КОЛОНКОВЫЙ СНАРЯД СО СЪЁМНЫМ КЕРНОПРИЁМНИКОМ

Предлагаемая полезная модель «Колонковый снаряд со съемным керноприемником» относится к горному делу, в частности к средствам для бурения скважин с отбором керна.
Недостатком известных отечественных и зарубежных колонковых снарядов со съемными керноприемниками (КССК), включающих две основные части: наружную - содержащую соединенный с колонной бурильных труб колонковый снаряд с алмазной коронкой и внутреннюю - съемный керноприемник, содержащий захватную головку в виде грибка, запорный узел, узел подвески, керноприемную трубу и соединенный с ней кернодержатель с размещенным в нем кернорвателем пружинного типа в виде разрезного кольца (см. Афанасьев И.С., Блинов Г.А., Пономарев П.П., Кукес А.И., Бухарев Н.Н., Иванов О.В., Морозов Ю.Т., Осецкий А.И., Егоров Э.К., Егоров Н.Г. - Справочник по бурению геологоразведочных скважин. - СПб.: ООО «Недра», 2000, с. 381, рис.7.9), является низкая эффективность кернорвателя в виде разрезного кольца, не обеспечивающего захват и удержание дезинтегрированного керна при бурении скважин в трещиноватых, раздробленных и рыхлых горных породах.
В значительной степени этот недостаток путем принудительного захвата керна устранен в съемном керноприемнике по патенту №131796, содержащем захватную головку в виде грибка, запорный узел, узел подвески, подпружиненный клапан, размещенный на стержне в полости переходников между впускными и выпускными отверстиями, подвесное кольцо, скрепленное срезным элементом (элементами) с наружной поверхностью переходника с возможностью ограниченного продольного перемещения после принудительного среза срезного элемента (элементов), керноприемную трубу и соединенный с ней с возможностью ограниченного перемещения кернодержатель с размещенным в нем кернорвателем в виде втулки с лепестками, образованными путем тангенциальных разрезов.
Недостатком приводного узла кернозахватного устройства в съемном керноприемнике по патенту №131796 является малое суммарное проходное сечение промывочных отверстий в кольцевом кронштейне.
Недостатком всех известных колонковых снарядов со съемными керноприемниками является возможность размывающего гидравлического воздействия промывочной жидкости на керн при выходе из кольцевого межтрубного зазора в зазор между нижним торцем кернодержателя и внутренней конической поверхностью алмазной коронки, что может привести к частичной или полной потере керна в рыхлых, разрушенных горных породах.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности колонкового снаряда со съемным керноприемником при бурении скважин в сложных по отбору керна геологических условиях.
Для решения поставленной задачи:
1) в съемном керноприемнике, включающем захватную головку в виде грибка, запорный узел, узел подвески, подпружиненный клапан, установленный на стержне в полости переходников между впускными и выпускными отверстиями, подвесное кольцо, скрепленное с наружной поверхностью переходника с возможностью ограниченного продольного перемещения после принудительного среза срезного элемента (элементов), керноприемную трубу и соединенный с ней с возможностью ограниченного перемещения кернодержатель с размещенным в нем кернорвателем в виде втулки с лепестками, образованными путем тангенциальных разрезов, стержень нижним концом с помощью резьбы скреплен с перемычкой, выполненной в нижнем переходнике под выпускными отверстиями, верхним концом свободно установлен в соответствующем ему по диаметру углублении в верхнем переходнике над впускными отверстиями, а буртики для посадки клапана в момент срабатывания устройства выполнены в полости нижнего переходника над выпускными отверстиями;
2) в корпусе алмазной коронки колонкового снаряда выполнены сквозные отверстия, гидравлически соединяющие промывочные каналы между секторами торца коронки с верхней частью внутренней конической поверхности коронки и с межтрубным кольцевым зазором;
3) на наружной поверхности патрубка кернозахватного узла выполнена кольцевая проточка, а винты установлены в теле корпуса кернодержателя с выпуском внутрь него на глубину, позволяющую корпусу кернорвателя и патрубку свободно вращаться относительно друг друга, а при продольном перемещении патрубка вверх при подъеме съемного керноприемника обеспечивать надежное зацепление винта за верхний буртик кольцевой проточки.
