будет неминуемо заклинена, а в этом случае - при одновременном вращении с колонковой трубой - лепестки будут выведены из строя, а керн подвергнется разрушающему механическому воздействию от лепестков.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и надежности кернозахватного устройства при бурении скважин в несвязных горных породах.
Для решения поставленной задачи в кернозахватном устройстве, содержащем кернозахватные элементы в виде направленных вверх упругих лепестков на втулке, размещенной между торцами буровой коронки и колонковой трубы:
1. Упругие лепестки выполнены непосредственно в теле втулки и являются неотъемлемыми ее элементами, а на наружной поверхности втулки выполнен кольцевой буртик, который свободно установлен в проточке колонковой трубы над верхним торцем буровой коронки;
2. На наружной поверхности основного корпуса втулки установлена дополнительная тонкостенная втулка, перекрывающая боковые отверстия, образованные при создании лепестков в основном корпусе;
3. В верхней части основного корпуса втулки на ее наружной поверхности выполнена кольцевая проточка, в которой размещен уплотнительный элемент, герметизирующий кольцевой зазор между втулкой и колонковой трубой.
Благодаря тому, что упругие лепестки выполнены непосредственно в теле основного корпуса втулки, они в начальный период бурения при вхождении керна внутрь КЗУ утапливаются в соответствующие им окна, уменьшая возможность попадания частиц керна и шлама за тыльную сторону лепестков и снижая за счет этого препятствия прохождению кернового материала внутрь колонковой трубы.
Благодаря тому, что на наружной поверхности основного корпуса втулки выполнен буртик, который свободно устанавливается в проточке колонковой трубы над верхним торцем буровой коронки, обеспечивается возможность втулке с лепестками оставаться невращающейся при вращении колонкового набора, в результате чего снижается разрушающее механическое воздействие на керн и уменьшается вероятность деформации и слома лепестков.
Благодаря тому, что установленная на наружной поверхности основного корпуса втулки дополнительная тонкостенная втулка перекрывает боковые отверстия, образованные при создании лепестков, исключается возможность попадания частиц шлама и выход очистного агента в зазор между втулкой и коронкой, за счет чего значительно повышается возможность для втулки с лепестками оставаться невращающейся при вращении колонкового набора в процессе бурения.
Эта же цель дополнительно может быть достигнута за счет предотвращения попадания частиц шлама в зазор между втулкой и колонковой трубой путем герметизации зазора между ними с помощью уплотнительного элемента, установленного в кольцевой проточке на наружной поверхности втулки в верхней ее части.
Кроме того, предлагаемое конструктивное решение позволяет существенно повысить возможность свободного вращения колонкового набора относительно втулки за счет введения при сборке КЗУ консистентной смазки в полость, в которой размещается буртик, и смазывания наружной поверхности втулки.
Предлагаемое кернозахватное устройство (фиг.1) состоит из втулки 1 с лепестками и буртиком на наружной поверхности, размещенным в кольцевой проточке колонковой трубы 2 над торцем буровой коронки 3. Боковые отверстия в основном корпусе 1 втулки, образованные при создании лепестков, перекрыты дополнительной тонкостенной втулкой 4, которая установлена на наружной поверхности основного корпуса 1 втулки. В верхней части втулки 1 выполнена кольцевая проточка, в которой установлен уплотнительный элемент, герметизирующий кольцевой зазор между втулкой и колонковой трубой.
Основной корпус 1 втулки изготавливается из трубной заготовки. В первую очередь выполняются все токарные работы (буртик, проточки под тонкостенную втулку и под уплотнительный элемент), затем на боковой поверхности, подготовленной для посадки тонкостенной втулки, делается разметка и лазерная вырезка лепестков (форма лепестков может быть, например, такой как показана на фиг.1). Лепестки вводятся внутрь втулки и им придается изогнутая форма (с помощью простого устройства, например, в виде выпуклой наковальни снизу и бойка сверху с формой торцев, образующих нужную кривизну лепестков. После формирования лепестков корпус основной втулки с лепестками подвергается термообработке с целью придания лепесткам пружинящих свойств. Затем на основной корпус втулки плотно насаживается дополнительная тонкостенная втулка, которая при необходимости может быть зафиксирована на основном корпусе втулки, например, с помощью электрозаклепки.
Перед спуском колонкового набора в скважину в кольцевую проточку втулки устанавливается уплотнительный элемент, на боковую поверхность втулки и особенно на буртик обильно наносится консистентная смазка, после чего втулка вставляется в коронку, затем с коронкой вводится внутрь колонковой трубы, и коронка навинчивается на колонковую трубу.
В процессе бурения втулка с лепестками не вращается, керновый материал входит внутрь втулки, разжимая лепестки, которые при этом прижимаются к внутренней поверхности втулки вплоть до погружения в соответствующие им окна. По окончании бурения колонковый набор приподнимается, при этом лепестки за счет пружинящих свойств и воздействия на них кернового материала сходятся к центру, перекрывая внутреннюю полость устройства и предотвращая выпадение кернового материала при подъеме из скважины.
На поверхности отвинчивается коронка, извлекается втулка с лепестками, и колонковая труба освобождается от поднятого кернового материала. Втулка с лепестками тщательно очищается, затем лепесткам (с помощью описанного выше устройства) придается нужная форма. Очищаются также внутренние поверхности коронки и колонковой трубы. На наружную поверхность втулки вновь наносится консистентная смазка, втулка устанавливается в коронку и вместе с нею крепится к колонковой трубе.