КЕРНООТБОРНЫЙ СНАРЯД

Полезная модель относится к устройствам для получения и извлечения ненарушенного керна способом динамического вдавливания в породу керноприемной трубы и может быть использована в процессе инженерно-геологических изысканий грунта донных отложений (илов и т.п.), например Арктического шельфа.
Известен снаряд для бурения (А.С. СССР №223719, опубл. 06.08.1969) с отбором керна, содержащий корпус, керноприемную трубу, кольцевую коронку, керноразрушающий сердечник, подпружиненный поршень с штоком и механизм перемещения поршня с штоком, при этом механизм перемещения поршня с штоком выполнен в виде надувного эластичного баллона. Изобретение направлено на упрощение механизма перемещения поршня с штоком.
Известно устройство для ориентированного отбора керна (А.С. СССР №702154, опубл. 05.12.1979), содержащее корпус с каналом для нагнетания жидкости, размещенную внутри корпуса не вращающуюся керноприемную трубу на подшипнике, закрепленный на конце керноприемной трубы башмак с кернорвателем внутри. Устройство содержит также механизм определения ориентации керноприемной трубы в момент отрыва керна. Устройство направлено на повышение надежности работы устройства за счет предотвращения случайного его срабатывания в результате зашламования нагнетательного канала.
Известно устройство керноотборное типа «Структура» УКС-178/60-80, предназначенное для бурения морских исследовательских и инженерно-геологических скважин диаметром 212, 7 мм с отбором керна из нелитифицированных донных отложений (илов и т.п.) диаметром 57 мм способом динамического гидровдавливания в породу пробоотборной трубы (Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н., Межлумов А.О., Близнюков В.Ю. Буровое оборудование: Справочник: В 2-х т. Т. 2 Буровой инструмент. - М.: ОАО «Издательство «Недра», 2003, с. 75-78.).
В известных устройствах для отбора керна гидровдавливанием для приведения в действие керноотборного снаряда необходим дорогостоящий кабель - шланг длиной почти 1,5 км для подачи насосом жидкости к снаряду. При этом насос должен обеспечить необходимое давление в канале снаряда для движения поршня с штоком.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в снижении эксплуатационных затрат при отборе керна динамическим вдавливанием в породу керноприемной трубы за счет исключения использования кабеля - шланга с насосом.
Для достижения технического результата в керноотборном снаряде, содержащем корпус с камерой для жидкости, установленную внутри корпуса керноприемную трубу для отбора керна динамическим вдавливанием в породу, соединенный с керноприемной трубой шток с поршнем, закрепленный на конце керноприемной трубы съемный башмак, корпус с камерой для жидкости имеют внутреннее диэлектрическое покрытие, в камере для жидкости установлены телескопических электрода, закрепленных к поршню и к верхней части снаряда с установленными в последней клеммами для подвода электрического тока к электродам, камера снабжена в верхней части клапаном для залива жидкости и клапаном для удаления воздуха при заливе, внизу клапаном для слива, в качестве жидкости используют электролит, нагревающийся при подведении электрического тока к электродам, при этом термически расширяющийся, в результате растет давление в камере, которое приводит в движение поршень с штоком.
Керноотборный снаряд иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
3
На фиг. 1 представлен продольный разрез керноотборного снаряда, на фиг. 2 - график изменения тока во времени при его пропускании через электролиты: 1 - смесь аммиака и воды в соотношении 50%:50% по объему, 2 - раствор нитрата калия KNO в гептане с концентрацией 50%, 3 - смесь глицерина (85%) и морской воды (15%).
Предлагаемый керноотборный снаряд предназначен для отбора мягких пород в интервалах, не содержащих крупных валунов и обломков твердых пород, в частности для инженерно-геологических изысканий грунтов донных отложений Арктического шельфа.