Благодаря тому, что из приводного узла удален кольцевой кронштейн, а стержень нижним концом с помощью резьбы скреплен с перемычкой, выполненной в нижнем переходнике ниже выпускных отверстий, увеличилась площадь проходного сечения кольцевого зазора для прохода промывочной жидкости. Благодаря тому, что стержень верхним концом установлен в соответствующем ему по диаметру углублении в верхнем переходнике, повысилась устойчивость стержня в полости переходников, что обеспечивает концентричность клапана и буртиков в процессе бурения и повышает надежность работы приводного узла.
Благодаря тому, что в корпусе алмазной коронки колонкового снаряда выполнены отверстия, гидравлически соединяющие промывочные каналы между секторами торца коронки с верхней частью внутренней конической поверхности коронки, промывочная жидкость из межтрубного кольцевого зазора колонкового снаряда имеет возможность выходить непосредственно под торец коронки, не размывая керн.
Благодаря тому, что на наружной поверхности патрубка кернозахватного узла выполнена кольцевая проточка, а винты установлены в теле корпуса кернодержателя с выпуском внутрь него на глубину, позволяющую корпусу кернодержателя и патрубку свободно вращаться относительно друг друга, появилась возможность нижний торец корпуса кернодержателя устанавливать на внутреннюю коническую поверхность коронки без зазора, исключая разрушающее гидравлическое воздействие потока промывочной жидкости на керн. При этом если даже корпус кернодержателя за счет сил трения будет частично или полностью вращаться вместе с алмазной коронкой, то керноприемная труба с патрубком и кернозахватным элементом вращаться не будут, что будет способствовать сохранению керна от механического разрушения.
Таким образом, благодаря предложенным техническим решениям повышается сохранность керна за счет предотвращения негативного воздействия на него гидравлических и механических разрушающих факторов и одновременно существенно повышается надежность захвата и удержания керна за счет повышения эффективности работы приводного узла кернозахватного устройства. В итоге обеспечивается решение главной задачи - надежное получение представительной пробы при бурении скважин в сложных по отбору керна геологических условиях.
Предлагаемый колонковый снаряд со съемным керноприемником (продольный разрез) показан на рисунке.
Колонковый снаряд со съемным керноприемником (КССК) включает в себя: колонковый снаряд, содержащий буровую коронку 1, расширитель 2, колонковую трубу 3, опорное кольцо 4, переходник 5, бурильные трубы 6, и съемный керноприемник, содержащий захватную головку 7 в виде грибка, запорный узел 8, приводной узел (детали 9-17) кернозахватного устройства, узел подвески 18, переходник 19, керноприемную трубу 20 и кернозахватный узел (детали 21-24).
Приводной узел кернозахватного устройства состоит из соединенных резьбой верхнего переходника 9 с впускными отверстиями и нижнего переходника 10 с выпускными отверстиями, в полости которых установлен стержень 11, нижним концом ввернутый по резьбе в перемычку, выполненную в нижнем переходнике 10, а верхним концом свободно входящий в соответствующее ему по диаметру углубление в верхнем переходнике 9. На стержне 11 с возможностью ограниченного продольного перемещения установлен клапан 12, подпружиненный пружиной 13. На внешней поверхности переходника 10 установлено подвесное кольцо 14, скрепленное с ним срезными элементами 15. Нижний переходник 10 внутри опорного кольца 4 герметизирован резиновым кольцом 16; резьбовое соединение верхнего (9) и нижнего (10) переходников герметизировано кольцевой прокладкой 17.
Кернозахватный узел состоит из кернозахватного элемента 21 в виде втулки с лепестками, который свободно установлен во внутренней полости кернодержателя 22, соединенного с патрубком 23 винтом 24 с возможностью ограниченного продольного перемещения и свободного вращения относительно друг друга.
Работает предлагаемый КССК следующим образом.
Колонковый снаряд с алмазной коронкой обычным путем опускается в скважину. При дохождении до забоя соблюдается особая осторожность. Затем внутрь колонкового снаряда с помощью специальной лебедки опускается под действием силы тяжести подготовленный к работе съемный керноприемник. При бурении глубоких скважин для ускорения доставки керноприемника к забою допускается применять досылку его напором промывочной жидкости при минимальной подаче бурового насоса.
После постановки съемного керноприемника в рабочее положение подачу промывочной жидкости от бурового насоса в бурильную колонну плавно увеличивают от 0 до оптимального количества промывочной жидкости, необходимой для процесса бурения. При этом клапан 12 по стержню 11, сжимая пружину 13, опустится ниже буртика верхнего переходника 9 в расширенную его полость и займет промежуточное положение между буртиками верхнего (9) и нижнего (10) переходников, не препятствуя прохождению оптимального количества промывочной жидкости к забою. Чтобы соблюдалось это обязательное условие, жесткость пружины, размеры клапана, буртиков, камеры определяют расчетом, а затем проводят наладку и регулирование устройства.
При бурении промывочная жидкость из кольцевого межтрубного зазора «a», благодаря плотному прилеганию нижнего торца кернодержателя 22 к внутренней конической поверхности коронки 1 (величина зазора «b» между ними близка к нулю), не будет воздействовать на керн и размывать его, а будет выходить под торец коронки через отверстия «c» в корпусе коронки, гидравлически соединяющие промывочные каналы «d» между секторами торца коронки с внутренней полостью коронки в верхней части внутренней конической поверхности и с межтрубным кольцевым зазором «a».
По окончании рейса подачу промывочной жидкости прекращают, на коробке поверхностного бурового насоса устанавливают скорость с подачей, превышающей оптимальную в 3-4 раза, и включают насос. Благодаря подаче значительно большего количества промывочной жидкости и, соответственно, резкому увеличению скорости движения жидкости в зазорах, на клапан 12 действуют более высокий скоростной напор и возросшее усилие от давления жидкости, в связи с чем клапан 12 быстро опускается вниз и перекрывает канал для прохождения жидкости к забою. Происходит гидравлический удар, на керноприемник действует многократно возросшее осевое усилие, от действия которого на подвесное кольцо 14 срезаются срезные элементы 15, и керноприемник внутри бурильной колонны смещается вниз в пределах предусмотренного конструкцией хода (расстояния от подвесного кольца 14 до упорного буртика на поверхности верхнего переходника 9).
Во избежание вывода из строя применяемого оборудования предохранительный клапан поверхностного бурового насоса должен быть отрегулирован на допустимое паспортное рабочее давление. Срабатывание предохранительного клапана бурового насоса свидетельствует о срабатывании устройства принудительного захвата керна.
Под действием возникшего усилия керноприемная труба 20 с патрубком 23 перемещается вниз, толкает кернозахватный элемент 21. лепестки которого, входя в коническую часть кернодержателя 22. сжимаются внутрь, плотно захватывая керн любого агрегатного состояния. Возможный продольный ход винта 24 внутри кольцевой проточки на корпусе кернодержателя 23 больше возможного перемещения подвесного кольца 14 при срезании срезных элементов (перемещение подвесного кольца ограничено буртиком на поверхности верхнего переходника 9), поэтому деформация и слом винта 24 исключаются.
После срабатывания предохранительного клапана, свидетельствующего о срабатывании кернозахватного устройства, насос выключают, и съемный керноприемник обычным путем поднимают на поверхность.