Керноотборный снаряд содержит корпус 1 с камерой 2 для жидкости, при этом корпус 1 и камера 2 для жидкости имеют внутреннее диэлектрическое покрытие. Внутри корпуса 1 установлена кернопроиемная труба 3 для отбора керна динамическим вдавливанием в породу, труба 3 снабжена на конце съемным башмаком 4. С керноприемной трубой 3 соединен шток 5 с поршнем 6 (фиг. 1). В камере 2 установлены два телескопических электрода 7 (фиг. 1). Электроды 7 закреплены к верхней части 8 снаряда (так называемая голова снаряда) и к поршню 6 с штоком 5. В верхней части 8 снаряда установлены клеммы (не показаны на фиг. 1) для подвода электрического тока к электродам 7 с помощью кабельной головки (на фиг. 1 не показана) по армированному кабелю от судовой сети 220 Вт. Камера 2 с электродами 7 заполнена электролитом, который при подведении электрического тока к электродам 7 нагревается, термически расширяется, испаряется, в результате в камере 2 растет давление, что и приводит в движение поршень 6 со штоком 5. Верхняя часть камеры 2 снабжена клапаном 9 для залива электролита и клапаном 10 для удаления воздуха из камеры 2 при заливе электролита. В нижней части камера 2 снабжена клапаном 11 для слива избытка пара и электролита после подъема снаряда. Позицией 12 обозначена верхняя часть керноприемной трубы 3 (фиг. 1). Позицией 13 обозначены уплотнительные кольца для обеспечения герметичности. Позицией 14 обозначен вход для установки штока 6 с керноприемной трубой 3 в корпус 1 снаряда.
Работа керноотборного снаряда осуществляется следующим образом.
Сначала подготавливают керноотборный снаряд к спуску в бурильную колонну. Для этого через вход 14 по резьбовому соединению 12 соединяют шток 5 с поршнем 6, а керноприемную трубу 3 с штоком 5. Устанавливают съемный сменный башмак 4, подсоединяют к клеммам кабельную головку с армированным кабелем, идущим с судна. Затем через клапан 9 производят залив электролита в камеру 2, при этом клапан 10 открыт для удаления воздуха из камеры 2, а клапан 11 для слива закрыт. После того как камера 2 наполнена электролитом, клапаны 9 и 10 закрывают. Таким образом, керноотборный снаряд приведен в рабочее положение. После подготовки снаряда к работе его спускают на кабеле внутрь бурильной колонны для отбора керна, при этом отбор керна осуществляют в грунт на глубину 1 метр. После достижения снарядом грунта к электродам 7 подводят электрический ток, электролит нагревается, кипит, расширяется, испаряется, в результате чего в камере 2 повышается давление, что приводит в движение поршень 6 с штоком 5, которые в свою очередь приводят в движение керноприемную трубу 3. При этом керноприемная труба 3 вдавливается в донный грунт и наполняется керном. По окончании отбора керна снаряд на кабеле поднимают на поверхность, отделяют керноприемную трубу 3 от штока 5, извлекают столбик керна и готовят снаряд к следующему спуску. Для этого открывают клапан 11 для слива остатков электролита и удаления паров в заранее подготовленную емкость. Затем снова наполняют камеру 2 электролитом, устанавливают шток 5 в рабочее положение. В случае повреждения съемного сменного башмака 4 (при попадании на слишком твердый для отбора грунт или валун) его заменяют на новый башмак.
В лабораторных условиях были проведены исследования по практическому выбору электролита для приведения в движение поршня с штоком, результаты отражены на графике (фиг. 2). Наилучшие результаты были получены с использованием смеси аммиака с водой в соотношении 50%:50% по объему (кривая 1), затем - смесь глицерина 85% и морской воды 15% (кривая 2), потом - раствор нитрата калия в гептане с концентрацией 50% (кривая 3), что следует из графика (фиг. 2), который свидетельствует о быстродействии (эффективности) разных электролитов при одних и тех же условиях, т.е. показывает минимальное время закипания.
Эффективность снаряда достигается за счет того, что не требуется использование дорогостоящего кабеля - шланга длиной 1.5 км, по которому подают жидкость насосом с судна к снаряду. Как и не требуется и сам насос, который обеспечивает необходимое давление в камере для движения поршня. Это существенно позволит снизить стоимость эксплуатационных работ при отборе керна.